Техника

Радио: Джагадиш Боше, Реджинальд Фессенден, Ландель де Мура, Александр Попов, Гульельмо Маркони, Никола Тесла, Генрих Герц, Оливер Лодж

Появлению и развитию радиосвязи, как и многим другим ныне широко используемым средствам связи, предшествовал целый ряд открытий и изобретений. Конечно, эти ученые еще не думали о прикладном использовании своих открытий, Однако без фундаментальных исследований современных средств связи просто не было бы.

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что протекающий в проводнике электрический ток отклоняет стрелку магнитного компаса. Таким образом было экспериментально подтверждено, что между электричеством и магнетизмом существует связь. После этого французский физик и математик Андре-Мари Ампер для определения направления отклонения магнитной стрелки током предложил «правило правой руки». Затем Ампер открыл закон взаимодействия двух проводников с током и математически выразил силу этого взаимодействия (закон Ампера).

В 1831 году английский физик и химик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию и стал основоположником учения об электромагнитном поле.

Следующим значительным событием для дальнейшего изобретения радио стала «азбука Морзе». Это случилось в 1838 году, когда американец Сэмюэл Финли Бриз Морзе обнародовал свой телеграфный код. А в 1844 году Альфред Вейл, компаньон Морзе, изобрел простой механический телеграфный ключ для передачи азбукой Морзе, который в несколько усовершенствованном виде будет широко использоваться радиооператорами на протяжении многих десятилетий. Азбука Морзе первоначально использовалась для проводной телеграфии, а с изобретением радио стала применяться и для радиотелеграфии. На протяжении всей последовавшей за этим истории радиосвязь с помощью азбуки Морзе оставалась и остается одним из самых распространенных видов связи. Поначалу она была почти единственным видом любительской радиосвязи.

И конечно же, радио не было бы без открытия электромагнитных волн. В середине XIX века шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл предсказал их существование и в 1864 году математически описал идеи Фарадея в виде уравнений (уравнения Максвелла).

Широкое использование проводной телеграфной связи требовало определенного международного регулирования, и 17 мая 1865 года был подписан первый Международный телеграфный договор, учрежденный Международным телеграфным союзом, ставшим в будущем одним из прародителей современного Международного союза электросвязи.

Но передача информации по проводам виделась довольно громоздкой и дорогостоящей. В середине XIX века ученые и изобретатели начали задумываться о возможности беспроводной связи. Одним из них был американец Мэлон Лумис, который в 1866 году провел первые эксперименты по беспроводной телеграфии, пока что без свидетелей. Через два года он повторяет свои эксперименты перед представителями Конгресса США и в 1872 году получает американский патент на беспроводный телеграф. Однако в дальнейшем изобретение Лумиса практического применения не нашло.

Но изобретение радио приближалось – таково было веление времени. В 1883 году американский изобретатель Томас Эдисон открыл эмиссию электронов нити накала, нагретой до высокой температуры в вакууме под воздействием протекающего через нее тока. Это открытие станет основой функционирования всех электровакуумных приборов.

В 1886 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц изобрел передатчик (вибратор Герца) и приемник (резонатор Герца) электромагнитных волн и на практике доказал, что электромагнитные волны существуют и теория Максвелла верна. Герц принимал радиоволны своего передатчика на расстоянии около 20 метров. О результатах экспериментов мир узнал в декабре 1888 года, после заседания Берлинской Академии наук. Герц сделал величайшее открытие и был в шаге от изобретения практической радиосвязи.

В 1890 году француз Эдуард Бранли создает усовершенствованный когерер, который станет неотъемлемой частью первых радиоприемников, пригодных для радиосвязи.

В 1893 году американец хорватского происхождения Никола Тесла одним из первых публично демонстрирует свою систему беспроводной связи.

В 1893–1894 годах бразилец Роберто Ландель де Мура проводит эксперименты по беспроводному телеграфированию, но не сообщает о них до 1900 года. В 1894 году англичанин Оливер Джозеф Лодж и индиец Джагадиш Чандра Боше показывают использование радиоволн на практике, а в 1895 году россиянин Александр Попов и итальянец Гульельмо Маркони проводят свою демонстрацию радиосвязи.

Именно Попова и Маркони чаще всего называют изобретателями радио: они впервые нашли практическое применение радиосвязи.

Так пришла эпоха радиолюбителей, для наступления которой пригодились еще несколько изобретений и публикаций. В январе 1898 года англичанин Лесли Миллер обнародовал свою работу «Моделист-конструктор и любитель-электрик» – первое описание, как было сказано, «простого в построении передатчика и приемника для слушателя-любителя». В том же году один из первых в мире радиолюбителей англичанин Мид Деннис установил трассу радиосвязи между Дартфордом и Лондоном, а «Журнал новейших открытий и изобретений» (Санкт-Петербург) опубликовал описание «Домашнего устройства для опытов телеграфирования без проводов». Эта любительская радиостанция обеспечивала связь на расстоянии 25 метров. К сожалению, имя автора конструкции в истории не сохранилось.

В следующем, 1899 году научный журнал Scientific American напечатал обширную статью, обсуждающую результаты экспериментов Маркони, а июльский номер журнала American Electrician того же года описал конструкцию антенны Маркони и необходимого радиооборудования. Эти две статьи и работа Миллера вызвали интерес не только у профессионалов, старавшихся применить изобретение радиосвязи, но и у любителей. В ранние годы развития радиосвязи профессионалы и любители использовали искровые передатчики. Они были широкополосными, спектр излучаемого радиосигнала расширялся до нескольких сотен килогерц. Использовались простые неусиливающие детекторные приемники, обычно на основе когереров. Позже когереры уступили место более чувствительным галеновым детекторам. Устройства настройки первых радиостанций были примитивными или вовсе отсутствовали.

Хотя первые радиостанции были не слишком эффективны, их передатчики были способны перекрывать значительные расстояния при условии достаточно высокой мощности прибора: профессиональное оборудование того времени использовало передатчики мощностью до 5 кВт, которые перекрывали расстояние в 800 км. Радиолюбителям обычно приходилось довольствоваться радиосвязью на значительно меньших расстояниях.

Конечно, сеансы радиосвязи еще не были повсеместным и привычным явлением. Да и к получению материальной выгоды от своей деятельности радиолюбители не стремились. После публикации в журналах различных конструкций аппаратуры радиосвязи многие радиолюбители-экспериментаторы построили собственные радиопередатчики и радиоприемники. Регламентирование радиосвязи еще не осуществлялось, так что точное число любительских радиостанций того времени назвать сложно. По некоторым оценкам, число «крупных» любительских радиостанций, способных проводить радиосвязь на расстояниях свыше 15 км, было примерно 600 единиц, в то время как число «мелких» радиостанций, излучавших в пределах 1–3 км, было в пять раз больше – около 3000 единиц. Радиостанции усовершенствовались в США, Великобритании, Европе.

Эксперименты с радиотелефонией стали проводиться в самом начале ХХ века. Пионером в этой области стал американец канадского происхождения Реджинальд Обри Фессенден, свой первый эксперимент он поставил в 1900 году, а в 1906 году успешно передал в эфир радиовещательную программу: музыку и рекламные объявления. Его передачу принимали на детекторные приемники. Но еще несколько лет радиолюбители использовали практически только радиотелеграфный режим работы: прием и передача на искровом оборудовании были затруднительны.

Как бы там ни было, прогресс в этой области набирал свои обороты. В декабре 1901 года Гульельмо Маркони проводит свой знаменитый эксперимент по передаче радиосигнала через Атлантический океан (на расстояние в 3360 км). Это стало настоящей революцией. После эксперимента Маркони началось широкое внедрение радиосвязи для военных и коммерческих целей.

Следующим этапом революции в области радиосвязи стало открытие, совершенное в 1902 году. Англичанин Оливер Хевисайд предсказал существование высоко над поверхностью Земли ионизированного слоя, который должен отражать радиоволны. В будущем произойдет экспериментальное доказательство этой гипотезы. Распространение радиоволн за счет отражения от слоев ионосферы сделает возможными дальние сеансы радиосвязи, и немаловажную роль в изучении этого феномена сыграют именно радиолюбители.

В том же 1902 году американский изобретатель-самоучка Горас Мартин изобретает полуавтоматический телеграфный ключ – прообраз будущих электронных телеграфных ключей, которые широко применяли и продолжают применять вместо простого механического телеграфного ключа.

Широкое распространение радиосвязи стало требовать международного регулирования, ради которого в 1903 году была созвана первая Берлинская международная конференция по беспроводному телеграфу.

Берлинская конференция придала новый импульс усовершенствованию радио. В 1904 году англичанин Джон Амброз Флеминг разработал первый вакуумный диод (лампа Флеминга) для применения его в качестве детектора в радиоприемниках. А через два года американец Ли де Форест ввел в лампу Флеминга третий элемент (сетку) – так появился первый вакуумный триод (аудион Фореста). Установка в электрическую цепь аудиона Фореста могла усилить сигнал в 5 раз. Но изобретение де Фореста оставалось дорогим, требовало больших затрат энергии и при всем при этом имело все-таки малый коэффициент усиления.

Третьего ноября 1906 года на второй по счету Берлинской конференции был подписан международный договор, который в последующем станет прародителем современного ITU. На этой же конференции вместо термина «беспроводный» вводится новый термин – «радио».

С 1908 года начинает выходить специализированный журнал Modern Electrics (впоследствии Electrical Experimenter). Это издание сыграло большую роль в популяризации радиолюбительства. В том же году, к слову, выходит в свет и первый радиолюбительский справочник – Wireless Telegraph Construction for Amateurs («Конструирование беспроводного телеграфа для любителей»).

Как видим, радио развивалось стремительно, людей, увлекающихся связью на расстоянии и собственно радио, становилось все больше. Это привело к созданию в январе 1909 года в Нью-Йорке первого радиолюбительского клуба – «Юниорского клуба беспроводной связи», который в 1911 году стал называться «Радиоклубом Америки». В 1910 году учреждается первое в мире национальное радиолюбительское общество – «Институт беспроводной связи Австралии», а весной 1911 года основан первый британский радиоклуб – «Клуб беспроводной связи Великобритании». В 1911 году число любительских радиостанций составляло уже около десяти тысяч в одних только Штатах, почти столько же в Великобритании и, вероятно, не меньше во всех других странах вместе взятых.

Кроме уже упомянутых, нельзя оставить без внимания и такие события в развитии радиосвязи:

1837 г. – немецкий физик и астроном Карл Август фон Штайнхайль, исследуя свойства двухпроводного телеграфного аппарата, установил, что можно использовать только один провод для телеграфной коммуникации. Это привело его к предположению, что можно избавиться от проводов вообще и передавать сигналы телеграфа через землю, без соединяющих станции проводов.

1854 г. – шотландец Джеймс Боумен Линдси получил патент для системы беспроводной телеграфии через воду.

1859 г. – немецкий физик Беренд Феддерсен экспериментально доказал, что разряды лейденских банок запускают эфирные колебательные процессы.

1872 г. – Уильяму Генри Варду 30 апреля выдан патент США с формулировкой «Усовершенствования для того, чтобы собрать электричество и телеграфировать». Согласно патенту «электрический слой в атмосфере» мог передавать сигналы, как телеграфный провод.

30 июля 1872 г. – Мэлон Лумис получил патент США на беспроводную связь. Президент США Грант подписал закон о финансировании опытов Лумиса, однако оно так и не было открыто. Никаких достоверных данных о характере экспериментов Лумиса не сохранилось, как и чертежей его аппаратов. Патент же детального описания устройств, использованных Лумисом, не содержал.

1878–1879 гг. – английский и американский изобретатель Дэвид Эдвард Хьюз при работе с индукционной катушкой показал возможность обнаружить сигналы на расстоянии более чем несколько сотен ярдов. Свое открытие он продемонстрировал Королевскому обществу в 1880 году, однако коллеги убедили его, что речь идет лишь об индукции. В конце октября 1879 года Дэвид Хьюз пришел к выводу, что из передающей схемы можно и вовсе убрать индукционную катушку, поскольку установил, что любая электрическая искра обусловливает звук в телефоне. Поместив передатчик и приемник в разные комнаты, Хьюз уже не соединял приборы. Только к приемнику на расстоянии 6 футов от передатчика был подсоединен провод, служивший антенной. К слову, одна из первых антенн фигурировала еще в опытах Луиджи Гальвани (1737–1798), в которых детектором служил свежий препарат лягушки.

Март 1882 г. – профессор физики Тафтского университета (Бостон, США) Амос Долбер получил американский патент на беспроводный телеграф. Он обнаружил, что можно использовать в качестве проводника землю и что если разорвать провод между передатчиком и приемником, то связь все равно будет, хотя и с потерей качества звука. Ученый утверждал, что добился передачи сигналов на расстояние 13 миль.

1883 г. – ирландский профессор Джордж Фрэнсис Фицджеральд предложил использовать эфирные колебания в качестве источника максвелловских волн. Однако он не представлял, как эти волны зарегистрировать, а потому ограничился чистой теорией.

1888 г. – во время Большой снежной бури 1888 года в США Эдисон применил беспроводную связь, чтобы послать и получить сообщения от поездов, занесенных снегом. Это стало, по всей видимости, первым успешным использованием беспроводной телеграфии для спасения людей.

1885–1892 гг. – фермер из Кентукки, США, Натан Стабблфилд изобрел устройство, основанное на звуковой частотной индукции. Для передачи сигнала использовалась звуковая проводимость земли, а не радиочастота.

1890 г. – российский ученый Яков Оттонович Наркевич-Иодко применил для регистрации грозовых разрядов прибор, имевший основные компоненты радиоприемных устройств – антенну, заземление и телефонную трубку. Аппарат позволял регистрировать электрические разряды в атмосфере на расстоянии до 100 км.

1891–1892 гг. – главный инженер британского почтового ведомства Уильям Прис успешно экспериментировал с индукционной передачей сигналов азбукой Морзе между прибрежными приемно-передающими станциями (в том числе через Бристольский залив), разнесенными на несколько километров (до 5 км).

1892 г. – англичанин Уильям Крукс впервые системно описал принципы передачи информации с помощью электромагнитных волн.

1893 г. – Тесла патентует радиопередатчик и изобретает мачтовую антенну, с помощью которой в 1895 году передает радиосигналы на расстояние 30 миль.

1894 г. – Гульельмо Маркони под влиянием идей профессора Аугусто Риги, высказанных в некрологе Генриху Герцу, начинает эксперименты в области радиотелеграфии (первоначально – с помощью вибратора Герца и когерера Бранли). Однако никаких письменных свидетельств того времени, которые могли бы подтвердить эти опыты Маркони, не имеется.

Ноябрь 1894 г. – публичная демонстрация опытов по беспроводной передаче сигнала в миллиметровом диапазоне сэром Джагадишем Чандра Боше в ратуше города Калькутты. Кроме того, Боше изобрел ртутный когерер, не требующий при работе физического встряхивания.

1895 г. – английский физик Эрнест Резерфорд опубликовал результаты своих экспериментов по детектированию радиоволн на расстоянии в три четверти мили от их источника. Для приема радиоволн Резерфорд дополнил резонатор Герца катушкой из тонкой проволоки с намагниченной стальной иглой внутри. Под действием радиоволновых импульсов игла размагничивалась, что и показывал магнитометр.

Весна 1895 г. – Маркони добивается передачи радиосигнала на несколько сотен метров.

Сентябрь 1895 г. – по некоторым утверждениям, Попов присоединил к приемнику телеграфный аппарат и получил телеграфную запись принимаемых радиосигналов. Однако никаких документальных свидетельств об опытах Попова с радиотелеграфией до декабря 1897 г. (то есть до опубликования патента и сообщений об успешных опытах Маркони) обнародовано не было.

2 июня 1896 г. – Маркони подает заявку на патент, а 2 сентября того же года демонстрирует свое изобретение на равнине Солсбери, передавая радиограммы на расстояние 3 км.

1897 г. – французский предприниматель Эжен Дюкрете строит экспериментальный приемник беспроводной телеграфии по чертежам, предоставленным А. С. Поповым.

24 апреля 1897 г. – Попов на заседании Русского физико-химического общества, используя вибратор Герца и приемник собственной конструкции, передает на расстояние 250 м первую в России радиограмму: «Генрих Герц».

2 июля 1897 г. – Маркони получает британский патент с формулировкой «Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов в передающем аппарате». В общих чертах приемник Маркони воспроизводил приемник Попова (с некоторыми усовершенствованиями), а его передатчик – вибратор Герца, усовершенствованный Риги. Принципиально новым было то, что приемник изначально подключался к телеграфному аппарату, а передатчик соединялся с ключом Морзе, что и сделало возможным радиотелеграфическую связь. Еще Маркони использовал антенны одинаковой длины для приемника и передатчика, что позволило резко повысить мощность передатчика, а детектор Маркони был гораздо чувствительнее детектора Попова, что признавал и сам Попов.

Январь 1898 г. – первое практическое применение радио: Маркони передает сообщения журналистов из Уэльса о смертельной болезни Уильяма Гладстона.

1898 г. – Маркони открывает первый в Великобритании «завод беспроводного телеграфа» – в Челмсфорде, на заводе работали 50 человек.

Конец 1898 г. – Эжен Дюкрете в Париже приступает к мелкосерийному выпуску приемников системы Попова.

1898 г. – присуждение А. С. Попову премии Русского технического общества «за изобретение приемника электромагнитных колебаний и приборов для телеграфирования без проводов».

3 марта 1899 г. – радиосвязь была успешно использована в морской спасательной операции: с помощью радиотелеграфа спасены команда и пассажиры потерпевшего кораблекрушение парохода Mathens.

Май 1899 г. – помощники Попова П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий обнаружили детекторный эффект когерера. На основании этого эффекта Попов модернизировал свой приемник для приема сигналов на головные телефоны оператора и запатентовал как «телефонный приемник депеш».

1900 г. – радиосвязь была успешно использована в морской спасательной операции в России. По инструкциям Попова была изготовлена радиостанция на острове Готланд, у которого сел на мель броненосец береговой обороны «Генерал-адмирал Апраксин». Радиотелеграфные сообщения на радиостанцию острова Готланд приходили с находящейся в 25 милях передающей станции Российской военно-морской базы в Котке, которая телеграфной линией была связана с Адмиралтейством Санкт-Петербурга. Приборы, использовавшиеся в спасательной операции, были изготовлены в мастерских Эжена Дюкрете. В результате обмена радиограммами ледоколом «Ермак» были также спасены финские рыбаки с оторванной льдины в Финском заливе.

1900 г. – Маркони получает патент на систему настройки радио, а работы Попова отмечены Большой золотой медалью и дипломом на Международной электротехнической выставке в Париже.

1905 г. – Маркони получает патент на направленную передачу сигналов.

1906 г. – Реджинальд Фессенден и Ли де Форест обнаруживают возможность амплитудной модуляции радиосигнала низкочастотным сигналом, что позволило передавать в эфире человеческую речь.

1909 г. – присуждение Маркони и Ф. Брауну Нобелевской премии по физике «в знак признания их заслуг в развитии беспроволочной телеграфии».

Как видим, вопрос о том, кто же изобрел радио первым, следует забыть: без обмена идеями и развития науки и техники никакое изобретение невозможно, а споры о приоритете зачастую как минимум некорректны.