Изобретение радио

Алина Грибулина

Двадцатый век вошел в историю как эпоха величайшего взлета научной мысли и колоссального технического прогресса. Наряду с успехом ядерной физики и первыми шагами в освоении космоса, одним из самых удивительных достижений человеческого гения является радио. Эта область знаний и практической деятельности родилась в самом конце XIX в. С тех пор минуло без малого сто лет – в историческом масштабе срок не слишком большой, но за это время радио в своем развитии прошло огромный путь от первого радиоприемника А. С. Попова до современного Интернет-вещания. Поистине сказочных успехов достигла радиоэлектроника, как теперь именуют радиотехнику со всеми ее ветвями и многочисленными направлениями.

 Первый портативный радиоприемник. Фото: 1945 г.

В первых опытах информация передавалась на расстояния в несколько метров. Затем на сотни километров. Теперь радиоволны пронизывают все земное пространство. А слушать радио можно даже находясь в Антарктиде, главное, чтобы была передающая антенна или доступ в сеть. Радиоэлектроника дала в руки человека средства, позволившие победить пространство; связь, радиовещание, телевидение и Интернет сближают людей, разделенных огромными расстояниями. Осуществляется двухсторонняя связь со спутниками и космическими кораблями, удаленными на многие миллионы километров, проведена радиолокация некоторых планет Солнечной системы.

Именно поэтому мы глубоко признательны и гордимся нашим соотечественником, Александром Степановичем Поповым, который изобрел радио. Он смог правильно оценить значение открытых Герцем электромагнитных волн и первым сумел найти им применение для связи.

Предыстория радио

По мере развития потребностей в средствах связи, особенно возросших к концу XIX столетия, все более и более становилась заметной ограниченность электрического телеграфа. Требовалась длительная и дорогостоящая прокладка проводов, встречались трудности при осуществлении связи в горах и через водные пространства, отсутствовала возможность связи с подвижными объектами и, прежде всего, с судами, находящимися в море.

 Работа на телеграфе (получение телеграфных сообщений). Гравюра 1865 г.

В поисках средств связи без проводов многие ученые пытались использовать проводимость земли и воды, а также явления электромагнитной и электростатической индукции. Однако дальность при любом виде такой связи не превышала десятков метров.

Английский ученый М. Фарадей в результате исследований электрических и магнитных полей в 1831 г. открыл закон электромагнитной индукции, фактически заложивший начало учению о беспроводной передаче электрической энергии.

Через 40 с лишним лет, в 1873 г., другой английский ученый Д. Максвелл опубликовал свой «Трактат об электричестве и магнетизме». По Максвеллу следовало, что природа световых и электромагнитных явлений одна и та же, что должны существовать электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Уравнения Максвелла устанавливали математическую зависимость между электрическими и магнитными силами электромагнитного поля. Эти волны сам Максвелл не мог воспроизвести или обнаружить; не указал он и способа их получения.

 Памятник Д. Максвеллу в Эдинбурге. Открыт в 2008 г.

Противники теории Максвелла (а их было немало) особенно подчеркивали отсутствие практических доказательств ее правоты – опытного подтверждения существования электромагнитных волн. На самом же деле такие подтверждения существовали, но экспериментаторы не придали им должного значения.

Профессор Илайю Томсон во второй половине 1875 г., читая лекции в Центральной высшей школе в Филадельфии (США), пользовался индукционной катушкой (Индукционная катушка имела две обмотки, намотанные на стальном сердечнике. Первичная обмотка с небольшим числом витков подключалась к источнику постоянного тока (обычно аккумулятору), периодически прерываемому с помощью электромагнитного прерывателя. Такой прерывистый постоянный ток индуктировал во вторичной обмотке (с большим числом витков) переменный ток высокого напряжения.). Один зажим вторичной обмотки катушки был заземлен (присоединен к водопроводной трубе), а другой соединен с большим металлическим сосудом, стоявшим на стеклянной подставке. Если при работе катушки выводы ее вторичной обмотки сближались настолько, что между ними возникал поток ярких искр, то приближение хорошо заостренного свинцового карандаша к любому металлическому предмету, находящемуся на некотором расстоянии от катушки, например, к сквозной металлической дверной ручке внутри комнаты или снаружи ее, вызывало искру.

В 1876 г. профессор Сильванус Томпсон в Англии, также работая с индукционной катушкой, наблюдал проскакивание электрических искр между находящимися вблизи металлическими предметами. Он отметил непосредственную связь между работой индукционной катушки и появлением искр, но причиной этого явления Томпсон, как и его предшественники, не заинтересовался; а кроме того, он не был сторонником теории Максвелла.

 Профессор Томпсон читает лекцию в Королевском институте (Великобритании). Фото: 1910 г.

Наконец, в 1879 г., за девять лет до опытов Герца, Д. Юз заметил, что при работе индукционной катушки изменяется сопротивление стержневого угольного микрофона и в присоединенном к нему телефоне слышатся звуки. Юз предположил, что это явление можно объяснить действием электромагнитных волн, но ученые, которых он пригласил на демонстрацию своих опытов в 1880 г., убедили Юза, что наблюдаемое явление можно объяснить электромагнитной индукцией. Результаты опытов Юза, который ближе всех подошел к открытию электромагнитных волн, остались неизвестными его современникам и не способствовали открытиям более поздних исследователей. Впервые о своих наблюдениях Юз рассказал лишь в 1899 г. Фаи, автору книги по истории беспроволочной телеграфии.

Понадобилось несколько лет упорного труда, прежде чем Герц смог в 1888 г., разряжая конденсатор через искровой промежуток, наблюдать в лаборатории электромагнитные волны и доказать, что они обладают многими свойствами световых волн, т. е. подтвердить правоту теории Максвелла.

В опытах Герца источник переменного тока высокого напряжения (индукционная катушка), соединенный с электродами разрядника, вызывал в вибраторе колебательный искровой разряд. Присоединяемый к разряднику вибрирующий элемент состоял из двух металлических прутков, длина которых определяла период колебаний. Длины волн в опытах Герца были порядка 60 см – 6 м.

Для обнаружения электромагнитных волн, излучаемых виброэлементом, Герц пользовался простейшим прибором – резонатором, представлявшим собой виток проволоки с небольшим искровым промежутком, в котором при работе вибратора проскакивали искорки.

Иллюстрация опытов Герца с электромагнитными волнами. Гравюра 1910 г.

Опыты Герца повторяли и изучали многие ученые (Лодж, Риги, Блондло, Лехер, Бозе, Пупин, Минчин, Тесла, Столетов, Егоров, Попов), но из них лишь Попов стал искать технические пути применения электромагнитных волн для беспроволочной передачи сигналов.

По словам профессора Н. Н. Георгиевского, который некоторое время работал ассистентом Попова в Минном офицерском классе, «еще до 1891 г. А. С. Попов в тесном кругу близких ему лиц высказывал мысль о возможности использовать лучи Герца для передачи сигналов на расстояние».

В журнале «Электричество» за 1890 г. (№ 1 – 5) был напечатан обзор профессора О. Д. Хвольсона под заглавием «Об опытах Герца и их значении». В заключительных словах этого обзора было сказано: «Опыты Герца пока кабинетные; что из них разовьется дальше и не представляют ли они зародыш новых отделов электротехники, – этого решить в настоящее время невозможно». Редакция журнала к этому добавила сноску: «Например, телеграфия без проводов наподобие оптической».

Английский физик В. Крукс в «London Fortnightly Review» напечатал статью, в которой предсказывал, что обнаруженные Герцем и затем неоднократно демонстрировавшиеся Лоджем электромагнитные волны найдут применение для связи без проводов.

Поскольку наиболее слабым местом в опытах Герца был его малочувствительный резонатор, многие ученые, повторяя его опыты, пытались найти новые способы обнаружения электромагнитных волн.

Наиболее плодотворными оказались работы, связанные с исследованием поведения проводящих веществ с зернистой структурой под действием электромагнитных волн. Видная роль в них принадлежит французскому ученому Э. Бранли. Эти исследования имеют свою предысторию, начавшуюся задолго до открытия электромагнитных волн, в которой можно отметить ряд имен. Так, например, еще в 1835 г. П. С. Мунк оф Розеншельд описал возрастание электрической проводимости смеси из мелких зерен олова, угля и других проводников под действием разряда лейденской банки. В 1866 г. братья Варлей взяли в Англии патент (№ 165, 1866 г.) на устройство для защиты телеграфной аппаратуры от ударов молнии – два медных электрода, почти соприкасающиеся друг с другом, и небольшой слой угольного порошка между ними. К. Варлей отмечал, что порошок обладает большим сопротивлением при небольшом напряжении, но часто оказывает малое сопротивление при разряде высокого напряжения. Частицами цинка и серебра в трубочке пользовался также Юз как индикатором электромагнитных волн. Профессор Ф. Кальцекки-Онести в Италии исследовал в 1884 – 1886 гг. изменения электрической проводимости металлических порошков и опубликовал полученные им результаты. Наконец, в 1890 г. Э. Бранли заметил, что электрические разряды изменяют сопротивление металлических порошков и оно восстанавливается только после встряхивания.

Заслуга Бранли состоит в том, что, сделав это открытие, он очень детально исследовал свойства металлических порошков и опубликовал в 1894 г. ряд новых результатов. Он указал, например, что в некоторых случаях электрические разряды увеличивали проводимость металлов, а в других уменьшали ее (контакт между свинцом и его перекисью). Бранли пользовался присоединенными к трубочке с опилками гальванометром и батареей, включенными последовательно. Меняя давление на порошок, Бранли добивался прекращения тока через трубочку, а затем включал в действие индукционную катушку и наблюдал отклонение стрелки гальванометра. Он указал также, что вернуть трубке с металлическим порошком ее большое сопротивление можно путем встряхивания самой трубки или же ее подставки.

 Так называемый «прибор Бранли», который ученый использовал чтобы улавливать радиоволны

Работы Бранли заинтересовали О. Лоджа, увидевшего в этом открытии возможность получить более чувствительный индикатор электромагнитных волн, чем резонатор Герца. Лодж усовершенствовал конструкцию трубочки с металлическим порошком и назвал этот прибор когерером. Для механического встряхивания когерера после прохождения электромагнитных волн, чтобы возвращать этим присущее ему высокое сопротивление, Лодж использовал вращение зубчатого колеса (посаженного на ось телеграфного аппарата Морзе, заводимого пружиной), действие электрического звонка и другие способы. Но при этом он ни в какой мере не заботился о том, чтобы это встряхивание когерера было согласовано с периодичностью поступающих в приемник серий колебаний, создаваемых индукционной катушкой.

 Когерер Лоджа. Из лондонского Музея науки, Великобритания

После смерти Герца Лодж прочел 1 июня 1894 г. в Королевском институте лекцию «Творение Герца», посвященную его памяти и описанию работ некоторых его последователей. Лекцию затем перепечатал «The Electrician». Лодж повторил опыты Герца, объяснил публике устройство когерера. Однако ни в лекции, ни в других выступлениях Лоджа не была указана возможность применения волн Герца для связи без проводов (Много лет спустя Лодж сам говорил об этом периоде его работы так: «Хотя метод сигнализации на небольшом расстоянии через стены или другие непроводящие тела посредством волн Герца, посылаемых одной станцией и обнаруживаемых трубкой Бранли на другой станции, применялся автором и некоторыми другими авторами в Англии, он не был использован ими для практического телеграфирования. Идея замены гальванометра... на реле, работающее как звукоуказатель, или телеграфным аппаратом Морзе сама по себе очевидна, но была столь далека от интересов автора в то время, что он не увидел какой бы то ни было практической возможности телеграфирования через пространство... В этом заблуждении относительно практических применений беспроволочной телеграфии он, несомненно, ошибался. Другие не были столь слепы, хотя и не менее автора заняты»). Лекция Лоджа о работах Герца в «The Electrician» способствовала появлению у Попова идеи создания приемника радиоволн с использованием когерера. Но здесь он пошел по своему собственному пути и вскоре смог передавать сигнал посредством электромагнитных волн.

Без пяти минут изобретатель

Стремясь обнаружить электромагнитные волны новым способом, более чувствительным, чем проволочный резонатор Герца, Попов прочел статью Лоджа «Творение Герца» в журнале «Nature» от 1894 г. Вот как он описывал свои мысли на этот счет: «В начале текущего года (1895 г.) я занялся воспроизведением некоторых опытов Лоджа над электрическими колебаниями с целью пользоваться ими на лекциях; но первые же опыты показали мне, что явление, лежащее в основе этих опытов, – изменение сопротивления металлических опилок под влиянием электрических колебаний – довольно непостоянно; чтобы овладеть явлением, пришлось перепробовать несколько комбинаций». Опыты, выполненные Поповым для того, чтобы «овладеть явлением», скупо перечислены им в докладе «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», но даже и такой краткий перечень показывает, какую работу проделал изобретатель. Он исследовал свойства порошков из различных металлов, составляя разные смеси, придавая им различную зернистость и форму (металлический бисер, дробь), изучил их поведение при прохождении электромагнитных волн, пробуя трубочки разной формы, подбирая длину и положение соединительных электродов в трубках.

 А. С. Попов. Фото 1890-е гг. (?)

В Центральном музее связи им. А. С. Попова в Петербурге демонстрируются плитки, на которых ученый жег опилки металлических порошков (в том числе медь, нейзильбер), выставлены и самодельные ситечки для просеивания опилок, когереры собственноручного изготовления, среди которых – когерер с конусами в эбонитовой трубке.

Между конусами насыпались опилки, а степень сжатия их регулировалась перемещением одного из конусов с винтовой нарезкой. Показан и вращающийся когерер – стеклянная трубка с металлическим бисером, вращающаяся с помощью привода на шнурке, а также когерер с электромагнитным встряхивателем.

Полагая, что уменьшение сопротивления когерера при электрических разрядах вызывается своеобразным «спеканием» опилок в металлические «нити», Попов располагал электроды так, чтобы намеренно образовывать нити. Испробовав ряд вариантов, он остановился на конструкции когерера, состоявшей из стеклянной трубки (диаметром около 1 см и длиной 6 – 8 см), к стенкам которой изнутри были приклеены тонкие платиновые полоски. Трубка, наполовину наполненная мелкими стальными опилками, располагалась горизонтально.

После того как Попов решил первую задачу, а именно добился «удовлетворительного постоянства чувствительности при употреблении трубки с платиновыми листочками и железным порошком», он стал решать вторую – изобретать конструкцию когерера, в которой «связь между опилками, вызванная электрическим колебанием, разрушалась немедленно автоматически». В результате была найдена очень простая конструкция: трубку когерера должна встряхивать каждая серия приходящих колебаний, возбуждаемых периодически с частотой замыкания прерывателя индукционной катушки, питающей генератор электромагнитных волн. Придя к этой мысли, изобретатель установил над когерером обычный электрический звонок: при «спекании» опилок в момент прихода электромагнитной волны звонок срабатывал, молоточек его ударялся о чашечку звонка и, падая, касался стеклянной трубки когерера в том месте, где на нее был надет отрезок резиновой трубки для амортизации удара. Так осуществлялось автоматическое встряхивание когерера при приходе сигнала. «Такая комбинация, – говорил будущий изобретатель, – дает возможность отмечать отдельные, следующие друг за другом разряды колебательного характера».

 На сайте Центрального музея связи (https://www.rustelecom-museum.ru/) можно совершить онлайн экскурсию и послушать аудиогид.

Когерер с автоматическим встряхиванием стал основной частью радиоприемника Попова. По его словам, «На одиночное колебание прибор отвечает коротким звонком; непрерывно действующие разряды спирали (индукционной катушки) отзываются довольно частыми, через приблизительно равные промежутки следующими звонками».

Так была решена задача воспроизведения приемником коротких и длинных посылок, что было совершенно необходимо, например, для передачи сигналов азбукой Морзе. Но для осуществления практической связи этого было недостаточно. Нужно было добиться связи на большие расстояния. С этой целью Попов с самого начала своих опытов использовал антенну.

Присоединение к приемнику антенны – вертикального отрезка проволоки длиной в 2,5 м – позволяло на открытом воздухе принимать сигналы, посылаемые вибратором, находившимся на расстоянии до 80 м. Это было весной 1895 г.

Опытным путем было установлено, что приемник способен реагировать и на электромагнитные колебания, создаваемые не вибрирующим элементом (когда он был отключен), а значительно более мощным источником электромагнитных волн – грозой на расстоянии около 30 км.

Прошло почти пять лет с того времени, когда Попов впервые говорил о возможности использовать лучи Герца для передачи сигналов на расстояние, до того момента, когда он осуществил применение электромагнитных волн для создания связи на расстоянии без проводов.

Первая демонстрация

7 мая 1895 г. в ученых кругах Петербурга произошло событие, которое, как отмечает газета «Кронштадтский вестник», «было встречено с большим интересом и сочувствием». Это был доклад «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям», прочитанный Поповым.

В протоколе указывается: «опыты изменения сопротивления порошков под влиянием электрических колебаний в описанном приборе были показаны докладчиком». Его доклад по существу был сообщением об изобретенном приборе, который может быть применен для беспроволочной связи с помощью электромагнитных волн, что и было подтверждено демонстрацией работы аппаратуры. Свою статью, излагавшую содержание доклада и озаглавленную «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», Попов закончил словами: «Мой прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применен к передаче сигналов на расстояния при помощи быстрых электрических колебаний, как только будет найден источник таких колебаний, обладающий достаточной энергией». Упоминание автора о мощном передатчике (источнике колебаний достаточной энергии), вероятно, было навеяно недавним открытием возможности приема сигналов, посылаемых отдаленной грозой.

Эти заключительные слова, свидетельствующие о значении, которое ученый придавал своему изобретению, в то же время говорят и о тех путях, которые были намечены для применения аппарата на больших расстояниях.

Первое печатное сообщение об изобретении Попова вышло 30 апреля 1895 г. в газете «Кронштадтский вестник». В нем говорилось: «Уважаемый преподаватель А. С. Попов, делая опыты с порошками, комбинировал особый переносный прибор, отвечающий на электрические колебания обыкновенным электрическим звонком и чувствительный к герцевским волнам на открытом воздухе на расстояниях до 30 сажен.

Поводом ко всем этим опытам служит теоретическая возможность сигнализации на расстоянии без проводников, наподобие оптического телеграфа, но при помощи электрических лучей».

 Попов демонстрирует свое изобретение. Иллюстрация: СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Вскоре после этого Попов приспособил свой приемник для регистрации гроз. В дальнейшем его стали называть «грозоотметчиком». Для этого параллельно звонку было присоединено электромагнитное реле с самописцем и добавлен барабан с бумагой, вращаемый часовым механизмом. Переделанный таким образом прибор летом 1895 г. Попов передал своему университетскому товарищу Г. А. Любославскому, профессору Петербургского лесного института, заведовавшему метеорологическим кабинетом. Здесь регистратор гроз был присоединен к приемной антенне – проводу, укрепленному на мачте, стоявшей на крыше. В том же 1895 г. Попов, работая летом на электростанции Нижнего Новгорода, изготовил еще один регистратор и пользовался им для предупреждения о приближении грозы, во время которой, по правилам того времени, следовало выключать и заземлять воздушные линии электропередачи. Позже Попов экспонировал агрегат на Всероссийской промышленной и художественной выставке 1896 г. в Нижнем Новгороде. Там он был удостоен диплома II степени.

Главный ярмарочный дом во время Всероссийской выставки в Нижнем Новгороде. Источник: Википедия

Январем 1896 г. датирован тот номер «Журнала Русского физико-химического общества», в котором был напечатан доклад Попова, прочитанный им 25 апреля 1895 г. В рукопись были добавлены сведения о результатах применения регистратора гроз в Лесном институте летом 1895 г., что было важно для подтверждения возможности радиосвязи в практических условиях. Автор отметил, что атмосферные помехи, вызывающие срабатывание приемника и тем самым мешающие радиосвязи, бывают не так уж часто. С некоторыми сокращениями текст доклада появился в том же году в журналах «Электричество» и «Метеорологический вестник». Рефераты доклада в 1897 г. были опубликованы во французских и немецких научных журналах.

В течение зимы 1895/96 г. Попов продолжал совершенствовать свой приемник и к началу 1896 г. добился существенных результатов. В течение первых месяцев 1896 г. этот усовершенствованный прибор публично демонстрировался трижды.

«В январе 1896 г. я демонстрировал свой прибор в Кронштадтском отделении Технического общества, – писал впоследствии ученый, — и говорил о желательности испытания моего прибора на значительных расстояниях, при этом я показывал действие прибора в таком опыте: в одной из зал был установлен вибратор Герца, а прибор со звуком был на легкой переносной подставке, полюсы трубки были снабжены для резонансов листами цинка одного размера с листами вибраторов. Прибор, носимый по аудитории и удаленный в заключение в крайние комнаты здания, все время отвечал на заранее определенные звонковые сигналы».

Итак, в первом полугодии 1896 г. русские научные и технические круги трижды были ознакомлены с новыми достижениями Попова. Технические сведения о приборах, применявшихся им для связи без проводов, и сам факт беспроводной сигнализации между отдельно стоящими зданиями были опубликованы в апрельском номере «Почтово-телеграфного журнала» за 1896 г. Лишь «Осенью 1896 г. появились краткие газетные сообщения о работах Маркони, причем сущность опытов была тщательно скрываема», – указывал Попов в письме в газету «Новое время» прямо говоря о первенстве в изобретении радио.

Таким образом Попов первым сделал необходимое для превращения беспроводного телеграфа из теоретической модели в практически осуществимую вещь.