2.5. Излучение и приём электромагнитной энергии

Данные табл. 2.1 при внимательном рассмотрении дают основания утверждать, что электромагнитные волны, как переносчики энергии различного достоинства, во всём их многообразии являются самыми распространёнными в окружающем нас Мире.

Действительно, даже возникновение и развитие жизни на нашей планете стадо возможным благодаря электромагнитной энергии, посылаемой в окружающее пространство Солнцем.

Первобытный человек, согревающийся у костра, не подозревая, что получает тепловую энергию, в частности, посредствам электромагнитных волн инфракрасного и оптического диапазона, стал доминировать именно благодаря умению пользоваться этой энергией.

Человек, как и многие другие живые организмы, располагает двумя информационными каналами, акустическим и оптическим.

Рис. 2.26. Приёмник электромагнитной энергии в оптическом диапазоне длин волн

Оптический канал. Наше зрение, основано на приёме и обработке электромагнитных волн с длинами А = 380 - 760 нм (рис. 2.26). В сравнении со всей шкалой электромагнитных волн, выделенный природой человеку диапазон, конечно весьма узок, многие животные, например змеи, видят и в инфракрасном диапазоне, а волны оптического диапазона воспринимают гораздо хуже челоТваеккиам. образом, в подавляющем большинстве, живые организмы воспринимают этот мир благодаря природному дару «видеть» и обрабатывать электромагнитные волны.

Оптическое устройство глаза достаточно хорошо изучено, чего нельзя сказать о процессах формирования зрительных образов. Впрочем, и с другим каналом информации, акустическим, такая же картина.

Всё что касается акустики и механики слуха достаточно полно изучено, а вот с акустическими образами, мягко говоря, не совсем всё ясно.

Электромагнитные волны с длинами от А = 100 км и до А = 0,1 мм нашими органами чувств осознанно не воспринимаются, хотя влияние на организм человека и животных оказывают. Реагируют же негативно люди на электромагнитные вспышки на Солнце, да и не только люди. Кстати, влияние электромагнитного излучения нашего светила на земную жизнь впервые было обнаружено по цикличности урожайности пшеницы и по годовым кольцам деревьев. Именно анализ этой информации позволил установить двенадцатилетний цикл активности нашей «домашней» звезды.

Особое место в жизни и развитии современной цивилизации занимают электромагнитные волны, так называемого, радиодиапазона. Освоение этой электромагнитной энергетической ниши началось в 1845 г. стараниями Майкла Фарадея, который впервые ввёл понятие электромагнитного поля.

Это было одним из самых значимых научных открытий со времён Ньютона, как с теоретических позиций, так и в практическом плане. Фарадей впервые из всех осознал, что электромагнитное поле может существовать в пустоте, обладая при этом вполне определённой энергией, как и всякая волна в среде.

Далее на научном горизонте взошла звезда сразу трёх гениев, Максвелла, Герца и Хевисайда. В 1865 г. Максвелл предложил свою электродинамику, предсказавшую наличие электромагнитных волн. Главный вывод следовавший из уравнений Максвелла заключался в возможности распространения электромагнитной энергии в пространстве со скоростью света.

В 1887 - 1888 гг. Генрих Герц, ведомый опытным и маститым Гельмгольцем, пытаясь опровергнуть Максвелла, экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн. Вскоре после экспериментов, доказавших, что излучение диполя является волной нового типа, Герц совместно с Хевисайдом двадцать уравнений Максвелла свели всего к четырём уравнениям, которые, в принципе описали многие физические, давно не дававшие покоя учёным явления, включая

излучение Солнца и других космических объектов.

Дальше общественное мнение о приоритетах в развитии излучения и приёма электромагнитной энергии радиодиапазона резко поделилось.

Оспаривают лидерство наш соотечественник Александр Степанович Попов и итальянский инженер Гульельмо Маркони.

Попов 25 апреля (7 мая - по новому стилю) 1895 г., будучи преподавателем военно-морского высшего учебного заведения в Кронштадте на собрании научного общества впервые в мире сообщил об изобретении им метода и прибора для использования электромагнитных волн при беспроводной передачи информации.

Менее чем через год Попов продемонстрировал устройство, посредством, которого он без проводов передал радиограмму, состоящую всего из двух слов: «Генрих Герц».

Подробное описание аппаратуры Попова было сделано в ряде журналов Русского физикохимического общества в феврале, ноябре 1895 г., там же автором был изложен принцип модуляции высокочастотных колебаний низкочастотными колебаниями звукового диапазона.

После пробной радиопередачи А. С. Попов интенсивно исследовал методы увеличения даль- Рис. 2.27. АО. Попов и Г. Маркони ности передачи информации в виде электромагнитных волн. По решению командования Балтийского флота были изготовлены несколько комплектов аппаратуры, которую смонтировали на кораблях.

Для расширения внедрения конструкторская документация была передана иностранным изготовителям в Германии и Франции. Несколько образцов аппаратов Попова было выпущено в Англии военным ведомством.

Публикации Попова привлекли внимание известного физика Аугусто Риги из Болонского университета, который познакомил с научной новинкой молодого, но очень предприимчивого инженера Гульельмо Маркони.

Из текста патента следовало, что Маркони в своём патенте применил приёмник энергии электромагнитных волн А.С. Попова, добавив в схему отдельное питание от химического источника тока звонка.

Даже в таком варианте Маркони по времени отстал от Попова, практически, на 2 года. Далее Маркони создаёт фирму «Marconi Telegraph Company» и начинает снабжать аппаратами весь английский флот.

Повторилась история испанского компаса. Испания родина компаса и всё тут. Китайцы и Викинги выходные. А Маркони для всей Европы изобретатель радио, Попов вроде и ни при делах. Очевидно в таком положении дел больше политики, чем здравого научно-технического смысла.

Основным элементом в первом приёмнике А.С. Попова являлся когерер Лоджа (рис. 2.28).

Когерер представлял собой активный элемент, изменяющий своё сопротивление при внешних воздействиях. Таким воздействием была энергия электромагнитной волны.

Когерер (рис. 2 29) представлял собой стеклянную трубку, заполненную железными опилками. В обычном состоянии трубка с опилками обладала вследствие плохого электрического контакта между отдельными частичками проводника большим омическим сопротивлением, порядка одного мегома.

При прохождении электромагнитной волны между частичками проводника проскакивают электрические разряды (искорки) и частички слипаются, уменьшая в 100 - 200 раз сопротивление когерера за счёт точечного разрушения окисных плёнок на поверхности металлических опилок.

Для приведения устройства в исходное состояние его необходимо встряхивать, чтобы

разрушить установившиеся под действием              Рис.              2.29.

энергии электромагнитной волны контакты.

Таким образом когерер, подобно современному электронному устройству триггеру Шмидта имеет два устойчивых состояния, причём в состояние малого сопротивления от переводится внешним электромагнитным воздействием, а в состояние высокого омического сопротивления - внешним механическим воздействием. По сути, когерер является своеобразным ключом с «защёлкой», фиксирующим прохождение электромагнитного импульса.

Когерер был изобретён Эдвардом Бранли в 1890 г. В 1894 г. устройство было усовершенствовано Оливером Лоджем, который для встряхивания когерера приспособил ударник с часовым механизмом, через заданные промежутки времени ударник сотрясал трубку с опилками, приводя её в состояние большого сопротивления.

Рис. 2.30. Приёмник (грозоотметчик) Попова (музейный экспонат)

Александр Степанович Попов использовал когерер Лоджа в своём первом приёмнике, который регистрировал электромагнитное излучение, сопровождающее грозовые разряды, т.е. им был построен первый в мире грозоотметчик.

На рис. 2.30 показан образец грозоотметчика А.С. Попова. Прервые эксперименты Попов провёл в начале 1895 г., расположив рядом с приёмником вибратор Герца. Во время этих экспериментов впервые в мировой практике была использована антенна в виде длинного провода, подключаемого к одному из контактов когерера, второй контакт заземлялся.

Эти нововведения позволили фиксировать искровые разряды, генерируемые вибратором Герца на расстоянии 60 м. Во время экспериментов Попов заметил, что время от времени приёмник регистрировал не волны, излучаемые вибратором, а какое-то постороннее более мощное излучение. Наблюдения показали, что приёмник реагирует на грозовые разряды.

Обнаружив такое свойство своего прибора Попов изготовил новый образец приёмника, снабдив его самописцем с бумажной лентой, размещённой на барабане (рис.

Рис. 2.31. Грозоотметчик и радиотелеграф А. С. Попова

Грозоотметчик Попова был установлен в лаборатории лесного института и мог фиксировать приближение грозы за 30 км

Но главной целью Александра Степановича было получение аппарата для телеграфной связи без проводов. В марте 1896 г. Попов продемонстрировал первую в мире передачу осмысленной информации из одного здания в другое, находящееся на расстоянии 250 м. В химическом корпусе Петербургского университета был расположен передатчик, а в физической лаборатории - приёмник.

В лаборатории помимо высоких военно-морских чинов присутствовали ведущие учёные - электрики: О. Д. Хвольсон, И. И. Боргман, А. И. Садовский, В. К. Лебединский, М. А. Шателен, А. Л. Гершун, Г. А. Любославский, П. Н. Георгиевский, Н. А. Смирнов, В. В. Скобельцын, Н. А. Булгаков, Н. Г. Егоров и Ф. Ф. Пет- рушевский.

Текст телеграммы был известен только Попову, который перед демонстрацией дал возможность всем присутствующим ознакомиться с устройством приёмника и передатчика с собственными подробными комментариями в виде вступительного доклада. В физической лаборатории перед демонстрацией устройств Попова, совмещённых с аппаратом Морзе, стояла напряжённая тишина.

Практически все собравшиеся осознавали, что присутствуют при рождении чего-то из ряда вон выходящего, изобретения, которое может стать в истории всего человечества величайшим. Процесс приёма первой в мире радиограммы описал в своих воспоминаниях профессор Хвольсон О. Д.

Хвольсон писал: «Передача происходила таким образом, что буквы передавались по алфавиту Морзе и притом знаки были ясно слышны. У доски стоял председатель Физического общества проф. Ф. Ф. Петрушевский, имея в руках бумагу с ключом к алфавиту Морзе и кусок мела. После каждого передаваемого знака он смотрел в бумагу и затем записывал на доске соответствующую букву. Постепенно на доске получились слова Heinrich Hertz и притом латинскими буквами. Трудно описать восторг многочисленных присутствующих и овации А. С. Попову, когда эти два слова были написаны. Так начало свою жизнь одно из величайших изобретений человеческого гения. Великий изобретатель увековечил в первой радиограмме того, кто первым в мире наблюдал электромагнитные волны. А. С. Попов был первым человеком, заставившим эти волны служить человеку».

Будучи на службе в морском ведомстве Попов А. С. получил инструкции о не разглашении широко своего изобретения, поэтому запись в протоколах заседания научного общества звучала так:

«А. С. Попов продемонстрировал приборы для лекционных демонстраций опытов Генриха Герца. Описание их уже помещено в ЖРФХО, 1896 г., т. XXVIII, стр. 124».

Внедрение разработок Попова проходило не без трудностей. По стародавней отечественной практике чиновники морского ведомства были склонны более доверять иностранным фирмам, которые в основном удовлетворяли потребности флота в морских приборах, хотя офицерское собрание поддерживало предложения Попова.

Однако несмотря на финансовые ущемления Попов и его сторонники продолжали испытания и совершенствования аппаратов беспроводной связи. При испытаниях на кораблях Балтийского флота был обнаружен эффект временного замирания связи в моменты прохождения между приёмником и излучателем третьего судна, который был классифицирован Поповым, как влияние отражения передаваемого сигнала от проходящего корабля. Это был первый шаг к освоению методов радиолокации.

В 1897 г. средства связи были установлены на крейсере «Африка» и транспортном судне «Европа», где испытывались аппараты с телефонной трубкой вместо аппарата Морзе. Это позволило увеличить дальность уверенного приёма сообщений до 28 км. Попов получил привилегию на новый тип «..телефонного приемника депеш, посылаемых с помощью какого-либо источника электромагнитных волн по системе Морзе».

Патент на это открытие был зарегистрирован в Англии. По патентам приёмники Попова начала изготавливать французская фирма «Дюкрете» и Кронштадтская мастерская беспроволочного телеграфа.

Беспроводный радиотелеграф А. С. Попова в первые в мировой практике был использован при морской спасательной операции. Броненосец «Генерал-адмирал Апраксин» во время сильного шторма выбросило на камни вблизи пустынного острова Гогланд. Судно получило множественные пробоины. Его спасение теоретически было возможным при наличии постоянной связи между кораблём и Петербургом.

Прокладка кабеля протяжённостью 40 км до ближайшего городка в Финляндии стоила более 20 000 руб. По тем временам это были очень большие деньги. Именно тогда, специально созданная комиссия министерства вспомнила, что есть некто А. С. Попов, который несколько лет подряд обращается с просьбами финансирования разработок беспроводного телеграфа. Другими словами, предчувствие беды колыхнуло спокойную чиновничью гладь.

Организовали специальную экспедицию по установке аппаратуры А. С. Попова на корабле. Аппараты обеспечили надёжную связь в течение всего зимнего периода, когда корабль стоял скованный льдами, но на нём под руководством специалистов - корабелов шли восстановительные работы.

Всего за время спасательной операции было отправлено 400 радиограмм. В один из дней с броненосца заметили льдину с 50 мечущимися по ней рыбаками. Координаты льдины по радиотелеграфу были переданы в Петербург, и льдину удалось перехватить ледоколу «Ермак».

После этих событий в апреле 1900 г. был издан указ: « О введении беспроволочного телеграфа на боевых судах флота». В Кронштадте начало работу первое отечественное предприятие по производству радиостанций и подготовке специалистов из числа офицеров, но очень медленно.

Аппаратуры на все корабли не хватало и её стали закупать за рубежом, хотя изготовлена она была, в частности, и по патентам А. С. Попова. Это удручающее обстоятельство сослужило одной из многочисленных причин поражения Российского флота в войне с Японией.

История великих отечественных изобретений повторяется с досадным постоянством. Вспомним по этому случаю Ивана Ивановича Ползунова, который на 8 лет раньше Уатта разработал проект огневой машины. И что? Кто порадовался и выхватил идею для внедрения и последующего обогащения? Никто. Так примерно произошло и с изобретениями Попова.

Оборотистый Маркони, начав заниматься радиосвязью, по началу всех уверял, что он только модернизирует установки русского изобретателя. Но скоро этот пустячок в творческой биографии был забыт и Маркони стал выступать как самостоятельный изобретатель. А уж когда он, честь ему и хвала за такую ухватистость, развернул массовое производство, то из сознания зарубежных заинтересованных людей, да и не только, фамилия А. С. Попова выветрилась окончательно.

По поводу современного состояния комплекса радиотехнических наук много говорить не имеет смысла. Всё с чем общается в трудовой и повседневной жизни человек в большей или меньшей степени, связано с изобретением А. С. Поповым принципа и устройств беспроводной радиосвязи. Трудно себе представить жизнь, хотя в принципе можно, без спутниковых систем связи, современного радио, телевидения, компьютерных технологий - всё огромное и стройное радиотехническое здание начиналось с первых краеугольных камней, которые заложил в фундамент А.С. Попов вместе с Фарадеем, Максвеллом, Герцем и Хевисайдом.