VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Содержание

1. Введение

2. История открытия радиоволн

3. Радиоволны и колебания

4. Шкала электромагнитных излучений

5. Применение радиоволн

6. Список использованной литературы

1 Введение

Время от времени в истории науки и техники случаются события, коренным образом преобразующие жизнь всех людей. К таким событиям относится открытие радиоволн и изобретение радиосвязи. Радио оказалось могучим средством общения людей, передачи информации практически мгновенно на огромные расстояния, обеспечило возможность управления, организации производства и других видов деятельности в масштабе целых государств. Попробуйте представить себе современный мир без радиосвязи – у вас ничего не получится. Без связи остановится промышленность, транспорт, замрёт экономическая, политическая и общественная жизнь.

Радиосвязь во много раз ускорила нашу жизнь. Исполнилась давняя мечта людей об оперативной и быстрой передаче информации, невзирая на расстояния, преграды, снег, дождь, ветер. А осуществилось это всего за каких-нибудь 100 лет! «Отмотаем» эти сто лет назад, как плёнку магнитофонной кассеты, и, прежде чем практически начать освоение мира радиотехники, быстренько пройдем путь её развития, упомянем имена великих изобретателей, исследователей, первооткрывателей. Конечно, в практической части мы сможем охватить далеко не все достижения радиотехники, но даже то немногое покажется удивительным и захватывающим.

Ну что ж, совершим экскурсию в историю.

2 История открытия радиоволн

Творчество – это движущая сила,

которая поддерживает в нас жизнь.

Марк Вэнс

Слово «радио» (латинское radius – луч) появилось в словарном обиходе людей не так давно. Более того, можно назвать и точную дату и человека, который ввел термин «радио» в обиход. Вильям Крукс¹ создал прибор для изучения «сил отталкивания, возникающих в нагретых телах», и назвал этот прибор радиометром (рис. 1).

Рис. 1 – Радиометр Крукса

Радиометр представлял собой грушевидный сосуд, в котором размещалась вертушка с четырьмя лопастями из слюды. Вертушка была насажена на острие иглы, а значит, крутилась свободно. Когда на лопасти падал свет или катодные лучи, вертушка начинала вращаться. Крукс, однако, тогда ошибочно считал, что вращение происходит не под действием электромагнитных волн, а от неких «тепловых» сил. Но он всё же разобрался в природе электромагнитных волн и позже одним из первых предложил использовать их для передачи информации. В 1892 г. он отметил: «Лучи света не могут проникать через стену, ни, как мы слишком хорошо знаем, через лондонский туман. Но электрические лучи легко проникают через такие среды, являющиеся для них прозрачными. В таком случае здесь раскрывается ошеломляющая возможность телеграфирования без проводов».

Хотя радиометр Крукса в современном понимании мало походил на радиоприёмные средства, он в буквальном смысле фиксировал наличие электромагнитных волн и их отсутствие. Через 16 лет профессор физики Парижского католического университета Эдуард Юджин Десаир Бранли² показал, что термин «радио» логичнее применять не к любым невидимым глазу воздействиям, а только к электромагнитным волнам. Имя Бранли прочно вошло в историю радиотехники благодаря изобретению так называемого датчика Бранли. Собственно, ничего особенного в этом датчике нет, его может изготовить из подручных средств любой – нужна только стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками, и выведенные наружу электроды с торцов (такой датчик автору пришлось изготовить самому, когда изготавливал «реплику» первого в мире радиоприёмника радиоволн – приёмника Попова). При подключении к электродам батареи датчик Бранли работает как изолятор, но если на некотором расстоянии от датчика возникает электрическая искра достаточной мощности, датчик начинает проводить электрический ток. Чтобы перевести датчик опять в непроводящее состояние, его нужно просто немного встряхнуть.

Реакцию датчика на искру Э. Бранли наблюдал в пределах своей лаборатории – где-то в радиусе 20 м. Он мог бы продолжать эксперименты с датчиком, придумать первый радиопередатчик и радиоприемник, увековечить себя в истории как изобретатель радиосвязи, но... Но Бранли никогда не интересовался передачей сигналов на расстоянии! Учёного интересовало электричество только применительно к медицине, для лечебных целей. А датчик появился случайно, при попытке смоделировать проводимость нерва.

Открытое явление было описано Бранли в 1890 г. в статье «О проводимости несплошных проводящих веществ». Название статьи покажется скучным, но в публикации автор отметил принципиальные для нас моменты, дословно звучащие так: «На сопротивление металлических порошков влияют электрические разряды, производимые на некотором расстоянии от них. Под действием разрядов опилки резко изменяют своё сопротивление и проводят ток». Бранли назвал свой датчик радиокондуктором.

Усовершенствовал радиокондуктор другой физик – англичанин сэр Оливер Джозеф Лодж³. В 1894 г. Лодж добавил к радиокондуктору специальный прерыватель (trembler), который встряхивал опилки после прохождения искрового разряда. Лодж назвал свой вариант датчика словом когерер. Результаты проведённых опытов Лодж опубликовал в английском журнале «The electrican». Кстати, прочитав статью Лоджа, Э. Бранли написал ответную статью, в которой достаточно тактично поправил Лоджа: «Мою трубочку с опилками О. Лодж назвал «кохерер» а некоторые воспринимают это как общепринятое. Это название, однако, неточно отражает исследованное явление. Я предложил название «радиокондуктор» – «радио» и «проводник», – которое отражает главное свойство несплошного проводника при воздействии электромагнитного излучения». Но как бы то ни было, а «когерер» прочно утвердился в радиотехнических изделиях вплоть до начала 20-х г. XX в., когда ему на смену пришли кристаллические детекторы электромагнитных волн и детекторы на электронных лампах.

Лодж, в отличие от Бранли, интересовался вопросами радиосвязи, и в данной области сделал немало изобретений. Однако он также не может считаться изобретателем радио. Позже, когда О. Лоджа спрашивали, почему ему не пришла в голову такая простая и светлая мысль, сэр Оливер отвечал: «Я был слишком занят работой, чтобы браться за развитие телеграфа или любого другого направления техники. У меня не было достаточного понимания того, чтобы почувствовать, насколько это окажется важно для флота, торговли, гражданской и военной связи».

Оставим ненадолго направление, связанное с конструированием детекторов электромагнитных колебаний. Разберёмся, как были открыты электромагнитные волны – главный беспроводной переносчик информации. Как осуществлялся их поиск и экспериментальное подтверждение. Удивительно, но впервые электромагнитные волны были описаны Максвеллом теоретически. Люди даже не знали тогда, существуют ли они реально. Электромагнитные волны не были найдены до самой смерти Максвелла. Экспериментально подтвердить существование волн предстояло другому ученому – Генриху Герцу⁴. Но пока поговорим не об опытах Герца, а о Т. Эдисоне, Э. Томсоне, Н. Тесла.

В 1875 г., проводя эксперименты с большим электромагнитом, Эдисон заметил крохотные искорки, которые проскакивают между некоторыми металлическими предметами, расположенными в лаборатории неподалеку от электромагнита, Эдисон также установил, что искорки не влияют на прибор регистрации электрического заряда – электроскоп. Изобретатель тут же опубликовал статью об открытой им «эфирной силе», отнеся источник возникновения искорок к некой неэлектрической силе.

Статья Эдисона попала в руки американскому изобретателю Элиху Томсону, который решил продолжить эксперименты. Коммутируя катушку индуктивности (тогда один из её видов назывался катушкой Румкорфа⁵ – рис. 2)

Рис. 2 – Катушка Румкорфа

и, создавая с её помощью магнитное поле, Томсон также заметил, что в помещении между близкорасположенными металлическими предметами вспыхивают искры. Так было доказано, что «электричество» передается через пространство, а также было опровергнуто предположение о существовании «эфирной силы». Трудно сказать, почему Томсон не двинулся дальше и не совершил открытие электромагнитных волн.

Еще один человек, близко подошедший к открытию электромагнитных волн, – Никола Тесла⁶. С 1892 г. Тесла интересовался способами передачи информации без проводов. Ещё в 1893 г., выступая перед слушателями Франклиновского института в Филадельфии (США), Тесла сказал: «С каждым днём я всё больше убеждаюсь в практической осуществимости идеи передачи осмысленных сигналов на любое расстояние вовсе даже без помощи проводов. И хотя я знаю, что большинство учёных не верят, что такие результаты могут быть действительно реализованы, я рассматриваю этот проект передачи энергии и сигналов без проводов уже не просто как теоретическую возможность, а как весьма серьёзную проблему электротехники, которая должна быть решена со дня на день». Действительно, слова Тесла оказались пророческими – эта проблема была решена через два года, но уже не головой и руками Тесла. Хотя вклад Тесла в радиотехнику тоже значителен. Изобретённый им воздушный подающий трансформатор использовался в первых серийных радиопередатчиках в качестве источника излучения. Тесла вошёл в историю электротехники изобретением асинхронного двигателя, электромеханического генератора тока высокой частоты, идей радиолокации и радиоуправления.

И вот теперь мы поговорим о Г. Герце. Что же сделал этот учёный, благодаря чему он остался в истории радиотехники первооткрывателем электромагнитных волн? Генрих Герц впервые назвал основные устройства для организации радиоканала – вибратор и резонатор. Вибратор должен генерировать электромагнитное поле, а резонатор – его принимать. А предыстория открытия Герца такова.

В 1879 г. Берлинская академия наук объявила конкурс на разработку темы «Экспериментальное подтверждение связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией». За её разработку и взялся Герц, тогда молодой ученый, имевший в своем активе самостоятельную научную работу. Поначалу он колебался, стоит ли тратить время на столь непонятные исследования, но под влиянием своего руководителя, считавшегося первым физиком Европы, – Германа Гельмгольца – начал эксперименты и с успехом справился с поставленной задачей. Путь к главному открытию жизни был открыт!

В 1885 г. Генрих Герц стал профессором экспериментальной физики Высшей технической школы, в 1886-м появляются его изобретения: вибратор Герца (передатчик электромагнитных волн) и резонатор Герца (приёмник электромагнитных волн). Как выглядят эти замечательные устройства (рис. 3)?

Рис. 3 – Резонатор Герца

Вибратор Герца представляет собой два медных проводника длиной 2,6 м и толщиной 5 мм, расположенные на одной линии. На внешних концах проводников закреплены два больших жестяных шара, на внутренних – два небольших шарика, между которыми оставлен воздушный зазор. Щель между шариками называется искровым промежутком. К обоим проводникам подключается источник высокого напряжения – катушка индуктивности (катушка Румкорфа). Когда разность потенциалов между шариками в результате действия самоиндукции в катушке достигает напряжения пробоя, возникает электромагнитная искра. Проводники возбуждают электромагнитную волну, которая распространяется в пространстве. Основные параметры электромагнитной волны, такие, как её длина или частота, могут быть отрегулированы величиной продольных проводников – их удлинением или укорочением. Этот принципиально важный факт также был открыт Герцем.

Мало получить электромагнитную волну – нужно её еще и принять, преобразовать в вид, удобный для восприятия органами чувств человека. И такой приёмник Герц создал! Резонатор Герца отличается предельной простотой: это металлическое круглое кольцо с разрезом и закрепленными на концах шариками. Настроив резонатор на вибратор при помощи подбора диаметра кольца, можно разглядеть появление между шариками резонатора небольшие искорки в момент срабатывания вибратора. Искорка появляется на расстоянии между шариками не более 3 мм, да и разглядеть её возможно только в увеличительное стекло.

По нашим меркам, исследования Герца не кажутся впечатляющими, но, когда он в декабре 1888 г. сделал доклад о результатах на заседании Берлинской академии наук, это произвело настоящую сенсацию. Еще бы – получено экспериментальное подтверждение теории электромагнитных волн Максвелла! Сразу после этого Генриха Герца избрали почётным членом семьи ведущих академий Европы. Выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц сказал: «Все эти опыты просты в принципе, тем не менее, они влекут за собой важнейшие последствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно».

Кратко итоги исследований учёного выглядят так:

электромагнитные волны не являются теоретической ошибкой, а действительно существуют;

скорость распространения электромагнитных волн в пространстве равна скорости света;

для излучения и приёма электромагнитных волн необходимо новое электротехническое устройство – антенна;

для максимально эффективного приёма электромагнитных волн необходимо настраивать антенну передатчика и антенну приёмника – согласовывать их;

длина излучаемой волны, а также эффективность излучения зависят от конструкции передающей антенны.

Генрих Герц умер в самом расцвете творческих сил – в начале 1894 г., за год до изобретения радио. Он, как никто другой, мог сделать себе имя и изобретением радиосвязи, так как продвинулся в своих опытах намного дальше Эдисона, Томсона, Тесла, Бранли, Крукса, Лоджа и других, чьи имена мы здесь не назвали. Но поразительная проницательность в одном вопросе обернулась столь же великой недальновидностью в другом! В 1889 г., на запрос мюнхенского инженера Г. Губера о возможности использования открытия для практических целей, передачи информации на расстояние – Герц ответил: «Электрические колебания в трансформаторах и телефонах слишком медленные. Если бы Вы могли построить излучатели размахом с материк, то Вы могли бы поставить намеченные опыты, но практически сделать ничего нельзя: с обычными излучателями Вы не обнаружите ни малейшего действия».

Ответ учёного требует пояснения. Дело в том, что приборы Герца излучают волны частотой в десятки мегагерц (забавно, но этот параметр переменных электрических сигналов назван именем учёного). Звуковые же колебания находятся в области сотен тысяч герц – на порядки меньше. Излучать электромагнитные волны звукового диапазона могут только очень большие вибраторы. Модуляция как способ передачи низкочастотных сигналов с помощью высокочастотных ещё не была изобретена, не было также автогенераторных схем создания электромагнитных колебаний. Отсюда и проистекает пессимизм великого учёного.

Памятной датой, отмечаемой в нашей стране, является 7 мая 1895 г. – день рождения радио! В тот день воедино сошлись изобретения учёных, о которых мы говорили. Соединить вроде бы несоединимые вещи, в результате чего появилось совершенно новое техническое направление передачи осмысленной информации без помощи проводов, удалось нашему соотечественнику профессору Александру Степановичу Попову⁷.

Сын православного священника, настоятеля небольшой церкви в поселке Турьинские Рудники Пермской губернии, он в 1877 г. приехал в столицу и поступил на математическое отделение Петербургского университета – лучшего учебного заведения России. Ещё в студенческие годы Попов подрабатывал в товариществе «Электротехник». Он также принимал активное участие в первой российской электротехнической выставке, прошедшей в Петербурге в 1880 г. Практический опыт, приобретённый в студенческие годы, оказался бесценным – к моменту получения диплома Попов считался инженером-электротехником с солидным стажем.

В 1882 г., после окончания университета, Попову предлагают остаться «для приготовления к профессорскому званию». Но крайне малое жалование заставляет его отказаться от предложения и поступить на службу в Морское ведомство, в Минный офицерский класс в Кронштадте. Александр Степанович согласился работать преподавателем физики.

Минный офицерский класс – одно из лучших электротехнических заведений того времени. В нём не только готовили высококлассных специалистов для военно-морского флота, но и занимались научной работой. По воспоминаниям современников, Александр Степанович умел простыми словами рассказывать о сложном, демонстрировал множество опытов. Приборы, с помощью которых производились демонстрации, зачастую были изготовлены им собственноручно.

В 1900 г. А.С. Попов был назначен профессором кафедры физики Петербургского электротехнического института. Незадолго до смерти учёного, когда в России стало возможным не назначать, а выбирать ректоров учебных заведений, его в 1905 г. единодушно избрали ректором электротехнического университета Санкт-Петербурга. К слову, мемориальный рабочий кабинет А.С. Попова сохраняется в этом учебном заведении до сей поры.

Таков был Попов-человек. Каким же предстаёт Попов-учёный, Попов-изобретатель? В то время военно-морской флот остро нуждался в беспроводном средстве связи. Поскольку А.С. Попов связал свою жизнь с военно-морской техникой, он занимался проблемой связи применительно к флоту, интересовался мировым опытом, что-то сам мастерил в маленьком домике, расположенном во дворе Минного класса. И вот 7 мая 1895 г. на очередном заседании Физико-химического общества Попов делает доклад «Об отношении металлических колебаний к электрическим колебаниям», а затем демонстрирует работу первого в мире радиоприемника! В качестве источника электромагнитных волн А.С. Попов использует передатчик собственной конструкции – усовершенствованный вариант вибратора Герца (рис. 4). Когда ассистент учёного, Пётр Николаевич Рыбкин⁸, включал передатчик, в лаборатории раздавалась трель электрического звонка, находящегося в приёмнике.

Рис. 4 – Радиоприёмник А.С.Попова

Что принципиально новое, доселе неизвестное можно встретить в конструкции радиоприемника Попова? Удивительно, но... ничего! Гениальность изобретения заключается в другом: А.С. Попов создал на основе существовавшей в то время, как бы мы сказали сейчас, «элементной базы», принципиально новое техническое устройство (рис. 5).

Рис. 5 – Устройство А.С. Попова

Сохранилось описание первого радиоприемника, составленное самим Поповым и опубликованное им в «Журнале русского физико-химического общества». Это описание интересно не столько тем, что сделано собственноручно Поповым, но главным образом позволяет прочувствовать стиль технического описания принципиальных электрических схем того времени (рис. 6).

«Трубка с опилками (когерер) подвешена между зажимами M и N на лёгкой часовой пружине, которая для большей эластичности согнута со стороны одного из зажимов зигзагом. Над трубкой расположен звонок так, чтобы при своём действии он мог давать удары молоточком посредине трубки, защищённой от разбивания резиновым кольцом. Удобнее всего трубку и звонок укрепить на общей вертикальной дощечке. Реле может быть помещено как угодно.

Рис. 6 – Схема устройства

Действует прибор следующим образом.

Ток батареи напряжением 4–5 В постоянно циркулирует от зажима Р к платиновой пластинке А, далее через порошок, содержащийся в трубке, к другой пластинке В и по обмотке электромагнитного реле обратно к батарее. Сила этого тока недостаточна для притягивания якоря к реле, но если трубка АВ подвергнется действию электрического колебания, то сопротивление мгновенно уменьшится и ток увеличится настолько, что якорь реле притянется. В этот момент цепь, идущая от батареи к звонку, прерванная в очке С, замкнётся и звонок начнет действовать, но тотчас же сотрясение трубки опять уменьшит ее проводимость и реле разомкнет цепь звонка.

В моем приборе сопротивление опилок после сильного встряхивания бывает 100000 Ом, а реле, имея сопротивление около 250 Ом, притягивает якорь при токах от 5 до 10 мА (пределы регулировки), т.е. когда сопротивление всей цепи падает ниже 1000 Ом. На одиночное колебание прибор отвечает коротким звонком; непрерывно действующие разряды отзываются довольно частыми, через приблизительно равные промежутки следующими звонками».

Как мы успели понять из описания, в составе радиоприемника использованы знакомые изобретения: когерер, электромагнит, гальваническая батарея. Для автоматического встряхивания когерера применяется обычный электрический звонок, а в качестве антенны выступает вертикальный отрезок провода длиной 2,5 м – так называемая штыревая антенна. С помощью более длиной антенны прибор регистрирует на расстоянии до 4 км приближающуюся грозу, становясь «грозоотметчиком» (рис. 7).

Рис. 7 – Грозоотметчик Попова (фото из издания 1907 г. и из коллекции Центрального музея связи, 1895 г.)

По поводу грозоотметчика Попова один французский историк техники писал: «Уже в 1895 г., когда ещё никто не мог выступить с предложением беспроволочного телеграфа, был кто-то, кто телеграфировал при помощи электричества. Этим «кто-то» была молния, которая телеграфировала А.С. Попову в его лабораторию «я здесь» и давала ему точные указания своего пути».

Чем занимался Александр Степанович после демонстрации своего знаменитого изобретения? В марте 1896 г. он демонстрировал усовершенствованный вариант приёмника, в котором принятые сигналы записывались на телеграфную ленту. Летом 1897 г. он провёл первые практические опыты по радиосвязи вблизи Выборга при дальности 5 км. Он исследовал методы увеличения дальности приёма радиосообщений, разрабатывал конструкцию аппаратуры связи для военных кораблей. В том же году он высказал мысль о возможности использования радио для судовождения: «Применение источника электромагнитных волн на маяках в добавление к световому и звуковому сигналам может сделать видимыми маяки в тумане и в бурную погоду». Александр Степанович первым заметил эффект отражения радиоволн от корпусов кораблей и пришёл к мысли о возможности радиопеленгования и радиолокации, то есть способов обнаружения объектов при помощи электромагнитной волны: «Все металлические предметы – мачты, трубы, снасти – должны мешать действию приборов как на станции отправления, так и на станции получения, потому что, попадая на пути электромагнитной волны, они нарушают её правильность отчасти подобно тому, как действуют на обыкновенную волну, распространяющуюся по поверхности воды».

В 1898 г. Попов вместе с французским инженером Е. Дюкрете начал производство радиостанций для нужд флота. Изготовление аппаратуры налаживалось в Кронштадте, в мастерских Е.В. Колбасьева. Эта первая связная аппаратура закупалась и для кораблей французского флота. Наступила эра промышленного производства аппаратуры беспроводной связи.

В 1899 г. А.С. Попов запатентовал детекторный приёмник, позволявший принимать «морзянку», прослушивая её в телефонных наушниках. В следующем году радиостанции А.С. Попова были использованы для проведения спасательных работ. В Финском заливе, у острова Гогланд⁹, сел на мель только что построенный броненосец «Генерал-адмирал Апраксин». Чтобы осуществлять оперативное руководство работами, А.С. Попов установил одну радиостанцию на аварийном корабле, а вторую – на расстоянии 40 км, в городе Котка. Несколько месяцев спасатели пользовались этой линией связи. В том же году, после получения по радио сигнала бедствия с оторвавшейся льдины с рыбаками, ледокол «Ермак» вышел в море и спас людей. Адмирал и ученый-кораблестроитель Степан Осипович Макаров, оказывавший А.С. Попову большую поддержку и помощь, так описал это событие: «Первая официальная депеша содержала приказание «Ермаку» идти на спасение рыбаков, унесённых в море на льдине, и несколько жизней было спасено благодаря «Ермаку» и беспроволочному телеграфу. Такой случай был большой наградой за труды, и впечатления этих дней, вероятно, никогда не забудутся». В 1901 г. А.С. Попов достиг уверенной связи на расстоянии 150 км.

В декабре 1912 г. иллюстрированный журнал «Огонёк», отмечая открытие в России радиозавода морского ведомства, писал: «Радиотелеграфия зародилась у нас в России. Пионером этого дела явился известный русский профессор Попов, начавший строить радиотелеграфные аппараты в Кронштадте. Вслед за проф. Поповым делом радиотелеграфии занялся знаменитый итальянец Маркони, добившийся возможности передавать радиотелеграммы на довольно значительные расстояния. Благодаря содействию крупных английских капиталистов он и пожал те лавры, которые по справедливости должны бы быть отданы проф. Попову».

Вот еще одна интересная выдержка из работы историка техники И.В. Бренева, относящейся к 70-м г. ХХ в.: «А.С. Попов умер в 1906 г., Маркони пережил его на 31 год. Попов ушёл из жизни тогда, когда радиотехника только начинала свой путь. Маркони жил в эпоху совершенствования радиотехники, когда в ней на смену когереру пришла электронная лампа, появилось радиовещание, телевидение. Когда А.С. Попов уже не мог напомнить о себе, Маркони совершал многочисленные путешествия по разным странам мира, он более 80 раз пересек Атлантический океан, он был членом различных международных организаций. А.С. Попов не стал коммерсантом, он не создал своей фирмы, его родина, Россия, при царской власти была экономически слабой страной. За спиной же Маркони стояла богатейшая фирма с огромным штатом и мировой клиентурой».

Наконец, приведём и слова самого А.С. Попова: «Маркони первый имел смелость стать на практическую почву и достиг в своих опытах больших расстояний».

Кто такой этот загадочный Маркони и почему его имя на протяжении почти ста лет упоминается рядом с именем Александра Степановича Попова?

Гульельмо Маркони¹⁰. Однажды он так сказал о принципах своих исследований: «Я нуждаюсь в любой помощи, которую могу получить. Я читаю всё, абсолютно всё, что могу найти по телеграфной связи. Я никогда не пропускаю и ничего не игнорирую, никакую идею, какой бы абсурдной она ни была. Я пробую всё, по крайней мере один раз».

Прочитав в 1894 г. об опытах Герца, юный 20-летний Маркони задумался об использовании электромагнитных волн для передачи сообщений. Он превратил в лабораторию старое зернохранилище на семейной вилле в Болонье и с утра до вечера просиживал за экспериментами.

Первые радиосигналы – три точки символа «S», посылаемые кодом Морзе, принимались на расстоянии сотни метров. Но только по прошествии 13 месяцев после публикации Попова Г. Маркони подал заявку на изобретение «аппаратуры для системы связи без проводов с помощью электромагнитных волн». И только 2 июля 1897 г., то есть через два года после демонстрации опытов Попова, итальянский изобретатель получил патент на «усовершенствование в передаче электрических импульсов и сигналов в аппаратуре для этого». К сожалению, Александр Степанович не подал заявку на патент своего изобретения, и поэтому на Западе изобретателем радио считается Маркони. Некоторые историки техники считают, что Маркони усовершенствовал приёмник Попова и запатентовал его, некоторые склоняются к мысли, что он пришел к аналогичной конструкции самостоятельно. Преподаватель солидного учебного заведения не мог знать об опытах итальянского юноши в фермерском сарае – это бесспорно. А вот цепкий юноша такой информацией обладать мог. Как бы то ни было, но исторический приоритет остаётся за Поповым!

Собственно, радиоприемник конструкции Г. Маркони мало чем отличается от приёмника Попова: в приёмнике Маркони количество гальванических батарей увеличено до двух – электрический звонок питала отдельная батарея, продлевая общий срок службы устройства. Более того, и приёмник, и передатчик Маркони имели штыревую антенну. Единственное принципиальное отличие имел когерер, из которого был выкачан воздух. Такая конструкция позволяла повысить чувствительность когерера, а значит, и дальность приёма.

Как утверждает русская пословица, «не было бы счастья, да несчастье помогло». Италия не заинтересовалась изобретением, и опыты Маркони так и могли остаться опытами. Изобретатель отправляется в Англию, где неожиданная болезнь одной царственной особы – принца Уэльского – заставила Маркони передавать пять раз в день о состоянии здоровья принца королеве Виктории. Кстати, при переезде Маркони из Италии в Англию произошел забавный случай. Английские таможенники, увидев аппаратуру радиосвязи, стали подозревать в ней хитроумную бомбу. Мать Гульельмо нашлась что ответить: «Да, это бомба. Но она разрушает не города, а стены» [2, с. 179].

Поддержка «сильных мира сего» позволила Г. Маркони в 1897 г. основать свою коммерческую фирму «Wireless Telegraph and Signal Company Ltd», переименованную затем в «Marconi Wireless Telegraph Company». Налаживается стремительное производство коммерческой аппаратуры связи для транспортных компаний, благосостояние фирмы растёт как на дрожжах. Появились военные заказы из США, Англии, Франции, Германии, Италии. В 1899 г. Маркони присутствовал на испытаниях системы радиотелеграфной связи между крейсером «Нью-Йорк» и линкором «Массачусетс», находившимися друг от друга на расстоянии 65 км.

Теперь Маркони целиком поглощён новой идеей – максимально увеличить дальность радиосвязи. И ему это удаётся! Построив станции беспроводного телеграфа в противоположных точках земного шара – одну в Англии, на полуострове Корнуолл, а другую в Канаде, на острове Ньюфаундленд, он, находясь в Канаде, 16 декабря 1901 г. принял первый трансатлантический радиосигнал с расстояния почти в 2100 миль. Газетные заголовки того времени пестрели сообщениями об опровержении Маркони законов физики, а Т. Эдисон воскликнул: «Я поражен! Я хотел бы встретиться с этим молодым человеком, у которого хватило дерзости на пересечение Атлантики электрической волной».

Сохранилось свидетельство о единственной встрече, состоявшейся между Поповым и Маркони в 1902 г., когда в Россию с визитом на военном корабле прибыл итальянский король Виктор Эммануил. Короля сопровождал Маркони, испытывавший в этом плавании свою аппаратуру. Пока царственные особы проводили встречи на высшем уровне, крейсер был открыт для посещения, и этой возможностью воспользовался Попов. Он беседовал со своим коллегой несколько часов.

Дальнейшая жизнь Маркони отмечена благополучием, коммерческим процветанием и поразительной работоспособностью до самой кончины. В 1907 г. он открывает первую трансатлантическую радиотелеграфную службу, в 1909 г. удостаивается Нобелевской премии. В 1921 г., переоборудовав в лабораторию личную яхту «Электра», Маркони приступил к исследованиям в области коротковолновой телеграфии, и к 1927 г. его компания развернула международную сеть коммерческих коротковолновых телеграфных станций. «Результаты опытов на яхте, – констатировал Маркони, – убедили меня, что с передатчиком мощностью 1 кВт надёжная коммерческая радиосвязь возможна на расстоянии по меньшей мере 2300 морских миль». В 30-х г. ХХ в. Маркони занимается микроволнами, использует их в навигации. Он умер 20 июля 1937 г. В этот день по всему миру на две минуты замолчали радиостанции.

Наш соотечественник, Александр Степанович Попов ушел из жизни совсем по-другому. Мы уже говорили, что незадолго до смерти Попов исполнял обязанности ректора Электротехнического института. Времена были сложные – 1905 г., революция, всеобщая неразбериха. Студенческая масса бурлит революционными идеями, администрация требует усиления репрессивных мер. Попов, совестливый, скромный и честный человек, настоящий патриот Отечества, переживает за своих талантливых юных воспитанников, которым грозит исключение, и за преподавателей, которым предназначены незаслуженные взыскания. Следуют постоянные вызовы ректора к министру народного просвещения, к градоначальнику, и выговоры, унижающие достоинство учёного. После одного из таких вызовов, состоявшегося 31 декабря 1905 г., Попов скоропостижно скончался.

Дальнейшая история радиотехники – это история электрических схем, комплектующих элементов, история математического осмысления получаемых результатов, история уменьшения габаритов, повышения эффективности, снижения стоимости. Новую историю, однако, рассказывать очень сложно – она пестрит обилием интересных фактов, потрясающих идей, обилием имён и названий фирм. Следы этой истории есть в доме у каждого из нас – телевизоры и радиоприемники, беспроводные и сотовые телефоны, спутниковые телевизионные системы.

3 Радиоволны и колебания

Что такое радиоволны? Бросьте на гладкую водяную поверхность камень, и на ней появятся волны, кругами расходящиеся во все стороны. Это – водяные волны, они создаются в воде и в ней же распространяются.

Звуковые волны в открытом пространстве создаются в воздухе и в нём же распространяются: удалите воздух, и звуки исчезнут. Из чего же созданы и в чём распространяются радиоволны?

В некоторых книгах даётся такое пояснение по интересующему нас вопросу:

Радиоволны – это «распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля».

Попробуем воспользоваться этой формулировкой в качестве исходной в наших объяснениях природы радиоволн.

Вокруг всякого проводника с электрическим током существует магнитное поле, а вокруг тела с электрическим зарядом – электрическое поле. Даже если Вы забыли это, то, вероятно, замечали, что гребёнка или расчёска, которой Вы только что привели в порядок Ваши волосы, стремится притянуть к себе лёгкие предметы вроде кусочков бумаги, шерстинок и пр. Эта же самая гребёнка до использования её по прямому назначению не обладала свойствами притягивать посторонние предметы.

Объяснение простое: от трения о волосы гребёнка приобрела электрический заряд, отчего вокруг гребёнки возникло электрическое поле. Оно-то и действует на легкие предметы, притягивая их.

Короткое отступление. Материя существует в двух неплохо изученных формах (ив нескольких мало изученных): в виде поля (которое реально существует, но как правило не ощущается, не осязается) и вещества (которое мы и ощущаем и осязаем и т.д.).

Полем вообще называют одну из форм материи, в которой обнаруживается действие каких-либо сил. Например, в поле земного тяготения обнаруживается притяжение к Земле.

Форма материи, в пределах которой сказывается действие электрических сил, называется электрическим полем. Сильнее заряд – и поле сильнее. Нет заряда – нет поля.

У нас в руке медный провод, по которому течёт ток, а на столе – обычный компас. Стрелка компаса ориентирует Вас в пространстве, указывая север (рис. 8).

Рис .8 – Воздействие электрического тока на компас

Поднесите к компасу этот провод, расположите его вдоль стрелки, и стрелка отклонится в сторону. Увеличьте ток – стрелка отклонится ещё больше. Уменьшите ток – отклонение стрелки уменьшится. Выключите ток – стрелка опять укажет на север. Значит, не сам провод влияет на стрелку компаса, а ток, протекающий по нему.

Объяснение простое: ток создаёт вокруг провода магнитное поле, и это поле действует на стрелку компаса.

Форма материи вокруг магнита или проводника с током, где обнаруживается действие магнитных сил, называется магнитным полем. Сильнее ток – сильнее магнитное поле. Нет тока – нет поля.

Если электрический ток периодически через равные промежутки времени меняет не только свою величину, но и направление, то такой ток называется переменным. Переменный ток создаёт и переменное магнитное поле.

То же самое можно сказать и о переменном электрическом поле. Если вызвавший его заряд периодически меняет не только свою величину, но и полярность, то такое поле называется переменным электрическим полем.

Переменные электрическое и магнитное поле неотделимы друг от друга. Если возникло переменное электрическое поле, то оно всегда создаёт вокруг себя переменное магнитное поле и, наоборот, переменное магнитное поле обязательно создаст переменное электрическое поле.

Электромагнитные волны, т.е. взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля, распространяются в воздухе или безвоздушном пространстве, а также во многих других веществах со скоростью света, равной 300 000 км/с.

3.1 Электрическая искра

Достаточно где-либо проскочить электрической искре, как сейчас же вокруг неё возникнут радиоволны. Вы случайно замкнули провода – короткая вспышка, и в пространство выброшен поток радиоволн. Искрят щётки электродвигателя, работает электросварочный агрегат, искрит дуга трамвая или ролик троллейбуса, работает автомобильный мотор с системой электрического зажигания – безразлично: всё это наводняет пространство радиоволнами.

Именно из-за этих волн от искровых разрядов, будь то разряды атмосферного электричества или же искрение электроустановок, происходят все те трески, которые Вы, вероятно, не один раз проклинали, слушая интересную радиопередачу.

Только удалившись с радиоприемником куда-либо далеко за город, где нет помех радиоприемнику от трамваев, электрических лифтов, электромедицинских кабинетов и подобных им устройств, можно вести приём в относительной «электрической тишине».

Вот почему приёмные радиоцентры выносятся из городов в уединённые места.

Но и здесь не всегда можно укрыться от помех. Гигантский искровой разряд, каким является молния, создает настолько сильный ураган радиоволн, что в грозу из громкоговорителя вырывается оглушительная «артиллерийская канонада».

Радиоволны от молнии сигнализируют о приближении грозы. Первым человеком, сумевшим принимать радиосигналы молнии, был русский ученый, изобретатель радио Александр Степанович Попов. Один из своих приборов, названный им «грозоотметчиком», он использовал для того, чтобы следить за далёкими грозами и предсказывать их приближение.

Люди взяли у природы её рецепт «изготовления» радиоволн.

Все первые радиопередатчики создавали мощные потоки сильно трещащих искр. Радиоволны, порождаемые искрами, переносили в пространство различные сообщения без всяких соединительных проводов. Эти первые радиостанции так и назывались – «станции искрового телеграфа». Известно, что радиотелеграфисты мощной московской искровой радиостанции (на Ходынке), идя на дежурство, еще километра за полтора-два до здания на слух, по треску искр – этих маленьких молний, могли читать сообщения, передаваемые знаками телеграфной азбуки.

Название «радиостанция» появилось значительно позже.

Современная радиотехника почти полностью отказалась от весьма несовершенных искровых станций. Но пучок искр до сих пор остаётся в эмблеме на погонах связистов (рис.9).

Рис. 9 – Знаки отличия связистов Вооружённых Сил России

3.2 Как создаются радиоволны

Нам предстоит ознакомиться с тем, как создаются радиоволны современными радиопередающими станциями.

Краткое определение сущности создания радиоволны таково:

Проводник с переменным током высокой частоты при некоторых условиях способен излучать в окружающее пространство радиоволны.

Это определение станет понятным, когда будет раскрыт внутренний смысл каждого слова. «Проводник» – но какой, всякий ли? Дальше мы увидим, что нет, далеко не всякий. «Переменный ток высокой частоты» – как это понимать? Что значит «при некоторых условиях»? При каких именно? «Излучать» – как?

Начнём с выяснения, что такое переменный ток.

Знакомясь с электромагнитным полем, мы получили краткую справку о том, что переменным называется ток, периодически меняющий не только свою величину, но и направление. Следует ещё раз подчеркнуть, что слово «переменный» относится именно к направлению. Как бы ни менял свою величину электрический ток, его нельзя назвать переменным, если он не меняет направления.

Переменный ток течет попеременно то в одну сторону, то в обратную, как бы повторяя колебательные движения качелей или часового маятника. Недаром существует технический термин «электрические колебания».

3.3 Чему учит маятник

К концу маятника часов прикрепляем легкое перышко или волосок, смоченный жидкой краской, затем толкаем маятник и подносим к перышку листок бумаги. Перышко начинает выверчивать на листке прямую линию – след колебаний маятника; чем больше размахи маятника, тем больше её длина.

Теперь начинаем равномерно передвигать листок бумаги в направлении, перпендикулярном плоскости колебаний маятника. Прочерчиваемая линия растянется, развернется в волнообразный график. Колебания маятника зарегистрированы – получился график колебаний или, как его называют, осциллограмма.

Осциллограмма свидетельствует о том, что размахи маятника быстро уменьшались, и вскоре маятник остановился. Трение в точке подвеса маятника в точке касания перышка с бумагой, а также сопротивление воздуха сделали своё дело. Колебания быстро затухли (рис. 10, справа). Перед нами график затухающих колебаний.

Рис. 10 – Незатухающие и затухающие колебания маятника

Иную картину представляет график, показанный на рис. 10, слева. Сила тяжести гирь преодолевала действие на маятник всех тормозящих усилий. Поэтому маятник отщёлкивал удар за ударом, не уменьшая размахов. Можно было бы целый день вытягивать из-под такого маятника бумажную ленту, и все время вычерчивалась бы на ней волнообразная кривая незатухающих колебаний.

У всякой профессии свой язык. Электрик или радист не скажет «размах» там, где речь идёт о колебаниях: не размах, а амплитуда. Уважая профессиональные привычки, мы должны сказать так: у затухающих колебаний амплитуды убывают, у незатухающих – остаются неизменными.

3.4 Колебательный контур

Не только маятник или качели, но и электрический ток можно заставить совершать затухающие или незатухающие колебания.

Для этого служит очень простое электрическое устройство – колебательный контур. Это своего рода «электрический маятник». Но в отличие от колебаний обычного маятника электрические колебания в контуре совершаются невероятно быстро. На каждое колебание затрачивается ничтожно малая доля секунды, поэтому число колебаний в секунду очень велико.

Колебательный контур состоит из двух основных частей: катушки индуктивности и конденсатора. Катушка представляет собой некоторое число витков медной проволоки, а конденсатор (самый простой) – две металлические пластинки, разделённые слоем диэлектрика (рис. 11).

Рис. 11 – Колебательный контур

Чем больше площадь пластин и чем ближе они расположены одна к другой, тем при прочих равных условиях большей электрической ёмкостью обладает конденсатор. На величину емкости влияет и вещество диэлектрика. Конденсатор с бумагой в качестве диэлектрика «впитает» в себя в 2 раза больше электричества, чем такой же конденсатор, но с воздухом вместо бумаги. Слюдяной конденсатор «сгустил» бы в себе («конденсатор» по-русски означает «сгуститель») в 6 раз больший заряд, чем такой же воздушный конденсатор.

Если присоединить концы катушки к пластинам конденсатора, получится колебательный контур (рис. 11). Но такой «мёртвый» контур ничем не интересен. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, его нужно «оживить».

Маятник мы отводим вбок или даём ему толчок, и он начинает мерно раскачиваться из стороны в сторону. Колебательный контур тоже можно «подтолкнуть». К нему необходимо подвести некоторое количество электрической энергии, чтобы электроны пришли в колебательное движение. Для этого конденсатор следует зарядить от какого-либо источника тока, а затем подключить к нему катушку индуктивности. Электрическое напряжение U на пластинах конденсатора и сообщит электронам тот электрический «толчок», который необходим для возбуждения колебаний в контуре. Конденсатор станет разряжаться через катушку, и в цепи потечёт ток.

С появлением тока скажется тормозящее влияние катушки – ее индуктивность, которая зависит от числа витков, размеров и формы катушки. Индуктивность – это электрическая инерция. Она противодействует всякому изменению тока, подобно тому, как инерция тела препятствует изменению его скорости. Вследствие противодействия катушки электрической инерции ток будет нарастать постепенно и достигнет наибольшей величины I_макс как раз в тот момент, когда конденсатор полностью израсходует свой электрический заряд, т.е. разрядится.

Теперь, казалось бы, ток должен исчезнуть. На самом же деле благодаря электрической инерции он не прекратится, и будет протекать в ту же сторону за счёт энергии, которая сосредоточилась в катушке. Но ток станет постепенно убывать. Разряженный конденсатор будет теперь заряжаться в обратном направлении: пластина, имевшая положительный заряд, будет заряжаться отрицательно, а пластина, имевшая отрицательный заряд – положительно.

Когда энергия полностью сосредоточится в конденсаторе, ток в контуре прекратится, но процесс на этом не остановится. Зарядившийся конденсатор опять начнет разряжаться: в контуре потечёт ток, но уже в обратном направлении. Он возрастёт до максимальной величины, а затем снова упадёт до нуля. В этот момент завершится полный цикл изменения тока в контуре, т.е. закончится одно электрическое колебание. После этого все изменения тока станут повторяться, подобно тому, как повторяются перемещения маятника. В контуре возникнут электрические колебания (рис. 12).

Рис. 12 – Электрические колебания в контуре

Колебания в контуре, происходящие без какого-либо влияния со стороны, чрезвычайно кратковременны. Это объясняется тем, что электрический ток нагревает провода катушки. Энергия электрических колебаний превращается в тепло, которое рассеивается. Потери эти неизбежны, поэтому колебания в контуре быстро затухают. Амплитуда их становится все меньше и меньше, и, наконец, колебания практически прекращаются. Они длятся очень малую долю секунды.

Затухающими колебаниями пользовались в первые годы развития радиотехники. Но теперь они не применяются. Уже много лет назад были разработаны способы получения незатухающих колебаний, на применении которых и основывается современная радиотехника. Незатухающие колебания – это колебания с неослабевающей силой. Амплитуда их не меняется.

Для того чтобы получить незатухающие колебания, нужно особое устройство, которое «подбрасывает» колебательному контуру все новые и новые порции энергии. В часах роль этого устройства выполняет гиря или пружина. Как это делается в колебательном контуре, мы узнаем дальше.

3.5 Период и частота

В здании Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге под куполом в ночь с 11 на 12 апреля 1931 г. был подвешен длинный маятник Фуко¹¹, служащий для доказательства вращения Земли вокруг своей оси. Длина маятника 98 м. На одно полное колебание, т.е. на движение маятника от отвеса в одну сторону, переход в противоположную сторону и возвращение к отвесу, затрачивается 20 сек. Маятник же часов-ходиков в течение секунд успеет сделать два колебания. Словом, чем длиннее маятник, тем медленнее совершает он колебания, тем больше период его колебаний.

Периодом называется время одного полного колебания.

От десятков секунд до десятых долей секунды – таковы пределы (диапазон) изменений периодов колебаний маятников.

Колебания в электрическом контуре могут совершаться тоже с разными периодами, но диапазон их гораздо более широкий. Никакой маятник не сможет в 1 сек совершить несколько тысяч колебаний, тогда как для электрического тока такие колебания считаются медленными.

Период электрических колебаний определяется тем, насколько быстр конденсатор может заряжаться и разряжаться, а катушка – управляться со своим магнитным полем.

Число колебаний в секунду называется частотой колебаний. Единица измерения частоты называется герц (Гц). 1 Гц – это одно полное колебание в секунду, т.е. 1 период в секунду.

Частота электрических колебаний в контуре определяется величинами индуктивности катушки и ёмкости конденсатора. Чем больше индуктивность, тем сильнее скажется её тормозящее действие на изменении электрического тока в контуре, и тем медленнее будут совершаться колебания. Также влияет на частоту колебаний и ёмкость. С увеличением ёмкости конденсатора возрастает время, необходимое для его заряда и разряда. Значит период колебаний будет продолжительнее, а число колебаний в секунду – меньше.

Следовательно, изменяя индуктивность и ёмкость контура, можно менять частоту происходящих в нём электрических колебаний, подобно тому, как скрипач, перемещая пальцы по грифу скрипки и удлиняя или укорачивая струны, изменяет тон, т.е. меняет частоту звуковых колебаний.

В радиотехнике приходится иметь дело с электрическими колебаниями, частота которых достигает многих тысяч и миллионов Гц. Оперировать всякий раз с таким большими числами так же неудобно, как неудобно выражать путь от Москвы до Санкт-Петербурга в мм или вес поклажи грузового автомобиля в граммах. Общепринято пользоваться более крупными кратными единицами: кГц – 1000 Гц и МГц – миллион Гц.

Излучение радиоволн становится практически возможным лишь в том случае, если частота колебаний не ниже нескольких десятков тысяч Гц. Вот почему для излучения радиоволн нужен не просто переменный ток, а переменный ток высокой частоты.

При помощи колебательного контура можно получить электрические колебания практически любой частоты – от долей Гц до многих сотен и тысяч МГц. Для этого нужно только подобрать соответствующие ёмкости и индуктивности колебательного контура.

3.6 Открытый колебательный контур

Не следует думать, что достаточно создать в колебательном контуре высокочастотные колебания, для того чтобы он стал излучать в окружающее пространство радиоволны. Вот тут-то и приходится вспомнить «некоторые условия», о которых мы в своё время лишь упомянули.

Эффект излучения радиоволн тем ощутимее, чем большее пространство охватывается электрическим и магнитным полями контура. Конденсатор же по размерам очень невелик и поле его, хотя и сильное, очень собрано, сжато. Оно занимает небольшой объём пространства. То же следует сказать и о магнитном поле: оно собрано, сжато вокруг витков катушки.

Такой колебательный контур, у которого ёмкость и индуктивность сосредоточены, вследствие чего поля ограничены небольшим объёмом, называется замкнутым колебательным контуром. Применяя его в качестве излучателя радиоволн, можно ожидать не большего успеха, чем от попытки нагреть большую комнату раскалённым добела гвоздем.

Итак, чтобы усилить эффект излучения радиоволн, надо увеличить размеры электромагнитного поля.

Сразу же напрашивается решение раздвигать пластины конденсатора, и тогда в электрическое поле будут включаться все новые и новые части пространства. Но при раздвижении пластин уменьшается ёмкость конденсатора. Контур начнёт создавать колебания иной частоты. Есть выход: одновременно с раздвижением пластин увеличивать их размеры, и тогда емкость конденсатора остается неизменной.

На рис. 13 показано, как постепенное раздвижение пластин приводит к созданию открытого колебательного контура. Ёмкость у него образована двумя большими пластинами, удалёнными одна от другой на значительное расстояние. Опыт показал, что вместо сплошной пластины лучше применять две длинные проволоки, так как они создают конденсатор вполне достаточной ёмкости.

Рис. 13 – Получение открытого колебательного контура раздвиганием пластин

Для большего охвата пространства электрическим полем одну проволоку на мачтах поднимают высоко вверх, а другую располагают у самой земли. Если по такому открытому колебательному контуру начнёт протекать ток высокой частоты, излучение радиоволн обеспечено.

Когда А.С. Попов начал применять радиоволны для целей связи без проводов, он нашёл необходимым увеличить размеры открытого колебательного контура. Одну проволоку он поднял на высокой мачте вверх, а другую зарыл в землю. Земля – достаточно хороший проводник и по своему действию вполне заменяет одну из пластин конденсатора. Емкость открытого колебательного контура была образована поднятой вверх проволокой и землей, разделёнными слоем воздуха. Провод, поднятый кверху, получил название «антенна». В переводе на русский язык с греческого это слово означает усики (насекомого). Это название дано было по внешнему сходству.

Честь изобретения первой в мире антенны принадлежит также А.С. Попову.

Мы уже знаем, что не могут раздельно существовать переменные магнитное и электрическое поля. Поэтому при циркулировании в открытом колебательном контуре токов высокой частоты в окружающем пространстве будет возникать электромагнитное поле.

Сила или, лучше сказать, напряжённость этого поля будет тем большей, чем сильнее вызвавший её ток, чем больше амплитуда колебаний тока в контуре. Колебательный ток с небольшой амплитудой создаст вокруг антенны электромагнитное поле небольшой напряженности. Наоборот, ток с большой амплитудой создаст сильное электромагнитное поле. Чем больше напряжённость поля, тем на более далёком расстоянии оно способно действовать.

3.7 Излучение радиоволн

Мы вплотную подошли едва ли не к самому сложному явлению, с которым имеет дело радиотехника, – к возникновению излучения радиоволн. Нам нужно «заставить» перемещаться переменное электромагнитное поле антенны. Опираясь на формулировку, приведённую в начале статьи, мы можем поставить знак равенства между перемещающимися электромагнитными полями и радиоволнами. Останется пояснить, в силу каких причин электромагнитное поле «покидает» антенну и «отправляется» в самостоятельное путешествие.

Электромагнитное поле антенны «дышит» с частотой вызвавшего его тока. Следуя за всеми изменениями тока в антенне, поле как бы втягивается в антенну, когда ток в ней уменьшается до нуля, и как бы разбухает, когда ток достигает максимального значения.

Ток в антенне не ждёт. Счёт идет на микросекунды. Электромагнитное поле должно поспевать вслед за током «втягиваться» и «разбухать». Тем участкам электромагнитного поля, которые находятся у самой поверхности провода антенны, не потребуется много времени на то, чтобы быстро «всосаться» обратно в антенну при втягивании», т.е. в моменты прекращения в ней тока. Но участкам, находящимся на периферии огромного электромагнитного поля, придётся поспешить. Может получиться, в действительности так и получается, что периферийные участки поля ещё не успевают «втянуться» в антенну, как навстречу им начнёт двигаться, «разбухая», новое поле. Оно не пропустит к антенне остатки уже «втянутого» поля (рис. 14, слева).

Рис. 14 – Излучение радиоволн

«Запоздавшее» поле будет отброшено антенной. С каждым «вздохом» электромагнитного поля антенна будет толчками отбрасывать в пространство «опоздавшую» его часть. Оттесняя друг друга в стороны, отброшенные части электромагнитного поля будут вынуждены отходить всё дальше от антенны, перемещаясь в пространстве.

Так происходит излучение радиоволн.

Будь электромагнитное поле более «аккуратным», успевай оно своевременно «втянуться» в антенну, никакого излучения не получилось бы. У замкнутого колебательного контура поле очень небольшое. Почти всё оно успевает аккуратно следовать за всеми изменениями тока. Не происходит почти никаких запозданий! Но зато практически не получается излучения радиоволн.

3.8 Длина волны

Скорость, с какой волны увеличивают расстояние между собой и антенной, нам уже известна: 300 000 км в секунду. Такую огромную скорость как нельзя лучше характеризует слово «излучение». Неслучайно все отрасли техники, использующие «перемещающиеся электромагнитные поля», получили приставку «радио»: радиосвязь, радиолокация и пр. Слово «радио» происходит от латинского слова «радиус», означающего «луч».

С каждым новым колебанием электрического тока в антенне в пространство излучается очередная волна. Сколько колебаний тока, столько волн. Но сколько бы волн ни излучало, скорость их распространения строго постоянна. Через секунду после начала излучения «голова» первой волны окажется на расстоянии 300 000 км от антенны. Все остальные волны займут промежуточное положение между «головной» волной и антенной радиостанции. На долю каждой волны придётся тем меньшее расстояние, чем больше волн излучает за секунду антенна, т. е. чем выше частота колебаний тока в антенне. Если частота тока равна 1 МГц, то это значит, что за секунду антенна излучает 1 000 000 волн. Все они занимают в пространстве, считая по прямой линии в сторону от излучающей антенны, 300 000 км. На долю каждой волны придётся

300 000 : 1 000 000 = 0,3 км = 300 м.

Это расстояние есть путь, который успеет пройти волна, излучаемая радиостанцией за время одного колебания тока в антенне, т.е. за один период колебаний (рис. 14, справа). Оно называется длиной волны, которая обозначается греческой буквой λ(лямбда).

При понижении частоты колебаний каждая волна займёт больше места в пространстве. Если, к примеру, частота колебаний тока в антенне равна 100 кГц и, следовательно, антенна излучает в секунду 100 000 волн, то каждая волна «растянется» в пространстве на

300 000 : 100 000 = 3 км = 3 000 м.

Наоборот, при повышении частоты колебаний тока в антенне волны должны будут «сжаться». При частоте 100 МГц длина волны составит лишь

300 000 : 100 000 000 = 0,003 км = 3 м.

Таким образом, чем меньше частота, тем больше длина волны (λ₂на рис. 14, справа).

Длина волны λи частота f обратно пропорциональны друг другу. Поэтому длину электромагнитной волны λвсегда можно вычислить, если разделить скорость распространения этой волны, равную 300 000 км в секунду, на частоту f. Для того чтобы длина волны получилась в метрах, как её обычно принято выражать, скорость распространения также следует брать в метрах (300 000 000 м). Следовательно, можно написать:

λ (м)=300 000 000 / f(Гц),

или

f(Гц)=300 000 000 /λ (м).

Если же частоту выражать в килогерцах, то в этих формулах для получения длины волны в метрах скорость распространения надо брать в километрах (300 000 км), т.е.

λ (м) = 300 000 /f (кГц)

или

f (кГц) = 300 000 /λ (м).

4 Шкала электромагнитных излучений

Частота, Гц	Длина волны, м	Название диапазона	Основные источники возбуждения
10-2 – 103	3х1011....3х105	Низкочастотные (сверхдлинные) волны	Генераторы специальных конструкций, генераторы промышленной частоты 50 Гц, генераторы звуковых частот
103... 1012	3х105....3х10-4	Радиоволны	Генераторы радиочастот до 300 МГц, генераторы сверхвысоких частот (СВЧ)
1012...4х1014	3х10-4....8х10-7	Инфракрасное излучение	Излучение молекул и атомов при тепловых и электрохимических воздействиях
4х1014....8х1014	8х10-7... 4х10-7	Видимое излучение (длина волны от 800 до 400 нм)	Любой источник света. Видимого глазом
8х1014....3х1017	4х10-7... 10-9	Ультрафиолетовое излучение, мягкое рентгеновское излучение	Излучение атомов при облучении веществ электронами с низкой энергией движения
3х1017....3х1020	10-9... 10-12	Рентгеновское излучение	Атомные процессы, которые возбуждаются электронами с высокой энергией движения
3х1020... 1023	10-12....3х10-15	Гамма-излучение	Ядерные процессы, радиоактивные распады

Если рассмотреть в общем шкалу электромагнитных волн, то сразу станет ясно, что она вмещает достаточно небольшой интервал с диапазоном частот от 1 кГц до 300 ГГц, который называется радиоволнами. Вся же шкала ЭМ, а точнее известные науке пределы показывают, что она простирается выше световых волн и космических высокочастотных излучений. Различие между радиоволнами и световыми волнами заключается только в длине волны, поэтому радиоволны подчиняются законам, аналогичным со световыми волнами...

Длина волны λ – минимальное расстояние между двумя точками, находящимися в одинаковом волновом состоянии, т. е. в этом случае – это расстояние между соседними волновыми гребнями или впадинами.

Частота f – число волновых движений (длин волн), образующихся в одну секунду. Скорость распространения с – скорость распространения волнового процесса от источника энергии.

Эти три характеристики связаны между собой формулой:

λ (м) = с / f(Гц),

где с=3х10⁸ м/с – постоянная величина.

5 Применение радиоволн

Открытие радиоволн дало человечеству массу возможностей. Среди них: радио, телевидение, радары (радиолокация – навигация - воздушное сообщение, судоходство, контроль за воздушным транспортом и т.д.), радиотелескопы и беспроводные средства связи. Всё это облегчает нам жизнь. С помощью радио люди всегда могут попросить помощи у спасателей, корабли и самолёты подать сигнал бедствия, и можно узнать происходящие события в мире.

Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине – от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике – дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приёма сигнала в пределах зоны прямого распространения волн. Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приёма областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.

Микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.

Более короткие СВЧ-волны также находят множество применений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в устройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определённой частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микроволновая печь разогревает её изнутри.

Радиоволны большой длины от длинноволновых радиопередающих центров (РПЦ) «накрывают» соответственно и бόльшее пространство. Электрическую составляющую волны экранируют стены зданий, но магнитную они ослабляют мало. В свое время в штате Мэн (США) была развёрнута система радиосвязи с подводными лодками, находящимися на глубине в океане. Морская вода сильно поглощает радиоволны, но всё-таки, чем больше длина волны, тем поглощение меньше. Поэтому связь вели на частоте 15 Гц, то есть на длине волны 20 тысяч километров. А так как излучаемая антенной мощность пропорциональна кубу отношения её размеров к длине волны, то антенны протянулись почти через весь штат.

В 1920–30 г. в московских домах, расположенных вокруг радиостанции имени Коминтерна, которая вещала на длине волны 2 км, можно было провести такой опыт. Намотать на рамку около сотни витков, присоединить к концам лампочку от карманного фонарика – и она загоралась. Для этого напряжённость магнитного поля должна была составлять никак не меньше нескольких А/м. Сейчас во многих странах это предельно допустимый уровень для 8-часового рабочего дня.

Радиолокация – обнаружение, точное определение местонахождения и скорости объектов с помощью радиоволн.

Применение радиолокации • Сельское и лесное хозяйство: определение вида почв, температуры, обнаружение пожаров. • Военное дело и космические исследования: обеспечение полётов, обнаружение военных целей. • Геофизика и география: структура землепользования, распределение транспорта, поиски минеральных местонахождений. • Океанография: определение рельефа поверхностей дна морей и океанов.

Заключение

С момента открытия радиоволн, изобретения радио и по сегодняшний день основным применением его является передача информации из одного пункта в другой – радиосвязь. Возможность использования радиоволн для передачи сообщений на расстояния впервые продемонстрировал в 1896 г. изобретатель радио А.С. Попов. И хотя первая в мире радиограмма состояла всего из двух слов («Генрих Герц») и преодолела расстояние всего 250 м, начало было положено... А 2 мая 1945 г. долгожданная весть о взятии Берлина и победе Советского народа над фашистской Германией была передана в Москву коротковолновиком Величкиным. Радиосвязь быстро завоевала права гражданства. Радиостанции появились на наземных объектах и судах, на самолетах и космических аппаратах. Радио проникло в военное дело и прочно вошло в повседневную жизнь.

6Список использованной литературы

1. Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. – Москва – Ленинград: Государственное энергетическое издательство, 1963. – с.

2. К. Ротхаммель. Антены. (перевод с немецкого С.Ф. Захарченко). –Санкт-Петербург 1998. – .

3. Семёнов Б.Ю., Шелестов И.П. Путеводитель в мир электроники. Кн. 2. – М., 2004.

4. Казанский И.В., Поляков В.Т. Азбука коротких волн. – Москва. 1978.

5. Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования. – Москва, 1990.

1Вильям Крукс (1832–1919), английский физик и химик, член Лондонского королевского общества.

2 Эдуард Юджин Десаир Бранли (1844–1940), французский изобретатель, физик и инженер, член Французской академии наук, один из изобретателей радио.

3 Сэр Оливер Джозеф Лодж (1851–1940), английский физик и изобретатель, один из изобретателей радио, электрической свечи зажигания.

4Генрих Герц (1857–1894), немецкий ученый физик, профессор физики университета в Бонне, ученик Густава Кирхгофа, доказал существование электромагнитных волн.

5 Генрих Даниэль Румкорф (нем. Heinrich Daniel Ruhmkorff; Ганновер, 15.01.1803 – Париж, 20.12.1877) – немецкий изобретатель, механик, создатель катушки Румкорфа – устройства для получения импульсов высокого напряжения.

6 Никола Тесла (1856–1943), американский изобретатель, физик, инженер-электрик, долгое время работавший на заводах Эдисона, а затем основавший собственную лабораторию в штате Колорадо.

7 Александр Степанович Попов (1859–1906), русский физик и электротехник, кандидат физико-математических наук, почётный инженер-электрик, изобретатель первого радиоприёмника.

8 Петр Николаевич Рыбкин (1864–1948),русский радиотехник, открывший возможность приёма радиосигналов на слух.

9 Население 47 чел.

10Гульельмо Маркони (итал. Guglielmo Marchese Marconi; 25.04.1874, Болонья – 20.07.1937, Рим) – маркиз, итальянский инженер-электрик, изобретатель, удачливый коммерсант, державший руку на пульсе времени, лауреат Нобелевской премии по физике за 1909 год, усовершенствовал «когерер» – главную деталь радиоприёмника А.С. Попова.

11Снят в 1986 г.

Код для цитирования: Скопировать