X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Абсолютное большинство современных людей не мыслят своей жизни без мобильного телефона. Но редко кто из них догадывается о том, что мобильный телефон – это аппарат, совмещающий в себе функции приёмника и передатчика, а мобильная связь осуществляется с помощью тех же обыкновенных радиоволн. Поэтому, мне кажется, незаслуженно забыты такие замечательные учёные, как Генрих Герц, Александр Степанович Попов, Гульельмо Маркони, которые стояли у истоков величайшего открытия – открытия радио. Возникло желание, пользуясь аналитическо-поисковым методом, собрать имеющуюся в литературе и в Интернете информацию на эту тему.

Цель работы: изучить имеющуюся в литературе и в Интернете информацию об истории изобретения радио.

Задачи исследования:

1. Найти и обобщить информацию по выбранной теме.

2. Собрать из конструктора по схеме небольшой радиоприёмник FM-диапазона.

3. Получить практический навык сборки по схемам.

Слово «радио» происходит от латинского «radius», что означает «луч» и относится к электромагнитным волнам, излучаемым радиопередатчиком.

Радиосвязь– это разновидность беспроводной связи, у которой в качестве сигнала используются, распространяемые в пространстве, радиоволны.

Электромагнитная волна (в том числе радиоволна) – это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве со скоростью света.

Радиоволны распространяются в пустоте и в атмосфере; земная твердь и вода для них непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в частности, находящимися на большом расстоянии). Свет также представляет собой электромагнитные волны, но свет не проходит через туман, стены зданий и другие препятствия, дальность его распространения вдоль поверхности Земли невелика; радиоволны проникают повсюду и дальность их распространения практически безгранична – в этом решающее различие между оптической связью и радио.

С чего всё начиналось…

В 1887 году немецкому физику Генриху Герцу удалось получить первые электрические колебания, способные преодолевать пространство. Генератор колебаний Герца открыл путь к созданию устройства, способного излучать электромагнитные волны для установления беспроводной связи с приёмником.

Как известно, Герц не предвидел возможности применения электромагнитных волн в технике. В самом деле, было трудно увидеть в слабых искорках, которые Герц рассматривал в лупу, будущее средство связи, перекрывающее ныне космические расстояния до Венеры и Марса и позволяющее управлять самоходным аппаратом на Луне. Даже человеку с неистощимой фантазией, знаменитому писателю Жюлю Верну не удалось предвидеть радиосвязь, и герои его романа «Плавучий остров», написанного после опытов Герца, не знают способов беспроводной связи. Вообще между принципиальным открытием и его техническим приложением лежит огромное расстояние. Только люди с особыми способностями могут найти разумное техническое воплощение научной идеи. Именно такими способностями обладал замечательный русский физик Александр Степанович Попов, продемонстрировавший примерно через год после смерти Герца первый радиоприемник, открывший возможность практического использования электромагнитных волн для целей беспроволочной связи.

Александр Степанович Попов родился 16 марта 1859 г. на Урале (посёлок Турьинский рудник) в семье священника. После окончания в 1877 г. общеобразовательных классов Пермской духовной семинарии он не стал продолжать духовное образование, а поступил на физико-математический факультет Петербургского университета. В университете его увлекла электротехника. Он работал монтёром в товариществе «Электротехник», и первые его труды в 1882 г. были посвящены динамоэлектрическим машинам. Хотя Попов был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию, он долго не пробыл в аспирантуре, как бы сказали сейчас, и с 1883 г. стал преподавателем Минного офицерского класса в Кронштадте, совмещая эту должность с педагогической работой в Техническом училище Морского ведомства в Кронштадте.

В Минном офицерском классе Попов проработал до 1901 г., когда он был избран профессором кафедры физики Электротехнического института в Петербурге. В 1905 г. он был избран директором института и в этой должности скончался от кровоизлияния в мозг 13 января 1906 г. (Даты рождения и смерти А.С. Попова указаны по новому стилю. По старому стилю А. С. Попов родился 4 марта 1859 г., а умер 31 декабря 1905 г.) По роду своей служебной деятельности А.С. Попов был тесно связан с военно-морским флотом, и именно во флоте произошло рождение великого открытия. К нему разными путями в разных странах почти одновременно шли несколько людей: Попов, Резерфорд, Маркони и другие.

Первым добился успеха А.С. Попов. В 1889 г. А.С. Попов прочитал в собрании минных офицеров цикл лекций «Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями». Эти лекции сопровождались демонстрациями опытов Герца. Они имели большой успех, и Морской технический комитет предложил морскому министерству повторить лекции с демонстрациями в Петербурге, в Морском музее для петербургских офицеров. «Опыты, произведенные германским профессором Герцем в доказательство тождественности электрических и световых явлений, – говорилось в этом предложении, – представляют большой интерес не только в строго научном смысле, но также и для уяснения вопросов электротехники». Очевидно, что А.С. Попов уже говорил в своих лекциях о возможности практического использования волн Герца, и руководящие лица русского военно-морского флота заинтересовались этим. Морское министерство согласилось на повторение лекций Попова в Петербурге и выделило необходимые средства на перевозку приборов. Лекция «Об электрических колебаниях с повторением опытов Герца» состоялась в Морском музее 3 апреля 1890 г. Можно с большим основанием утверждать, что А.С. Попов был не только одним из первых в России «пропагатором герцологии» (термин Столетова), но и тем, кто сразу оценил практическое значение открытий Герца и начал решать задачу их технического использования.

7 мая 1895 г. А.С. Попов на заседании физического отделения Русского физико-химического общества демонстрировал сконструированный им радиоприемник. Этот день в нашей стране ежегодно отмечается как день рождения радио. Детектором электрических колебаний в приемнике Попова был изобретенный в 1890 г. французским физиком Эдуардом Бранли (1844–1940) прибор, названный английским ученым Оливером Лоджем (1851–1940) когерером. Это был своеобразный полупроводник. Стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками, была плохим проводником электричества. Однако под воздействием электрических колебаний её электропроводность резко возрастала. В опытах Бранли она менялась от миллионов до сотен и десятков ом.

Это уменьшение сопротивления сохраняется и после прекращения воздействия колебаний «иногда более 74 часов», по наблюдению Бранли. Трубку можно вернуть в состояние плохой электропроводности «слабыми отрывистыми ударами по дощечке, которая поддерживает трубку». Лодж в 1894 г. прочитал в Лондонском Королевском обществе лекцию памяти Герца под названием «Творение Герца». Здесь он говорил и о трубке Бранли: «Этот прибор, который я называю когерером, удивительно чувствителен как детектор герцевских волн». В опытах Лоджа когерер чувствовал влияние искры на расстоянии сорока ярдов

(около 40 м). Лодж применял различные способы приведения когерера в рабочее состояние, в том числе и с помощью вибраций электрического звонка, смонтированного на одной доске с когерером. Однако Лодж не додумался до использования звонка и как регистратора поступившего сигнала и как автомата для приведения когерера в рабочее состояние. Это сделал А. С. Попов. Попов же применил антенну для улавливания электромагнитных волн. Сочетав звонок, когерер, антенну, А.С. Попов построил прибор, который позже (в июле 1895 г.) был назван Д.А. Лачиновым «грозоотметчиком», имея в виду его применение как регистратора грозовых разрядов. Однако Попов своим приёмником пользовался и для приёма волн, создаваемых передатчиком. В своей статье «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», опубликованной в журнале Русского физико-химического общества в 1896 г., А.С. Попов писал: «В соединении с вертикальной проволокой длиною 2,5 метра прибор отвечал на открытом воздухе колебаниям, произведенным большим герцевым вибратором (квадратные листы 40 сантиметров в стороне) с искрой в масле, на расстоянии 30 сажен».

Эти строки писались в декабре 1895 г. Таким образом, А.С. Попов в 1895г. проводил опыты по передаче и приёму электромагнитных волн на расстояние до 60 м. Летом того же года его прибор использовался для регистрации электрических возмущений в атмосфере как при наличии грозовых разрядов, так и при отсутствии гроз.

А.С.Попов заканчивал свою статью словами, что «прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применён к передаче сигналов на расстоянии при помощи быстрых электрических колебаний». При этом он указывал на необходимость создания достаточно мощного генератора таких колебаний. 20 января 1897 г. А.С. Попов выступил на страницах газеты «Котлин» со статьей «Телеграфирование без проводов». Заглавие статьи ясно указывает, что в ней речь идет не о передаче и приёме сигналов, а о «телеграфировании», т. е. передаче и приёме осмысленного текста условным кодом. Статья появилась в связи с сообщением об опытах Маркони. Попов напоминает, что прибор, аналогичный описанному в сообщении, был им построен в 1895 г. и демонстрировался на заседании физического отделения Русского физико-химического общества в апреле (7 мая по н. ст.). Он указывает, что его прибор «приспособлен для опытов с электромагнитными волнами» и демонстрировался на научных заседаниях и лекциях. А.С. Попов указывает, что с помощью этого прибора он отмечал грозовые разряды на расстоянии «более 25 верст». Он подчёркивает, что сигнализация электрическими волнами «и сейчас возможна», но герцевские вибраторы как источник электрических лучей «очень слабы». Указав, что действие тумана на электрические волны «не было наблюдаемо», Попов подчеркивает, что «можно ожидать существенной пользы от применения этих явлений в морском деле...». И в дальнейшем А. С. Попов неустанно работает над разработкой радиотелеграфной связи для флота. Работая для флота и отчётливо понимая всю важность этой работы для своей родины, А.С. Попов не спешил с печатными публикациями, стремясь информировать лишь специальную аудиторию: морских офицеров и учёных. Но с момента появления в печати сведений о работе Маркони А.С. Попов был вынужден выступить в защиту своего приоритета. Статья в газете «Котлин» от 20 января 1897 г. была первым таким выступлением А.С. Попова. Гульельмо Маркони (1874–1937) в июне 1896 г. сделал заявку на патент для своего изобретения. Патент на «усовершенствование в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого» был выдан Маркони 2 июля 1897 г., т. е. спустя более двух лет после демонстрации А.С. Поповым своего приёмника. Патент Маркони был английским и закреплял его приоритет в Англии. А.С. Попов ограничился сообщением 7 мая 1895 г. и печатной публикацией 1896 г. и своего изобретения ни в России, ни где бы то ни было не патентовал. Исторически приоритет А.С. Попова бесспорен, он бесспорен с точки зрения научного приоритета. Но юридически патент Маркони, хотя и является только английским, был первым правовым актом, закрепляющим авторство изобретателя. Маркони был капиталистическим дельцом, он ничего не публиковал и не сообщал до подачи заявки на патент, он стремился закрепить не научный, не исторический приоритет, а юридический. И хотя истории науки нет никакого дела до юридической стороны, она решает вопрос с точки зрения исторической правды, находятся историки науки, которые защищают приоритет Маркони. Заслуга Маркони в дальнейшем развитии радио бесспорна, в развитии, но не в открытии. Исторически точно установленным фактом является тот факт, что открытие радио было сделано А. С. Поповым и дата первого публичного сообщения об этом открытии 25 апреля старого стиля, 7 мая нового стиля 1895 г. является датой одного из величайших изобретений в истории человеческой культуры. А. С. Попов и Г. Маркони шли от одной схемы радиоприемника, используя принцип когерера. Другим путем проблему передачи сигналов на расстояние пытался решить Эрнест Резерфорд (1871–1937). Ещё находясь в Новой Зеландии, он изучал намагничивание железа высокочастотными разрядами. Результаты своих исследований он опубликовал в «Трудах Ново-Зеландского института» за 1894 г. Переехав в Кембридж, он продолжал заниматься этим вопросом и, установив уменьшение намагничивания стального стержня под влиянием электрических колебаний, предложил воспользоваться этим эффектом для детектирования электрических колебаний. Статья Резерфорда «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения» была опубликована в 1897 г., в год выдачи патента Маркони. В этой статье Резерфорд сообщил, в частности, об использовании детектора в опытах по обнаружению электромагнитных волн на больших расстояниях. Он писал: «Мы работали с вибратором Герца, имеющим пластины площадью 40 см² и короткий разрядный контур; мы получили достаточно большое отклонение магнитометра на расстоянии 40 ярдов, причем волны проходили через несколько толстых стенок, расположенных между вибратором и приёмником». «В дальнейших опытах была поставлена задача – определить максимальное расстояние от вибратора, на котором можно обнаружить электромагнитное излучение...» «Первые опыты проводились в лабораториях Кембриджа, причем приёмник находился в одном из дальних зданий. Достаточно большой эффект был получен на расстоянии около четверти мили от вибратора, и, судя по величине отклонения, эффект можно было бы заметить на расстоянии, в несколько раз большем...» Но в том же, 1897 г., когда была опубликована эта статья, Резерфорд узнал о результатах Маркони и прекратил дальнейшие опыты с своим детектором. Его внимание привлекла область, в которой ему было суждено обессмертить свое имя, – радиоактивность. Проводя исследования в этой области, он пришел к открытию атомного ядра и первых ядерных реакций. Открытие радио подтвердило справедливость теории Максвелла высшим критерием истины – практикой. Теория Максвелла выдвинула перед физикой ряд острых и глубоких вопросов, решение которых привело к новому революционному этапу в истории физики.

Итак, опыты Герца использовали Александр Попов и Гульельмо Маркони, которые независимо друг от друга изобрели беспроводной телеграф, передававший радиосообщения в виде сигналов азбуки Морзе [1].

Позднее канадско-американский физик Реджинальд Фессенден усовершенствовал беспроводной телеграф и создал радиопередатчик, модулирующий электромагнитные волны звуковыми сигналами. Так с помощью электромагнитных волн впервые стало возможно слушать не только человеческий голос, но и музыку.

Изобретение радио явилось не только шагом вперёд в технике, но и важнейшим культурным событием. Радио «отменило» расстояние. Жители разных стран смогли быстро связываться друг с другом, широкому кругу радиослушателей стали доступны культурные и информационные программы.

Московская радиотелефонная станция имени Коминтерна вступила в строй 7 ноября 1922 года, а регулярное радиовещание в Советском союзе началось в октябре 1924 года. Вот как на это событие отозвались московские газеты: «Настройтесь на волну 3000 метров и слушайте! В воскресенье 17 октября в 3 часа дня по декретному времени на центральной радиотелефонной станции Наркомпочтеля состоится первый радиоконцерт. В программе русская музыка». С 1929 года началось регулярное вещание Московского радио на зарубежные страны. А в 1932 году в эфир стали выходить «Последние известия». Каждый день московские радиостанции транслировали свыше 40 концертов и музыкальных передач. Радио стало основным средством информации, оно пользовалось даже большей популярностью, чем ежедневные газеты. С изобретением телевидения у радио появился серьёзный конкурент, но его популярность не уменьшалась. Об этом свидетельствует бурный рост частных радиостанций FM-диапазона.

В 1930-е годы радио превратилось в орудие политической и экономической пропаганды. Так появились радиопрограммы, которые рекламировали продукты массового потребления. Развитие индустрии радиовещания потребовало выпуска недорогих приёмников, вначале состоящих из отдельных частей, а затем сконструированных в виде единого блока, к которому достаточно было подключить антенну и динамик.

Первые радиоприёмники работали на электронных лампах и были достаточно большими. После Второй мировой войны радиолампы были заменены транзисторами. Транзистор – это полупроводник, который может выполнять те же функции, что и электронная лампа, управляющая потоком электронов и усиливающая слабые сигналы. Транзистор имеет значительно меньшие размеры, потребляет совсем немного энергии и для работы требует более низкого напряжения. Изобретение транзисторов позволило не только создавать карманные приёмники, работающие от батарейки, но и послужило важным этапом для последующего распространения радио [2].

В настоящее время, имеются конструкторы для взрослых и детей, изучающих физику, позволяющие по схеме собрать небольшой радиоприёмник.

Принцип радиосвязи основан на передаче сигнала от передающего устройства, содержащего передатчик и передающую антенну, путём перемещения радиоволн в открытом пространстве, приёмному устройству, содержащему приёмную антенну и радиоприёмник.

Микрофон передатчика под воздействием звуковых колебаний вырабатывает слабый электрический ток низкой частоты. Этот сигнал поступает в усилитель низкой частоты (УНЧ). С УНЧ сигнал поступает в модулятор. Генератор высокой частоты (ГВЧ) вырабатывает незатухающие колебания высокой частоты (ВЧ), которые также поступают в модулятор, где они модулируются по амплитуде колебаниями низкой частоты и поступают в антенну. Антенна излучает в окружающее пространство электромагнитные волны, амплитуда которых также модулирована по низкой частоте. Частота ГВЧ является несущей, она и определяет частоту (и волну) передающей станции. Гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот, подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал, а модулированные электромагнитные волны представляют собой радиоволну.

Свободно перемещаясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. В антенне приёмника радиоволны возбуждают переменные ЭДС индукции разных частот. Для выделения частоты нужной радиостанции применяется входной колебательный контур, который может иметь конденсатор переменной ёмкости или катушку с изменяемой индуктивностью. В любом случае изменение ёмкости или индуктивности приводит к изменению собственной частоты входного контура и, в тот момент, когда эта частота совпадает с несущей частотой радиостанции, наблюдается резонанс. Этот эффект позволяет выделить сигнал какой-то определённой радиостанции среди других. Тем не менее, сигнал остаётся очень слабым и его усиливает усилитель высокой частоты (УВЧ) приёмника. Принятый радиосигнал после усиления демодулируется. Детектор выделяет одну половинку амплитудно-модулированного сигнала, фильтр сглаживает пульсации, превращая его в низкочастотный сигнал. УНЧ усиливает НЧ-сигнал, а громкоговоритель преобразует усиленный электрический сигнал в звуковые колебания. Выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания в радиопередатчике. Сигнал преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, аналогичное исходному [3].

Схема сборки цифрового радиоприёмника FM-диапазона

1 – шайба с одной соединительной клеммой;

2 – провод с двумя соединительными клеммами;

3 – провод с тремя соединительными клеммами;

4 – провод с четырьмя соединительными клеммами;

6 – провод с шестью соединительными клеммами;

15 – выключатель;

19 – батареи;

20 – динамик;

29 – усилитель мощности;

53 – переменный резистор;

55 – высокочастотная интегральная схема FM – диапазона [4].

К сожалению, ультракороткие волны имеют небольшой радиус распространения, и поэтому данный приёмник будет работать только в местах, где работают станции FM – диапазона (крупные города и их окрестности). Нажатие кнопки «Т» приведёт к автоматической настройке на станцию и запоминанию этой станции в памяти приёмника. Кнопку нажимают снова и снова, пока приёмник не настроится на все станции в диапазоне 88-108 МГц. После настройки на последнюю станцию нажимается кнопка возврата в исходное положение «R». Теперь, нажимая на кнопку «Т», можно переходить от радиостанции к радиостанции, зафиксированным в памяти приёмника. Положение проволочной антенны сильно влияет на качество приёма [5].

Заключение

В наш технический век радиосвязь глубоко проникла в повседневную жизнь.

Абсолютное большинство современных людей не мыслят своей жизни без мобильного телефона. Но редко кто из них догадывается о том, что мобильный телефон – это аппарат, совмещающий в себе функции приёмника и передатчика, а мобильная связь осуществляется с помощью тех же обыкновенных радиоволн.

Там, где используют рации – различные приёмопередающие устройства (полиция, скорая помощь, МЧС и т.п.), связь также осуществляется с помощью радиоволн.

Приём телевизионных сигналов с помощью антенн, которые устанавливаются на крышах домов, постепенно уходит в прошлое. Тем не менее, те же самые радиоволны переносят изображение.

Спутниковые телевидение, телефонная связь, Интернет – всё это существует, благодаря радиоволнам, которые излучаются передатчиком, ретранслируются спутником и достигают приёмника [6].

Беспроводные мышь, клавиатура и гарнитура также содержат миниатюрные приёмопередатчики, работающие в радиоволновом диапазоне.

Biuetooch, Wi-Fi, беспроводные компьютерные сети – это также передатчики и приёмники радиоволн.

Различные радиоуправляемые модели обязательно имеют блок управления (передатчик) и приёмник в самой модели.

GPS, ГЛОНАСС – глобальные системы позиционирования, с помощью которых можно определить не только своё место положения, но и многое другое – работают также в радиоволновом диапазоне.

Радиолокация используется в военном деле, радиолокационными методами определяют расстояния до небесных тел, отслеживают движение астрономических объектов, в космонавтике – следят за положением и перемещением различных космических аппаратов. Карта поверхности Венеры, скрытой мощным облачным покровом, была составлена с помощью радиолокации [7].

В данной работе была предпринята попытка обобщения имеющейся в литературе и в Интернете информации об истории изобретения радио, о людях, занимавшихся изучением этой проблемы. Мы не должны забывать их имена и их огромный вклад в науку и в создание нашей современной благоустроенной жизни. Без этих людей мы бы вряд ли так скоро прикоснулись к благам современной цивилизации. Кроме того, во время работы над рефератом была детально изучена схема сборки радиоприёмника FM-диапазона, а также осуществлена сборка модели радиоприёмника. В связи с этим, получен практический навык сборки моделей по предложенным схемам.

Список использованных источников

1. Кудрявцев П.С.Курс истории физики:Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по физ. спец.– 2 изд., испр. и доп.– М.: Просвещение, 1982.– 448 с.

2. Микеле Лауро. Энциклопедия «Хочешь знать почему?». – М.: Махаон, 2008. – 256 с.

3. Успенский Э.Н. Лекции профессора Чайникова. – М.: Астрель: АСТ, 2008. – 113 с.

4. Бахметьев А.А. Электронный конструктор «ЗНАТОК» / Практические занятия по физике / Кн. 1. – М., 2005. – 70 с.

5. Бахметьев А.А. Электронный конструктор «ЗНАТОК» / Практические занятия по физике / Кн. 2. – М., 2005. – 98 с.

6. Занимательные науки / Я.И. Перельман. – М.: ХРАНИТЕЛЬ, 2007. – 587 с.

7. Физика на каждом шагу / Я.И. Перельман. – М.: АСТ: Астрель: ХРАНИТЕЛЬ, 2008. – 250 с.

Код для цитирования: Скопировать