Освоение радиоэфира

После того как появилось радио, началось освоение эфира.

В 1896 г. Г. Маркони передал радиосигнал на расстояние более 3 км[501]. В 1897 г. А. С. Попову удалось увеличить этот показатель до 5 км[502], а Г. Маркони до 27 км[503]. В 1899 г. А.С. Попов осуществил радиосвязь на расстоянии 28 км, в 1900 г. – 47 км.[504]

Если А.С. Попов использовал для своих опытов поддержку государства, то Г. Маркони – частного капитала. Уже в 1897 г. возникла английская фирма «Маркони и К»[505].

Сумев привлечь к своему делу большие средства, Г. Маркони 27 марта 1899 г. осуществил радиопередачу через Ла-Манш (около 50 км)[506], а в 1900 г. увеличил дальность передачи до 250 км[507].

Одна из причин успеха Г. Маркони была связана с использованием им антенных устройств. Достаточно сказать, что Ла-Манш он штурмовал с помощью целой группы антенн высотой почти в 50 м[508].

Но дело заключалось не только в их количестве и высоте.

Г. Маркони обратил внимание на изобретения немецкого физика, будущего лауреата Нобелевской премии Фердинанда Брауна и сразу же взял их на вооружение[509].

Если до этого антенна непосредственно включалась в электрическую цепь, Ф. Браун поставил между антенной и генератором электромагнитных волн трансформатор, позволивший увеличивать напряжение. Именно он включил в цепь еще одно важное устройство – конденсатор, который с тех пор стал обязательным элементом всех радиопередающих устройств [510].

Кроме того, Ф. Браун предложил использовать «направленный пере-датчик» и «направленный приемник», чтобы период колебаний передаю-щего устройства совпадал с периодом колебаний приемного устройства: когда передающая станция и приемное устройство настроены на одну частоту, резонанс колебания передающей станции способен вызывать в приемном устройстве максимальный эффект[511].

Наконец, Ф. Браун едва ли не впервые вместо когерера использовал кристаллический детектор (предшественник транзистора)[512].

Таким образом, пока А. С. Попов еще делал первые опыты, радиотехника быстрыми шагами шла дальше.

В 1903 г. состоялась Первая международная конференция по «беспро-водной телеграфии». На этой конференции было принято решение называть этот вид электросвязи «радиотелеграфом»[513]. В том же году Международный союз электросвязи принял первый «Регламент радиосвязи (РР)»[514].

Для понимания того, как происходило освоение радиоэфира, необхо-димо учитывать, что существует довольно большой спектр радиоволн, характеризующихся такими понятиями, как длина и частота. Что такое частота, уже говорилось ранее. Длина волны – это «расстояние, на которое распространяется энергия за время одного колебания»[515] или «расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах»[516]. Из этого вытекает, что длина волны находится в обратной пропорциональной зависимости от частоты. Иначе говоря, чем ниже частота, тем длиннее волна. И наоборот: чем выше частота, тем короче волна (табл. 1).

Таблица 1

Спектр радиочастот

Источник. Косиков К. М. Развитие знаний в области распространения и применения радиоволн // Очерки истории радиотехники. С. 303.

Освоение радиоэфира происходило следующим образом: «…Если Герц проводил свои опыты на метровых волнах, то первая транс-атлантическая связь была установлена (Маркони, 1901) на волне 366 м. В 1902 г. для устойчивой радиотелеграфной связи использовалась длина волны 1100 м, в первой коммерческой линии связи Ирландия–Нью-Фаунленд, открывшейся в 1907 г., длина волны равнялась 3560 м. К концу Первой мировой войны длина волновой разности возросла до 20–25 км»[517].

Первоначально считалось, что дальность распространения радиоволн находится в прямой зависимости от их длины. В связи с этим, как конста-тируют авторы «Очерков истории радиотехники», получило «применение более длинных волн и тем самым более высоких и сложных антенн, а также более мощных передатчиков»[518]. По этой же причине в «первые 20 лет развития радио ученые и инженеры полагали, что радиоволны с частотой выше 200 кГц непригодны для радиовещания, и до 1922 г. их было разрешено использовать для любителей связи»[519].

Между тем к концу Первой мировой войны почти весь спектр сверхдлинных, длинных и даже средних волн оказался заполненным, что стало создавать взаимные помехи[520].

И тут обнаружилось, что радиолюбители, работавшие на коротких волнах, могут связываться между собою, несмотря на сотни и тысячи кило-етров, которые их разделяли. Особый резонанс получил сеанс радиосвязи шотландских и американских радиолюбителей в 1921 г.[521]

Изучение этих фактов привело к выводу, что характер распростране-ния волн вдоль поверхности Земли и волн, направленных в пространство, различен. Если первые очень быстро затухают, то вторые, отражаясь от верхних слоев атмосферы, а затем от земной поверхности (причем неодно-ратно), могут распространяться на более значительные расстояния[522].

В 1922 г. советский физик М. В. Шулейкин создал теорию дисперсии коротких волн в однородной ионизированной среде[523]. Дисперсия волн – от лат. dispersio, рассеивание – зависимость показателя преломления, т. е. скорости распространения волн в веществе, от длины волны (частоты)[524].

Изучение этого явления открыло возможность для использования коротких и ультракоротких волн, которое началось в середине 20-х гг.[525]

Но чем больше становилась дальность радиопередач, тем сильнее ощущалось такое явление, как затухание радиоволн по мере удаления их от передающего устройства.

В связи с этим усилия ученых были направлены на решение двух проблем: а) создание более сильных генераторов тока; б) совершенство-вание передающих и приемных устройств.

«Переход к использованию незатухающих колебаний произошел в радиотехнике постепенно и занял около десятилетия (1905–1915). За это время было разработано несколько методов генерирования незатухающих колебаний с помощью уже известных в технике устройств: электрической дуги, электрических машин повышенной частоты и посредством нового прибора – электронной лампы»[526].

Особую известность получил дуговой генератор датского инженера, изобретателя магнитофона Вальдемара Паульсена (1869–1942), созданный в 1902 г.[527]. Одновременно начали использоваться машинные генераторы переменного тока. В этом отношении больших успехов добился русский ученый В. П. Вологдин[528]. Подобные генераторы имели мощность в сотни киловатт и весили десятки тонн.

Долгое время важным препятствием на пути развития радиосвязи была малая чувствительность радиоприемников. Эту проблему удалось решить с помощью радиоламп.

С незапамятных времен человеку был известен факт превращения электричества в свет (грозовые молнии, северное сияние), но долгое время он не понимал природы этих явлений. Впервые на связь электричества и света было обращено внимание в конце XVII в. Производя опыты, О. Герике обнаружил, что наэлектризованный им шар из серы в темноте начинает светиться[529]. В 1698 г. англичанин Уолл сумел получить электрическую искру[530] и в 1708 г. поведал об этом в печати[531].

В XVIII в., особенно после того, как был создан конденсатор и изобретен дисковый генератор статического электричества, получение искры стало обычным явлением. С ее помощью удалось зажечь нефть, порох, спирт, фосфор[532].

Экспериментируя с электричеством, живший в XVIII в. американский изобретатель Э. Киннерски (р. 1712) заметил, что под влиянием электричества проводник может не только нагреваться, но и раскаляться[533], а в начале XIX в. А. Вольта обратил внимание, что при сильном токе тонкая медная проволока не только раскаляется, но и перегорает[534].

На основе этих и других наблюдений была создана первая электрическая лампа накаливания и началось ее совершенствование. В 1838 г. бельгиец Аброус-Марселин Жобар (Jean-Baptiste-Ambroise-Marcellin Jobard) (1792–1861) предложил использовать для нити накаливания уголь. Это позволило значительно удешевить лампу, но она очень быстро перегорала[535].

В 1878 г. продлением срока службы этих электрических ламп занялся

Т. А. Эдисон. В связи с этим он обратил внимание, что во время их работы стекло изнутри начинает чернеть за исключением той его части, которая находится возле нити накаливания, соединенной с положительным элек-тродом. Сделав из этого вывод, что почернение происходит в результате выделения мельчайших частиц угля, из которого была изготовлена нить накаливания, Т. А. Эдисон ввел внутрь еще один электрод. При этом он за-метил, что если этот электрод соединить «с положительным концом нити» накаливания, то возникал электрический ток, если «электрод был соединен с отрицательным концом, то никакого тока не было». Так в 1883 г. было открыто явление, которое получило название «эффекта Эдисона»[536].

Этот эффект сразу же привлек к себе внимание других ученых. Одним из них был английский физик Джон Амброуз Флеминг (1849–1945), который с 1882 по 1895 гг. работал консультантом в фирме Т.А. Эдисона, а с 1899 г. в фирме Г. Маркони. Уже в 1883 г. он выступил с докладом на тему «Явление молекулярной радиации в светящихся лампах»[537].

Изменяя форму нити накаливания и вводимого электрода, а также их расположение внутри лампы и соотношение между собой, Д. А. Флеминг обнаружил, что таким образом можно регулировать то, что он называл «молекулярной радиацией» (на самом деле выделение электронов) и оказывать влияние на протекание тока в электродах, с которыми была связана нить накаливания.

В результате Д. А. Флемингу удалось использовать «лампу Эдисона» и для приема радиоволн вместо когерера, и для выпрямления переменного тока, и для преобразования высокочастотных электрических колебаний в низкочастотные, т. е. в качестве демодулятора или же детектора. 16 ноября 1904 г. Д. А. Флеминг подал заявку на свое изобретение, получившее название диода, т. е. двухэлектродной лампы, и в следующем году получил патент[538].

Продолжая эти опыты, американский физик Ли де Форест (1873–1961) обернул лампу фольгой и обнаружил, что приемник стал чувствительнее к радиоволнам. Тогда он решил поместить «фольгу» внутрь лампы и с этой целью ввел в нее еще один электрод, который изготовил в виде сеточки и установил над диодом. Чувствительность радиоприемника стала еще боль-ше. Так был создан новый вид электронной лампы, получивший название триода. Заявка на него была подана в 1906 г., патент получен в 1907 г.[539].

Триод открыл новые возможности не только для приема, но и для генерирования радиоволн. Правда, хотя он и был способен генерировать колебания электромагнитных волн, он не мог устранить их затухающего характера. В связи было предложено усовершенствовать его таким образом, чтобы электрический сигнал с выхода усилительной лампы возвращался обратно на вход, увеличивая тем самым до определенного предела ее мощность. Это явление получило название регенерации, а усовершенствованный триод – регенератора[540].

В литературе можно встретить разные мнения относительно авторства этого изобретения, но, по всей видимости, правы те, кто считает, что регенеративную схему триода в 1912–1913 гг. независимо друг от друга предложили сразу же несколько человек (Эдвин Говард Армстронг, Ирвинг Лэнгмюр, Александр Мейснер, Ли де Форест и др.)[541].

В 1913 г. сотрудник немецкой фирмы Телефункен Александр Мейснер (Meissner) создал первый ламповый радиопередатчик[542], открывший начало новой эпохи – эпохи электроники.

Значение электронной лампы заключалось не только в том, что она позволила улучшить прием радиосигналов, не только в том, что она представляла собою более дешевый генератор электромагнитных волн, но и в том, что позволила генерировать и принимать короткие и ультракороткие волны.

С середины 20-х гг. начался переход от сверхдлинных, длинных и средних волн к коротким и ультракоротким волнам.