Страница:
Этот радиоприемник был устроен следующим образом. Чувствительная трубка с металлическими опилками (когерер) укреплялась в горизонтальном положении; к одному выводу трубки присоединялся отрезок проволоки, представлявший собой приемную антенну, а к другому концу — заземленный провод. Электрическая цепь батареи замыкалась через когерер и электромагнитное реле: вследствие большого сопротивления опилок в трубке (до 100000 Ом) ток в цепи батареи был недостаточен для притяжения якоря реле. Но как только трубка подвергалась действию электромагнитных волн, опилки слипались, и сопротивление трубки значительно уменьшалось. Ток в цепи возрастал, и якорь реле притягивался. При этом происходило замыкание второй цепи, и ток направлялся через обмотки звонкового реле, в результате чего звонок приходил в действие. Молоточек ударял по звонку, при этом цепь размыкалась. Молоточек возвращался в исходное положение под действием пружины и ударял по трубке, встряхивая опилки. Таким образом, трубка вновь делалась чувствительна к электромагнитным волнам.
7 мая 1895 года Попов демонстрировал работу своего радиоприемника во время доклада на заседании Русского физико-химического общества. Источником электромагнитных колебаний в его опытах служил передающий вибратор Герца, только в передатчике Попова искровой разрядник включался между антенной и землей. В январе 1896 года в журнале этого общества была опубликована статья Попова с описанием его приемника.
Затем Попов присоединил к своей схеме телеграфный аппарат Морзе и ввел запись на ленту. В результате получился первый в мире радиотелеграф — передатчик и приемник с записью сигналов по азбуке Морзе.
Рассмотрим внимательно его устройство. Между батареей и первичной обмоткой катушки Румкорфа был включен телеграфный ключ Морзе. При замыкании этого ключа постоянный ток батареи шел через витки обмотки. Прерыватель с большой частотой замыкал и размыкал цепь, в результате чего (смотри главу «Трансформатор») постоянный ток преобразовывался в переменный. Благодаря электромагнитной индукции во вторичной обмотке катушки Румкорфа наводился переменный ток высокого напряжения. Эта обмотка замыкалась на разрядник. Таким образом, каждое замыкание телеграфного ключа порождало потоки искр в разряднике. Короткими или более продолжительными замыканиями производились короткие и долгие потоки искр, которые соответствовали точкам и тире азбуки Морзе. Один полюс разрядника был заземлен, а другой соединен с антенной, которая излучала порожденные разрядником электромагнитные волны в окружающее пространство.
Некоторая часть этих волн попадала в антенну приемника и индуцировала в ней слабый переменный ток. Причем длительность каждого принимаемого импульса тока точно соответствовала продолжительности сигнала разрядника. Устройство приемника было почти таким же, что в предыдущей модели: когерер соединялся с батареей и электромагнитом, реле которого при помощи местной батареи приводило в действие пишущий аппарат Морзе, включенный в цепь вместо звонка. Пока когерер не подвергался действию электромагнитных волн, его сопротивление было настолько велико, что ток в цепи когерера не протекал. Когда же на когерер оказывали действие электромагнитные волны, его сопротивление сильно уменьшалось, и сила тока в цепи возрастала настолько, что электромагнит притягивал свой якорь, включая цепь телеграфного аппарата. Это притяжение не прекращалось, пока электромагнитные волны действовали на когерер. Одновременно с замыканием цепи приходил в действие молоточек, который ударял по когереру. Сопротивление последнего увеличивалось. Однако если волны продолжали действовать, то сопротивление тотчас опять уменьшалось и состояние малого сопротивления продолжалось несмотря на сотрясения. Все это время телеграфный аппарат чертил линию на ленте. И только когда воздействие электромагнитных волн прекращалось, проявлялось действие сотрясения, и сопротивление увеличивалось до прежней величины — аппарат выключался до появления новой волны. Таким образом на телеграфной ленте вычерчивались точки и тире, соответствующие сигналам пересылаемой депеши. 24 марта 1896 года Попов демонстрировал свою аппаратуру на заседании Российского физико-химического общества и произвел передачу сигналов на расстояние 250 м. Первая в мире радиограмма состояла из двух слов «Генрих Герц».
Одновременно с Поповым свою радиотелеграфную установку создал молодой итальянец Гульельмо Маркони. С детства он горячо интересовался электричеством, а потом увлекся идеей беспроволочного телеграфа. В 1896 году он собрал передатчик и приемник, очень похожие по своему устройству на те, которые изобрел Попов. В том же году Маркони привез свое изобретение в Англию. Мать его была англичанка, и благодаря ее связям он был хорошо принят на Британских островах. В 1896 году Маркони получил английский патент на свой радиотелеграф (это был первый патент, взятый на телеграфирование без проводов; таким образом, с формальной точки зрения, Маркони вполне справедливо считается изобретателем радио, так как первым сумел запатентовать свое изобретение). В июне 1897 года было организовано акционерное общество для применения изобретения Маркони. В свои 23 года он проявил удивительную изобретательность и предприимчивость. С первых же шагов его предприятие получило солидную финансовую основу. При любой возможности Маркони старался демонстрировать, какие выгоды давало новое средство беспроводной связи. Так, в июне 1898 года должны были состояться традиционные парусные гонки в районе Дублина. Эти гонки всегда привлекали к себе всеобщее внимание. Маркони отправился в Дублин и договорился с одной из крупных ирландских газет, что будет передавать ей по радио с парохода, находившегося в районе гонок, все сведения, которые могут интересовать публику для помещения их в экстренных выпусках газеты. Опыт удался полностью. В течение нескольких часов Маркони вел передачу, которая принималась редакцией. Полученные таким образом сведения опережали всякие другие, и газета значительно увеличила тираж. Для Маркони это тоже был большой успех: в короткий срок акционерный капитал его общества удвоился, достигнув 200 тысяч фунтов стерлингов. Это дало ему возможность быстро совершенствовать свой радиотелеграф. Через несколько лет он уже значительно опережал в своих разработках Попова.
Одним из главных элементов первых радиоприемников был когерер. Естественно поэтому, что основные усилия изобретателей, стремившихся усилить чувствительность приемных аппаратов, были направлены именно на его совершенствование. Маркони первый обратил внимание на важное свойство когерера, а именно — на зависимость его действия от величины приложенного к нему напряжения высокочастотных колебаний. Чтобы возможно полнее собрать энергию магнитного поля, создаваемого наведенным в антенне ничтожно малым током, необходимо было его усилить. Маркони нашел простой и остроумный способ решения этой проблемы. В 1898 году он включил в свой радиоприемник джиггер (что значит «сортировщик») — высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого включалась в одну цепь с антенной, а вторичная — подводилась к когереру. В том же году Маркони взял патент на эту схему.
Проводники a и b обозначают здесь цепь антенны, в которую была включена первичная обмотка джиггера c. В результате трансформации напряжение слабого антенного тока во вторичной цепи значительно возрастало. С джиггера d сигнал попадал на когерер j, к которому была подключена батарея b' и реле K, включавшее телеграфный аппарат, как это было в прежних схемах. Это простое нововведение позволило в несколько раз повысить чувствительность первых радиоприемных станций. Дальность передачи сразу повысилась с 30 до 85 миль. В том же году Маркони осуществил передачу через Ла-Манш.
Другой чрезвычайно важный шаг в направлении увеличения чувствительности приемника был сделан в 1899 году ближайшим помощником Попова Рыбкиным. В одном из опытов, проводимых им, оказалось, что из-за дальности расстояния приборы не действовали. Не будучи уверен в их полной исправности Рыбкин попробовал включить в цепь когерера вместо реле и телеграфного аппарата обыкновенную телефонную трубку и узнал, что каждый разряд на станции вызывает слабый треск в телефоне, так что можно было легко принять на слух любую депешу. Самым поразительным здесь было то, что когерер при таком включении не требовал встряхивания. Явление это, в то время не совсем понятное, было объяснено только несколькими годами позже. Дело в том, что если обычно когерер работал как переменное сопротивление, которое в результате спекания металлических зерен менялось почти от бесконечности до сравнительно небольшой величины, то в данной схеме он действовал на совершенно иной основе и представлял собой не что иное, как детектор в современном понимании этого слова, то есть устройство, пропускавшее ток только в одном направлении, имевшее одностороннюю проводимость и превращавшее (выпрямлявшее) переменный ток в пульсирующий постоянный. Выпрямленные детектором ничтожные антенные токи были совершенно недостаточны для приведения в действие телеграфного реле, но зато оказывались в состоянии действовать на весьма чувствительный прибор — мембрану телефонной трубки, порождая слабые звуковые волны точно так же, как это было в обыкновенном телефоне. Приложив телефон к уху, можно было слышать длинные и короткие потрескивания, соответствующие точкам и тире азбуки Морзе.
Приемное устройство с переходом на телефон сильно упростилось. Не стало механизма, записывающего телеграфные знаки, уменьшилась батарея, отпала необходимость в постоянном встряхивании металлического порошка. Если в прежнем приемнике, работавшем на записывающий аппарат, помехи от грозовых разрядов приводили часто к ложным срабатываниям реле и искажали записи, то прием на слух при известном навыке телеграфиста давал больше возможности для выделения правильно чередующихся телеграфных знаков на фоне хаотического треска помех. Но самым существенным преимуществом нового приемника была его более значительная чувствительность.
Следующий шаг в совершенствовании радиоприемников был связан с повышением их избирательности, так как первые же попытки перейти от опытов к практическому использованию электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние со всей остротой показали, что дальнейшее развитие этого нового вида связи и его широкое применение окажется возможным лишь в том случае, если будут найдены эффективные способы, позволяющие одновременно работать в эфире нескольким передающим станциям.
Для случая с проводной связью эта задача решалась тогда очень просто. Достаточно было каждый из приемных аппаратов, расположенных в каком-либо пункте, соединить своими индивидуальными проводами с соответствующей передающей установкой. Но как следовало поступить в случае беспроволочной передачи? Опыты работы первых станций Попова и Маркони сразу же вскрыли все несовершенство в этом отношении применявшейся тогда аппаратуры. Прием сигналов в зоне действия двух одновременно работающих станций оказывался из-за взаимных помех совершенно невозможным. Выход был найден в передаче радиотелеграфных сигналов волнами различной длины с использованием для их выделения в приемном устройстве явления резонанса.
Чтобы разобраться в сути этого способа, рассмотрим подробнее свойства индуктивной катушки и конденсатора. Представим себе катушку с большим количеством витков, по которой проходит переменный ток. Изменяющийся электрический ток, как уже говорилось прежде, порождает в окружающем пространстве изменяющееся магнитное поле, которое в свою очередь создает изменяющееся электрическое поле. Это электрическое поле индуцирует в витках катушки электрический ток, направленный навстречу основному — происходит явление, называемое самоиндукцией. Внешне этот эффект проявляется, в частности, в том, что при замыкании цепи ток в любой катушке достигает своего максимального значения не сразу, а с некоторым опозданием по сравнению, например, с обычным прямолинейным проводником. При размыкании сети изменяющееся электрическое поле индуцирует в катушке ток, совпадающей по направлению с основным, в связи с чем ток в катушке сохраняется еще некоторое время после отключения питания. Это свойство катушки задерживать и как бы сохранять в себе некоторое время ток без всякого внешнего воздействия характеризуется особой величиной, называемой индуктивностью. Каждая катушка имеет свою индуктивность, величина которой зависит от размеров проводника и его формы, но не зависит от протекающего тока.
Что касается конденсатора, то он обычно представляет собой две пластинки, расположенные очень близко друг напротив друга, но разделенные диэлектриком, то есть веществом, не пропускающим электрический ток. Пластинки конденсатора называются его обкладками. Если подключить обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока (например, к электрической батарее), то на них будет накапливаться электрический заряд, который сохранится и после того, как батарея будет отключена. Способность конденсатора накапливать заряд определяется его электроемкостью. Каждый конденсатор имеет свою электроемкость, причем величина ее зависит от площади пластин, от расстояния между ними и от свойств диэлектрика, их разделяющего. Если обкладки конденсатора соединить кусочком проволоки, то произойдет его быстрая разрядка — электроны с той пластины, где они находились в избытке, перетекут на другую, где их не хватало, после чего заряд каждой из обкладок будет равен нулю.
Ну а если конденсатор разряжать не сам на себя, а через индукционную катушку? В этом случае наблюдается очень интересное явление. Представим себе заряженный конденсатор, к обкладкам которого присоединили катушку. Очевидно, конденсатор начнет разряжаться, и в цепи появится электрический ток, однако сила его не достигнет сразу максимального значения, а будет увеличиваться постепенно вследствие явления самоиндукции в катушке. В тот момент, когда конденсатор полностью разрядится, сила тока в катушке достигнет максимальной величины. Что же получится? Несмотря на то что обе пластины конденсатора уже будут иметь нулевой заряд, протекание тока через катушку продолжится, поскольку вследствие той же самоиндукции ток в катушке не может прекратиться мгновенно. Катушка словно превратится на несколько мгновений в источник тока и будет заряжать конденсатор точно так же, как это делала электрическая батарея. Только теперь заряды пластин меняются местами — та, которая, до этого была отрицательно заряженной, становится положительной, и наоборот. В результате, когда ток в катушке будет равен нулю, конденсатор окажется снова заряженным. Он, впрочем, в то же мгновение опять начнет разряжаться через катушку, и весь процесс повторится в обратном направлении. Если бы не было неизбежных потерь электроэнергии, такая перезарядка могла бы происходить сколь угодно долго.
Описанное явление называют электрическими колебаниями, а систему конденсатор — катушка, в которой происходят эти колебания, — колебательным контуром. В зависимости от того, сколько раз за одну секунду конденсатор успеет перезарядиться, говорят о той или иной частоте колебаний. Частота колебаний напрямую связана со свойствами колебательного контура, прежде всего, индуктивностью катушки и емкостью конденсатора. Замечено, что чем меньше эти величины, тем больше частота колебаний в контуре, то есть конденсатор успевает большее число раз перезарядиться за одну секунду.
Как и любые колебания (например, колебания маятника), колебания в системе конденсатор — катушка, если их не поддерживать извне, со временем прекратятся, так как первоначальная энергия будет расходоваться на нагрев проводов и электромагнитное излучение. Это означает, что с каждым колебанием максимальная величина тока в катушке и максимальное напряжение на обкладках конденсатора будут все меньше и меньше. Однако точно так же, как колебание маятника в механических часах, электрические колебания можно поддерживать, если, к примеру, подключить конденсатор к внешнему источнику переменного тока. Но переменный ток, как мы помним, тоже изменяет свою величину с определенной частотой, или, говоря другими словами, имеет собственную частоту колебаний. Любой колебательный контур не безразличен к тому, какую частоту колебания имеет питающий его ток. Если, к примеру, этот ток имеет слишком большую или слишком маленькую частоту колебания по сравнению с частотой колебания самого контура, то сила тока и его напряжение в колебательном контуре никогда не будут большими (поскольку это внешнее воздействие будет больше мешать его собственным колебаниям, чем помогать им). Однако в тех случаях, когда частота колебаний внешнего тока близка к собственной частоте колебаний контура, сила тока и напряжение контурного тока начинают возрастать и достигают своего максимума при полном совпадении этих частот. В этом случае говорят, что колебательный контур находится в резонансе. Особенно ярко проявляется резонанс в контурах с небольшим сопротивлением. В этом случае напряжение на конденсаторе и катушке может во много раз превосходить внешнее напряжение питающего тока. Происходит своего рода всплеск или бросок напряжения.
Явление электрического резонанса и было использовано для осуществления избирательной радиосвязи. Маркони одним из первых стал настраивать колебательные контуры передающей и принимающей станций на одну и ту же частоту. Для этого он, в частности, использовал свой джиггер, включая параллельно его вторичной обмотке конденсатор и получая таким образом колебательный контур. Схема передатчиков также была изменена включением в цепь антенны индуктивных катушек и конденсаторов, так что каждая передающая станция могла передавать сигналы с определенной частотой колебания волны. Поскольку теперь несколько радиостанций передавали сообщения каждая со своей частотой, то излучаемые ими волны возбуждали в приемной антенне переменные токи различных частот. Но приемник выбирал только те сигналы, частота которых совпадала с собственной частотой колебания его колебательного контура, ведь только в этом случае наблюдалось явление резонанса. Джиггер в этой схеме работал как фильтр и усиливал не любой антенный ток (как это было прежде), а выделял среди них ток той частоты, на которую был настроен данный приемник. С этого времени резонансные контуры стали неотъемлемой частью как приемных, так и передающих устройств.
В начале XX века уже несколько десятков ученых во многих странах с увлечением занимались беспроволочным телеграфом. Однако наибольшие успехи по-прежнему были связаны с именем Маркони, который, несомненно, был одним из самых выдающихся радиотехников этого времени. После ряда опытов передачи на большие расстояния Маркони сделал поразительное открытие — оказалось, что выпуклость земного шара нисколько не мешает движению электромагнитных волн. Это подтолкнуло его к эксперименту по телеграфированию через океан. Уже в 1901 году состоялась первая в истории трансатлантическая радиопередача, во время которой помощник Маркони, Флеминг, передал с английской станции в Польдю кодом Морзе букву "S", а Маркони, находившийся на другом берегу Атлантического океана, на острове Ньюфаундленде, принял ее на расстоянии 1800 миль.
Следующим важным моментом в усовершенствовании приемников стало создание новых волноуловителей (детекторов). Когерер Бранли сыграл важную роль в первые годы развития радиосвязи. Однако он был слишком капризным и сложным в обращении. Кроме того, его приходилось постоянно встряхивать для восстановления способности отзываться на очередной радиосигнал. Одной из центральных задач стало создание «самонастраивающегося» когерера. Первая попытка в этом направлении была сделана в 1899 году Поповым с телефоном. Вторая Маркони, сконструировавшего в начале XX века свой магнитный детектор.
Принцип действия магнитного детектора основывался на явлении так называемого гистерезиса. Дело в том, что обычно железо намагничивается с некоторым опозданием во времени. Однако намагничивание можно усилить, если в момент воздействия внешнего магнитного поля вызвать заметное сотрясение молекул железа. Это можно сделать путем механического удара или коротким импульсом другого магнитного поля. Данное явление и было использовано Маркони.
В его магнитном детекторе на два роликовых диска натягивалась бесконечная лента из мягкой железной проволоки, двигавшаяся со скоростью пять дюймов в секунду и проходившая под полюсами двух постоянных магнитов внутри небольшой стеклянной трубки. На эту трубку наматывались первичная и вторичная обмотки, причем первичная обмотка включалась в цепь антенны, а вторичная присоединялась к телефону. Проходя под полюсами магнита, железная лента намагничивалась сначала в одном, а потом в противоположном направлении. Само перемагничивание происходило под средними сдвоенными одноименными полюсами, но не тотчас в момент прохождения под ними ленты, а несколько запаздывая (из-за упомянутого выше свойства железа). Картина магнитных линий, исходивших из полюсов и замыкавшихся в железной проволоке, искажалась, и магнитные линии представлялись как бы увлекаемыми проволокой в сторону движения. Высокочастотное магнитное поле, образовавшееся внутри первичной обмотки во время прохождения принимаемого радиосигнала, мгновенно ослабляло явление гистерезиса в железной проволоке и производило в ней ударное перемагничивание. Конфигурация силовых линий резко изменялась, и они устанавливались в том положении, которое свойственно им при неподвижной проволоке. Это внезапное смещение силовых линий создавало мгновенный ток во вторичной обмотке, вызывавший звук в телефоне. Прибор не требовал встряхиваний и был всегда готов к приему очередного сигнала. В те же годы другими радиотехниками были предложены другие типы детекторов.
С этого времени началось бурное развитие радиотехники. В 1902 году, используя свой магнитный детектор, Маркони провел серию замечательных опытов на итальянском военном крейсере «Карло Альберто». Во время плавания из Италии в Англию и Россию он совершенно свободно вел прием на расстоянии 2000 км от Польдю, где находилась передающая станция. В ноябре того же 1902 года была устроена официальная радиосвязь между США и Англией. Президент Рузвельт и король Эдуард VIII обменялись приветственными радиограммами. А в октябре 1907 года фирма Маркони открыла для широкой публики первую в истории радиотелеграфную станцию, передающую сообщения из Европы в Америку. Интерес к этой новинке оказался огромным — в первый же день было передано 14 тысяч слов.
66. ДИЗЕЛЬ
7 мая 1895 года Попов демонстрировал работу своего радиоприемника во время доклада на заседании Русского физико-химического общества. Источником электромагнитных колебаний в его опытах служил передающий вибратор Герца, только в передатчике Попова искровой разрядник включался между антенной и землей. В январе 1896 года в журнале этого общества была опубликована статья Попова с описанием его приемника.
Затем Попов присоединил к своей схеме телеграфный аппарат Морзе и ввел запись на ленту. В результате получился первый в мире радиотелеграф — передатчик и приемник с записью сигналов по азбуке Морзе.
Рассмотрим внимательно его устройство. Между батареей и первичной обмоткой катушки Румкорфа был включен телеграфный ключ Морзе. При замыкании этого ключа постоянный ток батареи шел через витки обмотки. Прерыватель с большой частотой замыкал и размыкал цепь, в результате чего (смотри главу «Трансформатор») постоянный ток преобразовывался в переменный. Благодаря электромагнитной индукции во вторичной обмотке катушки Румкорфа наводился переменный ток высокого напряжения. Эта обмотка замыкалась на разрядник. Таким образом, каждое замыкание телеграфного ключа порождало потоки искр в разряднике. Короткими или более продолжительными замыканиями производились короткие и долгие потоки искр, которые соответствовали точкам и тире азбуки Морзе. Один полюс разрядника был заземлен, а другой соединен с антенной, которая излучала порожденные разрядником электромагнитные волны в окружающее пространство.
Некоторая часть этих волн попадала в антенну приемника и индуцировала в ней слабый переменный ток. Причем длительность каждого принимаемого импульса тока точно соответствовала продолжительности сигнала разрядника. Устройство приемника было почти таким же, что в предыдущей модели: когерер соединялся с батареей и электромагнитом, реле которого при помощи местной батареи приводило в действие пишущий аппарат Морзе, включенный в цепь вместо звонка. Пока когерер не подвергался действию электромагнитных волн, его сопротивление было настолько велико, что ток в цепи когерера не протекал. Когда же на когерер оказывали действие электромагнитные волны, его сопротивление сильно уменьшалось, и сила тока в цепи возрастала настолько, что электромагнит притягивал свой якорь, включая цепь телеграфного аппарата. Это притяжение не прекращалось, пока электромагнитные волны действовали на когерер. Одновременно с замыканием цепи приходил в действие молоточек, который ударял по когереру. Сопротивление последнего увеличивалось. Однако если волны продолжали действовать, то сопротивление тотчас опять уменьшалось и состояние малого сопротивления продолжалось несмотря на сотрясения. Все это время телеграфный аппарат чертил линию на ленте. И только когда воздействие электромагнитных волн прекращалось, проявлялось действие сотрясения, и сопротивление увеличивалось до прежней величины — аппарат выключался до появления новой волны. Таким образом на телеграфной ленте вычерчивались точки и тире, соответствующие сигналам пересылаемой депеши. 24 марта 1896 года Попов демонстрировал свою аппаратуру на заседании Российского физико-химического общества и произвел передачу сигналов на расстояние 250 м. Первая в мире радиограмма состояла из двух слов «Генрих Герц».
Одновременно с Поповым свою радиотелеграфную установку создал молодой итальянец Гульельмо Маркони. С детства он горячо интересовался электричеством, а потом увлекся идеей беспроволочного телеграфа. В 1896 году он собрал передатчик и приемник, очень похожие по своему устройству на те, которые изобрел Попов. В том же году Маркони привез свое изобретение в Англию. Мать его была англичанка, и благодаря ее связям он был хорошо принят на Британских островах. В 1896 году Маркони получил английский патент на свой радиотелеграф (это был первый патент, взятый на телеграфирование без проводов; таким образом, с формальной точки зрения, Маркони вполне справедливо считается изобретателем радио, так как первым сумел запатентовать свое изобретение). В июне 1897 года было организовано акционерное общество для применения изобретения Маркони. В свои 23 года он проявил удивительную изобретательность и предприимчивость. С первых же шагов его предприятие получило солидную финансовую основу. При любой возможности Маркони старался демонстрировать, какие выгоды давало новое средство беспроводной связи. Так, в июне 1898 года должны были состояться традиционные парусные гонки в районе Дублина. Эти гонки всегда привлекали к себе всеобщее внимание. Маркони отправился в Дублин и договорился с одной из крупных ирландских газет, что будет передавать ей по радио с парохода, находившегося в районе гонок, все сведения, которые могут интересовать публику для помещения их в экстренных выпусках газеты. Опыт удался полностью. В течение нескольких часов Маркони вел передачу, которая принималась редакцией. Полученные таким образом сведения опережали всякие другие, и газета значительно увеличила тираж. Для Маркони это тоже был большой успех: в короткий срок акционерный капитал его общества удвоился, достигнув 200 тысяч фунтов стерлингов. Это дало ему возможность быстро совершенствовать свой радиотелеграф. Через несколько лет он уже значительно опережал в своих разработках Попова.
Одним из главных элементов первых радиоприемников был когерер. Естественно поэтому, что основные усилия изобретателей, стремившихся усилить чувствительность приемных аппаратов, были направлены именно на его совершенствование. Маркони первый обратил внимание на важное свойство когерера, а именно — на зависимость его действия от величины приложенного к нему напряжения высокочастотных колебаний. Чтобы возможно полнее собрать энергию магнитного поля, создаваемого наведенным в антенне ничтожно малым током, необходимо было его усилить. Маркони нашел простой и остроумный способ решения этой проблемы. В 1898 году он включил в свой радиоприемник джиггер (что значит «сортировщик») — высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого включалась в одну цепь с антенной, а вторичная — подводилась к когереру. В том же году Маркони взял патент на эту схему.
Проводники a и b обозначают здесь цепь антенны, в которую была включена первичная обмотка джиггера c. В результате трансформации напряжение слабого антенного тока во вторичной цепи значительно возрастало. С джиггера d сигнал попадал на когерер j, к которому была подключена батарея b' и реле K, включавшее телеграфный аппарат, как это было в прежних схемах. Это простое нововведение позволило в несколько раз повысить чувствительность первых радиоприемных станций. Дальность передачи сразу повысилась с 30 до 85 миль. В том же году Маркони осуществил передачу через Ла-Манш.
Другой чрезвычайно важный шаг в направлении увеличения чувствительности приемника был сделан в 1899 году ближайшим помощником Попова Рыбкиным. В одном из опытов, проводимых им, оказалось, что из-за дальности расстояния приборы не действовали. Не будучи уверен в их полной исправности Рыбкин попробовал включить в цепь когерера вместо реле и телеграфного аппарата обыкновенную телефонную трубку и узнал, что каждый разряд на станции вызывает слабый треск в телефоне, так что можно было легко принять на слух любую депешу. Самым поразительным здесь было то, что когерер при таком включении не требовал встряхивания. Явление это, в то время не совсем понятное, было объяснено только несколькими годами позже. Дело в том, что если обычно когерер работал как переменное сопротивление, которое в результате спекания металлических зерен менялось почти от бесконечности до сравнительно небольшой величины, то в данной схеме он действовал на совершенно иной основе и представлял собой не что иное, как детектор в современном понимании этого слова, то есть устройство, пропускавшее ток только в одном направлении, имевшее одностороннюю проводимость и превращавшее (выпрямлявшее) переменный ток в пульсирующий постоянный. Выпрямленные детектором ничтожные антенные токи были совершенно недостаточны для приведения в действие телеграфного реле, но зато оказывались в состоянии действовать на весьма чувствительный прибор — мембрану телефонной трубки, порождая слабые звуковые волны точно так же, как это было в обыкновенном телефоне. Приложив телефон к уху, можно было слышать длинные и короткие потрескивания, соответствующие точкам и тире азбуки Морзе.
Приемное устройство с переходом на телефон сильно упростилось. Не стало механизма, записывающего телеграфные знаки, уменьшилась батарея, отпала необходимость в постоянном встряхивании металлического порошка. Если в прежнем приемнике, работавшем на записывающий аппарат, помехи от грозовых разрядов приводили часто к ложным срабатываниям реле и искажали записи, то прием на слух при известном навыке телеграфиста давал больше возможности для выделения правильно чередующихся телеграфных знаков на фоне хаотического треска помех. Но самым существенным преимуществом нового приемника была его более значительная чувствительность.
Следующий шаг в совершенствовании радиоприемников был связан с повышением их избирательности, так как первые же попытки перейти от опытов к практическому использованию электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние со всей остротой показали, что дальнейшее развитие этого нового вида связи и его широкое применение окажется возможным лишь в том случае, если будут найдены эффективные способы, позволяющие одновременно работать в эфире нескольким передающим станциям.
Для случая с проводной связью эта задача решалась тогда очень просто. Достаточно было каждый из приемных аппаратов, расположенных в каком-либо пункте, соединить своими индивидуальными проводами с соответствующей передающей установкой. Но как следовало поступить в случае беспроволочной передачи? Опыты работы первых станций Попова и Маркони сразу же вскрыли все несовершенство в этом отношении применявшейся тогда аппаратуры. Прием сигналов в зоне действия двух одновременно работающих станций оказывался из-за взаимных помех совершенно невозможным. Выход был найден в передаче радиотелеграфных сигналов волнами различной длины с использованием для их выделения в приемном устройстве явления резонанса.
Чтобы разобраться в сути этого способа, рассмотрим подробнее свойства индуктивной катушки и конденсатора. Представим себе катушку с большим количеством витков, по которой проходит переменный ток. Изменяющийся электрический ток, как уже говорилось прежде, порождает в окружающем пространстве изменяющееся магнитное поле, которое в свою очередь создает изменяющееся электрическое поле. Это электрическое поле индуцирует в витках катушки электрический ток, направленный навстречу основному — происходит явление, называемое самоиндукцией. Внешне этот эффект проявляется, в частности, в том, что при замыкании цепи ток в любой катушке достигает своего максимального значения не сразу, а с некоторым опозданием по сравнению, например, с обычным прямолинейным проводником. При размыкании сети изменяющееся электрическое поле индуцирует в катушке ток, совпадающей по направлению с основным, в связи с чем ток в катушке сохраняется еще некоторое время после отключения питания. Это свойство катушки задерживать и как бы сохранять в себе некоторое время ток без всякого внешнего воздействия характеризуется особой величиной, называемой индуктивностью. Каждая катушка имеет свою индуктивность, величина которой зависит от размеров проводника и его формы, но не зависит от протекающего тока.
Что касается конденсатора, то он обычно представляет собой две пластинки, расположенные очень близко друг напротив друга, но разделенные диэлектриком, то есть веществом, не пропускающим электрический ток. Пластинки конденсатора называются его обкладками. Если подключить обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока (например, к электрической батарее), то на них будет накапливаться электрический заряд, который сохранится и после того, как батарея будет отключена. Способность конденсатора накапливать заряд определяется его электроемкостью. Каждый конденсатор имеет свою электроемкость, причем величина ее зависит от площади пластин, от расстояния между ними и от свойств диэлектрика, их разделяющего. Если обкладки конденсатора соединить кусочком проволоки, то произойдет его быстрая разрядка — электроны с той пластины, где они находились в избытке, перетекут на другую, где их не хватало, после чего заряд каждой из обкладок будет равен нулю.
Ну а если конденсатор разряжать не сам на себя, а через индукционную катушку? В этом случае наблюдается очень интересное явление. Представим себе заряженный конденсатор, к обкладкам которого присоединили катушку. Очевидно, конденсатор начнет разряжаться, и в цепи появится электрический ток, однако сила его не достигнет сразу максимального значения, а будет увеличиваться постепенно вследствие явления самоиндукции в катушке. В тот момент, когда конденсатор полностью разрядится, сила тока в катушке достигнет максимальной величины. Что же получится? Несмотря на то что обе пластины конденсатора уже будут иметь нулевой заряд, протекание тока через катушку продолжится, поскольку вследствие той же самоиндукции ток в катушке не может прекратиться мгновенно. Катушка словно превратится на несколько мгновений в источник тока и будет заряжать конденсатор точно так же, как это делала электрическая батарея. Только теперь заряды пластин меняются местами — та, которая, до этого была отрицательно заряженной, становится положительной, и наоборот. В результате, когда ток в катушке будет равен нулю, конденсатор окажется снова заряженным. Он, впрочем, в то же мгновение опять начнет разряжаться через катушку, и весь процесс повторится в обратном направлении. Если бы не было неизбежных потерь электроэнергии, такая перезарядка могла бы происходить сколь угодно долго.
Описанное явление называют электрическими колебаниями, а систему конденсатор — катушка, в которой происходят эти колебания, — колебательным контуром. В зависимости от того, сколько раз за одну секунду конденсатор успеет перезарядиться, говорят о той или иной частоте колебаний. Частота колебаний напрямую связана со свойствами колебательного контура, прежде всего, индуктивностью катушки и емкостью конденсатора. Замечено, что чем меньше эти величины, тем больше частота колебаний в контуре, то есть конденсатор успевает большее число раз перезарядиться за одну секунду.
Как и любые колебания (например, колебания маятника), колебания в системе конденсатор — катушка, если их не поддерживать извне, со временем прекратятся, так как первоначальная энергия будет расходоваться на нагрев проводов и электромагнитное излучение. Это означает, что с каждым колебанием максимальная величина тока в катушке и максимальное напряжение на обкладках конденсатора будут все меньше и меньше. Однако точно так же, как колебание маятника в механических часах, электрические колебания можно поддерживать, если, к примеру, подключить конденсатор к внешнему источнику переменного тока. Но переменный ток, как мы помним, тоже изменяет свою величину с определенной частотой, или, говоря другими словами, имеет собственную частоту колебаний. Любой колебательный контур не безразличен к тому, какую частоту колебания имеет питающий его ток. Если, к примеру, этот ток имеет слишком большую или слишком маленькую частоту колебания по сравнению с частотой колебания самого контура, то сила тока и его напряжение в колебательном контуре никогда не будут большими (поскольку это внешнее воздействие будет больше мешать его собственным колебаниям, чем помогать им). Однако в тех случаях, когда частота колебаний внешнего тока близка к собственной частоте колебаний контура, сила тока и напряжение контурного тока начинают возрастать и достигают своего максимума при полном совпадении этих частот. В этом случае говорят, что колебательный контур находится в резонансе. Особенно ярко проявляется резонанс в контурах с небольшим сопротивлением. В этом случае напряжение на конденсаторе и катушке может во много раз превосходить внешнее напряжение питающего тока. Происходит своего рода всплеск или бросок напряжения.
Явление электрического резонанса и было использовано для осуществления избирательной радиосвязи. Маркони одним из первых стал настраивать колебательные контуры передающей и принимающей станций на одну и ту же частоту. Для этого он, в частности, использовал свой джиггер, включая параллельно его вторичной обмотке конденсатор и получая таким образом колебательный контур. Схема передатчиков также была изменена включением в цепь антенны индуктивных катушек и конденсаторов, так что каждая передающая станция могла передавать сигналы с определенной частотой колебания волны. Поскольку теперь несколько радиостанций передавали сообщения каждая со своей частотой, то излучаемые ими волны возбуждали в приемной антенне переменные токи различных частот. Но приемник выбирал только те сигналы, частота которых совпадала с собственной частотой колебания его колебательного контура, ведь только в этом случае наблюдалось явление резонанса. Джиггер в этой схеме работал как фильтр и усиливал не любой антенный ток (как это было прежде), а выделял среди них ток той частоты, на которую был настроен данный приемник. С этого времени резонансные контуры стали неотъемлемой частью как приемных, так и передающих устройств.
В начале XX века уже несколько десятков ученых во многих странах с увлечением занимались беспроволочным телеграфом. Однако наибольшие успехи по-прежнему были связаны с именем Маркони, который, несомненно, был одним из самых выдающихся радиотехников этого времени. После ряда опытов передачи на большие расстояния Маркони сделал поразительное открытие — оказалось, что выпуклость земного шара нисколько не мешает движению электромагнитных волн. Это подтолкнуло его к эксперименту по телеграфированию через океан. Уже в 1901 году состоялась первая в истории трансатлантическая радиопередача, во время которой помощник Маркони, Флеминг, передал с английской станции в Польдю кодом Морзе букву "S", а Маркони, находившийся на другом берегу Атлантического океана, на острове Ньюфаундленде, принял ее на расстоянии 1800 миль.
Следующим важным моментом в усовершенствовании приемников стало создание новых волноуловителей (детекторов). Когерер Бранли сыграл важную роль в первые годы развития радиосвязи. Однако он был слишком капризным и сложным в обращении. Кроме того, его приходилось постоянно встряхивать для восстановления способности отзываться на очередной радиосигнал. Одной из центральных задач стало создание «самонастраивающегося» когерера. Первая попытка в этом направлении была сделана в 1899 году Поповым с телефоном. Вторая Маркони, сконструировавшего в начале XX века свой магнитный детектор.
Принцип действия магнитного детектора основывался на явлении так называемого гистерезиса. Дело в том, что обычно железо намагничивается с некоторым опозданием во времени. Однако намагничивание можно усилить, если в момент воздействия внешнего магнитного поля вызвать заметное сотрясение молекул железа. Это можно сделать путем механического удара или коротким импульсом другого магнитного поля. Данное явление и было использовано Маркони.
В его магнитном детекторе на два роликовых диска натягивалась бесконечная лента из мягкой железной проволоки, двигавшаяся со скоростью пять дюймов в секунду и проходившая под полюсами двух постоянных магнитов внутри небольшой стеклянной трубки. На эту трубку наматывались первичная и вторичная обмотки, причем первичная обмотка включалась в цепь антенны, а вторичная присоединялась к телефону. Проходя под полюсами магнита, железная лента намагничивалась сначала в одном, а потом в противоположном направлении. Само перемагничивание происходило под средними сдвоенными одноименными полюсами, но не тотчас в момент прохождения под ними ленты, а несколько запаздывая (из-за упомянутого выше свойства железа). Картина магнитных линий, исходивших из полюсов и замыкавшихся в железной проволоке, искажалась, и магнитные линии представлялись как бы увлекаемыми проволокой в сторону движения. Высокочастотное магнитное поле, образовавшееся внутри первичной обмотки во время прохождения принимаемого радиосигнала, мгновенно ослабляло явление гистерезиса в железной проволоке и производило в ней ударное перемагничивание. Конфигурация силовых линий резко изменялась, и они устанавливались в том положении, которое свойственно им при неподвижной проволоке. Это внезапное смещение силовых линий создавало мгновенный ток во вторичной обмотке, вызывавший звук в телефоне. Прибор не требовал встряхиваний и был всегда готов к приему очередного сигнала. В те же годы другими радиотехниками были предложены другие типы детекторов.
С этого времени началось бурное развитие радиотехники. В 1902 году, используя свой магнитный детектор, Маркони провел серию замечательных опытов на итальянском военном крейсере «Карло Альберто». Во время плавания из Италии в Англию и Россию он совершенно свободно вел прием на расстоянии 2000 км от Польдю, где находилась передающая станция. В ноябре того же 1902 года была устроена официальная радиосвязь между США и Англией. Президент Рузвельт и король Эдуард VIII обменялись приветственными радиограммами. А в октябре 1907 года фирма Маркони открыла для широкой публики первую в истории радиотелеграфную станцию, передающую сообщения из Европы в Америку. Интерес к этой новинке оказался огромным — в первый же день было передано 14 тысяч слов.
66. ДИЗЕЛЬ
Как известно, одним из основных показателей, по которому оценивается работа любого, в том числе теплового, двигателя, является его КПД. Чем больше энергии, выделившейся при сгорании топлива, превращается в полезную работу, чем меньше ее теряется при различных преобразованиях, тем лучше. Во всех существующих тепловых двигателях эти потери очень велики, так что более двух третей выделившейся в них энергии растрачивается попусту. В чем здесь причина? Происходит ли это из-за неудачной конструкции, или же тепловой двигатель в принципе не может иметь высокий КПД по самой своей природе? Впервые над этим вопросом задумался французский инженер Карно, выпустивший в 1824 году классический труд «Размышление о движущей силе огня». Карно поставил перед собой задачу выяснить, каким образом должны протекать процессы в идеальном тепловом двигателе, чтобы КПД его был максимально возможным. Путем расчетов он в конце концов вывел понятие о круговом процессе в работе всех тепловых двигателей (его называют «циклом Карно»), при котором между двумя температурами T1 и T2 рабочего тела двигателя (рабочее тело — это тот газ, который двигает поршень; им может быть пар в паровой машине или взрывчатая смесь в газовом двигателе) можно получить максимум полезной работы, а следовательно, и самый высокий КПД. Работа этого гипотетического высокоэффективного двигателя, как доказал Карно, должна складываться из четырех циклов. На первом цикле к рабочему телу подводится тепло Q1 от верхнего уровня T1 при постоянной температуре этого уровня (то есть на этом цикле рабочее тело должно расширяться, сохраняя постоянную температуру, что и достигается за счет нагревания тела). Во время второго цикла происходит расширение рабочего тела, но уже без подвода тепла, до тех пор, пока температура его не опустится до нижнего уровня T2. На третьем цикле рабочее тело сжимается при постоянной температуре T2 (для этого было необходимо постоянно отводить тепло Q2). На четвертом этапе рабочее тело сжималось без отвода тепла до тех пор, пока его температура не поднимется вновь до T1. В случае соблюдения всех этих условий, по расчетам Карно, КПД двигателя определялся формулой 100•(1 — T2/T1) и достигал порядка 70-80%.
На протяжении всего XIX века расчеты Карно будоражили творческую мысль изобретателей, которые старались найти ответ на вопрос: каким образом работу реальных тепловых двигателей приблизить к работе по «циклу Карно» и получить максимально возможный КПД. Но все попытки построить такой двигатель оказались безуспешны. Например, КПД паровой машины при мощности в 100 л.с. не превышал 13%, а в маломощных двигателях он был менее 10%. КПД бензиновых и газовых двигателей получался несколько выше, но тоже не превосходил 22-24%.
На протяжении всего XIX века расчеты Карно будоражили творческую мысль изобретателей, которые старались найти ответ на вопрос: каким образом работу реальных тепловых двигателей приблизить к работе по «циклу Карно» и получить максимально возможный КПД. Но все попытки построить такой двигатель оказались безуспешны. Например, КПД паровой машины при мощности в 100 л.с. не превышал 13%, а в маломощных двигателях он был менее 10%. КПД бензиновых и газовых двигателей получался несколько выше, но тоже не превосходил 22-24%.