Год столетия радио и начальные этапы использования радиоволн
В. В. Мигулин
Употребляя термин «радио» и говоря о столетии радио, мы имеем в виду целую совокупность практических систем, использующих электромагнитные волны (ЭМВ), возбуждаемые электрическими колебаниями. Диапазон частот используемых колебаний исключительно широк – от десятков до 1012 колебаний в секунду. Соответственно и длина волн может лежать в пределах от тысяч километров до долей миллиметров. Совершенно закономерно единица частоты – одно колебание в секунду – один герц – носит имя великого немецкого ученого Генриха Герца, впервые показавшего возможность возбуждения и излучения электромагнитных волн, называемых ныне «радиоволнами». Соответствующий раздел техники мы называем «радиотехникой», а также говорим о радиоэлектронике, понимая под этим термином всю совокупность знаний о путях создания и применении разнообразных устройств с вакуумными, газоразрядными и полупроводниковыми приборами, всевозможными деталями соответствующих схем, действующих посредством электрических колебаний, как ничтожных по величине – в радиоприемных устройствах, так и больших мощностей – в передающих установках дальней радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радиоуправления и других отраслей, входящих ныне в понятие «радио».
Столетие этого крупнейшего и важнейшего, непрерывно развивающегося раздела техники – повод вспомнить об условиях его зарождения и представить себе, каким путем шло его формирование.
Все достижения радиоэлектроники двадцатого века берут свое начало в работах ученых и инженеров прошлого столетия. Объявление 1995-го года юбилейным обусловлено тем, что в 1895 г. Александр Степанович Попов в своей знаменитой лекции в Русском физико-химическом обществе 7 мая (нов. ст.) продемонстрировал в действии первое радиотехническое устройство – приемник электромагнитных сигналов, показав тем самым возможность их практического использования. Такой приемник с автоматической регистрирующей системой в том же году был применен А. С. Поповым для регистрации природных электромагнитных излучений грозовых разрядов.
В том же 1895 г. в Италии начал свою плодотворную деятельность Гульельмо Маркони. Создав аналогичное устройство, он применил его для приема посылок электромагнитных волн, передаваемых кодом Морзе.
И А. С. Попов и Г. Маркони в своих первых работах в качестве источника электромагнитного излучения использовали искровой «вибратор Герца» – устройство, созданное Герцем при осуществлении им ставших классическими экспериментов, доказавших реальность существования предсказанных Дж. Максвеллом электромагнитных волн, идентичных по своей природе световым.
Теория Максвелла, обобщавшая исследования М. Фарадея, была опубликована в 1873 г., а экспериментально ее подтвердил Герц в 1888 г. А вот 1895 год мы имеем все основания считать годом, когда началось практическое использование электромагнитных волн – герцевых волн, как, их тогда называли, – годом зарождения радиотехники.
Говоря об истории радиотехники и, в первую очередь, радиосвязи, которая началась с работ А. С. Попова и Г. Маркони, необходимо также упомянуть об их предшественниках: Э. Бранли (Франция), изучавшего эффект резкого изменения проводимости металлических порошков при воздействии па них электромагнитного излучения, и О.
О. Лодж провел также ряд экспериментов с излучением и приемом «волн Герца», и его лабораторные устройства были непосредственными предшественниками приемников Попова и Маркони. Уже в 1896 г. начались работы по выяснению возможной дальности действия систем телеграфной связи, основанных на использовании электромагнитных волн – систем «беспроволочной (или беспроводной) телеграфии», как их тогда называли. Естественно, что в первую очередь этой проблемой заинтересовался флот и в меньшей степени сухопутные ведомства, в распоряжении которых была успешно действующая система проводной связи. Термины «радиосвязь» и вообще «радио» появились лишь в начале двадцатого века, после проведения в 1903 г. первой международной конференции по «беспроволочному телеграфированию».
В процессе разработки систем радиосвязи их создатели, при переходе от лабораторных опытов к практическим системам, стали использовать радиоволны уже не метрового диапазона, как было у Герца и в первых опытах Попова и Маркони, а существенно более длинные. Это было совершенно естественным, так как вместо прямого излучения «вибратора Герца» стали применять антенные системы, подключаемые к искровому разряднику, и эти колебательные системы возбуждались соответственно на гораздо более низких частотах. Кроме того, учитывались представления о том, что распространение радиоволн за горизонт происходит за счет рефракции и более длинные радиоволны будут легче огибать кривизну земной поверхности. По этим причинам на создаваемых линиях радиосвязи использовались радиоволны длиной в сотни, а затем и в тысячи метров.
В развитии техники радиосвязи можно выделить ряд его этапов. Первый, начальный, этап характеризуется применением искрового возбуждения колебаний в излучающей системе «антенна – земля» и приемника с когерером.
Этот этап продолжался примерно до 1899 г. и позволил осуществить радиосвязь на дистанциях, измеряемых десятками километров. В 1899 г. открытие П. М. Рыбкиным и Д. С. Троицким явления прямого детектирования принимаемых радиосигналов, с возможностью их регистрации на слух при помощи телефонной трубки, радикально изменило технику радиоприема и позволило резко увеличить дальность радиосвязи. Однако утратилась возможность автоматической записи принимаемых радиосигналов, которая была реализована А. С. Поповым в его приемнике и грозоотметчике при использовании когерера с релейным устройством. Повсеместно радиосигналы, передаваемые кодом Морзе, стали приниматься операторами на слух. В технике беспроволочной телеграфии наступила эра искровых передатчиков и «телефонных» приемников.
Создание больших антенных сооружений, применение мощных искровых передающих устройств и «телефонных» приемников позволили в первые годы двадцатого века осуществлять телеграфную радиосвязь на расстояниях, измеряемых тысячами километров.
В первых конструкциях практически не использовались колебательные свойства цепей приемников, и лишь в ходе дальнейшего изучения колебательных процессов в передающих и приемных устройствах были найдены пути эффективного применения резонансных свойств колебательных цепей. Работы немецкого физика К.
Брауна внесли исчерпывающую ясность в понимание колебательных процессов в системах искровой радиотелеграфии, а его исследования детектирования в контактных детекторах и предложенные им кристаллические детекторы позволили до предела реализовать возможности искровой радиотелеграфии.
Эти достижения послужили основанием для присуждения в 1909 г. Нобелевской премии К. Брауну (Германия) и Г. Маркони; были учтены заслуги Маркони в практических применениях электромагнитных волн для связи. К этому времени А. С. Попова уже не было в живых. Он скоропостижно скончался 13 января 1906 г. С 1901 г. он был профессором Санкт-Петербургского электротехнического института, а в 1905 г. стал первым избранным его директором.
Уже в первом десятилетии нашего века радиотелеграфные линии связали между собой все континенты. Радиосвязь становилась повседневной на флоте и в сухопутных применениях. Учрежденная в 1897 г. английская компания «Маркони и К°», немецкая компания «Телефункен», созданная в 1903 г.
Увеличение мощностей передающих искровых радиостанций до десятков и даже сотен киловатт потребовало создания многих новых устройств для повышения эффективности работы искровых разрядников и управления (манипуляции) ею. Разрядники М. Вина (Германия), вращающиеся разрядники и другие конструкции представляли собой сложные устройства значительных габаритов, с системами охлаждения и энергопитания, а гигантские антенные сооружения были плодом трудов ученых, конструкторов и строителей высочайшего класса.
Однако становилось все более ясным, что следует искать новые пути для эффективной генерации и приема радиоволн. Эра искровой телеграфии заканчивалась. К концу первого десятилетия двадцатого века пришли к выводу, что возможности использования последовательностей быстро затухающих посылок радиоволн исчерпаны и надо переходить к генерации и управляемому излучению незатухающих колебаний и волн.
Практические успехи дальней радиосвязи вызвали к жизни исследования, связанные с механизмом распространения электромагнитных волн. Теоретические исследования немецкими физиками И. Ценнеком, А. Зоммерфельдом и др. процессов распространения радиоволн вдоль земной поверхности не давали исчерпывающих объяснений механизма их дальнего распространения. Высказанная в 1902 г., после установления трансатлантической радиосвязи, независимо А. Кеннеди (США) и О. Хевисайдом (Англия), гипотеза о существовании в верхней атмосфере ионизированных областей (позднее названных «ионосферой»), способствующих огибанию радиоволнами кривизны земной поверхности, повлекла за собой многочисленные исследования. Но их результаты в то время не были приняты в качестве бесспорных; большинство специалистов считало, что без убедительных доказательств реальности существования ионизированных слоев в атмосфере на высотах в сотни километров нет необходимости учета их влияния на распространение радиоволн на большие расстояния.
Лишь в двадцатых – тридцатых годах сформировались представления о свойствах и структуре атмосферы на больших высотах, об областях с повышенной электропроводностью и их определяющем влиянии на процессы распространения радиоволн различных диапазонов. В первые же десятилетия существования радиосвязи лишь эксперименты и практика работы создаваемых линий давали необходимые сведения о возможностях радиотехники; господствовало убеждение, что только длинные волны, гигантские антенны и большие мощности могут обеспечить надежную дальнюю радиосвязь.
Использование малоэффективных систем искровой радиотелеграфии при широком распространении радиостанций привело к большим трудностям, связанным со взаимными помехами, и сделало особенно актуальным переход к незатухающим колебаниям и волнам.
В результате исследований и технических разработок было предложено несколько путей решения проблемы возбуждения незатухающих электрических колебаний.
Этап искровой радиотелеграфии заканчивался.
В конце первого – начале второго десятилетий наступило время активного внедрения незатухающих колебаний. Появление электровакуумных приборов – диодов Д. Флеминга, триодов Ли де Фореста (США) – позволило в это же время создать практически новую технику радиоприема, с ламповым детектированием и последующим усилением принимаемых сигналов.
Возможность получения электрических колебаний с помощью дугового разряда была открыта Н. Тесла (США) в 1893 г. Работы В. Дудделя (Англия) в 1900 г. показали пути использования дугового разряда для генерации незатухающих колебаний. Дуговые генераторы радиочастотных колебаний системы В. Дудделя были затем усовершенствованы В. Паульсеном (Дания) и получили широкое распространение на мощных радиостанциях многих стран. Это первый тип генераторов, использованных для радиосвязи с незатухающими колебаниями; было создано много модификаций дуговых генераторов, работавших на частотах до нескольких сотен килогерц. Относительно высокий, по сравнению с искровыми, КПД дуговых генераторов делал их применение особенно привлекательным на мощных радиостанциях дальних радиосвязей.
Мощные дуговые генераторы были громоздкими сооружениями, с большим электромагнитом, системой электропитания и охлаждения, а также сложной системой модуляции излучения. Дело в том, что для эффективной работы дуговых генераторов требовалось очень жестко поддерживать оптимальный режим горения дуги и осуществлять модуляцию, не нарушая нормального режима непрерывной генерации незатухающих колебаний.
Другой путь вырабатывания незатухающих колебаний был найден с созданием электромашинных генераторов, способных генерировать токи достаточно высокой частоты, для их использования в радиостанциях. Американский конструктор Р. Фессенден создал ряд машин на частотах до 100 кГц, с мощностями от единиц до десятков киловатт (1906-1910 гг). В 1911 г. Э. Андерсоном (США) также были разработаны машины, генерирующие токи с частотами, допускающими прямое использование машин в радиопередающих устройствах. Однако в дальнейшем оказалось более целесообразным применять машинные генераторы, работающие на несколько более низких частотах, с последующим умножением частоты.
Большой вклад в создание мощных высокочастотных машинных генераторов в России был сделан В. П. Вологдиным, создавшим ряд генераторов на мощности от 2 кВт (1912 г.) до 150 кВт (1925 г.), успешно работавших на отечественных радиостанциях в комплексе со статическими умножителями частоты.
В применявшихся умножителях частоты использовались нелинейные характеристики катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками, которые в определенном режиме, при соответствующей настройке резонансных цепей и компенсации токов первичной частоты, позволяли получать при сравнительно малых потерях двух- или трехкратное умножение частоты в каждом звене такого умножителя. Подобные статические умножители частоты разрабатывались, начиная с 1902 г. (И. Эпштейн, Германия), в 1910 г. (М. Жоли, Франция) был разработан ряд вариантов подобных устройств. В 1916 г. М. В. Шулейкин создал утроители частоты, которые совместно с машинами Вологдина успешно работали на ряде радиостанций России. По сравнению с дуговыми передатчиками радиостанции с машинами высокой частоты обладали рядом преимуществ.
Они имели более высокий КПД, большие стабильность частоты, устойчивость и надежность в работе.
Но ни дуговые ни электромашинные устройства не могли удовлетворить всем требованиям, которые развивающаяся радиотехника предъявляла к генераторам радиочастот. Это привело в дальнейшем к переходу всей радиотехники на использование электровакуумных приборов, хотя на ряде мощных радиостанций дуговые и машинные передатчики действовали вплоть до тридцатых годов.
Когда в 1913 г. А. Мейснер (Германия) запатентовал идею положительной обратной связи для самовозбуждающегося лампового генератора и осуществил телефонную радиосвязь между Науеном и Берлином, очень многие специалисты были убеждены, что ламповые передатчики пригодны только для местных радиосвязей и создание ламповых станций большой мощности практически нереально. Развитие передающих устройств зависело теперь от успехов электровакуумной техники, так как получение необходимых мощностей генерируемых колебаний требовало создания электронных ламп специфического класса – генераторных радиоламп.
Для них характерна большая эмиссия катода, выделение значительных мощностей на аноде, и поэтому следовало обеспечить отвод от анода лампы большого количества тепла, при сохранении ее усилительных свойств. Решение технологических задач в электровакуумном производстве стало определяющим для развития радиотехники в конце второго и начале третьего десятилетий.
Совершенствование производства высоковакуумных радиоламп позволило существенно улучшить радиоприемную технику. Введение регенерации, использование местных гетеродинов для преобразования частоты и ряд других схемных решений дали возможность создавать высокочувствительные приемные устройства с заданными частотными параметрами. Переход от приемников с прямым усилением к регенеративным, сверхрегенеративным и позднее к супергетеродинным дал в руки радиоспециалистов способ создавать радиоприемные устройства различного назначения с предельной чувствительностью и селективностью, что и реализовалось в двадцатые – тридцатые годы.
В конце второго десятилетия, в разгар первой мировой войны, в России, на Тверской приемной радиостанции, М.
А. Бонч-Бруевич и В. М. Лещинский организовали полукустарное производство приемно-усилительных радиоламп, которые использовались на радиостанциях взамен выходящих из строя французских, ставших во время войны дефицитными. Позднее, после создания в 1918 г. Нижегородской радиолаборатории, под руководством М. А. Бонч-Бруевича серийно выпускался триод ПР-I, сыгравший большую роль в развитии радиоприемной техники в России. В дальнейшем производство приемных радиоламп было налажено на электровакуумных заводах в Ленинграде и Москве.
Первые в России генераторные лампы были созданы Н. Д. Папалекси в 1914 г. и позволяли получать мощности до 100 Вт. Они выпускались в небольшом количестве в Петрограде. В 1916 г. Папалекси впервые применил в электровакуумном производстве высокочастотный индукционный прогрев электродов в лампе для их обезгаживания при откачке.
В Нижегородской радиолаборатории под руководством М. А. Бонч-Бруевича была выпущена серия мощных генераторных ламп с водяным охлаждением анода, на мощности, измеряемые киловаттами.
В 1923 г. там же была создана лампа мощностью 25 кВт, а в 1924 г. – генераторная лампа на 100 кВт. Эти лампы не имели аналогов в мировой технике. Их разработка и производство позволили сооружать в СССР в двадцатые – тридцатые годы самые мощные в мире ламповые радиостанции для связи и вещания. Советские ученые М. В. Бонч-Бруевич, А. И. Берг, А. Л. Минц, их ученики и последователи глубоко и всесторонне изучили процессы, происходящие в ламповых генераторах, и создали теорию и методы расчета радиопередающих устройств.
Начало двадцатых годов связано с двумя существенными обстоятельствами: во-первых, это широкое использование радиотелефонии как средства массовой информации. Широковещательные радиостанции, как их тогда называли, были построены во всех крупных городах СССР и во всем мире. В дальнейшем термин «широковещание» был заменен термином «радиовещание». Второе обстоятельство – это выявление возможностей коротких радиоволн (длиной 100…10 м) для дальних радиосвязей. В конце второго – третьего десятилетия стало появляться все больше сообщений об установлении радиосвязи на расстояния в многие тысячи километров при мощностях передатчиков, измеряемых единицами или немногими десятками ватт, на волнах короче 100 м – декаметровых радиоволнах.
Развернулись исследования условий их распространения, свойств ионизированных слоев в верхней атмосфере. Теоретические соображения А. Кеннеди и О. Хевисайда о существовании ионосферы в 1925 г. были подтверждены экспериментами Э. Эпплтона и М. Барнета (Англия) в области интерференции земных радиоволн и волн, отразившихся от ионосферы, а также прямыми измерениями импульсным методом, проведенными Г. Брейтом и М. Тьювом (Англия), высот и других характеристик слоев ионосферы. У нас первые теоретические исследования условий распространения радиоволн в ионизированном газе были выполнены М. В. Шулейкиным в 1922 г. и получили дальнейшее развитие в работах Д. А. Рожанского, A. M. Щукина, Л. А. Жекулина и др.
Все эти обстоятельства привели к тому, что диапазон длин радиоволн, используемых в практических целях, существенно расширился, и двадцатые годы нашего столетия стали годами не только перехода к эре ламповой радиотехники, но и освоения коротких радиоволн в совокупности с интенсивным изучением ионосферы.
Дальнейшее сколь-нибудь обстоятельное изложение хода развития радио вообще и его подотраслей – радиосвязи, радиовещания, телевидения и др. в рамках одной статьи невозможно. Представлялось важным дать по возможности беспристрастный и краткий очерк истории радиотехники на начальных этапах ее возникновения, показать, как из совокупности физических понятий, накопленных знаний о ходе природных и искусственно воспроизводимых явлений выкристаллизовались четкие представления о возможности практического использования электромагнитных волн радиодиапазона. При этом, естественно, выявляется время, когда на базе научных исследований рождается новый раздел техники, который развивается далее по своим законам, отличным от тех, по которым развивались научные исследования, в соответствии с запросами практики, вбирая в себя известные в каждый данный момент и непрерывно пополняемые научные сведения.
Именно так в 1895 году произошло рождение новой отрасли техники – радиотехники, а затем и всех, возникших в ходе ее дальнейшего развития ответвлений, которые мы ныне объединяем понятием «Радио».
Литература
- Очерки истории техники в России (1861-1917). – М.: Наука, 1975. – с. 177 – 197.
- Родионов В. М. Зарождение радиотехники. – М.: Наука, 1985.
- Мигулин В. В. Истоки практической радиосвязи // Радио. – 1993. – № 5.
- Мигулин В. В. Зарождение радио и первые шаги радиотехники. – Сб. «100 лет радио». Под ред. В. В. Мигулина и А. В. Гороховского. – М.: Радио и связь, 1995. Готовится к печати.
Статья опубликована в журнале «Электросвязь» №1, 1995 г., стр. 3.
Перепечатывается с разрешения редакции.
История открытия электромагнитных волн
Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация.
Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и следующая объединяющая теория — квантовая хромодинамика — которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже. Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.
Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом (вероятно, впервые в 1862 году в работе «О физических силовых линиях», хотя подробное описание теории вышло в 1867 году). Он прилежно и с огромным уважением пытался перевести на строгий математический язык немного наивные картинки Майкла Фарадея, описывающие электрические и магнитные явления, а также результаты других ученых. Упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления, Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии.
Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля порождают электрические поля. Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля — магнитные. Избавиться от противоречия и восстановить симметрию электрического и магнитного полей Максвеллу удалось, введя в уравнения дополнительный член, который описывал возникновение магнитного поля при изменении электрического. К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно, что постоянный ток создает вокруг проводника постоянное магнитное поле. Новый член описывал другой источник магнитного поля, но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток, который Максвелл назвал током смещения, чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах — тока проводимости. В итоге получилось, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические — магнитные. И тогда Максвелл понял, что в такой связке колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут отрываться от порождающих их проводников и двигаться через вакуум с определенной, но очень большой скоростью.
Он вычислил эту скорость, и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.
Потрясенный полученным результатом, Максвелл пишет Уильяму Томсону (лорду Кельвину, который, в частности, ввел абсолютную шкалу температур): «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». И далее в письме: «Я получил свои уравнения, живя в провинции и не подозревая о близости найденной мной скорости распространения магнитных эффектов к скорости света, поэтому я думаю, что у меня есть все основания считать магнитную и светоносную среды как одну и ту же среду…»
Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики, но они так красивы и лаконичны, что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики, ведь большинство значимых для человека явлений природы удается описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений.
Так сжимается информация, когда объединяются ранее разнородные факты. Вот один из видов уравнений Максвелла в дифференциальном представлении. Полюбуйтесь.
| ∇E = 4πρ | Закон Кулона |
| ∇B = 0& | магнитные заряды не существуют в природе |
| [∇E] = –1/c(δB/δt) | закон Фарадея |
| [∇B] = (4π/c)j + (1/c)(δE/δt) | Закон Ампера, с током смещения Максвелла (второй член правой части) |
| F = q(E+ [(v/c)×B]) | Сила Лоренца |
Хочется подчеркнуть, что из расчетов Максвелла получалось обескураживающее следствие: колебания электрического и магнитного полей — поперечные (что он сам все время подчеркивал).
А поперечные колебания распространяются только в твердых телах, но не в жидкостях и газах. К тому времени было надежно измерено, что скорость поперечных колебаний в твердых телах (попросту скорость звука) тем выше, чем, грубо говоря, тверже среда (чем больше модуль Юнга и меньше плотность) и может достигать нескольких километров в секунду. Скорость поперечной электромагнитной волны была почти в сто тысяч раз выше, чем скорость звука в твердых телах. А надо заметить, что характеристика жесткости входит в уравнение скорости звука в твердом теле под корнем. Получалось, что среда, через которую идут электромагнитные волны (и свет), имеет чудовищные характеристики упругости. Возник крайне тяжелый вопрос: «Как же через такую твердую среду движутся другие тела и не чувствуют ее?» Гипотетическую среду назвали — эфиром, приписав ему одновременно странные и, вообще говоря, взаимоисключающие свойства — огромную упругость и необычайную легкость.
Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников.
Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо». Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали все известные на то время представления о распространении поперечных волн и о волнах вообще, прозорливые ученые понимали, что совпадение скорости света и электромагнитных волн — фундаментальный результат, который говорит, что именно здесь физику ожидает основной прорыв.
К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886–89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн. Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат, но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла. Причем он не ограничился экспериментальным доказательством существование электромагнитных волн, но и исследовал их основные свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т.
д.), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.
Любопытно, что за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes) тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными (среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс) эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. В результате обсуждений ученые пришли к выводу, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Юз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой. Этот пример говорит, что в науке настойчивое распространение и пропаганда полученных результатов имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.
Генрих Герц так подытожил результаты своих экспериментов: «Описанные эксперименты, как, по крайне мере, кажется мне, устраняют сомнения в тождественности света, теплового излучения и электродинамического волнового движения».
Далее: Великое объединение
История Генриха Герца и открытие радиоволн
Для тех, кто любит науку и радио (а кто нет), немецкий город Карлсруэ должен занять особое место в их сердцах.
Именно там физик Генрих Герц доказал существование радиоволн в 1880-х годах в университете, ныне известном как Технологический институт Карлсруэ.
Карлсруэ также является моим родным городом, и во время визита в июне я решил исследовать место знаменитых экспериментов Герца.
Был прекрасный, но ужасно жаркий летний день, и я сильно вспотела, когда доехала до кампуса на велосипеде и подошла к мемориалу Герца, большой каменной скульптуре головы знаменитого физика.
Мой «гид», профессор Фолькер Кребс, носил белую соломенную шляпу, чтобы защитить себя от солнечных лучей. Кребс преподавал инженерное дело в этом университете до выхода на пенсию. Сейчас он возглавляет Heinrich Hertz Gesellschaft (ассоциацию) и помогает сохранить наследие ученого.
Генрих Герц приехал в Карлсруэ в 1885 году и использовал свое время здесь, чтобы развить работу шотландского физика Джеймса Максвелла.
«Максвелл был гениальным профессором, который смог сформулировать законы распространения электромагнитных волн в знаменитых уравнениях Максвелла», — объяснил Кребс.
Сто тридцать лет назад все, что было известно об электромагнитных волнах, было теорией, все это было математическими уравнениями на бумаге. В то время существовало две конкурирующие идеи относительно того, как быстро распространяются эти волны. Один лагерь утверждал, что электрические и магнитные силы передаются непосредственно из одной точки в другую. Согласно этой теории, если взять магнит и помахать им, это немедленно повлияет на все остальные заряды в комнате без временной задержки.
Теория Максвелла, напротив, предсказывала, что электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света.
Герц решил выяснить, какая из теорий верна, и сделал это в старом каменном здании недалеко от мемориала Герца, где я встретился с Фолькером Кребсом.
Внутри тоже было тепло, и мы немного запыхались, поднимаясь на несколько лестничных пролетов в большой лекционный зал. «Это настоящая лаборатория, где Генрих Герц проводил этот эксперимент», — сказал Кребс, когда мы вошли в залитую солнцем комнату, теперь обставленную современными стульями и столами.
Когда Герц приехал в Карлсруэ, набор студентов был низким, потому что экономика в то время переживала тяжелые времена. «Поэтому у него не было много учеников, и ему это нравилось», — сказал Кребс. «Если у вас нет студентов, и вы не сразу заинтересованы в преподавании, у вас может быть больше времени для ваших экспериментов, а это иногда проблема и сегодняшних профессоров!»
Итак, Герц посвятил все свое время и силы разработке специальной установки для своих экспериментов. На одной стороне длинного стола у него был осциллятор, генерирующий электрические токи и искру или зажигание. В нескольких ярдах от него он установил приемник или антенну, сделанную из медной проволоки, согнутой в кольцо. На концах круга были маленькие выступы, разделенные крошечной щелью. Это похоже на большую версию кольца, которое люди используют для прокалывания пупка. Он хотел проверить, пойдут ли искры, генерируемые генератором, к антенне и создадут ли искру там, в этом крошечном зазоре.
— И когда здесь происходит возгорание, Герц заметил, что в этой антенне, здесь тоже происходит возгорание, — сказал Кребс.
«Это сотые доли миллиметра, поэтому вы не можете видеть это очень четко, поэтому ему пришлось затемнить комнату, а затем у него был микроскоп, чтобы посмотреть на эту точку и заметить, есть возгорание или нет».
И это сработало. Искра, генерируемая с одной стороны, распространяет электромагнитную волну, которая проходит через комнату к антенне, и при достаточно высоком генерируемом напряжении наблюдается быстрая искра.
Герц первым обнаружил эту искру в антенне. В конце 1888 года он написал известную статью, в которой показал, что Максвелл был прав: электромагнитные волны не бесконечно быстры, а движутся со скоростью света.
«Эта бумага называлась «Strahlen elektrischer Kraft», — сказал Кребс, что переводится как «лучи электрической силы».
На этом Герц почти закончил эту тему. В том, что кажется немыслимым по сегодняшним меркам, его не интересовало, что можно сделать с его открытием. Его цитируют, говоря, что он не думал, что эти волны будут иметь какое-либо практическое применение.
Герц продолжил преподавать в Бонне, где, по словам Кребса, он начал заниматься другими вопросами. «Он интересовался механикой, а это совсем другая тема».
Герц умер в 1894 году от инфекции. Он не дожил до того, чтобы его именем назвали единицу частоты — это произошло в 1930 году — или до того, как его открытие изменило каждый аспект коммуникации. Но каждый раз, когда мы включаем радио или разговариваем по мобильному телефону, мы должны благодарить Hertz.
WHYY — ваш источник основанной на фактах, всесторонней журналистики и информации. Как некоммерческая организация, мы полагаемся на финансовую поддержку таких читателей, как вы. Пожалуйста, дайте сегодня.
Открытие и использование радиоволн
Роберт М. Хейзен, доктор философии, Университет Джорджа Мейсона
В этом электромагнитном спектре есть множество общих подразделений. Это радиоволны; микроволны; инфракрасное или тепловое излучение; затем видимый свет; затем ультрафиолет; Рентгеновский; и гамма-излучение.
Этот список расположен в порядке увеличения энергии, а также уменьшения длины волны. Но одним из наиболее важных типов волн, которые широко используются людьми, являются радиоволны. Но что такое радиоволны и как они используются? Радиоволны используются для всех видов человеческого общения. (Изображение: metamorworks/Shutterstock)Электромагнитный спектр
Электромагнитный спектр представляет собой континуум всех возможных длин волн или, что то же самое, всех возможных частот электромагнитного излучения. В этом спектре нет естественных резких делений. Любая возможная длина волны, любая возможная частота могут быть получены. И на самом деле нет никакого естественного разделения, кроме как с точки зрения человека, что мы видим видимый свет и не видим другие.
Но с внутренней точки зрения все это явления одного и того же рода: все электромагнитное излучение, все движутся со скоростью 186 000 миль в секунду. Радиоволны были первым из открытых невидимых видов электромагнитного излучения.
Они иллюстрировали поведение электромагнитного излучения.
Это стенограмма из серии видео Радость науки . Смотрите прямо сейчас на Wondrium.
Открытие Герцем радиоволн
Радиоволны были обнаружены немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем в ходе серии экспериментов в конце 1880-х годов.
Герц прочитал статьи Джеймса Максвелла. Он был полон решимости наблюдать за этими предсказанными невидимыми видами излучения. Именно для этого он поставил серию экспериментов. И он смог измерить длину волны и некоторые другие характеристики этих невидимых волн.
Кстати, единица измерения частоты называется герц. Герц — это один цикл в секунду, и он назван в его честь. Поэтому, когда вы смотрите на шкалу своего радиоприемника, вы можете увидеть килогерцы или мегагерцы; назван в честь великого немецкого ученого.
Узнайте больше об электромагнитном спектре.
Маркони и радиосвязь
Вскоре после исследований Герца практическое использование радиосвязи было продемонстрировано итальянским изобретателем Гульельмо Маркони.
Он генерировал радиоволны с помощью примитивного искрового устройства — просто создавая электрические искры — и те создавали радиоволны. А затем он использовал телеграф, чтобы произвести вот такие короткие вспышки.
Большая часть его успеха была связана с тем, что он разработал и улучшил антенны. Например, он был первым, кто взял антенну, поставил ее вертикально и заземлил так, чтобы характеристики приема были намного лучше. Постепенно он смог увеличить передачу и прием этих радиоволн с мили до десяти миль, а в конечном итоге до 100 миль в 1896 году. Маркони установил первую трансатлантическую беспроводную связь в 1908, и он получил Нобелевскую премию по физике в 1909 году.
Радиоволны в спектре
Радиоволны включают электромагнитное излучение с длиной волны от фута до нескольких миль, самую низкую энергетическую часть электромагнитного спектра, самую длинную длины волн.
Частота этих волн измеряется тысячами или миллионами циклов в секунду, то есть килогерцами или мегагерцами.
Радиоволны, как и все электромагнитные волны, возникают, когда заряженные частицы движутся вперед и назад и колеблются. Высокие антенны, которые вы видите возле многих радиостанций, представляют собой металлические конструкции, в которых большое количество электронов колеблется взад и вперед, производя сильные радиосигналы, которые вы обнаруживаете.
Радиоволны идеально подходят для связи, поскольку они проходят через атмосферу. Они путешествуют по строительным материалам. Радиоволны с более короткой длиной волны, такие как то, что мы называем FM-радиовещательными волнами, нелегко рассеиваются. Им требуется какая-то прямая видимость радиовышки, поэтому обычно вы не можете принять FM-радиостанцию дальше, чем на 40 или 50 миль от ее источника.
Амплитудная и частотная модуляция
Но при правильных условиях более длинные волны AM-радиопередач на самом деле могут искривляться, отражаться от атмосферы, рассеиваться и, следовательно, перемещаться на многие сотни миль, даже за горизонт.
Информация обычно передается с помощью радиосигнала двумя противоположными способами. Вы можете изменить амплитуду волны там, где вы меняете интенсивность волны. Но вы также можете использовать частотную модуляцию или FM-вещание, и это не что иное, как небольшое изменение длины волны. Это аналогично FM или частотно-модулированному вещанию.
Узнайте больше о природе энергии.
Разделение радиодиапазонов
Различные радиочастоты используются для разных типов связи. (Изображение: isatis polar/Shutterstock)Поскольку радиоволны излучаются в очень многих направлениях и на такие большие расстояния, общество должно регулировать, кто какую длину волны или какой диапазон радио использует, так сказать.
Вот почему у нас есть Международный союз электросвязи, это агентство Организации Объединенных Наций; а также в Соединенных Штатах Федеральная комиссия по связи, это FCC. Они контролируют то, что называется электромагнитной недвижимостью, потому что каждая длина волны — это своего рода ценный товар, с помощью которого вы можете передавать информацию.
Определенные радиодиапазоны выделяются, например, для радиолюбителей, для полиции, для машин скорой помощи, для навигации, для космической связи — очень важно иметь для этого отдельный диапазон — и так далее.
Кроме того, есть несколько определенных длин волн, которые были выделены в качестве стандартных частот, и они постоянно транслируются на этой частоте. И вы можете использовать свои радиоприемники, чтобы поймать эти конкретные частоты и убедиться, что ваше оборудование работает правильно.
Радиоастрономия
Радиоастрономы используют большие тарельчатые антенны для обнаружения радиоволн, исходящих от далеких объектов: звезд и галактик, которые находятся далеко-далеко. Эти звезды и галактики имеют закрученные облака заряженных частиц, и так много объектов в космосе излучают радиоволны, потому что они ускоряют заряженные частицы.
Эти волны распространяются в космосе со скоростью 186 000 миль в секунду, иногда в течение сотен миллионов лет, и их улавливают радиотелескопы.
Вы также можете использовать радиоволны как способ обнаружить существование разумной жизни где-то еще во Вселенной, потому что если бы вы хотели общаться с одной планеты, с одной звезды на другую, вы бы это сделали.
Таким образом, радиоволны являются одной из наиболее важных форм электромагнитного излучения, которое является неотъемлемой частью человеческих технологий, особенно средств связи.
Общие вопросы о радиоволнах
В: Кто открыл радиоволны?
Радиоволны были открыты немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем в серии экспериментов в конце 1880-х годов.
В: Как на практике была продемонстрирована радиосвязь?
Практическое использование связи по радио продемонстрировал итальянский изобретатель Гульельмо Маркони. Он генерировал радиоволны с помощью примитивного искрового устройства — просто создавая электрические искры — и те создавали радиоволны.
