На заре радиовещания

Джеймс Клерк Максвелл.

В далеком уже от нас 1864 году английский физик Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell) теоретически доказал существование электромагнитных волн, которые в реальности могут распространяться на большие расстояния. Максвелл отталкивался от экспериментальных работ Майкла Фарадея (Michael Faraday) по электричеству и магнетизму. Появление индукционного тока, открытого Фарадеем, Максвелл объяснил возникновением вихревого электрического поля при любом изменении магнитного поля. Процесс распространения переменных магнитного и электрического полей - это электромагнитная волна, предположил ученый. Чтобы создать интенсивные электромагнитные волны, нужны электромагнитные колебания высокой частоты, т.е. такие колебания должны возникать при ускоренном движении электромагнитных зарядов. Первым, кто экспериментально подтвердил электромагнитную теорию Максвелла, был немецкий ученый Генрих Рудольф Герц (Heinrich Rudolf Hertz). Способности Герца проявились очень рано, и были вовремя признаны современниками - в 22 года Генрих получил степень доктора философии в Берлинском университете, а в 28 лет стал полным профессором в Университете Карлсруэ.

Схема "вибратора" Герца.

В 1887-1888 годах Герц провел ряд экспериментов, ход и результаты которых говорили в пользу электромагнитной теории Максвелла. Герц не только экспериментально доказал существование электромагнитных волн, но также начал первым изучать их свойства: отражение от металлических поверхностей, преломление и поглощение в разных средах, поляризацию и т.д. Кроме того, немецкий ученый опытным путем измерил длину волны и скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света в вакууме (300 000 км/с). Герцу удалось построить, пусть и примитивные, но работающие радиопередатчик ("вибратор") и радиоприемник. Одной из главных частей "вибратора" были два медных стержня с латунными шариками на концах, между которыми существовал небольшой промежуток. Стержни соединялись со вторичной обмоткой катушки Румкорфа, преобразующей постоянный ток низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения. При поступлении импульсов переменного тока между шариками проскакивали искры, тем самым посылая электромагнитные волны. Искровой приемник Герца представлял собой резонатор - проволочное незамкнутое кольцо с латунными шариками на концах. Между этими шариками также проскакивали искры, причем безо всякой подачи электричества, а именно в тот момент, когда аналогичные искры появлялись между шариками "вибратора". Подобное явление наблюдалось даже на удалении от "вибратора" на расстояние 2 или 3 метра. В декабре 1888 года вышла знаменитая работа Герца - "О лучах электрической силы", возвестившая об открытии электромагнитных волн. Тем самым, успешные эксперименты Герца открыли зеленый свет к созданию беспроводных устройств по передаче сообщений. Самое любопытное заключалось в том, что Герц не прочувствовал всей значимости своего открытия. Этот немецкий ученый был поистине великим экспериментатором, но теоретически был не так силен, и слабо видел перспективу для своих открытий. Показательно в этом смысле высказывание Герца насчет найденных им же радиоволн: "Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть". Нечто похожее произошло и в случае, когда Герц открыл внешний фотоэффект. Ставя очередной опыт, он, чтобы лучше разглядеть искры, разместил приемник в темную коробку. Герц подметил, что в коробке длина искры уменьшилась - это натолкнула ученого на новые поиски зависимости длины искры от различных материалов. Так, ставя между передатчиком и приемником "экраны" из разных материалов, Герц обнаружил, что одни виды материалов пропускают электромагнитные волны, а другие, наоборот, отражают их. Также Герц отметил, что заряженный конденсатор быстрее потеряет свой заряд, если его пластины осветить ультрафиолетом. Однако теоретически обосновать явление фотоэффекта смог не Герц, а Альберт Эйнштейн, за что и получил Нобелевскую премию в 1921 году. Однако, бесспорно, без блестящих опытов Генриха Герца развитие радиосвязи задержалось бы на неопределенное количество лет. Очень жаль, что в неполные 37 лет этот ученый ушел из жизни от заражения крови. В 1930 году Международная электротехническая комиссия установила новую единицу измерения - Герц (Гц), которой стали обозначать частоту периодических процессов в секунду (например, колебаний).

Тесла стоял у самых истоков радио.

После экспериментов и научных работ Герца настало время создания радиопередатчиков и радиоприемников. Первенство здесь стоит отдать Николе Тесле (Nikola Tesla), который еще в 1892 году, читая лекцию об электромагнитном поле высокой частоты перед учеными Королевской академии Великобритании, зажег в своих руках электрические лампочки, не подключенные к проводам генератора, подающего высокочастотный ток. Через год после описанной выше демонстрации Тесла создал первый в мире волновой радиопередатчик. Этим он опередил Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi), и спустя много лет, в 1943 году, Верховный суд США все-таки признал первенство Теслы в изобретении радио. Используя управление по радиосвязи, Тесла создал "телеавтоматы", которые являлись первыми в мире самодвижущимися механизмами, управляемыми на расстоянии. Все желающие смогли в этом убедиться воочию - в Мэдисон-Сквер-Гарден великий серб демонстрировал лодочки с дистанционным управлением. Однако Тесла был слишком поглощен идеей передачи любого количества энергии (а также информации) на любое расстояние, поэтому менее масштабную задачу - посыл и прием радиосигналов - за него решили и воплотили в жизнь другие. Среди них был не только Маркони, но и россиянин Александр Степанович Попов. Впрочем, нельзя не отметить и вклад других ученых - француза Эдуарда Бранли (полное имя - Edouard Eugene Desire Branly) и англичанина сэра Оливера Джозефа Лоджа (Oliver Joseph Lodge). Бранли, между прочим, принадлежит авторство термина "радио" (в переводе с латинского, буквально, "излучаю"). В 1890 году он создал радиокондуктор ("трубка Бранли") для регистрации электромагнитных волн. Радиокондуктор являл собой стеклянную трубку, наполненную металлическими опилками, способными резко и намного (в несколько сотен раз) менять проводимость (сопротивление) под действием радиосигнала. Чтобы привести "трубку Бранли" в первоначальное состояние, требовалось прибор встряхнуть, тем самым разрушив образовавшиеся контакты между опилками.

Когерер.

В 1894 году радиокондуктор усовершенствовал Лодж, назвав его "когерер". Для восстановления проводимости последнего Лодж применил прерыватель (тремблер) в виде ударника с часовым механизмом, ударявшим через равные промежутки времени по когереру. 14 августа 1894 года произошло знаменательное событие - на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфордском университете Лодж провел первую успешную демонстрацию радио. Радиосигнал азбуки Морзе отправили из лаборатории в соседнем Кларендоновском корпусе, который был принят аппаратом на расстоянии 40 метров в театре Музея естественной истории, где проходила лекция. Революционность идеи Лоджа заключалась в том, что он соединил "трубку Бранли" с резонатором Герца и таким образом смог добиться записи сигналов на малых расстояниях с помощью регистратора и реле. Но дальше Лодж не пошел, и уже через год Попов и Маркони, опираясь на разработки Бранли и Лоджа, продемонстрировали собственные радиоприборы, от которых и ведет свой отсчет история радио. Но полностью в стороне от радио Лодж не остался - 6 августа 1898 года он получил патент № 609154 на "использование настраиваемой индукционной катушки или антенного контура в беспроводных передатчиках или приемниках, или в обоих устройствах". Речь шла, ни много ни мало, о настройках на нужную радиостанцию; в 1912 году Лодж продал данный патент компании Маркони. До сих пор ведется спор на предмет того, кто же в действительности первым изобрел радио. В СССР, например, День радио отмечался 7 мая. Именно в этот день 1895 года на заседании Русского физико-химического общества Попов выступил с докладом "Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям", а затем произвел первый публичный прием и передачу радиосигналов на расстоянии около 60 метров. А в заключение своего доклада Попов провидчески сказал: "...могу выразить надежду, что мой прибор, при дальнейшем усовершенствовании, сможет быть применен к передаче сигналов на расстоянии при помощи быстрых электрических колебаний". Собственно, электромагнитные волны - это не только радиоволны и видимый свет, но и невидимые человеческому глазу ультрафиолетовые, рентгеновские, инфракрасные и гамма-лучи. Отличие их заключается в частоте - числе колебаний в секунду.

Радиоприемник Попова.

24 марта 1896 года Попов передал радиограмму, содержащую два слова: "Генрихъ Герцъ" при помощи азбуки Морзе. Дальность связи составила уже 250 метров. Однако, как это было уже не раз, коммерческую выгоду от нового изобретения получили не русские, а иностранцы. Итальянец Маркони, используя прибор, во многом сходный с аппаратом Попова, начал свои опыты в телеграфировании без проводов тоже в 1895-м. Используя "вибратор" Герца и когерер Лоджа, а также электрический звонок, Маркони успешно передает сигнал. В середине 1895 года он включает в цепь телеграфный ключ и создает более чувствительный когерер путем заземления вибратора и присоединения одного из его концов к металлической пластине, находящейся на удалении от земли (фактически - к простейшей антенне). Окрыленный, Маркони направляется в итальянское почтовое министерство, где встречает полное непонимание. В начале 1896 года он едет в Великобританию (мать Маркони, кстати, была ирландкой), где через год и получает вожделенный патент. Но в Германии, Франции и России в патенте Маркони отказали, справедливо указав на существующий аппарат Попова.

Маркони в начале своего пути.

В июле 1897-го Маркони создал "Компанию беспроволочного телеграфа и сигналов". Начинается экспансия компании Маркони по всему миру. Широко бытует мнение, что Маркони гнался за одной лишь наживой, не останавливаясь в ее получении ни перед чем. Но, если рассуждать здраво, никто не препятствовал ни Лоджу, ни Попову повернуть свои работы в коммерческое русло. Тот же Маркони, получив отказ на родине, не предался унынию, а поехал за границу, где и преуспел. Другой вопрос, что тому же Попову в самой наименьшей степени, быть может, хотелось заниматься коммерцией, создавать собственную компанию, бороться за патентные права и т.д. Потому человечество должно быть только благодарно Маркони за то, что в его лице удачно соединились таланты изобретателя и бизнесмена. К тому же, экспериментировал Маркони очень много и плодотворно, и вполне заслужил свою славу.

Радиоприемник Маркони.

В ходе опытов Маркони нашел, что дальность передачи пропорциональна длине и числу антенн, потому для передачи информации через пролив Ла-Манш он берет несколько антенн высотой примерно 50 метров. Но существующие на тот момент технологии не могли дать значительного "прироста" в дальности передачи. Улучшить качества радиоприборов смог немецкий физик Карл Фердинанд Браун (Karl Ferdinand Braun). Он изобрел кристаллический детектор, который заменил собой когерер. Теперь приемники стали значительно чувствительнее, хотя кристаллический детектор тоже необходимо было настраивать заново. Впоследствии на смену детекторам Брауна пришли электронные лампы. Затем Браун улучшил передатчик Маркони, разделив колебательный и антенный контуры. Тем самым образовались первичный контур (конденсатор плюс искровой промежуток) и индуктивно связанный антенный контур. Такая схема увеличила энергию передатчика, и Маркони 12 декабря 1901 года наконец-то смог осуществить, по его словам, трансатлантическую передачу радиосигналов из Англии в Северную Америку, а именно: из графства Корнуэлл в Сент-Джон (остров Ньюфаундленд). Хотя данный факт передачи сигналов (в радиопослании содержалось всего две буквы "S") оспаривается до сих пор. Заслуги неугомонного Маркони были отмечены Нобелевской премией по физике за 1909 год (совместно с Фердинандом Брауном). В 1921 году итальянский изобретатель начал исследование коротких волн. Уже в 1927-м компания Маркони охватила весь цивилизованный мир сетью коммерческих коротковолновых станций. А в 1932 году Маркони провел первый сеанс радиотелефонной микроволновой связи. Лишь смерть 20 июля 1937 года прервала плодотворную и кипучую деятельность Гульельмо Маркони. Первоначально беспроводные сообщения были телеграфными, т.е. существовало не голосовое радио, а радиотелеграфия. Но человек хотел большего - слушать по радиоприемнику звуки, будь это зачитываемые диктором новости, игра на музыкальных инструментах либо пение птиц.

Лаборатория Фессендена.

Уже 23 декабря 1900 года Реджинальд Фессенден (Reginald Fessenden) провел первую в мире передачу речи на расстояние 1,6 километра. Качество речи было невероятно искаженным, но, главное, начало было положено. Фессенден, канадский и американский изобретатель, сделал очень много для развития радио, в том числе - звукового. В 1906 году он все же добивается своего. Взяв роторный передатчик с искровым разрядником и генератор Александерсона, Фессенден стал автором первой "радиопередачи" - моряки на кораблях в море смогли явственно услышать, как изобретатель играл на скрипке "O Святая ночь", а также зачитывал отрывки из Библии. До Фессендена тех же моряков с помощью радиосвязи могли спасти, а не развлечь. Например, зимой 1899/1900 годов радиоприборы Попова помогли вызволить броненосец "Генерал-адмирал Апраксин", потерпевший аварию возле острова Готланд. Многих пассажиров со знаменитого "Титаника" тоже спасла радиосвязь, на сей раз - с помощью аппаратов Маркони. Спустя три года после успешного эксперимента Фессендена, в США заработала первая в мире радиовещательная станция. Ее создал Чарльз Геррольд (Charles Gerrold). Свою радиостанцию он назвал San Jose Calling, и сегодня ее также можно услышать на радиоволнах, только под названием KCBS (базируется в Сан-Франциско). Геррольд также ввел термин "broadcast" ("трансляция"). Сын фермера, он знал, что "broadcast" в сельском хозяйстве применяется как термин для разбрасывания семян в разных направлениях. Таким образом, Геррольд подчеркивал, что его станция вещает для широкой аудитории. А чтобы радиосигнал принимали в разных направлениях, он создал "всенаправленную" антенну. Начиная с 1916 года, по всему миру стали появляться радиостанции, транслирующие как развлекательные передачи, так и новостные программы. Система радиовещания также не стояла на месте, она претерпевала коренные изменения, но об этом мы поговорим в другой раз.