Беседы о физике и технике

11. О чем не мог даже мечтать А.С. Попов

Радио, телевидение, радиолокация — разве можно удивить этим современного человека? А ведь каких-то 100 лет назад люди об этих чудесах не имели ни малейшего представления! Еще живы радиолюбители, которые с наушниками в 20-е и 30-е годы нашего века, затаив дыхание, пытались поймать советскую радиостанцию «Коминтерн» часто на самодельные детекторные приемники. Впрочем, все по порядку.

НАЧАЛО НАЧАЛ — ЭТО ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

В середине XIX в. великий английский ученый Дж. Максвелл высказал предположение о существовании электромагнитных волн и об электромагнитной природе света. Но ведь электромагнитных волн никто еще не наблюдал (исключая, конечно, световые, природа которых тогда не была известна). Теория Максвелла требовала экспериментального подтверждения. Самым главным подтверждением этой теории было бы экспериментельное наблюдение электромагнитных волн.

Для получения электромагнитных волн нужно было создать источник их излучения такой мощности, чтобы полученные волны можно было обнаружить.

Такой источник впервые был создан немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 г. и получил название вибратор Герца. С помощью этого вибратора было доказано существование электромагнитных волн, а также изучены некоторые их свойства. В частности, было доказано, что они обладают теми же свойствами, что и световые волны. Скорость электромагнитных волн оказалась равной скорости света. Этим самым Герц подтвердил и другой вывод Максвелла об электромагнитной природе света.

ВАЖНЫМ ОТКРЫТИЕМ СТАЛО ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО.

Еще при жизни Герца к нему обратился один немецкий инженер с вопросом: не считает ли он возможным использовать открытие электромагнитных волн для связи (для беспроволочного телеграфа)? В своем ответе Герц высказал сомнение по поводу этой возможности. Однако идея о применении электромагнитных волн для связи вскоре (1895 г.) была осуществлена на практике русским ученым А. С. Поповым.

Приемник первоначально регистрировал радиосигналы, источником которых было атмосферное электричество. Затем Попов сконструировал первый в мире передатчик радиосигналов и в 1896 г. произвел первую в мире демонстрацию передачи радиограммы.

Передатчик и приемник находились на расстоянии 250 м. Первая радиотелеграмма состояла из двух слов: «Генрих Герц».

Излучать, т. е. посылать сигналы без проводов, — вот каков смысл латинского слова «радио», обозначившего наступление новой эры в развитии техники вообще, в развитии техники связи в первую очередь.

КАКОВЫ БЫЛИ ПЕРВЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ НОВОГО ВИДА СВЯЗИ?

Не каждый обладает способностью оценить значение новых открытий. Когда Попов обратился в Морское ведомство с просьбой выделить для продолжения опытов 1000 руб., морской министр ответил: «На такую химеру отпускать деньги не разрешаю».

Тем не менее с помощью этой «химеры» Попов два года спустя обеспечил связь между двумя кораблями на расстоянии 40 км, а в 1900 г. передавал по радио указания из Кронштадта на остров Гогланд, где велись работы по спасению броненосца, севшего на мель.

Создание первой линии радиотелеграфной связи случайно совпало с каким-то торжественным юбилеем царской семьи. Местные власти решили, что первая радиограмма будет прекрасным подарком царской фамилии, и заготовили поздравительный текст. Но вместо этого Попов, на свой страх и риск, передал сообщение о том, что шторм унес в море льдину, на которой остались 27 рыбаков. Вышедший навстречу корабль вовремя подошел им на помощь. Беспроволочная связь помогла спасти людям жизнь.

Так радио стало получать признание.

КАК РАЗВИВАЛОСЬ РАДИО ПОСЛЕ ЭТОГО?

Существовавшие в это время приборы и оборудование позволяли передавать радиосигналы на относительно небольшие расстояния. Необходимо было создать усилитель для электрических сигналов любой частоты.

Еще в 1833 г. Т.Эдисон, занимаясь усовершенствованием электрических осветительных ламп, обнаружил явление термоэлектронной эмиссии. Дальнейшее изучение физиками этого явления привело к изобретению двухэлектродной лампы — диода. В 1909 г. английский физик Ф. Флеминг предложил использовать диод в качестве детектора в радиоприемных устройствах.

В 1907 г. американский ученый Ли де Форест разработал трехэлектродную лампу, что дало возможность, используя ее в качестве усилителя, осуществлять передачу электромагнитных сигналов на большие расстояния и принимать слабые.

Классическая схема лампового генератора была предложена в 1913 г. австрийским радиотехником Мейснером. Важные усовершенствования в генераторную лампу были внесены нашими соотечественниками Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевичем.

СЛЕДУЮЩИЙ ШАГ-ИЗОБРЕТЕНИЕ ТЕЛЕВИДЕНИЯ.

К 20-м годам XX столетия оказались налицо все необходимые предпосылки для осуществления многочастотной передачи неподвижных и движущихся изображений как по проводам, так и по радио. Радио, сделав возможной беспроволочную связь на практически любых расстояниях, породило совершенно новые виды передачи информации — радиовещание, а затем и телевидение.

Изобретение же полупроводниковых электронных приборов принесло новые успехи и позволило осуществлять передачу сигналов уже не только в земных, но и в космических масштабах.

Добавление изображения к радиопрограммам является одним из чудес современной науки и техники. Важнейшей проблемой, перед которой стоят сегодня инженеры, является передача телевизионных волн на дальние расстояния. Частоты, применяемые в телевидении, настолько высоки, что ионосферные слои, отражающие сравнительно длинные радиоволны, по отношению к коротким телевизионным волнам являются форменным «решетом». Телевизионные волны просто уходят сквозь эти слои в мировое пространство и уже не возвращаются на Землю.

Поэтому телевизионные сигналы невозможно передавать дальше, чем на расстояние «прямого видения», а это расстояние из-за кривизны земной поверхности обычно не очень велико. Кроме того, очень короткие радиоволны сильно ослабляются вследствие поглощения их в земной атмосфере.

Проблема дальних телевизионных передач решается путем создания ретрансляционных станций или спутников связи.

РАССКАЖИТЕ О РАДИОЛОКАЦИИ.

Свойство радиоволн отражаться от предметов было использовано в радиолокации. Точность определения направления движения объекта, его размеров, скорости перемещения повышается, когда антенна станции излучает волны узким лучом. А создать такой луч можно только в том случае, если размеры антенны значительно больше, чем длина излучаемых волн.

Первые радиолокационные станции — радары (это было в начале 40-х годов) собирали в луч метровые волны с помощью огромных антенн. Луч нащупывал в небе противника и указывал, куда направить снаряд зенитного орудия. Долго мириться с таким положением летчики не могли. Необходимо было как можно скорее снабдить локаторами и самолеты. Только как это сделать? Ведь антенну размером с двухэтажный дом не взгромоздить на самолет! Эту задачу можно было решить от противного: вместо того, чтобы увеличивать размеры антенны, уменьшили длину волн.

Когда длину волн укоротили до сантиметров, а затем и до миллиметров, появилась возможность создания компактных и эффективных самолетных антенн. Нормальное воздушное сообщение при достигнутых в настоящее время высоких скоростях полета и больших плотностях потоков самолетов оказывается возможным только благодаря оснащению современной службы управления воздушным движением радиолокационными станциями, под бдительным надзором которых самолеты находятся во всей зоне аэродрома.

Радиолокаторы стали первыми помощниками при проводке кораблей. Радары, установленные на морских и речных судах, значительно облегчают плавание в условиях плохой видимости, особенно в узких местах: проливах, устьях рек и т. п. Более того, навигация часто оказывается просто невозможной без радиолокаторов, позволяющих ночью и в туман видеть береговую черту, встречные суда, скалы, айсберги. Со временем радиолокацию стали использовать в метеорологии для прослеживания за распространением гроз и штормов, а также для наблюдения за полетом шаров-зондов, которые по радио передают на наземную метеостанцию полные сведения о погоде.

Без радиолокации в наше время просто невозможна нормальная деятельность многих отраслей народного хозяйства, науки и техники. Особенно многосторонне ее применение в авиации, морском и речном флоте, в космической технике; с помощью радиолокационных средств осуществляется картографирование земной поверхности.

СЕЙЧАС НИКОГО НЕ УДИВЛЯЮТ СЛОВА «КОСМИЧЕСКАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ».

Радиолокация настолько вошла в нашу жизнь, что сообщения о тех или иных ее использованиях уже перестали являться какой-то сенсацией. Ярким примером может служить полет двух советских автоматических межпланентных станций «Вега» к комете Галлея. Уникальные данные, полученные в ходе прямых измерений характеристик и свойств космического вещества, передача на Землю изображений кометы имеют мировое научное значение и расширяют представления ученых о начальных стадиях формирования планетных систем.

Успешная реализация крупного проекта по исследованию космического пространства, в котором приняло участие большое количество ученых и специалистов социалистических и капиталистических стран, подтверждает мнение о возможности мирного освоения космоса объединенными усилиями различных государств.

Без радиолокации немыслимы полеты космических аппаратов. Приходится не только создавать сложнейшие наземные комплексы, в которые входят мощные радары и радиотелескопы, осуществляющие наблюдения за космическими аппаратами, но и оборудовать радарами сами корабли, особенно пилотируемые.

Радиолокация обеспечивает сближение и стыковку космических кораблей, с ее помощью осуществляют измерение расстояний до Луны и планет Солнечной системы.

Очень многое могут дать радиолокационные методы для исследования природных ресурсов Земли из космоса.

Радиолокаторы помогают определить физические свойства огромных пространств Земли, покрытых льдом, снегом, сельскохозяйственными культурами и лесами.

Эти оптические непрозрачные покровы являются радиопрозрачными.

Применения радиолокации — одного из величайших творений человеческого гения XX в., стоящего по своей значимости в одном ряду с использованием ядерной энергии и ракетной техники, — поистине универсальны.

КАК ОБСТОИТ ДЕЛО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОВОЛН ДЛЯ СВЯЗИ С ЖИТЕЛЯМИ ДРУГИХ МИРОВ?

Что говорить, заманчиво было бы вступить с ними в общение и познакомиться с цивилизацией, которая, возможно, опередила нашу, скажем, на несколько тысяч лет!

Мечта эта родилась еще до появления электроники. Но ни одному из предложенных проектов не суждено было осуществиться. Появление радио дало новую почву старой мечте. От жителей Вселенной стали ждать теперь радиосообщений. И вот… Американский инженер Янский уловил сигналы, повторяющиеся ровно через 23 ч 56 мин.

Исследование этих сигналов принесло разочарование: электромагнитные волны посылают не люди, а их излучают Луна, Солнце, Меркурий, Юпитер, Сатурн. Позже удалось принять излучение из других галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет.

Жажда общения с жителями Вселенной до настоящего времени осталась неудовлетворенной. Зато появилась новая область применения электроники — радиоастрономия.

Если наши собратья по разуму не торопятся посылать сообщения, то, может быть, необходимо самим дать им знать о себе?

Радиосигналы посылают в космическое пространство. Преодолев огромное расстояние, сигнал должен прийти к определенным звездным системам. И если жители одной из планет этой системы уловят сигнал и захотят вступить с нами в общение, то они ответят на наши позывные.

Много ли шансов, что такая беседа состоится?

Трудно что-либо предрекать. А пока гигантские зеркала радиотелескопов непрерывно прощупывают те космические объекты, которые сами не посылают сигналов, можно «прощупывать» отраженной волной. Такие сигналы помогли уточнить состав, например, Луны и Венеры, а заодно измерить расстояние до них.

РАДИОСВЯЗЬ НАСТОЛЬКО РАСПРОСТРАНЕНА, ЧТО В ЭФИРЕ СТАНОВИТСЯ ТЕСНО.

Все возрастающее количество радиостанций, вещательных и служебных, мощных радиолокационных установок привело к возникновению в земных условиях помех, к ситуации, получившей наименование «тесноты в эфире».

Каждый, кто пользовался радиоприемником, сталкивался с такой трудностью: принимаемые станции «наползают» одна на другую. Это прежде всего указывает на то, что радиостанции работают на близких друг по отношению к другу частотах. А во-вторых, на то, что передатчики имеют недостаточно высокую стабильность и «заходят» в чужую полосу частот. Значит, требуются генераторы с высокой стабилизацией частоты или же необходимо переходить на другую частоту излучения.

Это дало толчок интенсивному освоению новых, все более коротковолновых диапазонов радиоволн. В середине 60-х годов были найдены новые пути, которые открыли широкие возможности усиления чрезвычайно слабых сигналов и генерации исключительно стабильных по частоте радиоволн. Но при этом пришлось перейти на новый уровень понимания физических процессов.

СУЩЕСТВУЮТ И ДРУГИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.

Электромагнитные волны нашли широкое применение в промышленности и в быту. Трудно найти семью, в которой не было бы или радиоприемника, или телевизора, или магнитофона. С помощью высокочастотных электромагнитных волн размягчают стекло, прессуют пластмассу, вулканизируют резину, сушат хлопок и шерсть. Широко использует высокочастотное «пламя» пищевая промышленность. На нем коптят ветчину, сушат табак и сахар, уничтожают личинки мучных червей. При помощи электромагнитного излучения «сшивают» края надувных матрацев, лодок, водоплавающих игрушек, непромокаемых чехлов и плащей! Способность магнитного поля проникнуть внутрь металла позволила осуществлять плавку настолько быстро, что металл не успевает окислиться, а это весьма улучшает качество плавки. Приварить металл к стеклу можно быстро и надежно с помощью все тех же высокочастотных электромагнитных полей.

НЕЛЬЗЯ НЕ ОБРАТИТЬ ВНИМАНИЕ НА ОЧЕНЬ ИНТЕНСИВНОЕ РАЗВИТИЕ ЭТОЙ ОБЛАСТИ НАУКИ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ.

Первая радиостанция, созданная А. С. Поповым, связала Кронштадт с островом Гогланд в 1900 г. И с тех пор каждое десятилетие порождало новую ветвь на могучем древе науки.

Десятые годы нашего века — радио учиться говорить. Двадцатые — дальние передачи, освоение ультракоротких радиоволн. Тридцатые — освоение телевидения. Сороковые — использование радиоволн в радиолокации. Пятидесятые — широкое внедрение радиоволн в промышленность, быт, сельское хозяйство. Шестидесятые — освоение квантовых генераторов.

Что принесут ближайшие десятилетия? Судить об этом не так-то просто, но можно с уверенностью сказать: электромагнитные процессы будут активными участниками в реализации творческой мысли человека.