Радио

Александр Плонский

РАДИО

ВВЕДЕНИЕ

С давних пор люди мечтали о таком средстве связи, которое позволяло бы практически мгновенно передавать сигналы на большие расстояния.

Когда ученые открыли электричество, стало возможным передавать по проводам условные знаки (телеграф) и живую человеческую речь (телефон). Но телеграф и телефон еще не удовлетворяли многим требованиям человека. Телефон и телеграф нельзя было применять на море, в воздухоплавании и т. д.

А нельзя ли использовать электрические явления для связи без проводов? В конце девятнадцатого века над этим вопросом задумывались многие ученые.

Великий русский ученый Александр Степанович Попов решил применить для связи без проводов быстрые электрические колебания, или электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (около 300 000 километров в секунду). Существование таких волн теоретически предсказал английский ученый Максвелл, а немецкий физик Герц обнаружил их опытным путем. Однако эти ученые не видели возможности практически использовать новое открытие.

А. С. Попов изобрел беспроволочную телеграфию и телефонию и заложил основы новой отрасли техники, которую в наши дни называют коротким словом радио (это слово по-русски означает излучение).

Владимир Ильич Ленин называл радио газетой без бумаги и без расстояний, считал его делом гигантски важным, мечтал о том времени, когда с помощью радиотелефонии вся Россия будет слышать газету, читаемую в Москве.

И такое время наступило. Осуществились мечты великого Ленина. Радио прочно вошло в нашу жизнь. С помощью радио мы узнаем о всех событиях в нашей стране и за ее рубежами. Радио связывает самые отдаленные уголки страны с ее столицей Москвой. Благодаря радио трудящиеся всего мира знакомятся с жизнью социалистического общества.

Но роль радио не ограничивается связью и вещанием. Трудно найти отрасль народного хозяйства, в которой бы не применялась радиотехника. С помощью радио управляют самолетами и кораблями, «видят» в тумане и в полной темноте, изучают звезды; радиоприборы применяются в авиации, мореплавании, метеорологии, металлургии и многих других областях техники и народного хозяйства.

О том, что такое радио, как оно развивалось, какое место оно занимает в нашей жизни, и рассказывает эта книга.

РОЖДЕНИЕ РАДИО

В 1889 году А. С. Попов присутствовал на очередном заседании Русского физико-химического общества во время опытов с электромагнитными волнами, производимых проф. Н.Г. Егоровым.

Зал заседания был затемнен. На кафедре в тусклом свете керосиновой лампы поблескивали два жестяных рефлектора, наподобие тех, которые применяются в прожекторах. Внутри одного рефлектора на близком расстоянии друг от друга были укреплены два металлических шарика, от которых тянулись провода к источнику электричества. Это был вибратор — прибор, «вырабатывающий» электромагнитные волны. Внутри другого рефлектора также находились два металлических шарика. Они были соединены друг с другом проволочной дугой. Этот прибор предназначался для улавливания электромагнитных волн и назывался резонатором.

Опыт начался в полной темноте. Между шариками вибратора, соединенными с источником электричества, вспыхнула крошечная голубоватая искорка. В тот же момент между шариками резонатора появилась ответная искра. Она была настолько слаба, что участникам опыта приходилось по очереди рассматривать ее через увеличительное стекло.

Искорка в резонаторе порождалась электромагнитными волнами. Резонатор мог действовать лишь на ничтожных расстояниях.

Попов решил создать более чувствительный приемник электромагнитных волн, способный улавливать даже очень слабые сигналы.

В 1894 году было открыто интересное свойство обыкновенных металлических опилок. Если горстку опилок насыпать между двумя металлическими проводами, соединенными с источником электричества, то в такой цепи будет течь чрезвычайно слабый ток. Но как только поблизости возникнет электрическая искра, сила тока резко возрастет.

Способность опилок изменять свое «сопротивление» электрическому току объясняется просто. Опилки состоят из множества мелких крупинок металла. Каждая такая крупинка покрыта тонким слоем окислов — химических соединений металла с кислородом. Окислы проводят ток хуже, чем чистые металлы. К тому же частицы металла в опилках соприкасаются друг с другом лишь в нескольких точках. Площадь соприкосновения мала, поэтому сопротивление электрическому току велико.

Под воздействием электромагнитных волн, возникающих при электрической искре, между крупинками появляются микроскопические искорки, и опилки слипаются в одно целое. Площадь соприкосновения частиц металла во много раз возрастает, и сопротивление опилок току уменьшается. Сила тока, проходящего через опилки, резко увеличивается.

Чтобы вернуть опилки в начальное состояние, нужно слегка встряхнуть их. Тогда они снова рассыплются, и сила тока опять станет ничтожно малой.

При опытах с опилками металлический порошок насыпали в стеклянную трубку, которую А. С. Попов назвал «чувствительной». Чувствительную трубку он и положил в основу своего приемника. Ученый испытывал трубки различной длины и формы, порошки разных металлов. Наконец, он получил прибор, отличавшийся высокой восприимчивостью к электромагнитным волнам.

Оставалось придумать наиболее совершенный способ периодического встряхивания трубки, чтобы она хорошо проводила ток только при облучении электромагнитными волнами. Но как раз в этом заключалась главная трудность, с которой столкнулся изобретатель радио.

Может быть, просто постукивать по трубке пальцем? Такой примитивный способ, естественно, не удовлетворял ученого. Применить специальный пружинный механизм? Сложно и ненадежно.

После долгих поисков А. С. Попов нашел простое и остроумное решение. Пусть сама волна встряхивает опилки!

Для этой цели пригодился обычный электрический звонок. Под воздействием электромагнитных волн трубка начинала пропускать ток, и звонок звонил, как если бы кто-нибудь нажал на кнопку. При этом молоточек звонка ударял по трубке и встряхивал опилки (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид первого радиоприемника А. С. Попова с чувствительной трубкой.

На первых порах А. С. Попов приспособил свой приемник для исследования гроз и назвал его «грозоотметчиком». Молния — сверхмощный радиопередатчик. Ее удары возбуждают в пространстве целые вихри электромагнитных волн. «Грозоотметчик», улавливая отголоски этих вихрей, сигнализировал о приближении грозы, когда она была еще очень далеко.

7 мая 1895 года ученый впервые продемонстрировал свое изобретение. В этот день он выступил на заседании физико-химического общества с докладом под скромным названием: «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям».

Свой доклад, ознаменовавший рождение беспроволочной связи, А. С. Попов закончил пророческими словами:

«В заключение могу выразить надежду, что мой прибор, при дальнейшем усовершенствовании его, может быть применен к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний…».

День 7 мая, признанный всем прогрессивным человечеством днем изобретения радио, стал национальным праздником советского народа.

Вместе со своим помощником П. Н. Рыбкиным Александр Степанович продолжал работать над усовершенствованием изобретения. Еще при первых опытах ученый заметил, что если присоединить к одному из выводов чувствительной трубки кусок провода, то дальность приема во много раз увеличится. Так была создана антенна — один из важнейших элементов радиосвязи. Присоединяя другую такую же антенну к передатчику, Попов добился нового значительного увеличения дальности.

Затем изобретатель заменил звонок в приемнике обычным телеграфным аппаратом. Условные телеграфные сигналы — точки и тире, определенные комбинации которых обозначали те или иные буквы, — стали автоматически записываться на узкую бумажную ленту.

24 марта 1896 года Попов продемонстрировал перед учеными беспроволочную телеграфную передачу. В физическом кабинете Петербургского университета был установлен радиоприемник, а на расстоянии 250 метров от него, в здании университетской химической лаборатории находился передатчик, которым управлял П. Н. Рыбкин. Вот что рассказывает один из очевидцев этого замечательного события профессор О. Д. Хвольсон.

«Передача происходила таким образом, что буквы передавались по азбуке Морзе, притом знаки были ясно слышны. У доски стоял председатель физического общества, профессор Ф. Ф. Петрушевский, имея в руках бумагу с ключом азбуки Морзе и кусок мела. После каждого передаваемого знака он смотрел на бумагу и затем записывал на доске соответствующую букву. Постепенно на доске получились два слова: „Генрих Герц“. Трудно описать восторг многочисленных присутствовавших и овации А. С. Попову…»

Уже в следующем 1897 году дальность действия беспроволочного телеграфа превысила 5 километров. Жизнеспособность радио была доказана.

О ГОЛОСЕ И РАЗГОВОРЕ

Чтобы понять, что такое радио, нужно разобраться в целом ряде физических явлений. Некоторые из них сложны; другие более просты и часто встречаются в повседневной жизни.

Примером такого сравнительно простого явления служит наш обычный разговор друг с другом. Между разговором и связью по радио есть много общего. Сходство двух этих явлений поможет нам понять и усвоить основные принципы радиосвязи.

При разговоре один из собеседников произносит звуки, другой — слушает их. Если говорящий человек приложит руку к горлу, то он почувствует дрожание голосовых связок.

Наблюдая другие источники звука — звучащую струну, рупор работающего громкоговорителя и т. д., — нетрудно обнаружить, что все они колеблются. Стоит прервать эти колебания (например, коснуться струны рукой), как звук исчезнет. Таким образом, звук происходит в результате колебательного движения предметов.

Звуки бывают различны, однако природа всех звуков одинакова. Встречаются звуки высокие и низкие. Так, мужской голос — звук более низкий, чем женский. Высота звука зависит от того, насколько часто колеблется его источник. Например, колебания очень толстой струны сравнительно медленны и даже могут быть замечены глазом; поэтому ее звук низок. Тонкая струна колеблется быстро, ее колебания увидеть трудно. Звук, издаваемый такой струной, высок.

Число колебаний тела в 1 секунду называется частотой колебаний. Значит, чем выше частота колебаний источника звука, тем выше и сам звук. Человек может услышать звуки с частотой от 16–20 до 16 000-20 000 колебаний в секунду (эти пределы зависят от индивидуальных особенностей слухового аппарата человека).

Неслышимые звуки с частотой ниже 16–20 колебаний в секунду называют инфразвуками, а с частотой выше 16 000-20 000— ультразвуками.

Как же происходит передача звука на расстояние?

Ударьте по натянутой струне, чтобы она начала колебаться. Колебания струны передадутся воздуху. Частицы воздуха также начнут колебаться, и в нем возникнут попеременные сгущения и разрежения, образующие невидимые волны, распространяющиеся в пространстве.

Подобные волны можно наблюдать на поверхности воды, если бросить в воду камень. Расстояние между гребнями соседних волн (рис. 2) называют длиной волны; она тем больше, чем ниже частота колебаний.

Рис. 2. Схематическое изображение волны.

По мере распространения волна как бы растрачивает свою силу и постепенно затухает. Это происходит в результате трения отдельных частиц воздуха друг о друга. Вот почему с увеличением расстояния звук слабеет.

Наталкиваясь на барабанную перепонку уха, звуковые волны заставляют ее колебаться. Именно поэтому звук можно услышать.

Как показывает опыт, звук может распространяться не только в воздухе, но и в других газах, в жидкостях и твердых телах, например в азоте, керосине, воде, железе. В жидкостях, и особенно в твердых телах, звуковая волна движется даже быстрее, чем в воздухе, и затухает значительно слабее. Приложив ухо к железнодорожному рельсу, можно услышать шум приближающегося поезда задолго до того, как он будет слышен «по воздуху». Измерения показали, что при обычной температуре скорость звука в воздухе равна приблизительно 340 метрам в секунду, в воде — 1450 и в железе — примерно 5000.

А будет ли слышен звук в безвоздушном пространстве? Если поместить электрический звонок под стеклянный колпак, то звон будет слышен довольно хорошо. Но стоит только начать выкачивать из-под колпака воздух, как звон станет слабеть. Если бы воздух удалось полностью выкачать, звона совсем не было бы слышно.

Но существуют волны, которые могут распространяться и в безвоздушном пространстве. Это — применяемые в беспроволочной связи электромагнитные волны.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

В природе все вещества (газы, жидкости, твердые предметы) состоят из мельчайших частиц — молекул, а молекулы — из еще более мелких частиц — атомов. Но атом также имеет сложное строение. В его центре находится ядро, размеры которого приблизительно в 100 000 раз меньше размеров всего атома. Вокруг ядра обращаются электроны.

Ядро атома несет в себе положительный электрический заряд; электроны заряжены отрицательно. Заряд ядра по величине равен сумме зарядов электронов, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Электрические заряды взаимодействуют друг с другом. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, а заряженные разноименно — притягиваются.

Если потереть кусок янтаря или стеклянную палочку куском сухого шелка, то часть электронов перейдет от янтаря или стекла к шелку. В результате янтарь и стекло приобретут положительный заряд, а шелк — отрицательный. Избыточный положительный заряд действует на легкие предметы, притягивая их. Значит, в пространстве, окружающем заряженное тело, существуют электрические силы.

В некоторых телах (главным образом это металлы — медь, железо, алюминий и др.) часть электронов не связана с атомами и может переходить от одного атома к другому. Но это движение электронов беспорядочно. Если же к концам металлической проволоки подключить какой-нибудь источник электричества (например, батарейку от карманного фонарика), то под действием электрических сил в проволоке возникнет поток «свободных» электронов, направленный от отрицательного полюса батареи к положительному, то есть появится электрический ток. Электрический ток, текущий в одну сторону, называют постоянным.

Если к проводу, по которому течет постоянный ток, приблизить обычный компас, как это показано на рис. 3, то стрелка компаса отклонится от своего первоначального положения.

Рис. 3. Действие магнитного поля.

Стоит только разомкнуть цепь тока, как стрелка снова начнет указывать север. Значит, электрический ток, текущий по проводу, возбуждает в пространстве не только электрические, но и магнитные силы, отклоняющие стрелку компаса.

Электрические и магнитные силы, возбуждаемые током, представляют собой одно из проявлений особого вида материи — так называемого электромагнитного поля.

Кроме постоянного, существует также переменный ток, направление которого изменяется много раз в секунду. Такой ток течет в осветительной сети. Там он изменяет свое направление 100 раз в секунду: сотую долю секунды течет в одном направлении, затем меняет направление на обратное, спустя сотую долю секунды снова идет в прежнем направлении и т. д. Он все время как бы колеблется, совершая 50 полных колебаний в секунду. Если зарисовать изменение силы переменного тока (она пропорциональна числу электронов, проходящих через какое-либо поперечное сечение проводника в единицу времени) и его направление, то получится картина, показанная на рис. 4. Одно полное электрическое колебание выделено на ней жирной линией.

Рис. 4. Кривая переменного тока.

Число колебаний, совершаемых переменным током в единицу времени, называется его частотой. Таким образом, частота тока в осветительной сети равна 50 колебаниям в секунду. В радиотехнике применяются быстропеременные токи с частотами от нескольких десятков тысяч до сотен миллионов колебаний в секунду.

В пространстве, окружающем провод с переменным током, как и при постоянном токе, действуют электрические и магнитные силы, т. е. существует электромагнитное поле. Но если приблизить к такому проводу компас, то его стрелка останется неподвижной. Это объясняется тем, что магнитные силы, действующие вокруг провода, по которому течет переменный ток, изменяются чрезвычайно быстро, и стрелка не успевает реагировать на эти изменения.

Электрические и магнитные силы поля не существуют раздельно; всякое изменение электрических сил влечет за собой изменение сил магнитных, и наоборот. Это свойство поля называют электромагнитной индукцией.

Если в электромагнитное поле переменного тока поместить замкнутый виток провода, то в проводе начнет циркулировать ток той же частоты. Это явление как раз и объясняется электромагнитной индукцией.

Переменное электромагнитное поле имеет одно замечательное свойство: оно волнообразно распространяется в пространстве со скоростью света на значительное расстояние от места своего возникновения.

На рис. 5 схематически показана электромагнитная волна.

Рис. 5. Схематическое изображение электромагнитной волны.

Стрелки указывают, как изменяется направление электрических сил по мере распространения волны (так же изменяются и магнитные силы, но они направлены под прямым углом к электрическим и на рисунке не показаны). Длина электромагнитной волны — это расстояние между двумя соседними максимумами электрических или магнитных сил одного направления.

Длина электромагнитных волн бывает различной. Например, видимый свет — это тоже электромагнитные волны, только чрезвычайно короткие (длина световых волн измеряется тысячными долями миллиметра). Радиоволны — более длинные электромагнитные волны. Они воспринимаются нами с помощью радиоприемника.

Как же создаются электрические колебания, каким образом работают радиопередатчик и приемник?

КАК РАБОТАЕТ РАДИОПЕРЕДАТЧИК

Для радиосвязи и радиовещания необходимы три основных элемента: радиопередатчик, передающая и приемная антенны, радиоприемник. Радиопередатчик служит для создания электрических колебаний. Колебания, поступая в передающую антенну, возбуждают вокруг нее переменное электромагнитное поле.