CC BY
160
НАУКА и ОБРАЗОВАН И Е
На заре радиосвязи # 6, июнь 2017
Б01: 10.7463/0617.0001273 Самохин В. П.1,Тихомирова Е.А.1*
УДК 929
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
*
Эксперименты выдающегося немецкого физика Генриха Герца [1] доказали существование электромагнитных волн, предсказанных британским физиком и математиком Джеймсом Максвеллом (англ. James Maxwell•, 1831 - 1879) математически. Практические опыты беспроводной передачи сигналов начались до опубликования работ Герца. Наиболее масштабными из них в США считаются эксперименты стоматолога Мэлона Лумиса и выдающегося изобретателя Томаса Эдисона. [2]
Mahlon Loomis (1826 -1886) Thomas Edison (1847 — 1931 ) James Maxwell (1831 -1879) Heinrich Hertz (1857-1894)
Во время опытов с атмосферным электричеством Лумис выдвинул идею о существовании в атмосфере проводящего слоя, которым можно было бы заменить единственный провод телеграфной линии (вторым проводом служила земля), и, таким образом, вообще отказаться от проводов. Многочисленные опыты 1864...1866 годов, проводимые с воздушными змеями подтверждали эту гипотезу.
В Библиотеке Конгресса США хранится собственноручный рисунок ^ Лумиса, на котором изображена схема опыта и указана дистанция в 14 миль (около 22 км). Штриховыми линиями показан путь тока в земле и в атмосферном проводящем слое. Замыкание ключа на передающей -¿CVv ^ч^4 _ _ стороне вызывало отклонение стрелки гальванометра на приемной стороне. [3]
В 1868 году такие опыты £ были продемонстрированы Люмисом группе авторитетных и влиятельных лиц штата Западной Виржинии и нескольких ученых. Просьба Лумиса о предоставлении гранта на $ 50 000 для продолжения опытов, хотя и была принята голосованием в Конгрессе, благодаря поддержке сенатора Чарльза Самнера (англ. Charles Sumner; 1811 - 1874), в свое время поддержавшего Самюэля Морзе [4], но так и не была удовлетворена. В результате, все эксперименты Лумис проводил на собственные деньги, зарабатываемые медицинской практикой. Фирма Loomis Aerial Telegraph Company была зарегистрирована, но дохода не приносила.
Летом 1872 года патентное ведомство США получило следующую заявку Лумиса
United States Patent Office
MAHLON LOOMIS OF WASHINGTON, DISTRICT OF COLUMBIA. IMPROVEMENT IN TELEGRAPHING
Specification forming part of Letters Patent No. 129971, dated July 30, 1872.
на усовершенствование телеграфии. Основной акцент в патенте сделан на питание линии связи атмосферным электричеством. Здесь Лумис уже не настаивает на существовании проводящего слоя в атмосфере, а упоминает и о других явлениях, таких как: нарушение электрического равновесия, импульсах или пульсациях, возмущениях, происходящих над пунктами связи, или между ними. В других источниках он высказывается о волновой природе производимых им возмущений.
В письме Конгрессу Лумис объясняет работу своей установки так: «Вызывая электрические вибрации или волны, распространяющиеся по всему миру, как по поверхности спокойного озера одни волновые круги следуют за другими от точки возмущения к удаленным берегам, так и с любой определённой вершины горы на Земном шаре другой проводник может принимать эти вибрации, будучи присоединённым к индикатору...»
Лумис оценил и расходы на внедрение своей телеграфной установки величиной 6% стоимости прокладки подводного трансатлантического кабеля (эти работы как раз и проводились в те годы). Мечтой же его была связь через Тихий Океан, используя горы в Калифорнии и Японии. В 1870-е годы он установил постоянно действующую телеграфную линию связи между железнодорожной станцией и поселком на расстояние в 14 миль, используя уже не воздушные змеи, а деревянные башни с поднятыми над их вершинами металлическими штырями, построенные на холмах.
Так и не получив признания и поддержки, Мэлон Лумис закончил жизнь в бедности. Скончался он после тяжелой болезни 13 октября 1886 года в Терра Альта (Западная Виржиния), в доме старшего брата, также изобретателя, но более успешного предпринимателя.
В конце жизни Лумис написал: «Я не открыл новый мир, но я хотел вторгнуться туда. За свои попытки я заслужил только бедность, презрение, неприятие моих идей и полное забвение. Однако я верю, что в отдаленном будущем, когда мои открытия будут разработаны более полно, общество вспомнит того, кто в этом деле был тюнером. Документы Конгресса без сомнения подтвердят, что приоритет принадлежит мне». На обо-
чине шоссе, проходящего рядом с местом захоронения Мэлона Лумиса _ Ц HIт14 ' (англ. Loomis Grave) установлен памятный знак. Л «Что-то новое в мировой науке...» В 1875 году Томас Эдисон вплотную подошел к созданию электромагнитной беспроводной связи. Он заметил, что искра, возникающая в разряднике цепи, содержащей ин- □ ■ разрядный промежуток; дуктивность, передаётся без проводов, порождая аналогичную искру в гальванически развязанном переносном разряднике G - коробке с двумя заострёнными металлическими стержнями и изменяемым промежутком ^ между ними. Лабораторная установка Эдисона К Искорка между остриями стержней, возникающая при разряде индуктивности, наблюдалась на расстоянии до 30 м. Этими искрами можно было послать сообщения без проводов! Так как на излучение искр реагировала
только газосветная лампа, и оно не обнаруживалось гальванометром и даже химическими реакциями, он пришёл к выводу, что это связано с неизвестной физической силой, действующей между светом и теплом, с одной стороны, магнетизмом и электричеством - с другой. «A radiant force, somewhere between light and heat on the one hand and magnetism and electricity on the other; in short, something new to science», - отметил в записной книжке Эдисон и продолжил эксперименты.
14 мая 1885 года Эдисон подал заявку для получения патента на «передачу без проводов сигналов азбуки Морзе». В проспектах 1886 года Эдисон отмечал, что это изобретение, основанное на называемой им «электростатической индукции», имеет огромное значение для железных дорог (связи движущегося поезда со станциями), мореплавания и т. п. 23 мая 1886 года Эдисон подал заявку на беспроводной телеграф для связи с кораблями и между ними на море, который был защищён 29 декабря 1891 года патентом США № 465971. Изобретения Эдисона стали началом длинноволновому машинному радиотелеграфу, который применялся на дальних магистральных линиях связи вплоть до второй половины 1930-х годов, когда искровой телеграф окончательно утратил свое значение.
На береговых станциях предусматривалась установка вертикальной антенны А1 а на кораблях -Г-образной А2 или использование для подъема антенн воздушных шаров с металлизированной оболочкой. Источником для питания антенн служили генераторы в виде вращающихся многоконтактных прерывателей П с индукционными катушками ИК и аккумуляторами Е. Манипуляция колебаний генераторов осуществлялась нормально замкнутыми телеграфными ключами ТК. Радиограммы формировались в виде последовательностей манипули-рованных ТК тональных сигналов частоты прерываний тока в ИК, регистрировались и могли повторно воспроизводиться электромотографами Э.
Эдисон осуществил также беспроводную связь с движущимися поездами. Для этой цели использовались существующие проводные телефонные линии, идущие вдоль железной дороги, и сигналы от передатчика, установленного в вагоне, которые индуцировались в антенный провод, проложенный вдоль крыши этого вагона.
В 1891 году гениальный серб Никола Тесла [5] в ходе своих лекций публично описал принципы передачи сигналов на большие расстояния. Беспроводную передачу сообщений он впервые продемонстрировал в 1893 году на лекции в Сент-Луисе. Приемником служила катушка Теслы с ярко вспыхивавшей при наличии сигнала газоразрядной трубкой. Тесла запатентовал четыре резонансных // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 06. C. 164--184 167
контура, настроенных в резонанс на одну и ту же частоту по два на передающей и приемной сторонах. В том же году на Всемирной выставке в Чикаго, электроосвещением которой занимался Тесла, он демонстрировал многие достижения, в том числе и беспроводную связь.
Вот как об этом написал Александр Степанович Попов [6] в книге "Телеграфирование без проводов", тогда преподаватель Морского инженерного училища, посетивший эту выставку по заданию Морского ведомства, чтобы ".. .поднабраться там иностранного ума-разума": Никола Тесла (1856 - 1943)
«Тесла на станции отправления поднял на высокой мачте изолированный проводник, снабженный на верхнем конце некоторой емкостью в виде металлического листа; нижний конец этой проволоки соединялся с полюсом трансформатора высокого напряжения и большой частоты. Другой полюс трансформатора был присоединен к земле. Разряды трансформатора были слышны на станции приема в телефон, включенный в землю и высоко поднятый провод...».
В 1890 году французский ученый Эдуард Бранли (фр. Edouard Branly; 1844 - 1940) создал "радиокондуктор" - устройство, представляющее собой трубочку с металлическими опилками, сопротивление которых резко, в сотни раз, изменялось под воздействием высокочастотных колебаний. Н едостатком "радиокондуктора" (после последующих модификаций он получил название "когерер") являлась потеря чувствительности уже после первого облучения (см. Приложение).
Англичанин Оливер Лодж (англ. Sir Oliver Joseph Lodge) усовершенствовал "радиокондуктор" Брэнли, добавив к нему "тремблер" (англ. trembler), устройство с часовым механизмом, встряхиваю-
щее опилки через равные промежутки времени.
«
A.C. Попов (1859 - 1905) Oliver Lodge (1851-1940) Jagadish Bose (1858 - 1937) G. Marconi (1874 - 1937)
Когерер Лоджа, впервые продемонстрированный перед аудиторией Королевского института Велико-британии (англ. Royal Institution of Great Britain) в 1894 году, позволял принимать и записывать сигналы кода Морзе,
передаваемые радиоволнами. Это сделало его стандартным устройством для первых беспроводных телеграфных аппаратов. В 1894 году Лодж на страницах журнала «London Electrician» рассуждая о значении открытий Герца, описал свои эксперименты с электромагнитными волнами и влияние явления резонанса настройки.
В марте 1895 года А.С. Попов познакомился со статьей О. Лоджа в журнале London Electrician
и описанием его опытов по применению "радиокондуктора" Эдуарда Бранли. А.С. Попов сразу же стал повторять эти опыты в своем приемнике электромагнитных колебаний, который после модификаций "радиокондуктора" был продемонстрирован им 7 мая 1895 года на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества. Именно тогда появился на свет первый в мире приемник, пригодный для практической телеграфной связи с помощью радиоволн.
В 1896 году радиотелеграфную связь на расстоянии трех миль продемонстрировал в Калькутте индийский ученый Джагадиш Боше (англ. Jagadish Bose), изобретатель самого чувствительного тогда ртутного когерера. В 1899 году он повторил демонстрацию Лондоне в присутствии лорда Релея и Джона Флеминга (см. Приложение 2), тогда профессора Лондонского университета. На этой демонстрации был итальянец Гульельмо Маркони (ит. Guglielmo Marconi) [7], который в 1896 году появился в Англии с радиоприемником электромагнитных колебаний собственной конструкции. Он стал привлекать для решения задач многих талантливых инженеров того времени. К 1900 году только в Англии на Маркони работали 17 инженеров. Его консультантами были О. Лодж и Д. Флеминг. Немецкий след. В 1897 году последний германский император и король Пруссии Вильгельм II обратился к своему техническому советнику Адольфу Слаби (нем. Adolf Slaby; 1849-1913), ^ профессору Высшего технического училища в Берлине, с поручением доложить ему о новом виде связи - беспроволочной телеграфии. Из электротехнических журналов Слаби знал об опытах Маркони, и, чтобы дать обоснованный ответ на вопрос кайзера, он стал воспроизводить опыты по беспроволочной телеграфии. Его передатчик тоже содержал вибратор с искровым промежутком, аккумуляторную батарею и индукционную катушку, которые обеспечили дальность сигнализации сначала до 100 м.
Другом Слаби был Гисберт Капп (нем. Gisbert Kapp; 1852 - 1922) - известный инженер-электрик, переехавший в 1881 году из Германии в Англию. Он был знаком с Уильямом Присом (англ. William Preece; 1834 -1913), начальником британского Почтового ведомства, который разре-// Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 06. C. 164--184 169
шил Слаби присутствовать на одном из секретных опытов Маркони в Южном Уэльсе в мае 1897 года. Дальность связи над водой в опыте, который посчастливилось наблюдать Слаби, составляла 5 км.
Позже Маркони упрекал Приса в том, что тот не воспрепятствовал присутствию немецкого профессора на этом опыте, так как в лице Слаби он получил конкурента и не смог запатентовать свою систему беспроволочной телеграфии в Германии.
Новым для Слаби в опытах Маркони были большие приемная и передающая антенны с заземлением приемной и передающей аппаратуры. По возвращении в Берлин Слаби стал повторять опыты Маркони с антеннами длиной до 26 м. Вскоре стало известно, что для увеличения длины антенн Маркони использует воздушные шары. Вильгельм II приказал воздухоплавательному ведомству Германии оказывать Слаби помощь в проведении подобных опытов, благодаря чему в октябре 1897 года были проведены успешные эксперименты с аппаратурой и антеннами из медной проволоки длиной до 400 м.
Слаби и его ассистент Георг фон Арко (нем. Georg Wilhelm Alexander von Arco; 1869 - 1940) l¿,
впоследствии занявший в немецкой радиотехнике ведущую роль, получили не- ^.л:,,.:^-■■ ......■
сколько германских патентов, в том числе на применение "замкнутого контура" в передатчике и приемнике, обеспечивающего более высокую чувствительность и возможность настройки приемника на длину волны передатчика. Они изучали новое средство связи в электротехнической лаборатории Высшего технического училища в Берлине. Сюда в 1898 году был командирован для повышения квалификации талантливый выпускник ИМТУ, впервые в Москве читающий курс лекций по электротехнике Борис Иванович Угримов (1872 - 1941), будущий первый в Москве профессор электротехники. [8]
Однажды Слаби пригласил Угримова и попросил его собрать всю русскую литературу о работах А.С. Попова и перевести её на немецкий язык. Далее Угримов пишет: «Зная, что А.С. Попов преподаёт в Кронштадтских минных классах, я написал ему письмо с просьбой выслать всё, что опубликовано по его работам. В скором времени А.С. Попов выслал мне довольно толстую бандероль со своими докладами <...> Быстро я перевёл весь присланный материал на немецкий язык и представил его вместе с присланными брошюрами проф. Слаби».
Ознакомившись с представленными Угрюмовым материалами, Слаби сообщил ему, что состоит членом Германского патентного бюро, перед которым Маркони возбудил ходатайство о выдаче ему привилегии на беспроволочный телеграф. «Теперь же, - сказал Слаби, - ясно, что Маркони претендует на изобретение, сделанное до него, и патент не может быть ему выдан». «Эту приятную новость, - писал Угримов, - я сообщил в длинном письме А.С. Попову в Кронштадт, на что получил весьма тёплое ответное письмо с выражением признательности и благодарности за защиту русского изобретения на немецкой территории».
В письме Угримову Попов сообщил, что сбирается в Париж, но по дороге заедет в Берлин с целью ознакомления с немецкими достижениями в области беспроволочной телеграфии, которой к тому времени начали успешно заниматься в разных странах.
16 августа 1898 года Лодж получил патент № 609154, в котором предлагалось «использовать настраиваемую индукционную катушку или антенный контур в беспроводных передатчиках или приемниках, или в обоих устройствах». Этот патент имел большое значение в истории радио, поскольку в нем были изложены принципы настройки на нужную станцию.
В конце 1898 года Арко перешел на работу во "Всеобщую компанию электричества" AEG (нем. Allgemeine Elektricitatsgesellschaft). В 1900 году между компаниями "Сименс - Гальске" (нем. Siemens & Halske) и AEG, а также Слаби и Арко было заключено соглашение об использовании указанными фирмами патента Слаби и Арко. Но уже через год фирма "Сименс - Гальске" утратила интерес к этому патенту, выбрав систему беспроволочной телеграфии, разработанную выдающимся немецким физиком, профессором Страсбургского университета Карлом Брауном (нем. Karl Ferdinand Braun).
В 1899 году для изучения состояния дел в области беспроволочной телеграфии во Францию, Швейцарию и Германию был командирован А.С. Попов. Во время этой поездки он посетил Адольфа Слаби в Берлине, где ознакомился с его радиоаппаратурой, и Эжена Дюкрете в Париже, где проверил выполнение фирмой «Попов-Дюкрете» заказа на изготовление комплектов радиостанций для испытаний на Чёрном море. [6]
В 1900 году канадец Реджинальд Фессенден (англ. Reginald Fessenden) заключил контракт с Бюро погоды США о создании сети радиостанций вдоль восточного побережья Атлантики для пере-
дачи сводок и прогнозов. При его реализации Фессенден в первую очередь занялся усовершенствованием телефонной трубки, приемника и отказался от когереров на металлических опилках. Среди его изобретений того времени есть бареттерный и электролитический детекторы, пригодные для демодуляции амплитудно-модулированных высокочастотных колебаний. В те же годы Фессенден разрабатывал гетеродинный способ приема, при котором выделяются звуковые биения между ВЧ колебаниями близких частот. [9]
На Всемирной выставке в Париже в 1900 году А.С. Попова и серийную радиостанцию "Попов-Дюкрете" отметили ^ Большой золотой медалью. Эти аппараты выпускались в Париже до 1906 года,
низовала "Отделение беспроволочной телеграфии по системе профессора Попова".
В июле 1901 года в Берлине для использования изобретений Брауна было создано "ООО Беспроволочной телеграфии системы проф. Брауна и "Сименс - Гальске" (нем. Gesellschaft fur drahtlose Telegraphie System Prof. Braun u. Siemens & Halske GmbH), сокращенно "Браун -Сименс".
12 декабря 1901 года телеграфное сообщение (три точки в коде Морзе), переданное Брауном из Poldhu (Англия) достигло канадского острова Нью-Фаундленд, находящегося за пределами прямой видимости, где было принято Маркони. Ртутный когерер, который запатентовал и использовал при этом Маркони, был точной копией когерера Бозе. Работая с Маркони, Браун усовершенствовал схему радиопередатчика, изобрел несколько типов антенн, обнаружил одностороннюю проводимость ряда кристаллов и создал первый детектор (1906). Важными изобретениями, использованными в последующих приемниках Маркони, были система настройки, созданная О. Лоджем, и ламповый детектор Д. Флеминга. В 1909 году Браун и Маркони стали лауреатами Нобелевской премии за развитие беспроводной телеграфии.
в том числе и для русского Военно-Морского флота. В
1901 году приступила к выпуску аппаратуры кронштадт-
ская радиомастерская, организованная А.С. Поповым в
1900 году. В 1904 году петербургская фирма "Сименс и
Гальске" на паях с немецкой фирмой "Телефункен" орга-
Маркони, Слаби и Арко заимствовали некоторые технические решения у Брауна. Так, Маркони использовал схему его передатчика, проигнорировав патентные права немецкого ученого, а "замкнутый контур" Слаби-Арко превратился у них в резонансный контур, как у Брауна. В Германии с аппаратами Маркони конкурировали разработки корпорации «Телефункен».
«Эффект Эдисона» - такое название получило обнаруженное им в 1893 году явление испускания электронов нитью накала. На его основе Д. Флемингом реализован диод, а в 1906 году американцем Ли де Форестом была запатентована первая в мире усилительная лампа - "Аудион". [10]
Джон Амброз Флеминг (англ. Sir John Ambrose Fleming; 1849 - 1945) - Английский учёный в области радиотехники и электротехники, член Лондонского королевского общества, в 1904 году изобрёл первую в мире электронную лампу с термокатодом, названную кенотроном или диодом. Диоды Флеминга использовались в радиоприёмниках и радарах в течение многих лет, и только через 50 с лишним лет они были заменены твердотельными приборами. Флеминг внёс также вклад в области фотометрии, электроники и электрических измерений. В 1910 году он был награждён Королевским обществом Медалью изобретателя Хьюза (англ. Hughes), в 1929 - получил титул сэра, а 1933 был удостоен Медали IRE за "заметнуюроль в деле внедрения физических и инженерных принципов в радиотехнике".
Ли де Форест (англ. Lee de Forest) появился на арене беспроволочного телеграфа, когда компании Маркони, Фессендена и «Телефункен» уже занимали там прочное положение, защищенное многочисленными патентами. Пытаясь их обойти, де Форест до 1906 года получил 34 патента, в том числе на усовершенствование когерера О. Лоджа. В конце 1902 года военно-морской флот США завершил тестирование трех систем беспроводной телеграфной связи, по результатам которого система Ли де Фореста была признана лучшей по сравнению с системами Маркони и Фессендена. Ли де Форест стал главной фигурой в радиотелеграфном бизнесе, продавая свои системы флоту и войскам
связи США, а также каналам связи для прессы.
«Поющая дуга». В конце XIX века многих заинтересовала передача через эфир не только "морзянки", но и человеческого голоса. Исследования по радиотелефонии во многих странах показали, что для хорошего качества передачи речи и музыки необходимы незатухающие колебания, тогда как искровые передатчики давали только затухающие колебания. Для получения незатухающих колебаний сначала использовали электрическую дугу, открытую в 1802 году русским физиком В.В. Петровым (1761 - 1834). Его исследования положили начало работам по применению электрической дуги, в частности для освещения. Однако у электродугового освещения были недостатки. Например, вызывал раздражение постоянный свистящий звук, издаваемый ими при горении. Дуговой источник света привлек к себе внимание ученых разных стран, и их исследования привели к ряду открытий.
Так, немецкий физик Герман Симон (нем. Hermann Simon; 1870-1918) во время экспериментов в 1897 году обнаружил влияние окружающего электрическую дугу электроакустического поля на протекающий через нее ток. Он использовал дугу как микрофон, включив в цепь ее питания телефон. Звуковые волны изменяли ток в дуге, и в телефоне возникал звук. Эксперименты также показали, что модуляция электрической дуги приводит не только к появлению звука, но и к модуляции светового излучения дуги. Это явление было использовано для световой телефонной связи между немецкими кораблями: модулированный луч дугового прожектора направлялся на фоточувствительную пластинку, к которой присоединялась электрическая цепь, состоящая из источника питания, дросселя, конденсатора, и телефона. [11]
В 1899 году звучанием дуговых ламп (ДЛ), занялся английский инженер Вильям Дуддель (англ. William Duddell; 1869 - 1942). Во время экспериментов обнаружилось, что частота и уровень шума, издаваемые дуговой лампой, зависят от величины напряжения питания. Это навело его на мысль присоединить к дуговым лампам специальную клавиатуру и создать один из первых электромузыкальных инструментов, воспроизводящих звуки без использования для этого каких-либо иных устройств. Тогда же В. Дуддель продемонстрировал свой необычный музыкальный инструмент в Лондонском институте инженеров-электриков. Слушавшие его коллеги пришли к выводу, что дуговые лампы на других зданиях города тоже могут "играть" от изменения напряжения, а осветительная сеть
улиц города может быть превращена в большой электронный оркестр. Автор необычного музыкального инструмента обрел известность, но не получил никаких дивидендов за свое изобретение. Только через десять лет возможности «поющей дуги» нашли применение: американец Тадеус Кахилл (англ. Thaddeus Cahill, 1867-1934) продемонстрировал электродуговой музыкальный инструмент - телгар-мониум (англ. Telharmonium). Весил он 200 тонн, большую часть которых составляли 145 питающих инструмент динамо-машин.
В 1900 году В. Дуддель присоединил к угольным электродам дуговой лампы последовательный колебательный ZC-контур и сделал главное открытие: он обнаружил, что дуга издает звуки с частотой, зависящей от элементов колебательного контура. В результате В. Дуддель не только нашел способ управления тоном звучания электрической дуги, но и сконструировал на ней генератор незатухающих колебаний звуковых частот, питающийся от источника напряжения 42 В (динамо-машины) при потребляемом токе 3,5 А. Это стало возможным, так как дифференциальное сопротивление на рабочем участке вольт-амперной характеристики ДЛ отрицательно. Исследования Вильяма Дудделя указали пути использования электрической дуги в создании радиочастотного генератора электромагнитных волн.
Через два года датчанин Вальдемар Паульсен (дат. Valdemar Poulsen), изобретатель первого в мире магнитофона на проволочном носителе (1898), разработал мощный генератор незатухающих колебаний на дуговой лампе. Во время исследований он обнаружил, что частота колебаний увеличивается, если дуга находится в парах спиртовки. Эксперименты в газовых средах позволили выделить те из них, с которыми частота электромагнитных колебаний повышается. Такими оказались пары углеводородов, в атмосфере которых частота колебаний дугового генератора достигала 500 кГц. [12]
В 1902 году В. Паульсен запатентовал в Дании конструкцию дугового генератора с разрядом в газовой среде, а затем еще в 13 странах мира, но электрическая схема запатентованного генератора мало отличалась от схемы В. Дудделя. В ходе дальнейших исследований дуговых генераторов было установлено, что частота и мощность такого передатчика существенно зависит от соотношения токов питания дуги и в колебательном контуре.
а) В. Дудделя ф б) В. Паульсена (патент № 15 599) ф
Схемы дуговых генераторов незатухающих колебаний:
Valdemar Poulsen (1869-1942)
Предпочтение было отдано режиму работы с амплитудой колебательного тока, превышающей величину питающего дугу постоянного тока. При этом дуга проявляла одностороннюю проводимость, т. е зажигалась только при определенной полярности напряжения, и ток через нее протекал лишь в одном направлении. Положительный стержень (анод) дуги был выполнен в виде медного цилиндра и внутри охлаждался проточной водой, что обеспечило теплоотвод и повысило стабильность дугового разряда. В качестве отрицательного электрода (катода) использовался угольный стержень, непрерывно вращающийся вокруг своей оси особым приводом. В результате угольные электроды обгорали равномерно, а горение дуги стало более устойчивым. Кроме того, введение с помощью электромагнитов (Эм) поперечного магнитного поля, пропорционального потребляемому току, способствовало деионизации разрядного промежутка дуги, повышению напряжения ее зажигания и, следовательно, мощности генерируемых колебаний.
Вальдемар Паульсен запатентовал дуговой генератор радиочастотных незатухающих колебаний, использующий углеводородную разрядную среду и магнитное поле, и 14.07.1903 получил на него Британский патент № 15 599.
В 1904 году на берегу озера Багсваер (дат. Bagsvaerd, 15 км от Копенгагена) была построена радиостанция Lyngby Radio, для проведения экспериментов с дуговыми генераторами. Паульсен и его партнер Педерсен (дат. Pedersen) установили связь между этой радиостанцией и лабораторией в Копенгагене. Менее чем через два года, они осуществили радиотелефонную связь между Lyngby и радиостанцией в Эсбьерге (дат. Esbjerg), находящейся на расстоянии около 270 км. [13]
В 1903 году В. Паульсен предложил последовательное соединение электрических дуг, так называемые генераторы с многократной дугой. Подобный генератор, состоящий из шести соединенных
последовательно дуговых генераторов, реализовала в 1906 году компания Те1еШпкеп для системы радиосвязи дальностью 25 миль. Появилось много усовершенствований по конструкции, удешевлению и облегчению обслуживания, а также аналогичных разработок в других странах.
Уже первые генераторы Паульсена работали на частотах до нескольких мегагерц с мощностью до 1 кВт. В дальнейшем были достигнуты более высокие мощности генераторов этого типа, и они получили широкое применение на радиостанциях в начале XX века.
Дуговой генератор Паульсена мощностью 1000 кВт для радиостанции Lafayette (1920)
Микрофон. При работе телеграфом дуговые генераторы удовлетворяли требованиям, но при экспериментах с передачей звука разработчики сталкивались с проблемой выбора микрофона. Для передачи голоса в дуговых системах Паульсена требовался микрофон, способный пропускать большой ток. Наиболее подходящим в то время был угольный микрофон с водяным охлаждением.
В 1906 году итальянский профессор Куирино Мажорана (ит. Quirino Majorana) предложил применять в дуговом передатчике изобретенный им гидравлический микрофон. Принцип работы микрофона Мажорана был основан на том, что вода, становящаяся проводником тока при добавлении кислоты или соли, способна изменять свою проводимость. Диафрагма его микрофона, воздействуя через подвижную стенку на протекающую струю воды, изменяла ее сечение, из-за чего изменялось сопротивление цепи и, следовательно, ток, протекающий через разрядный промежуток дуги. В результате получалась модуляция высокочастотных колебаний дугового генератора низкочастотными сигналами гидравлического микрофона. Кроме того, вода могла использоваться для отвода тепла. Профессору Мажорана удалось передать радиотелефонное сообщение со своим микрофоном и дуговым передатчиком на расстояние более 400 км. Недостатками такого микрофона были его гро-
моздкость (длина модулируемой водяной струи составляла от 2 до 5 м) и большая чувствительность к посторонним механическим воздействиям. [11]
"Альтернаторная" альтернатива. Тем временем Фессендену удалось "посадить", как он говорил, низкочастотные сигналы на высокочастотного "извозчика" и "высаживать" их в приемнике. В рождественский вечер 1906 года его радиостанция «Bravo Ocean» провела первую в мире радиовещательную передачу речевого и музыкального сигналов, воспользовавшись электромашинным генератором напряжения частотой 50 кГц. Его конструктор, швед Эрнст Александерсон (Ernst Alexanderson), назвал этот генератор «Альтернатором», а изготовила его компания General Electric (GE), в которой он тогда работал. [9]
Маркони, посетивший GE в 1915 году, оценил преимущества альтернаторов Александерсона и выразил желание купить исключительное право их продажи на мировом рынке. Но президент США Вильсон обратился к руководству GE с просьбой не продавать права, из опасений доминирования Англии в области беспроводной связи.
В ответ "для противодействия иностранному монополизму" была также создана корпорация Radio Corporation of America (RCA). Ее задачей, в частности, был маркетинг альтернаторов. Главным инженером RCA был назначен Александерсон. Швеция купила альтернаторы для радиостанции в Гриметоне (шв. Grimeton) на своем Западном побережье. была торжественно открыта королем Швеции Густавом V в 1925 году, который в день открытия станции направил телеграмму президенту США Кулиджу. На торжестве были вице-президент RCA Сарнов и главный инженер Алексан-дерсон. В настоящее время она - единственная в мире действующая радиостанция с альтернаторами.
Один из первых отечественных исследователей, который проводил работы по применению дуговых генераторов колебаний, был Семен Моисеевич Айзенштейн (1884 - 1962). [13] В 1904 году им был получен патент на «Способ увеличения интенсивности электрических колебаний, которые соз-
даются методом Дудделя». В это же время ученый проводит испытания полевых радиостанций большой мощности, созданных по системе Паульсена. С результатами научных исследований С.М. Айзенштейна были ознакомлены участники IV Всероссийского электротехнического съезда, проходившего в Киеве с 25 апреля по 4 мая 1907 года, на котором он выступил с докладом. На следующий год было закончено строительство самых мощных тогда в России дуговых радиостанций в Киеве и Жмеринке, что позволило установить радиосвязь Жмеринка-Одесса-Севастополь. В 1910 году С.М. Айзенштейном была построена мощная дуговая радиостанция вместо искровой станции «Сигнальная мачта», работавшей в Севастополе с 1904 года.
Летом 1918 года все крупные армейские радиостанции России были переданы из военного ведомства в Народный комиссариат почт и телеграфов (Наркомпочтель). Через полгода состоялось совещание представителей науки и специалистов по радиотехнике при Высшем радиотехническом совете по устройству радиосети Советской республики. Одним из результатов работы совещания было включение в план работы Нижегородской радиолаборатории (НРЛ) исследований о целесообразности использования на радиостанциях дуговых генераторов. [13]
Возглавил эти работы сотрудник НРЛ, однокурсник М.А. Бонч-Бруевича, Петр Алексеевич Остряков (1887 - 1962). Экспериментальные исследования о возможности модуляции при передаче человеческой речи производились с января по май 1919 года в диапазоне волн 1000...2000 м на иностранном дуговом передатчике. 27 февраля 1919 года в эфире из стен НРЛ прозвучало сообщение: «Алло! Алло! Говорит Нижегородская радиолаборатория. Раз, два, три. Как слышно?». Это была проба работы дугового радиотелефонного передатчика в схеме испытаний, разработанной НРЛ. Сообщение было принято в Москве, но неудовлетворительного качества. По результатам испытаний был сделан вывод о нецелесообразности применения электрической дуги для радиовещания. Материалы этих исследований были опубликованы в статье в журнале «ТиТбп» (Телеграфия и телефония без проводов) №6/1919.
До начала 20-х годов XX века дуговые радиостанции широко использовались в разных странах. Дуговые генераторы мощностью от единиц до тысячи кВт были первыми технически пригодными средствами получения незатухающих колебаний, но при этом не могли удовлетворять возрастающие
потребности в беспроводной связи: работали неустойчиво, были капризны в настройке и обслуживании. Научные исследования и многочисленные эксперименты показали, что электрические генераторы высокой частоты тогда были лучшим средством получения незатухающих колебаний.
Пионером создания отечественных мощных высокочастотных электромашинных генераторов был В.П. Вологдин. Он был одним из научных руководителей Центральной радиолаборатории страны (ЦРЛ), организованной в 1924 году в Ленинграде, куда были переведены радиолаборатория Треста заводов слабого тока из Москвы и НРЛ [13]. Созданный им самый мощный электромашинный передатчик мощностью 150 кВт был последним, использованным для целей радиосвязи. Он был установлен в Москве на Октябрьской (бывшей Ходынской) радиостанции, где многие годы надежно обеспечивал радиосвязь Советской России со странами Западной Европы и США.
В.П. Вологдин и сотрудники НРЛ у деталей высокочастотного электромашинного генератора
Валентин Петрович Вологдин - выдающийся ученый в области высокочастотной техники, профессор (1921), член-корреспондент АН СССР (1939), заслуженный деятель науки и техники (1942). После окончания С.-Петербургского технологического института (1907) работал на «Электромеханическом заводе Н. Глебова и К°» инженером-конструктором электрических машин. Первая высокочастотная их них мощностью 2 кВт была им разработана в 1912 году, поставлялась для флотских радиостанций и генерировала несущую частоту 60 кГц.
В.П. Вологдин был одним из научных руководителей Нижегородской радиолаборатории (НРЛ), где продолжал работы по созданию мощного генератора незатухающих колебаний. В 1922 году такой генератор мощностью 50 кВт был построен для Октябрьской радиостанции в Москве и обеспечил в 1925 году первую прямую радиотелефонную связь с США.
В.П. Вологдин известен также как разработчик высоковольтных ртутных выпрямителей для питания радиотелефонных передатчиков, и создатель новых направлений в области высокочастотных индукционных печей и поверхностной закалки металлов.
Награжден Орденом Ленина, Золотой медалью А.С. Попова №1 (1948) и Сталинскими премиями второй степени (1943 и 1952).
Детектирование. Система связи Паульсена с дуговым генератором имела радиоприемник, отли-
чающийся от приемных радиоустройств в искровых системах. Телеграфный радиосигнал точка или тире при незатухающих колебаниях состоял из серий непрерывных колебаний разной продолжительности при постоянной амплитуде. Каждая такая серия после выпрямления в детекторе превращалась в импульс постоянного тока, который притягивал мембрану телефона, и удерживал ее в таком состоянии во время прохода точки или тире. Мембрана телефона при таком типе сигнала не способна была колебаться, а значит, не возникало и отрывистых звуковых сигналов азбуки Морзе, понятных радистам-слухачам.
Для детектирования радиосигналов от передатчиков незатухающих колебаний применялся синхронный прерыватель тока, так называемый "тиккер". Первым предложил использовать такой прерыватель в радиоприемнике Никола Тесла в своем Британском патенте, заявленном в ноябре 1901 года. На практике тиккер стал применяться с 1906 года в системах связи В. Паульсена.
Louis Austin (1867 - 1932)
Изобретателем тиккера считается американский физик Луи Остин (англ. Louis Austin), известный своими исследованиями радиосвязи на дальние расстояния, чем он занимался с начала ХХ века. В 1910 году Остин установил радиосвязь между судами, плывущими у берегов Соединенных Штатов и Либерии.
В самом начале I мировой войны немцы тайно перевели радиостанции своего флота на работу незатухающими колебаниями. Детекторные приемники, имевшиеся в русской армии, обеспечивали прием радиотелеграфных сигналов на слух только в том случае, если работа велась искровыми передатчиками. Радисты тщетно пытались поймать сигналы немецкий радиостанций, противник пропал в эфире, и вместе с этим была потеряна возможность обнаружить его местонахождение.
Эту тайну разгадал Михаил Васильевич Шулейкин [13], тогда сотрудник лаборатории Санкт-Петербургского Радиотелеграфного завода Морского ведомства, а впоследствии - профессор МВТУ и академик АН СССР (1939). Он доказал, что флотские радиостанции немцев модулируют незатухающие колебания и разработал конструкцию тиккера к
приемнику, что позволило понимать сигналы немецких радиостанций.
М.В. Шулейкин (1884 - 1939)
Приложение
Эдуард Юджин Десаир Бранли (1844-1940) Эдуард Бранли (фр. Edouard Eugène Désiré Branly) - французский изобретатель, физик и инженер; один из изобретателей радио, родился 23 октября 1844 года в Амьене (фр. Amiens) на севере Франции. Окончил Высшую нормальную школу (1868). С 1873 года доктор философии, с 1882 - доктор медицины. С 1875 по 1897 профессор физики, c 1897 по 1916 год - профессор медицины в Католическом университете (Париж). С 1911 года член Французской академии наук.
Имя Эдуарда Бранли не очень известно в мире, но многими он считается одним из внесших важнейший вклад в создание радиотелеграфной связи. Эдуард Бранли проводил многочисленные эксперименты в области электротехники, а с 1890 года стал исследовать возможности применения электричества в терапии. По утрам он направлялся в парижские больницы, где проводил лечебные процедуры электрическим и индукционным токами, а днем в своей физической лаборатории исследовал поведение металлических проводников и гальва-
нометров при воздействии электрических зарядов.
Главным изобретением Бранли К был радиокондуктор ф (фр. Ьв га^осопёи^виг) - прибор для регистрации электромагнитных волн. Это была «стеклянная трубка, свободно заполненная металлическими опилками» или «трубка Бранли». Этот прибор принес Бранли международную известность и после последующих
модификаций получил название "когерер". Он представлял собой стеклянную трубку, наполненную металлическими опилками, которые могли в сотни раз изменять свою проводимость под воздействием радиосигнала. Для приведения «трубки Бранли» в состояние, готовое к детектированию поступления новой волны, нужно было ее встряхнуть, чтобы нарушить контакт между опилками. Реакция "трубки Бранли" на искру наблюдалась в пределах помещения его лаборатории (до 20 м). Когерер Бранли использовался в приёмниках Лоджа, Попова и Маркони.
Список литературы
1. В.П. Самохин, Е.А. Тихомирова. Генрих Рудольф Герц (160-летие со дня рождения) // technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2017, вып. 5. Режим доступа: URL http://dx.doi.org/10.7463/0517.0001233 (дата обращения 15.06.2017).
2. В.П. Самохин Памяти Томаса А. Эдисона //technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2017, вып. 1. Режим доступа: URL http://technomag.bmstu.ru/doc/282286.html (дата обращения 15.06.2017).
3. В.Т. Поляков. Первый радиолюбитель// Издание Российского Клуба RU-QPR радиооператоров малой мощности, №50, 2015, стр. 4-9. Режим доступа: URL http://qrp.ru/cqqrp-magazine/1116-cq-qrp-5 (дата обращения 15.06.2017).
4. В.П. Самохин. Памяти Самуэля Морзе (1791 - 1872) // technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2012, вып. 6. Режим доступа: URL http://technomag.bmstu.ru/doc/419300.html (дата обращения 15.06.2017).
5. В.П. Самохин. Памяти Николы Теслы //technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2013, вып. 1. Режим доступа: URL http://technomag.bmstu.ru/doc/533355.html (дата обращения 15.06.2017).
6. В.П. Самохин, Е.А. Тихомирова. Александр Попов (1859 - 1905) //technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2015, вып. 5. Режим доступа: URL http://dx.doi.org/10.7463/0515.0778161 (дата обращения 15.06.2017).
7. В.П. Самохин Памяти Гульельмо Маркони //technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2012, вып. 7. Режим доступа: URL http://technomag.bmstu.ru/doc/428496.html (дата обращения 15.06.2017).
8. И.Б. Федоров. Российская академия наук и инженерное образование в России// Доклад на совместном заседании Президиума РАН и Ученого Совета МГТУ, посвященном 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 15 ноября 2005 года. Режим доступа; URL
http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=90e83648-2e6b-4740-9f2d-da341742cd55&print=1 (дата обращения 15.06.2017).
9. В.П. Самохин Памяти Реджинальда Фессендена //technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2012, вып. 8. Режим доступа: URL http://technomag.bmstu.ru/doc/441974.html (дата обращения 15.06.2017).
10. В.П. Самохин, К.В. Мещеринова, П.Д. Швечиков. Памяти Ли де Фореста (1873 - 1961) // technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2013, вып. 8. Режим доступа: URL http://technomag.bmstu.ru/doc/609941.html (дата обращения 15.06.2017).
11. В.А. Туренко Электродуговая веха истории радиопередатчиков // Режим доступа:. URL http://www.valeriji.turenko.nm.ru/elektrodugovay%20vexa%20istorii%20radioperedachi.html
12. Valdemar Poulsen// Electrical Engineering, Biographies. The Columbia Electronic Encyclopedia. Режим доступа: URL http://web. archive.org/web/20091027123228/
http://geocities.com/neveyaakov/electro science/poulsen.html (дата обращения 15.06.2017).
13. В.П. Самохин. Михаил Александрович Бонч-Бруевич (1888 - 1940) //technomag.edu.ru: Наука и образование: электронное научно-техническое издание, 2013, вып. 2. Режим доступа: URL http://www.technomag.bmstu.ru/doc/547852.html (дата обращения 15.06.2017).
