Приключения радиолуча - Валерий Родиков

В своих воспоминаниях он писал: «Особенно приводили меня в изумление все большие расстояния, вплоть до которых я мог обнаружить действие. До тех пор привыкли считать, что электрические силы убывают по закону Ньютона и, следовательно, с увеличением расстояния быстро становятся незаметно малыми».

Добавка в виде тока смещения, введенная Максвеллом в уравнение Ампера, привела к тому, что в решении максвелловых уравнений, помимо членов, убывающих как обратный квадрат расстояния, то есть по известному нам со школы закону Кулона, к счастью, содержится еще один член, названный волновым. Он описывает часть поля, которая спадает гораздо медленнее, чем обратный квадрат расстояния, а именно как величина обратная расстоянию в первой степени.

Читатель может спросить: почему к счастью? Да потому, что этому подарку природы, предсказанному Максвеллом, и обязана своим рождением вся нынешняя радиотехника.

Кажется чудом, что человек, говорящий во Владивостоке, с помощью каких-то электрических воздействий может быть услышан через многие тысячи километров, например, в Бресте. И все благодаря тому, что электромагнитное поле спадает обратно пропорционально не квадрату, а лишь первой степени расстояния.

Мы уже говорили о том, как «отрываются» электромагнитные волны от рождающих их колебаний тока в вибраторе. Не сразу рвется «пуповина», поначалу связывающая волну с вибратором. На расстоянии, равном примерно длине волны, электромагнитное поле еще не разорвало своих связей с породившими его зарядами и токами. Это пока поле индукции. Сильны еще электрические силы, подчиняющиеся закону Кулона. Лишь на расстоянии нескольких длин волн силы индукции практически исчезают и начинает главенствовать поле бегущей волны — поле излучения.

Герц много экспериментировал с электромагнитными волнами. Он убедился, что они, как и свет, распространялись прямолинейно. Металлический экран не пропускал их, зато изолятор (как, например, закрытая дверь) не был помехой.

А будут ли новые волны преломляться подобно световым лучам в призме? Чтобы ответить на этот вопрос, Герц сооружает почти двухтонную призму из твердого битума. И призма действительно преломляет волны. Он даже определил коэффициент преломления, который оказался близким к 1,7.

Казалось бы, простые эксперименты, а сколько в них научных идей, породивших спустя десятилетия целые научно-технические направления. Герц придумал, как сконцентрировать электромагнитные волны. Он разместил свой вибратор в фокусе вогнутого зеркала, изготовленного из цинкового листа в виде параболического цилиндра. Вот вам и прообраз зеркальных антенн, чаши которых сегодня «рассыпаны» по нашей планете.

С помощью двух таких антенн, одна из которых была подсоединена к индукционной катушке, а в фокусе другой находился резонатор, Герц передавал и принимал электромагнитные волны на расстоянии 16 метров. Такой была первая «система» радиосвязи.

А вот другой опыт, в котором прослеживается принцип радиолокации — отражение радиоволн от препятствия. Герц установил рядом передающую и приемную антенны и направил их в одну точку. Там он поместил металлический лист. Электромагнитные волны отражались от листа и принимались приемной антенной. В разрыве приемной рамки проскакивала искра. Стоило убрать металлический лист — и искра пропадала.

Герц провел опыты с поляризацией. Он развернул одну из антенн на 90 градусов, и прием прекратился, сколь близко он ни приближал антенны. Объяснение простое. Горизонтальный вибратор излучал волны с горизонтальной поляризацией и, если приемную рамку поставить вертикально, то горизонтальный вектор напряженности электрического поля не сможет навести в ней электрические заряды.

И еще одно интересное наблюдение сделал ученый. Он заметил, что в некоторых экспериментах искровой разряд в зазоре приемника возникал лишь тогда, когда он освещался светом от искры передатчика. Теперь-то мы знаем, что свет искры содержит ультрафиолетовое излучение. Именно оно способствовало высвобождению электронов из шариков разрядника, тем самым облегчая появление искры в резонаторе. Данное явление называют фотоэлектрическим эффектом. Его часто приводят в качестве подтверждения корпускулярной природы света.

Работал Герц неистово. Не многим дано испытать радость столь продуктивного труда и получить так много результатов, по существу, в одном эксперименте.

В декабре 1888 года вышла его работа «О лучах электрической силы», в которой были изложены результаты его исследований. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн и экспериментального подтверждения теории Максвелла.

Напряженная работа, хотя и доставлявшая ему радость, подорвала его и без того слабое здоровье. Сначала отказали глаза — следствие долгого высматривания в полной темноте едва видимых искр. Затем заболели уши, зубы, нос, и наступило общее заражение крови, от которого он умер на пороге нового, 1893 года в возрасте всего лишь 37 лет.

За несколько недель до смерти он писал своей матери: «Если со мной действительно что-то случится, вы не должны огорчаться, но должны мной гордиться и думать, что я принадлежу к тем особо избранным людям, которые жили хотя и не долго, но вместе с тем жили достаточно. Эту судьбу я не выбирал, но я доволен ей и если бы мне предоставили выбор, я, может быть, сам избрал ее».

Вероятно, Герц и не предполагал, сколь триумфальной будет судьба его открытия. Бытует даже мнение, правда, не всеми разделяемое, что он не верил в будущность своего открытия. Как бы там ни было, его труд пробудил всеобщий интерес к идее беспроволочной связи.

ПОПОВ И МАРКОНИ 

ВОДА И ЗЕМЛЯ… ВМЕСТО ПРОВОДОВ

И до открытия радиоволн думали об использовании электрических и магнитных явлений для беспроводной связи. «Быстрота, с которой распространяется свет, электричество и магнетизм представлялись всегда как средства, чтобы передавать известия, которые бы требовалось сообщить с возможной поспешностью», — писал в начале XIX столетия русский ученый и дипломат Павел Львович Шиллинг — изобретатель первого практически пригодного электромагнитного телеграфа. Уже в 1835 году телеграфные аппараты Шиллинга были установлены в кабинете Николая I в Зимнем дворце и на квартирах царских приближенных.

Шиллинг же первым в мире применил электрокодовые сигналы. Изобрести их ему помог опыт работы в области шифрования и тайнописи в период дипломатической службы. Даже с современных позиций его коды выглядят довольно эффективными. «Я нашел средство, — писал Шиллинг, — двумя знаками выразить все возможные речи». Нетрудно увидеть в этом предложении двоичную систему счисления, столь широко ныне используемую в ЭВМ, технике связи и обработке сигналов.

По-видимому, один из самых ранних опытов по установлению беспроволочной связи провел американец Самуэль Морзе, имя которого известно всем нам по азбуке Морзе. Кстати, он был талантливым живописцем. За свою первую картину «Умирающий Геркулес», выставленную в 1813 году в Англии, его наградили золотой медалью. Среди молодых американских художников он стал признанным лидером и одно время даже был профессором изобразительного искусства в Национальной академии художеств в Нью-Йоркском университете.

И вдруг совершенно неожиданный поворот: он бросает живопись ради изобретательских занятий. Ему не везло, приходилось голодать, и только к концу жизни к нему пришли слава и богатство (денежные отчисления за использование патента на телеграфный аппарат его конструкции).

Но вернемся к его опытам по беспроволочной связи, которые он провел в 1842 году на Морском канале близ Вашингтона.

С обоих берегов канала на достаточное расстояние в воду были спущены большие металлические пластины, соединенные на одном берегу с батареей и телеграфным ключом, а на другом — с чувствительным гальванометром. Когда на одном берегу замыкали ключ, стрелка гальванометра на другом берегу отклонялась. Дальность связи такой «водяной» линии достигла 1600 метров.

Опыты Морзе заинтересовали англичанина Ландсея. Он ввел некоторые усовершенствования, в частности, электрическую батарею на приемном конце. В 1854 году Ландсей взял, пожалуй, первый в мире патент па «беспроволочный телеграф». В патентной заявке было указано, что ряд его приборов, размещенных один относительно другого на расстоянии 20 миль, сможет связать беспроводной связью Американский и Европейский континенты.

Однако эту связь в опытах Морзе и Ландсея строго нельзя назвать «беспроводной». Проводник все-таки наличествовал. Им была соленая морская вода. И хотя идея «водяной» связи увлекала и других изобретателей, но практического применения она так и не нашла.

Вспомнили о ней в 1870 году во время осады Парижа пруссаками. Город оказался блокированным. И вот, чтобы установить связь между штабом защитников города и предместьем Сен-Дени, два французских физика, Бурбуз и д'Альмеида, решили использовать в качестве проводов не воду, а землю. Ведь почва, как и соленая вода, тоже обладает электропроводностью.