Рис. 4 - Радиоприёмник А.С.Попова

Что принципиально новое, доселе неизвестное можно встретить в конструкции радиоприемника Попова? Удивительно, но... ничего! Гениальность изобретения заключается в другом: А.С. Попов создал на основе существовавшей в то время, как бы мы сказали сейчас, «элементной базы», принципиально новое техническое устройство (рис. 5).

Рис. 5 - Устройство А.С. Попова

Сохранилось описание первого радиоприемника, составленное самим Поповым и опубликованное им в «Журнале русского физико-химического общества». Это описание интересно не столько тем, что сделано собственноручно Поповым, но главным образом позволяет прочувствовать стиль технического описания принципиальных электрических схем того времени (рис. 6).

«Трубка с опилками (когерер) подвешена между зажимами M и N на лёгкой часовой пружине, которая для большей эластичности согнута со стороны одного из зажимов зигзагом. Над трубкой расположен звонок так, чтобы при своём действии он мог давать удары молоточком посредине трубки, защищённой от разбивания резиновым кольцом. Удобнее всего трубку и звонок укрепить на общей вертикальной дощечке. Реле может быть помещено как угодно.

Рис. 6 - Схема устройства

Действует прибор следующим образом.

Ток батареи напряжением 4-5 В постоянно циркулирует от зажима Р к платиновой пластинке А, далее через порошок, содержащийся в трубке, к другой пластинке В и по обмотке электромагнитного реле обратно к батарее. Сила этого тока недостаточна для притягивания якоря к реле, но если трубка АВ подвергнется действию электрического колебания, то сопротивление мгновенно уменьшится и ток увеличится настолько, что якорь реле притянется. В этот момент цепь, идущая от батареи к звонку, прерванная в очке С, замкнётся и звонок начнет действовать, но тотчас же сотрясение трубки опять уменьшит ее проводимость и реле разомкнет цепь звонка.

В моем приборе сопротивление опилок после сильного встряхивания бывает 100000 Ом, а реле, имея сопротивление около 250 Ом, притягивает якорь при токах от 5 до 10 мА (пределы регулировки), т.е. когда сопротивление всей цепи падает ниже 1000 Ом. На одиночное колебание прибор отвечает коротким звонком; непрерывно действующие разряды отзываются довольно частыми, через приблизительно равные промежутки следующими звонками».

Как мы успели понять из описания, в составе радиоприемника использованы знакомые изобретения: когерер, электромагнит, гальваническая батарея. Для автоматического встряхивания когерера применяется обычный электрический звонок, а в качестве антенны выступает вертикальный отрезок провода длиной 2,5 м - так называемая штыревая антенна. С помощью более длиной антенны прибор регистрирует на расстоянии до 4 км приближающуюся грозу, становясь «грозоотметчиком» (рис. 7).

Рис. 7 - Грозоотметчик Попова (фото из издания 1907 г. и из коллекции Центрального музея связи, 1895 г.)

По поводу грозоотметчика Попова один французский историк техники писал: «Уже в 1895 г., когда ещё никто не мог выступить с предложением беспроволочного телеграфа, был кто-то, кто телеграфировал при помощи электричества. Этим «кто-то» была молния, которая телеграфировала А.С. Попову в его лабораторию «я здесь» и давала ему точные указания своего пути».

Чем занимался Александр Степанович после демонстрации своего знаменитого изобретения? В марте 1896 г. он демонстрировал усовершенствованный вариант приёмника, в котором принятые сигналы записывались на телеграфную ленту. Летом 1897 г. он провёл первые практические опыты по радиосвязи вблизи Выборга при дальности 5 км. Он исследовал методы увеличения дальности приёма радиосообщений, разрабатывал конструкцию аппаратуры связи для военных кораблей. В том же году он высказал мысль о возможности использования радио для судовождения: «Применение источника электромагнитных волн на маяках в добавление к световому и звуковому сигналам может сделать видимыми маяки в тумане и в бурную погоду». Александр Степанович первым заметил эффект отражения радиоволн от корпусов кораблей и пришёл к мысли о возможности радиопеленгования и радиолокации, то есть способов обнаружения объектов при помощи электромагнитной волны: «Все металлические предметы - мачты, трубы, снасти - должны мешать действию приборов, как на станции отправления, так и на станции получения, потому что, попадая на пути электромагнитной волны, они нарушают её правильность отчасти подобно тому, как действуют на обыкновенную волну, распространяющуюся по поверхности воды».

В 1898 г. Попов вместе с французским инженером Е. Дюкрете начал производство радиостанций для нужд флота. Изготовление аппаратуры налаживалось в Кронштадте, в мастерских Е.В. Колбасьева. Эта первая связная аппаратура закупалась и для кораблей французского флота. Наступила эра промышленного производства аппаратуры беспроводной связи.

В 1899 г. А.С. Попов запатентовал детекторный приёмник, позволявший принимать «морзянку», прослушивая её в телефонных наушниках. В следующем году радиостанции А.С. Попова были использованы для проведения спасательных работ. В Финском заливе, у острова Гогланд Население 47 чел. , сел на мель только что построенный броненосец «Генерал-адмирал Апраксин». Чтобы осуществлять оперативное руководство работами, А.С. Попов установил одну радиостанцию на аварийном корабле, а вторую - на расстоянии 40 км, в городе Котка. Несколько месяцев спасатели пользовались этой линией связи. В том же году, после получения по радио сигнала бедствия с оторвавшейся льдины с рыбаками, ледокол «Ермак» вышел в море и спас людей. Адмирал и ученыйкораблестроитель Степан Осипович Макаров, оказывавший А.С. Попову большую поддержку и помощь, так описал это событие: «Первая официальная депеша содержала приказание «Ермаку» идти на спасение рыбаков, унесённых в море на льдине, и несколько жизней было спасено благодаря «Ермаку» и беспроволочному телеграфу. Такой случай был большой наградой за труды, и впечатления этих дней, вероятно, никогда не забудутся». В 1901 г. А.С. Попов достиг уверенной связи на расстоянии 150 км.

Достаточно где-либо проскочить электрической искре, как сейчас же вокруг неё возникнут радиоволны. Вы случайно замкнули провода - короткая вспышка, и в пространство выброшен поток радиоволн. Искрят щётки электродвигателя, работает электросварочный агрегат, искрит дуга трамвая или ролик троллейбуса, работает автомобильный мотор с системой электрического зажигания - безразлично: всё это наводняет пространство радиоволнами.

Именно из-за этих волн от искровых разрядов, будь то разряды атмосферного электричества или же искрение электроустановок, происходят все те трески, которые Вы, вероятно, не один раз проклинали, слушая интересную радиопередачу.

Только удалившись с радиоприемником куда-либо далеко за город, где нет помех радиоприемнику от трамваев, электрических лифтов, электромедицинских кабинетов и подобных им устройств, можно вести приём в относительной «электрической тишине».

Вот почему приёмные радиоцентры выносятся из городов в уединённые места.

Но и здесь не всегда можно укрыться от помех. Гигантский искровой разряд, каким является молния, создает настолько сильный ураган радиоволн, что в грозу из громкоговорителя вырывается оглушительная «артиллерийская канонада».

Радиоволны от молнии сигнализируют о приближении грозы. Первым человеком, сумевшим принимать радиосигналы молнии, был русский ученый, изобретатель радио Александр Степанович Попов. Один из своих приборов, названный им «грозоотметчиком», он использовал для того, чтобы следить за далёкими грозами и предсказывать их приближение.

Люди взяли у природы её рецепт «изготовления» радиоволн.

Все первые радиопередатчики создавали мощные потоки сильно трещащих искр. Радиоволны, порождаемые искрами, переносили в пространство различные сообщения без всяких соединительных проводов. Эти первые радиостанции так и назывались - «станции искрового телеграфа». Известно, что радиотелеграфисты мощной московской искровой радиостанции (на Ходынке), идя на дежурство, еще километра за полтора-два до здания на слух, по треску искр - этих маленьких молний, могли читать сообщения, передаваемые знаками телеграфной азбуки.

Название «радиостанция» появилось значительно позже.

Современная радиотехника почти полностью отказалась от весьма несовершенных искровых станций. Но пучок искр до сих пор остаётся в эмблеме на погонах связистов (рис.9).

Рис. 9 - Знаки отличия связистов Вооружённых Сил России

Как создаются радиоволны

Нам предстоит ознакомиться с тем, как создаются радиоволны современными радиопередающими станциями.

Краткое определение сущности создания радиоволны таково:

Проводник с переменным током высокой частоты при некоторых условиях способен излучать в окружающее пространство радиоволны.

Это определение станет понятным, когда будет раскрыт внутренний смысл каждого слова. «Проводник» - но какой, всякий ли? Дальше мы увидим, что нет, далеко не всякий. «Переменный ток высокой частоты» - как это понимать? Что значит «при некоторых условиях»? При каких именно? «Излучать» - как?

Начнём с выяснения, что такое переменный ток.

Знакомясь с электромагнитным полем, мы получили краткую справку о том, что переменным называется ток, периодически меняющий не только свою величину, но и направление. Следует ещё раз подчеркнуть, что слово «переменный» относится именно к направлению. Как бы ни менял свою величину электрический ток, его нельзя назвать переменным, если он не меняет направления.

Переменный ток течет попеременно то в одну сторону, то в обратную, как бы повторяя колебательные движения качелей или часового маятника. Недаром существует технический термин «электрические колебания».

Чему учит маятник

К концу маятника часов прикрепляем легкое перышко или волосок, смоченный жидкой краской, затем толкаем маятник и подносим к перышку листок бумаги. Перышко начинает выверчивать на листке прямую линию - след колебаний маятника; чем больше размахи маятника, тем больше её длина.

Теперь начинаем равномерно передвигать листок бумаги в направлении, перпендикулярном плоскости колебаний маятника. Прочерчиваемая линия растянется, развернется в волнообразный график. Колебания маятника зарегистрированы - получился график колебаний или, как его называют, осциллограмма.

Осциллограмма свидетельствует о том, что размахи маятника быстро уменьшались, и вскоре маятник остановился. Трение в точке подвеса маятника в точке касания перышка с бумагой, а также сопротивление воздуха сделали своё дело. Колебания быстро затухли (рис. 10, справа). Перед нами график затухающих колебаний.

Рис. 10 - Незатухающие и затухающие колебания маятника

Иную картину представляет график, показанный на рис. 10, слева. Сила тяжести гирь преодолевала действие на маятник всех тормозящих усилий. Поэтому маятник отщёлкивал удар за ударом, не уменьшая размахов. Можно было бы целый день вытягивать из-под такого маятника бумажную ленту, и все время вычерчивалась бы на ней волнообразная кривая незатухающих колебаний.

У всякой профессии свой язык. Электрик или радист не скажет «размах» там, где речь идёт о колебаниях: не размах, а амплитуда. Уважая профессиональные привычки, мы должны сказать так: у затухающих колебаний амплитуды убывают, у незатухающих - остаются неизменными.

Колебательный контур

Не только маятник или качели, но и электрический ток можно заставить совершать затухающие или незатухающие колебания.

Для этого служит очень простое электрическое устройство - колебательный контур. Это своего рода «электрический маятник». Но в отличие от колебаний обычного маятника электрические колебания в контуре совершаются невероятно быстро. На каждое колебание затрачивается ничтожно малая доля секунды, поэтому число колебаний в секунду очень велико.

Колебательный контур состоит из двух основных частей: катушки индуктивности и конденсатора. Катушка представляет собой некоторое число витков медной проволоки, а конденсатор (самый простой) - две металлические пластинки, разделённые слоем диэлектрика (рис. 11).

Рис. 11 - Колебательный контур

Чем больше площадь пластин и чем ближе они расположены одна к другой, тем при прочих равных условиях большей электрической ёмкостью обладает конденсатор. На величину емкости влияет и вещество диэлектрика. Конденсатор с бумагой в качестве диэлектрика «впитает» в себя в 2 раза больше электричества, чем такой же конденсатор, но с воздухом вместо бумаги. Слюдяной конденсатор «сгустил» бы в себе («конденсатор» по-русски означает «сгуститель») в 6 раз больший заряд, чем такой же воздушный конденсатор.

Если присоединить концы катушки к пластинам конденсатора, получится колебательный контур (рис. 11). Но такой «мёртвый» контур ничем не интересен. Чтобы в контуре возникли электрические колебания, его нужно «оживить».

Маятник мы отводим вбок или даём ему толчок, и он начинает мерно раскачиваться из стороны в сторону. Колебательный контур тоже можно «подтолкнуть». К нему необходимо подвести некоторое количество электрической энергии, чтобы электроны пришли в колебательное движение. Для этого конденсатор следует зарядить от какого-либо источника тока, а затем подключить к нему катушку индуктивности. Электрическое напряжение U на пластинах конденсатора и сообщит электронам тот электрический «толчок», который необходим для возбуждения колебаний в контуре. Конденсатор станет разряжаться через катушку, и в цепи потечёт ток.

С появлением тока скажется тормозящее влияние катушки - ее индуктивность, которая зависит от числа витков, размеров и формы катушки. Индуктивность - это электрическая инерция. Она противодействует всякому изменению тока, подобно тому, как инерция тела препятствует изменению его скорости. Вследствие противодействия катушки электрической инерции ток будет нарастать постепенно и достигнет наибольшей величины I_макс как раз в тот момент, когда конденсатор полностью израсходует свой электрический заряд, т.е. разрядится.

Теперь, казалось бы, ток должен исчезнуть. На самом же деле благодаря электрической инерции он не прекратится, и будет протекать в ту же сторону за счёт энергии, которая сосредоточилась в катушке. Но ток станет постепенно убывать. Разряженный конденсатор будет теперь заряжаться в обратном направлении: пластина, имевшая положительный заряд, будет заряжаться отрицательно, а пластина, имевшая отрицательный заряд - положительно.

Когда энергия полностью сосредоточится в конденсаторе, ток в контуре прекратится, но процесс на этом не остановится. Зарядившийся конденсатор опять начнет разряжаться: в контуре потечёт ток, но уже в обратном направлении. Он возрастёт до максимальной величины, а затем снова упадёт до нуля. В этот момент завершится полный цикл изменения тока в контуре, т.е. закончится одно электрическое колебание. После этого все изменения тока станут повторяться, подобно тому, как повторяются перемещения маятника. В контуре возникнут электрические колебания (рис. 12).

Рис. 12 - Электрические колебания в контуре

Колебания в контуре, происходящие без какого-либо влияния со стороны, чрезвычайно кратковременны. Это объясняется тем, что электрический ток нагревает провода катушки. Энергия электрических колебаний превращается в тепло, которое рассеивается. Потери эти неизбежны, поэтому колебания в контуре быстро затухают. Амплитуда их становится все меньше и меньше, и, наконец, колебания практически прекращаются. Они длятся очень малую долю секунды.

Затухающими колебаниями пользовались в первые годы развития радиотехники. Но теперь они не применяются. Уже много лет назад были разработаны способы получения незатухающих колебаний, на применении которых и основывается современная радиотехника. Незатухающие колебания - это колебания с неослабевающей силой. Амплитуда их не меняется.

Для того чтобы получить незатухающие колебания, нужно особое устройство, которое «подбрасывает» колебательному контуру все новые и новые порции энергии. В часах роль этого устройства выполняет гиря или пружина. Как это делается в колебательном контуре, мы узнаем дальше.

Период и частота

В здании Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге под куполом в ночь с 11 на 12 апреля 1931 г. был подвешен длинный маятник Фуко Снят в 1986 г. , служащий для доказательства вращения Земли вокруг своей оси. Длина маятника 98 м. На одно полное колебание, т.е. на движение маятника от отвеса в одну сторону, переход в противоположную сторону и возвращение к отвесу, затрачивается 20 сек. Маятник же часов-ходиков в течение секунд успеет сделать два колебания. Словом, чем длиннее маятник, тем медленнее совершает он колебания, тем больше период его колебаний.