Великі теоретики та великі практики, або історія про те, як було створено радіо
Іскровий генератор електромагнітних вольт Генріха Герца
У 1886 - 1889-х роках Генріх Герц побудував іскровий генератор електромагнітних хвиль і досліджував їх властивості. Пристрій іскрового генератора заслуговує на докладніший опис.
Основа його – коливальний контур. Але коливання в реальному контурі швидко загасають, і щоб підтримувати серію коливань, треба знову і знову заряджати конденсатор і перемикати його від джерела напруги до котушки.
Цим швидкодіючим комутатором і є іскровий проміжок між двома металевими кульками. Іскру дає індукційна котушка або котушка Румкорфа.
Струм батареї, проходячи через первинну обмотку індукційної котушки, намагнічує її залізний сердечник, який притягує рухомий контакт, і ланцюг розривається. Магнітне поле зникає, і контакт знову замикається. Частота переривань струму невелика і становить 102. 103 разів на секунду. Але найцікавіше відбувається у момент розмикання ланцюга.
В обмотках індукційної котушки виникає ЕРС самоіндукції, пропорційна швидкості зміни магнітного потоку. Ця швидкість дуже велика, адже контакти розмикаються практично миттєво. В результаті в момент розмикання на висновках первинної обмотки виникає імпульс напруги, що в кілька десятків разів перевищує напругу батареї!
Наприклад, при напрузі батареї 12 Внескладно отримати імпульс напруги 300. 400 В. Вторинна обмотка містить набагато більше витків, і імпульс напруги на її висновках може досягати кількох тисяч вольт або навіть десятків кіловольт. До такої ж напруги заряджається конденсатор контуру.
Іскровий проміжок регулюють так, щоб він пробивався при напрузі, близькому до максимальної індукційної котушкою, що розвивається. Іскра, що проскочила, замикає ланцюг коливального LC-контуру, і в ньому виникає серія загасаючих коливань.
Отже, індукційна котушка дозволила порушувати серії загасаючих коливань високої частоти. Але як же випромінювати їх у простір у вигляді хвиль?
Генріх Герц вважав, як і випливає з рівнянь Максвелла, що швидше змінюються електричні і магнітні поля, тим ефективніше випромінюються хвилі. Прагнучи підвищити частоту коливань контуру, Герц залишив у котушці контуру лише один виток, а площу пластин конденсатора зменшив до краю. В результаті вийшов вібратор, що складається з двох стрижень із іскровим проміжком між ними.
Виявилося, що вібратор Герца ефективно випромінює хвилі з довжиною, що дорівнює подвоєній довжині вібратора. Тепер ми знаємо, що вібратор Герца є звичайним напівхвильовим дипольом. Подивіться на будь-який дах, і ви побачите телевізійні антени, що є системою диполів.
Приймачем коливань служив інший диполь із дуже близько розташованими кульками розрядника. Коли іскра проскакувала в диполі, що передає, крихітну іскру можна було спостерігати і в приймальному! Так експериментально було здійснено передачу електромагнітних хвиль радіодіапазону на відстань у кілька метрів. Виявилося, що прийом найефективніший, коли приймальний вібратор налаштований у резонанс із передавальним. Довжини вібраторів прицьому однакові.
Досліди Герца, виконані у 1887-1888-х роках, викликали величезний інтерес у фізиків та інженерів. Багато хто почав їх повторювати, видозмінювати і вдосконалювати.П. М. Лебедєв, чудовий український фізик, який відкрив, зокрема, тиск світла, сконструював вібратор на довжини хвиль до трьох сантиметрів (у дослідах Герца довжина хвилі становила близько трьох метрів).
Це були зовсім крихітні вібратори! Було досліджено явища відображення та заломлення електромагнітних хвиль на межі розділу різних середовищ. Спостерігали відображення хвиль від металевого листа, заломлення хвиль призмою, виготовленою з діелектрика.
Значно потужніші електромагнітні коливання, але меншої частоти дозволив отримати трансформатор Нікола Тесла, вторинна обмотка якого була налаштована на резонанс з первинної. Оскільки конденсатор у вторинній обмотці був відсутній, число витків її було значно більшим, ніж у первинній, що забезпечувало на вібраторі напруги до мільйона вольт!
Приймач електромагнітних хвиль Олександра Степановича Попова
Нарешті ми впритул підійшли у нашому оповіданні до моменту винаходу радіо. Очевидно, ви знаєте, хто це зробив. Наш співвітчизник, викладач фізики мінних офіцерських класів у КронштадтіОлександр Степанович Попов.
Йому вдалося сконструювати приймач електромагнітних хвиль, що має достатню для практичних цілей чутливість. Згадаймо приймальний вібратор Герца. Щоб у його розряднику проскочила іскра, необхідно, щоб електромагнітна хвиля розвинула у ньому напруга кілька сотень вольт. А це означає, що напруженість поля електромагнітної хвилі має бути також близько сотень вольт на метр (адже довжина вібратора була близькою до 1 м).
Напруга, ВВібратор розрахувати дуже просто: треба напруженість електричного поля хвилі помножити на ефективну (діючу) довжину вібратора. Зазвичай, вона становить приблизно 0,7 геометричної довжини вібратора. Такі сильні поля створюють лише близькі розряди блискавок.
Одного разу я неквапливо від'єднував від свого аматорського передавача фідер антени, милуючись у вікно гарною хмарою. У хмарі блиснула блискавка, і в ту ж мить між висновками антени і заземлення, що були в мене в руках, проскочила з сухим тріском блакитна іскра завдовжки кілька сантиметрів! Добре, що висновки були з товстою ізоляцією.
Тремтячими руками я все-таки з'єднав ці висновки, заземливши антену, і став згадуватиГ. В. Ріхмана, сподвижникаМ. В. Ломоносова, який загинув під час грози при дослідах з металевим стрижнем на даху (згодом цей стрижень, тільки заземлений, стали називати громовідводом). З того часу я завжди відключаю антену задовго до наближення грози, хоча всі конструкції моїх антен мають надійний грозозахист.
Але повернемося до приймача А. З. Попова. Замість іскрового проміжку у приймальному вібраторі Попов використовував когерер, прилад, винайдений незадовго до цього французом Е. Бранлі.
Когерер являв собою скляну трубку з двома висновками, між якими було насипано залізну тирсу. Через тонкий шар окису на поверхні тирси опір когерера велике, але лише доти, поки на його висновках відсутня напруга, байдуже, змінного або постійного струму.
Як тільки прикладається напруга, наведена електромагнітною хвилею, опір когерера різко падає. Це пояснюється дією дрібних іскор, що пробивають шар окису між тирсою і ніби зварюють тирсу між собою. Щоб зруйнуватимістки, що утворилися для електричного струму, когерер досить було струсити.
До когерера підводилися коливання, наведені хвилею в приймальному вібраторі. Наступний важливий елемент приймача А. С. Попова – релейний підсилювач постійного струму. Відносно слабкий струм через когерер наводив на дію чутливе реле, контакти якого замикали ланцюг електричного дзвінка. Пристрій дзвінка багато в чому був аналогічний до пристрою котушки Румкорфа, була відсутня лише вторинна обмотка.
Молоточок дзвінка в приймальнику Попова вдаряв не тільки по дзвіночку, а й, відскочивши, ще й по когереру. Таким чином, когерер автоматично струшувався після прийому кожного електромагнітного імпульсу і був готовий до наступного прийому.
Ще одне важливе удосконалення приймача Попова полягало у використанні приймальної антени. Адже що довше дріт антени, то більше напруга наводить у ньому електромагнітна хвиля.
Дротова антена, протягнута до найближчого дерева або на дах будинку, є як би однією половиною вібратора Герца. Але потрібна й друга половинка-противага. Роль противаги з успіхом виконує заземлення. Струми, які мали б текти на противагу, можуть просто розтікатися по поверхні і в товщі землі, адже звичайний, досить вологий ґрунт непогано проводить електричний струм.
Нарешті приймач був готовий. Але ще не було передавача! Можна було приймати лише радіосигнали природного походження. Вони генеруються при кожному розряді блискавки, адже блискавка є гігантською іскрою, а канал іонізованого газу, що утворюється при розряді, чудово проводить електричний струм і служить передавальним вібратором.
А. С. Попов назвав свій приймач грозовідмітником. З підключеною зовнішньоюантеною вдавалося реєструвати грози з відривами до 30 км. Кожен розряд блискавки супроводжувався коротким брязкіт дзвінка в приймачі!
Цей устрій О. С. Попов продемонстрував 7 травня 1895 року на засіданні українського фізико-хімічного товариства. Починаючи з 1945 року, щороку7 травня відзначається як день народження радіо.
Автор матеріалу: Поляков В. Т. (з книги "Посвята в радіоелектроніку")