История радиотехники

1. Начало экспериментальных и теоретических исследований электромагнитного поля

В начале XIX века датский физик Христиан Эрстед обнаружил взаимодействие электрического тока с магнитным элементом. Это произошло во время лекционного эксперимента, когда он демонстрировал студентам Копенгагенского университета нагревание проводника, по которому пропускается ток. На лабораторном столе случайно находился компас и Эрстед заметил, что его стрелка отклоняется при прохождении тока по проводу. Он тщательно изучил взаимодействие тока и магнитной стрелки и, по существу установил векторный характер магнитного поля, возбуждаемого током. Кроме этого открытия он также открыл "термоэлектрический" эффект и изобрел первый термоэлемент. Практически одновременно французский физик Ф. Араго обнаружил, что железные опилки притягиваются к проводу по которому течет ток. Результаты исследований Эрстеда были обобщены французским ученым Анри Ампером в виде теоремы, носящей его имя. Он предположил, что магнитное поле создается круговыми молекулярными электрическими токами, которые порождают магнитные поля. По существу он заложил основы электродинамики. На основе изобретенного Ампером соленоида (многовитковой катушки из металлического провода с внешней изоляцией) немецкий физик И. Швейгер предложил конструкцию измерительного прибора – «мультипликатора», поместив внутрь него магнитную стрелку. За этим последовало множество работ, способствовавших появлению первых практических применений электричества. В 1828 г. англичанин В. Стерджен предложил конструкцию электромагнита в виде проволочной обмотки с железным сердечником. Независимо от него такое же изобретение сделал американский ученый Джозеф Генри, которому принадлежат пионерские работы по исследованию и применению электромагнитов. Он также изобрел электрический звонок и электромагнитное реле. Следует особо отметить работы немецкого физика Георга Ома, который ввел понятие электрического сопротивления и сформулировал свой знаменитый закон в труде под названием "Математическое исследование гальванических цепей" (1827 г.). Русский ученый, академик Э. Х. Ленц в 1832 г. показал, что закон Ома справедлив не только для цепей с постоянными токами, но также для цепей с индукционными токами, откуда следует его универсальность. Дальнейшее развитие теория электрических цепей получила в работах немецкого ученого Г. Кирхгофа, который исследовал токи и напряжения в разветвленных цепях. В 1832 г. великий немецкий математик Карл Фридрих Гаусс совместно с немецким физиком Вильгельмом Вебером предложил систему физических единиц на основе миллиметра, миллиграмма и секунды. Эта система использовалась с небольшими изменениями до середины ХХ столетия. Из практических применений, прежде всего надо отметить множество систем электрических телеграфов, предложенных различными учеными и инженерами. Первый электромеханический телеграф был создан в 1832 г. русским ученым бароном Павлом Львовичем Шиллингом– дипломатом в русском посольстве в Германии. В 1837 г. американским художником Самуэлем Морзе был разработан и запатентован электромеханический телеграф, послуживший основой для всех дальнейших разработок в этой области. Морзе был чрезвычайно энергичным и деятельным человеком, но не имел никаких знаний в области точных наук. Идея создания электрического телеграфа пришла к нему случайно, после прочтения газетной статьи об электрических явлениях. В процессе создания действующей модели решающую помощь ему оказывал американский ученый Джозеф Генри ‒ изобретатель электромагнита, реле, открывший явление электромагнитной индукции. Он предложил реализовать линию связи виде отдельных участков с подстанциями, которые регенерировали поступающий сигнал с помощью аккумулятора, подключаемого электромагнитным реле, срабатывающим от принимаемого сигнала. По существу это был первый усилитель дискретных сигналов. Большой вклад внес сотрудник Морзе Александр Вейл, в частности ему принадлежит идея связать число кодовых посылок в обозначениях букв с частотой использования букв в английском языке. Чем чаще используется буква, тем меньше кодовых посылок. Первоначально Морзе предполагал передавать только цифры, совокупности которых после приема расшифровывались с помощью специального словаря. Очень быстро телеграф Морзе завоевал общее признание и телеграфные линии появились во многих странах. В России в 1868 г. была построена телеграфная линия между Баку, Тбилиси и Красноводском, обслуживающая мореходство в Каспийском морском бассейне.

Первые попытки передачи речевых сигналов были предприняты Манцетти, Меуччи, Рейсом, однако они не привели к созданию работающей установки. В 1876 г., 14 февраля Александр Белл, шотландец по происхождению, канадец по подданству, работавший в США, подал заявку на патент, описывавший конструкцию телефона. В этот же день, чуть позже, другой изобретатель – Элиша Грей подал похожую заявку. В этом же году патент был выдан Беллу. Белл был настоящим ученым, изучавшим человеческую речь, и рассматривал изобретение телефона, как эпизод. Позже он сделал существенный вклад в развитие судов на воздушной подушке и в создание первых аэропланов в Канаде. В 1877 г. была основана "Телефонная компания Белла" – родоначальник многих "связных" компаний.

Исследования английского ученого Майкла Фарадея и американского Джозефа Генри в первой половине XIX века показали жесткую связь между электрическими и магнитными явлениями. Хотя первым отметил связь между током в замкнутой цепи и меняющимся во времени магнитным полем итальянский физик священник Франческо Зантедески, именно Фарадей и, почти одновременно, американский ученый Генри двумя годами позже (в 1831 г.) открыли явление электромагнитной индукции. Фарадей также открыл явление взаимоиндукции, обнаружил поворот плоскости поляризации оптических лучей в магнитном поле (эффект Фарадея), создал прототип электрического генератора – "электрическое динамо". Он происходил из бедной семьи и получил только начальное образование. В юношестве он работал в качестве ученика переплетчика и читал все книги, которые переплетал. Особый интерес он проявлял к химии и электричеству. В это время известный английский химик Г. Деви читал курс публичных популярных лекций, которые посещал Фарадей. Он конспектировал лекции и передал конспект лектору. Деви предложил ему участвовать в его научных опытах в качестве лаборанта без оплаты. Через некоторое время он был принят на штатную должность. Работа с Деви и интенсивное самообучение позволили Фарадею начать самостоятельные исследования, в основном в области электричества. Эти исследования носили характер экспериментов, результаты которых им логически осмысливались. Он не прибегал к математическим методам, не имея соответствующего образования. В это же время французский математик Пуассон и англичанин Грин создали теорию потенциала, которая и сейчас остается актуальной. Джордж Грин стал математиком несколько необычным образом. В детстве он учился в школе всего один год (с 8 до 9 лет) а затем трудился на мельнице, принадлежавшей его отцу (после смерти отца он унаследовал ее). Свою первую и основную научную работу под названием "Эссе о приложении математического анализа к теориям электричества и магнетизма" он опубликовал в 1826 г. в возрасте 31 г. В 1840 году, по настоянию своего соседа - землевладельца и математика Эдуарда Бромхеда, он поступил в Кембриджский университет (в возрасте 40 лет), который блестяще окончил и остался там как преподаватель. Основной вклад в теорию электромагнетизма был сделан английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом в его знаменитом труде «Трактат об электричестве и магнетизме», над которым он работал с 1865 по 1871 гг.. Основываясь на экспериментальных законах Ампера и Фарадея, введя понятие тока смещения, он получил уравнения, связывающие электрическое и магнитное поля и доказал их волновую природу. Все остальные закономерности электричества и магнетизма могли быть получены из его теории как частные случаи. Кроме этого, он занимался изучением кинетической теории газов и получил так называемое "распределение Максвелла". Ему также принадлежит изобретение способа цветной фотографии. Однако математическая сложность (он использовал элементы тензорного анализа и получил 24 уравнения для полей) препятствовала пониманию его работы научной общественностью. Им был использован математический аппарат кватернионов (оператор в виде трехмерного вектора и скалярной функции) с помощью которого он получил уравнения в частных производных. Только несколько ученых – Д, Пойнтинг, О. Хевисайд и русский физик Н. А. Умов воспользовались его результатами для определения энергии электромагнитного поля. Позже, в конце века, Оливер Хевисайд свел число уравнений Максвелла к четырем, используя методы векторного анализа, которые он сам создал. Он был самоучкой, но его вклад в математику, теорию электричества очень велик. Им был создан операторный метод решения линейных дифференциальных уравнений, независимо от американского математика Уилларда Гиббса он разработал аппарат векторного анализа, он предложил нагружать трансатлантические телеграфные кабели промежуточными индуктивностями для уменьшения потерь, запатентовал конструкцию коаксиального кабеля, исследовал искажения электрических и магнитных полей движущимися электрическими зарядами, ввел понятие проводимости, полного сопротивления и магнитной проницаемости. Им и одновременно американским физиком Артуром Кеннели в 1902 г. было высказано предположение о наличии ионизированных слоев газа в атмосфере земли, экспериментально подтвержденное в 1924 г. В конце XIX века немецким молодым физиком Генрихом Герцем было проведено экспериментальное исследование, полностью подтвердившее теорию Максвелла. Установка Герца содержала все элементы системы радиосвязи: передатчик в виде катушки Румкорофа, передающую антенну в виде симметричного вибратора, приемную антенну в виде кольцевой рамки с небольшим зазором, искра в котором использовалась для индикации принятого сигнала. Однако сам Герц не считал, что его эксперимент может быть использован в практических целях для создания системы беспроводной связи. К сожалению, он умер молодым, в возрасте тридцати шести лет. Опыты Герца были повторены многими учеными и, в процессе их реализации, в аппаратуру вводились определенные усовершенствования. Французский физик Эдуард Бранли предложил использовать для регистрации принимаемых сигналов не искровой промежуток, а специальное устройство в виде стеклянной трубки с металлическими опилками внутри, названное им «радиокондуктором» (прообраз когерера). Надо заметить, что первые работы по проводимости порошков железа были сделаны итальянским физиком Фемистоклом Кальцеччи-Онести между 1884 – 1886 годами. Английский ученый Оливер Лодж предложил использовать специальное устройство для встряхивания порошка с целью восстановления чувствительности «радиокондуктора». Кроме этого он изобрел свечи зажигания для двигателей внутреннего сгорания, динамический громкоговоритель и предвосхитил гипотезу Лорентца о "сжатии Лоренца" (изменении кажущейся длины тела, видимой наблюдателем при не нулевой скорости движения тела относительно положения наблюдателя). Таким образом, в конце XIX века имелись все компоненты, из которых можно было создать передающее и приемное устройство.