О предшественниках изобретателей радио. Давайте мысленно перенесёмся в конец XIX века и постараемся понять, из чего исходили и чем руководствовались русский учёный Александр Степанович Попов (1859–1906) и итальянский физик Гульельмо Маркони (1874–1937), приступая к изобретению радио.

К моменту изобретения в конце XIX века радио был известен проводной телеграф и результаты опытов нескольких физиков, в первую очередь Генриха Рудольфа Герца, экспериментально подтвердивших распространение электромагнитных волн в свободном пространстве, т.е. без проводов. Кроме того были разработаны и практически использовались три наиболее важных элемента будущих радиопередатчиков и радиоприёмников: катушка Румкорфа, вибратор Герца и когерер Брэнли-Лоджа.

Вот от этих, образно говоря «трамплинов», и отталкивались изобретатели радио.

Общая схема передачи и приёма телеграфных сообщений приведена на рис. 1.

В схеме при замыкании ключа (К) срабатывает электромагнитное реле (Р), контакты которого замыкаются, и регистрирующее устройство (РУ) фиксирует короткую или длинную посылку в зависимости от времени замыкания ключа. Выбрав какой-либо код, можно с помощью схемы рис. 1 по проводам передать телеграфное сообщение на большое расстояние.

На первой стадии развития проводного телеграфа обычно использовался код Морзе, в котором каждой букве алфавита и цифре соответствует определённая комбинация из относительно коротких (точка) и длинных (тире) импульсов.

Пример телеграфного сообщения, состоящего из коротких и длинных импульсов, показан на рис. 2.

При переходе к радио, т.е. передаче сообщения с помощью электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве, предстояло убрать провода и вместо импульсных посылок постоянного тока передавать сигналы высокой частоты разной длительности так, как это показано на рис. 2.

При этом предстояло решить четыре основные задачи: научиться генерировать сигналы высокой частоты, излучать их в пространство, улавливать их на определённом расстоянии и вновь переводить в импульсы постоянного тока.

Таким образом, сигналы при передаче и приёме сообщений должны были иметь вид, показанный на рис. 2, а общая схема передачи сообщения с помощью электромагнитных волн принять вид, показанный на рис. 3.

Об опытах Герца и других исследователей по генерированию и распространению электромагнитных волн было известно и А.С. Попову, и Г. Маркони. Поэтому именно к реализации общей схемы передачи и приёма сообщений с помощью радиоволн (рис. 2 и 3) и решению четырех перечисленных задач и должны были прийти оба изобретателя в начале своей работы по созданию радио

Следует отметить, что в конце XIX века помимо А.С. Попова и Г. Маркони проблемой беспроволочного телеграфа занимались многие физики, в том числе Дейвид Юз (США), Эдуард Брэнли (Франция) и Оливер Лодж (Англия).

Ими было обнаружено, что микрофонные контакты и плохие контакты между металлами меняют свою проводимость под действием искровых разрядов и поэтому могут служить чувствительными индикаторами электромагнитных волн.

В результате проведенных исследований Э.Брэнли и О.Лоджем был изобретён прибор, названный когерером, схематическое устройство которого показано на рис. 4.

Когерер Брэнли-Лоджа представлял собой стеклянную трубку, наполовину заполненную железными опилками. К внутренним стенкам трубки приклеивались две тонкие металлические полоски. Когерер реагировал на электрические разряды, резко увеличивая свою проводимость за счёт спекания опилок.

Однако после каждого приёма сигнала первоначальная малая проводимость когерера не восстанавливалась, и для приведения в исходное состояние его необходимо было встряхивать, чтобы железные опилки вновь становились чувствительными к электрическим разрядам. В современном представлении когерер являлся чувствительным детектором одноразового действия, позволяющим обнаруживать электромагнитные волны.

Следует отметить, что опыты названных учёных не выходили за рамки лабораторных исследований в пределах небольшого пространства, и что они только приблизились к решению задачи радиосвязи, но не смогли её решить в полном объёме. Такая задача, связанная с созданием радиопередатчика, радиоприемника и антенн, обеспечивающих устойчивую передачу сообщений на большие расстояния, была независимо друг от друга решена А.С. Поповым и Г. Маркони.

Справедливости ради следует отметить, что в научном сообществе были физики, непосредственно не занимавшиеся проблемой электромагнитных волн, но предвидевшие возможность их практического использования для передачи сообщений.

Вот что писал, например, в 1892 г. по этому поводу английский учёный Уильям Крукс:

«Лучи света не проходят через стены или, как мы отлично знаем, через лондонский туман, но электромагнитные волны длиной в ярд или более легко проходят через среду, которая для них прозрачна. Здесь открывается изумительная возможность телеграфирования без проводов, почты, кабеля или других наших теперешних приборов. При реализации некоторых разумных предпосылок всё это оказывается в пределах реального осуществления…

Экспериментатор, находящийся на некотором расстоянии, может принять эти волны на подходящий прибор, и таким образом путём применения посылки сигналов по коду Морзе можно осуществить связь одного оператора с другим…Что остаётся открыть?

Это, во-первых, более простые и надёжные способы генерирования электрических лучей заданной длины волны…; во-вторых, более чувствительные приёмники, которые будут отзываться на длины волн, лежащие в известных пределах, и не будут принимать другие, и, в-третьих, способы концентрации пучка лучей в любом заданном направлении…».

Не прошло и трёх лет, как начертанная У. Круксом программа действий была реализована, и его на редкость точное предвидение сбылось – передачи и приёма сигналов по коду Морзе с помощью электромагнитных волн была реализована. Радиосвязь из области лабораторных исследований переместилась в сферу практического применения.

Беспроволочный телеграф Александра Степановича Попова. Сначала кратко расскажем о жизненном пути первого изобретателя радио Александра Степановича Попова, родившегося в семье православного священника 16 марта 1859 г. на Урале, в Пермской губернии.

Судьбой ему предначертано было стать священнослужителем, ибо обычай – сын духовного лица идёт по стопам отца – неукоснительно соблюдался в России. Именно так поначалу и складывалась жизнь маленького Александра, отданного учиться в духовную школу, затем – в Екатеринбургское духовное училище и, наконец, в Пермскую духовную семинарию. Учась в семинарии, Александр свободное от основных занятий время посвящал самостоятельному изучению физики и математики.

В 1877 году Александр Степанович с согласия отца круто меняет свой жизненный путь, поступив учиться на физико-математический факультет Петербургского университета, который он успешно заканчивает в 1882 г. Затем Попов преподаёт в Минном офицерском классе Морского ведомства в Кронштадте, уделяя много времени и научной работе.

Постепенно основным содержанием научной деятельности Попова становятся электромагнитные волны, а идея использовать их в практических целях для передачи сообщений, начинает доминировать в проводимых им экспериментах.

В 1893 г. Попов посещает Чикагскую всемирную выставку, где знакомится с последними достижениями в области электротехники. По возвращении из выставки он продолжает упорно работать над своим изобретением.

В качестве источника электромагнитных волн Попов использует усовершенствованный вибратор Герца, в котором генерация высокочастотных колебаний является следствием искрового разряда (рис. 5), а в качестве регистратора излученных колебаний применяет усовершенствованный им когерер Брэнли-Лоджа (рис. 4) – стеклянную трубку длиной 70 мм и диаметром 10 мм, наполовину засыпанную железными опилками.

К внутренним стенкам трубки с разрывом в 2 мм были приклеены две тонкие металлические полоски шириной по 8 мм.

Когерер реагировал на электрические разряды, замыкая цепь электромагнитного реле, контактны которого, в свою очередь, замыкали цепь включения звонка (рис. 5).

Как отмечалось, после каждого приёма сигнала когерер терял свойство малой проводимости, и для приведения в исходное состояние его необходимо было встряхивать, чтобы железные опилки вновь становились чувствительными к электрическим разрядам. Это встряхивание производилось в устройстве Попова автоматически с помощью того же звонка, молоточек которого после приёма сигнала ударял по трубке когерера, приводя его в исходное состояние.

Присоединив к когереру длинный провод (в современном представлении – антенну), Попов существенно повысил чувствительность когерера, который стал реагировать на грозовые разряды. Поэтому своё созданное приёмное устройство (рис. 5) Попов вначале назвал грозоотметчиком

На заседании физического отделения Русского физико-химического общества, состоявшемся 7 мая 1895 года в Санкт-Петербургском университете, А.С.Попов выступил с докладом «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям» и впервые продемонстрировал свой чувствительный радиоприёмник, названный им грозоотметчиком, принимавший колебания, излучаемые видоизменённым осциллятором Герца. Этот день в нашей стране отмечается как день радио.

По свидетельству участников знаменательного заседания Александр Степанович свой доклад закончил словами: «В заключение могу выразить надежду, что мой прибор при дальнейшем совершенствовании его сможет быть применён к передаче сигналов на расстояния при помощи быстрых электрических колебаний».

Отчёт о знаменательном заседании с описанием его доклада и эксперимента был опубликован в журнале общества в августе 1895 г. и январе 1896 г.

24 марта 1896 года на заседании того же общества Александр Степанович демонстрирует созданный им искровой радиопередатчик, передав на расстояние в 250 метров из одного здания в другое азбукой Морзе первую в мире радиотелеграмму, записав её на ленту телеграфного аппарата, присоединённого к радиоприёмнику.

По некоторым свидетельствам текст принятой радиотелеграммы был краток: «ГЕНРИХ ГЕРЦ». Этой телеграммой учёный продемонстрировал дань уважения своему предшественнику.

Радиопередатчик Попова, схема которого приведена на рис. 6, включал следующие основные элементы: антенный контур, состоящий из антенны и вторичной обмотки индукционной катушки (ИК), искровой разрядник (Р), прерыватель (П), ключ (К) и источник постоянного тока.

Чтобы понять, как происходила генерация высокочастотных колебаний в таком радиопередатчике, рассмотрим его упрощённый вариант, включающий колебательный контур, источник питания и две контактные группы (рис. 7,a).

В схеме, когда контакты «1» замкнуты, контактны «2» – разомкнуты, и наоборот. При замыкании контактов «1» конденсатор ёмкостью С заряжается до напряжения источника постоянного тока Е. При размыкании контактов «1» и замыкании «2» в контуре возникает затухающий колебательный процесс, график которого приведен на рис. 7,б.

В радиопередатчике Попова (рис. 6,а) роль контактных групп выполнял прерыватель (П), создающий при нажатом ключе (К) импульсы в первичной обмотке индукционной катушки. Высокое напряжение, возникающее при этом во вторичной обмотке, периодически приводило к электрическому пробою разрядника (Р), и в антенном контуре возникали затухающие колебания.

Таким образом, при нажатом ключе происходило излучение «пачки» высокочастотных импульсов, каждый из которых имел вид согласно рис. 7,б. Длительность излучаемой посылки, состоящей из серии высокочастотных импульсов, определялась временем нажатия ключа (К).

Длинная посылка соответствовала тире, короткая – точке. Выражаясь современным языком, радиопередатчик А.С. Попова работал в режиме амплитудной радиотелеграфии, излучая высокочастотные импульсы согласно азбуке Морзе (рис. 2).

Таким образом, в радиопередатчике А.С. Попова присутствовали все необходимые элементы, обеспечивающие выполнение функций, свойственных современным радиопередающим устройствам. Генерация в схеме осуществлялась путём преобразования энергии источника постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний с помощью прерывателя, антенного контура и искрового разрядника, модуляция – с помощью ключа, излучение – посредством штыревой антенны.

Аппараты, разработанные Александром Степановичем и его помощниками, изготавливались в России и во Франции и использовались на кораблях. Так, например, в 1900 году они были применены для радиосвязи на расстояние в 47 км во время спасательных работ севшего на камни корабля в Финском заливе у острова Гогланд.

По отзывам людей, близко знавших учёного, он был неразговорчивым и замкнутым человеком, до самозабвения любившим свою научную работу и не думавшим об извлечении из неё какой-либо материальной выгоды.

Следует отметить, что изготовление первых радиотехнических аппаратов, изобретённых А.С. Поповым, осуществлялось не только под его руководством в Кронштадтской мастерской, но и во Франции на электротехнической фирме Эжена Дюкрете (1844–1915 гг.).

Такое тесное творческое сотрудничество русского физика А.С. Попова и французского инженера Э. Дюкрете продолжалось на протяжении пяти лет – с 1899 по 1904 гг. Всё началось с выступления Э. Дюкрете на заседании Французского физико-химического общества в конце 1897 года, на котором он продемонстрировал работу изготовленного им аппарата согласно материалам, опубликованным А.С. Поповым, подтвердив при этом приоритет последнего.

После этого между ними установилось тесное сотрудничество. Подтверждением тому является, в частности, следующее письмо, отправленное им в Париж в 1899 г.:

«Месье, этой осенью у нас так сложились обстоятельства, что мы смогли сделать только несколько опытов по телеграфии без проводов между военными судами. Я сожалею, что эти испытания не могли быть проведены при всём моём желании в полном объёме из-за задержки с получением изготовленной Вами аппаратуры. Тем не менее, некоторые полученные результаты показались нам удовлетворительными.

Нам удалось установить полностью отлаженную связь между судами на расстоянии 12 км. Для этой цели были использованы обычные мачты, а для систем связи на расстоянии 25 км было необходимо изготовить бумажного змея, поднимаемого на высоту 50 метров.

Поскольку все опыты были произведены с Вашей аппаратурой, мы сочли необходимым проинформировать Вас об их результатах.

Будьте любезны сообщить нам, не появились ли с Вашей стороны что-либо интересное, касающееся этого вопроса.

Сообщите сумму, которую нам необходимо ещё внести, чтобы рассчитаться с Вашей мастерской. Она будет отправлена Вам в самое ближайшее время.

С уважением и самыми наилучшими пожеланиями».

С конца 1898 г. фирма Э. Дюкрете приступила к мелкосерийному производству радиостанций системы Попова, выполняя заказы военно-морских ведомств России и Франции. Для России фирма изготовила в общей сложности около 50 корабельных радиостанций.

На 4-м Всемирном электротехническом конгрессе, состоявшемся в Париже в 1900 г., А.С. Попову за изобретение радио были присуждены почетный диплом и золотая медаль.

Как изобретатель радио А.С. Попов получил всемирное признание ещё при жизни. В 1901 году он стал заведующим кафедрой физики Петербургского электротехнического института, а в сентябре 1905 г. был избран его ректором, проработав в этой должности всего пять месяцев.

В январе 1906 году Александр Степанович скоропостижно скончался в возрасте 46 лет.

(Продолжение следует)

В.И. Каганов, доктор технических наук, профессор кафедры радиолокации и радионавигации, МГТУ МИРЭА