Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

У изобретателей появился способ вместо «рычагов» и «шестеренок» управлять крохотными, практически невесомыми электронами. Раз электроны обладают столь малой массой, значит, они обладают такой же малой инерцией, и поэтому скорость их движения можно изменять за доли секунды. Даже самые быстрые механические устройства не могут сравниться по скорости своей работы со стремительными электронными собратьями.

Появление диодов, триодов (или электронных ламп) и их более сложных потомков привело к рождению совершенно потрясающего устройства.

Еще Герц, открывший радиоволны, сделал прототип первого передатчика и приемника. Понятно, что если увеличить мощность передатчика и чувствительность приемника, то расстояние между ними можно увеличить до нескольких метров, а то и километров. Следовательно, если передавать радиоволны длинными и короткими вспышками, имитируя азбуку Морзе, то появится новый способ связи. Радиоволны смогут заменить линии телеграфа (см. ч. 11).

В результате получится «беспроводной телеграф». Англичане так его и называют, а американцы называют его «радиотелеграф», или просто радио.

В 1894 году итальянский радиотехник Гульельмо Маркони (1874–1937), ознакомившись с опытами Герца, сделал радиосвязь реальностью. Радиоволны генерировались по методу Герца, а принимались специальным устройством, когерером. Когерер состоял из емкости с металлической стружкой. Под действием радиоволн когерер начинает проводить электричество, превращая радиоволны в электрический ток.

Маркони усложнял конструкцию приемника и передатчика и в 1895 году смог передать сигнал на 1 км, в 1896 году — на 10, в 1897 году — на 12, а в 1898 году — уже на 20 км. Маркони даже организовал коммерческую компанию по передаче «маркониграмм».

Здесь возник один парадокс. Радиоволны, как и любая другая форма электромагнитного излучения, передаются только по прямой, а поскольку Земля круглая, то по идее передача радиоволн на большие расстояния просто невозможна.

Маркони заметил, что радиоволны «огибают» землю. Объяснения этому эффекту коммерсант дать не смог, что не мешало ему вовсю его использовать. 12 декабря 1901 года Маркони удалось послать сигнал через Атлантический океан из юго-западной части Англии на Ньюфаундленд. Эта дата считается датой изобретения радио.

Спустя год два английских ученых — электротехник Артур Эдвин Кеннелли (1861–1839) и физик Оливер Хевисайд (1850–1925), работая независимо друг от друга, смогли дать объяснение описанному выше эффекту. Все дело в том, что в верхних слоях атмосферы существуют зоны с высоким содержанием заряженных частиц. Радиоволны, отражаясь от этих частиц, летят по прямой, отражаются еще раз и так далее; таким образом пересекают Атлантику, а вовсе не «огибают Землю».

Эти зоны были обнаружены в 1924 году английским физиком Эдуардом Виктором Эплтоном (1892–1965). Они получили названия «зоны Е». Частицы являются конечно же ионами, и поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера.

Но использование радиоволн не ограничилось лишь беспроводным телеграфом. Ведь для того чтобы передавать не просто импульсы, а сами звуки, достаточно лишь подключить мембрану на входе передатчика и выходе приемника.

На первый взгляд передавать звуковые волны казалось непрактичным. Дело в том, что частота радиоволн хотя и ниже частоты световых, однако она в несколько раз выше, чем у звуковых. В среднем частота радиоволны составляет 1 000 000 колебаний в секунду, и поэтому подключать мембрану к радиоприемнику бессмысленно: человеческое ухо физически не сможет распознать звуки столь высокой частоты. Человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20 000 колебаний в секунду. Такие частоты называются звуковыми. Радиоволны столь низкой частоты обладают ничтожной энергией, и передать их на значительное расстояние просто невозможно.

Тогда ученые пошли другим путем. Частота радиоволны оставалась неизменной, а сама волна стала так называемой несущей (волной). Задачей несущей радиоволны являлась лишь непосредственная передача сообщения. Снимаемые микрофоном звуковые колебания преобразовывались в электрические импульсы, как и в случае с телефонным микрофоном (см. ч. II), и в зависимости от изменения звуковых колебаний изменялся и уровень энергии несущей волны.

Амплитудная модуляция

Частотная модуляция

Изменение несущей волны называется модуляцией. Амплитудной модуляцией называется изменение амплитуды волны согласно звуковым колебаниям.

Приемник «обрезает» нижнюю часть несущей волны, а верхнюю передает на мембрану, где создается переменное магнитное поле (как в случае с телефонной трубкой). Мембрана реагирует лишь на низкочастотные изменения амплитуды несущей волны, а не на высокочастотные колебания самой волны. Таким образом, мембрана приемника в точности воспроизводит передаваемые передатчиком звуковые волны.

В 1906 году канадский физик Реджинальд Обри Фессенден (1866–1932) впервые передал музыку с помощью радио. Отныне человечество получило возможность передавать по радио не только телеграммы, но и звук, и именно электронные лампы позволили осуществить передачу информации по радио.

Каждая радиостанция использует несущую волну определенной частоты, а слушатели должны поворотом ручки переменного конденсатора (см. ч. II) настроить свои приемники на эту волну. Однако когда радио только появилось, для точной настройки приемника требовалась длительная тренировка и навыки ювелира.

Во время Второй мировой войны американский электротехник Эдвин Хоуард Армстронг (1890–1954) изобрел так называемый супергетеродин. Армстронг занимался разработкой системы обнаружения вражеских самолетов по электромагнитным колебаниям, излучаемым системой зажигания. Дело усложнялось слишком высокой частотой этих колебаний. Тогда Армстронг прибегнул к использованию вспомогательной радиоволны. Обе волны складывались и, как и звуковые волны (см. ч. I), создавали колебания гораздо более низкой частоты, а обнаружить их гораздо проще.

Первая мировая закончилась, и Армстронг так и не довел свое устройство до совершенства. Однако применение гетеродина в радиоприемниках заметно упрощало процесс настройки на радиостанции, и в домах стали появляться первые радиоприемники.

В дальнейшем Армстронг занялся и другой проблемой радио — электростатическим «треском». Автомобильные системы зажигания, щетки электромоторов, термостаты и прочие электроприборы, а также грозовые молнии порождают электростатическое излучение. Это излучение мешает передаче радиоволн, и из приемника начинает доноситься весьма неприятный шум и треск.