А. С. Попов и советская радиотехника: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Через несколько лет преподавательской работы, сопровождавшейся углубленным изучением электротехники, А. С. Попов стал одним из виднейших морских специалистов в этой области. По свидетельству проф. А. А. Георгиевского, который в течение пяти лет был ассистентом Попова в Минной школе, «Ни один крупный вопрос, так или иначе соприкасавшийся с областями физики и в частности электротехники, не решался в Морском ведомстве без участия А. С. Попова». В 1894 г. А. С. Попов был избран в члены Русского технического общества, а затем товарищем председателя Кронштадтского отделения этого общества. Такое быстрое завоевание авторитета среди специалистов флота и вообще в научном мире объяснялось не только глубиной знаний и широтой научных взглядов А. С. Попова, но и исключительной скромностью, вдумчивым отношением к вопросам, предлагаемым ему при различных консультациях, и продуманными, глубокими ответами на них.

Области электротехники, которыми интересовался и изучал А. С. Попов, были самыми разнообразными. Он следил за развитием теории и техники переменного тока, хорошо знал работы выдающегося русского инженера М. О. Доливо-Добровольского, основоположника теории многофазных переменных токов, конструктора первого надежно работавшего асинхронного электродвигателя[2]. Помимо того, Попов часто выступал с публичными лекциями по физике и электротехнике в собрании специалистов по минному делу и других офицеров, выбирая для таких выступлений новые и интересные темы, специально готовясь к ним и разрабатывая для них различные физические опыты, демонстрации аппаратуры. Его лекции, подкрепляемые опытами и демонстрациями, всегда вызывали большой интерес, проходили при переполненной аудитории и пользовались исключительной популярностью.

А. С. Попов (в центре) и его сотрудники и сослуживцы — Г. А. Любославский и Н. Н. Георгиевский.

Таким образом, ко времени опубликования сообщений о подтверждении существования электромагнитных волн А. С. Попов сложился уже как зрелый преподаватель, широко подготовленный физик и электротехник. В начале 1889 г. А. С. Попов присутствовал на заседании Русского физико-химического общества, на котором проф. Егоров воспроизводил опыты с электромагнитными волнами. Для показа той ничтожной искорки, которая проскакивала между шариками резонатора, требовалась полная темнота в аудиторий, но и при этих условиях искру могли видеть лишь несколько «счастливцев», стоящих непосредственно у резонатора. Эта лекция навела А. С. Попова, блестящего экспериментатора, на мысль, что аппаратура, применяемая для показа действия электромагнитных волн, носит чисто лабораторный характер и что даже для простого повторения таких опытов в учебной аудитории она не годится и, следовательно, требует коренного улучшения. Поэтому А. С. Попов сразу отказался от слепого копирования опытов (что делало большинство учёных), а стал методически устранять недостатки аппаратуры, испытывать множество вибраторов и приёмных резонаторов различного вида и конструкции, причём большинство их изготовлял собственноручно. Через несколько месяцев А. С. Попов имел в своём распоряжении реконструированную им аппаратуру, позволявшую показывать проскакивание искры в приёмном резонаторе при нормальном освещении в лекционном зале.

Товарищи и сотрудники А. С. Попова неоднократно обращались к нему с вопросами, зачем он столько времени и труда отдаёт изучению свойств электромагнитных волн. Для подавляющего большинства из них электромагнитные волны казались только интересной новинкой физики, не имеющей определённых практических перспектив. В ответ А. С. Попов в кругу своих близких знакомых и сослуживцев развивал убедительную картину возможного применения электромагнитных волн для осуществления связи без проводов.

Пользуясь улучшенными им самим приборами, А. С. Попов прочёл в Кронштадте и в Петербурге несколько лекций, названных «Новейшие соотношения между световыми и электрическими явлениями». Свою лекцию в Кронштадтском морском собрании 23 февраля 1890 г. А. С. Попов закончил так: «Человеческий организм не имеет такого органа чувств, который замечал бы электромагнитные волны в эфире; если бы изобрести такой прибор, который заменил нам электромагнитные чувства, то его можно было бы применить к передаче сигналов на расстояние». Эти слова Александра Степановича указывают на то, что он не только правильно оценил значение открытия электромагнитных волн, но и продолжал размышлять о практическом применении их для осуществления беспроволочной связи, идя в этом направлении дальше, не подчинившись слепо, как огромное большинство физиков того времени, распространённому мнению, что практическое применение электромагнитных волн не имеет почвы. Приведенные выше высказывания А. С. Попова сопровождались работами изобретателя над осуществлением беспроволочной связи. Нетрудно заключить, что эта идея изобретателя зародилась в прямой связи с его работами в военно-морском флоте, чрезвычайно нуждавшемся в подобном средстве связи.

В опубликованной литературе нередко можно встретить указание, что впервые мысль о возможности практического применения электромагнитных волн для связи была высказана английским учёным Круксом в статье, опубликованной в журнале «Фортнайтли Ревью» в феврале 1892 г.

А. С. Попов в кругу семьи.

На самом деле первые мысли о таком применении электромагнитных волн были высказаны А. С. Поповым. Именно это его высказывание, видимо, повлияло и на опубликование аналогичной идеи в русском журнале «Электричество» в 1890 г. В № 1–5 журнала был напечатан обзор О. Д. Хвольсона «Об опытах Герца и их значении», который автор заканчивал словами: «Опыты Герца пока кабинетные; что из них разовьется дальше и не представляют ли они зародыш новых отделов электротехники — этого решить в настоящее время невозможно». Редакция журнала «Электричество» не согласилась со столь осторожной формулировкой и добавила к этим строкам О. Д. Хвольсона редакционное примечание: «Например, телеграфия без проводов, наподобие оптической». (Примечание редакции журнала «Электричество».) Таким образом, первые высказывания А. С. Попова о практическом использовании электромагнитных волн и первое указание об этом в русской технической литературе на два года опередили подобные высказывания в иностранной печати.

Почти пять лет со времени лекции в Кронштадтском морском собрании А. С. Попов работал над своим изобретением. Несомненно этот срок был бы много короче, если бы изобретателю были предоставлены те исключительно благоприятные условия, в которых работают наши советские учёные и конструкторы. Своему крупнейшему изобретению А. С. Попов мог уделять только очень незначительное время, свободное от повседневной большой педагогической нагрузки. Исследования приходилось вести лишь по вечерам, а нередко и ночью, за счёт отдыха, расходовать на опыты и изготовление приборов свои, более чем скромные средства. Крайняя необходимость улучшить материальное положение, вызванная увеличением семьи, заставила А. С. Попова с 1889 г. в течение 9 лет уезжать с начала весны и до осени в Нижний-Новгород (ныне г. Горький), где он был начальником электростанции, обслуживавшей Нижегородскую ярмарку. Во время этих постоянных летних отлучек Александра Степановича намеченные им исследования и опыты с электромагнитными волнами проводил в Кронштадте П. Н. Рыбкин, ближайший сотрудник изобретателя, регулярно выполнявший намеченную Поповым программу работ, постоянно сообщавший в письмах А. С. Попову результаты опытов и получавший в ответ новые советы и указания.

К 1894 г. А. С. Попов закончил усовершенствование передатчика электромагнитных волн. Он понимал, что этот передатчик еще несовершенен и пригоден для опытов по существу лабораторного характера. Вместе с тем ему было совершенно ясно, что на пути решения поставленной задачи заниматься дальнейшим усовершенствованием только передатчика не имеет смысла, потому что наиболее слабым звеном всей цепи аппаратуры беспроволочного телеграфирования на первоначальном этапе является не передатчик, а приёмное устройство для обнаружения электромагнитных волн.

Проволочный круг-резонатор удовлетворял требованиям, пока опыты проводились в небольшой лаборатории. Однако он оказывался уже неподходящим, как только опыты требовалось показать большой аудитории и, как отчётливо представлял себе А. С. Попов, должен был стать вовсе непригодным (из-за очень низкой чувствительности) при опытах по беспроволочной связи. Поэтому, прежде чем разрабатывать аппаратуру для таких опытов, надо было найти новый способ обнаружения электромагнитных волн, значительно более совершенный, более чувствительный, чем проволочный резонатор. Такую задачу поставил перед собой изобретатель и начал работать над её разрешением.

Из журнальной литературы 1891–1894 гг. А. С. Попов ознакомился с работами, указывавшими на свойства металлических порошков изменять свою проводимость, т. е. менять сопротивление электрическому току, под действием электромагнитных волн. Но этот прибор работал очень ненадёжно. Металлические опилки, насыпанные в стеклянную трубочку, оказывали большое сопротивление прохождению через них электрического тока, но как только вблизи этой трубочки происходило возбуждение электромагнитных волн, опилки слегка спекались и проводили ток значительно лучше. Для того чтобы восстановить высокое сопротивление опилок, трубочку требовалось слегка встряхнуть. С этой целью приспосабливали пружинный часовой механизм из телеграфного аппарата, служивший для протягивания ленты.

А. С. Попов сразу понял, что трубочка с металлическими опилками пригодится, но её нужно значительно усовершенствовать, прежде чем она сможет стать пригодной для уверенного обнаружения электромагнитных волн. Он говорил об этом так: «…я убедился, что постоянство чувствительности трубки… очень мало: причина малого постоянства чувствительности лежит, мне кажется, в непостоянстве контакта между электродами и порошком».

Высказав это соображение, А. С. Попов занялся детальным исследованием свойств порошков различного состава, зернистости, изучением поведения их при прохождении электромагнитных волн, подбором трубочек разной формы, длины, расположением соединительных электродов в них. Эти многочисленные опыты в конечном результате привели к успешному созданию волнообнаружителя оригинальной конструкции А. С. Попова.

Свой прибор Александр Степанович описал следующими словами: «Внутри стеклянной трубки, на ее стенках, приклеены две полоски тонкой листовой платины АВ и CD почти во всю длину трубки (см. чертеж). Одна полоска выведена на внешнюю поверхность с одного конца трубки, другая — с противоположного конца. Полоски платины своими краями лежат на расстоянии около 2 миллиметров при ширине 8 миллиметров; внутренние концы полосок В и С не доходят до пробок, закрывающих трубку, чтобы порошок, в ней помещённый, не мог, набившись под трубку, образовать неразрушаемых сотрясениями проводящих нитей, как то случалось в некоторых моделях».

Волнообнаружитель конструкции А. С. Попова.

Созданный А. С. Поповым волнообнаружитель имел постоянную чувствительность, работал безотказно; все капризы, вызванные несовершенством порошка, недостатками конструкции, были устранены путём тщательного продумывания результатов многочисленных опытов. Но теперь перед изобретателем встала другая, ещё более сложная задача: добиться такой комбинации, чтобы временное сцепление между опилками, вызванное электрическими колебаниями, разрушалось немедленно и притом автоматически. «Автоматизация» встряхивания с помощью часовой пружины из-за ее нерегулярности совершенно не годилась для целей, поставленных Поповым. Начались новые длительные и упорные поиски наиболее простой и удачной конструкции. В одном из вариантов такого решения А. С. Попов для встряхивания опилок применил вращение рамки измерительного прибора — гальванометра, стрелка которого одновременно своим отклонением указывала на прохождение электромагнитных волн. Однако такое встряхивание опилок оказывалось иногда недостаточным для уверенного разрушения временного сцепления между ними.

Напряжённые поиски лучшего решения закончились исключительно простой конструкцией, но эта кажущаяся простота была найдена в результате длительного упорного труда. Для указания на прохождение электромагнитных волн А. С. Попов ввёл в своё приёмное устройство обычный электрический звонок. При сцеплении опилок в волнообнаружителе, вызванном действием электромагнитных волн, звонок срабатывал; молоточек ею был расположен так, что он ударялся о стеклянную трубочку с опилками в том месте, где она была защищена куском резины; таким образом одновременно обеспечивались и сигнализация и автоматическое встряхивание волноуказателя.

Прибор, разработанный Поповым для обнаружения электромагнитных волн, в своём законченном виде представлял собой не что иное как первую в мире приёмную радиостанцию[3]. Трубка с опилками была расположена горизонтально между зажимами М и Н на легкой часовой пружине, слегка согнутой с одной стороны для большей гибкости. Над трубкой был установлен молоточек звонка. Работала приёмная радиостанция следующим образом. К выводу А или В трубки присоединялся отрезок проволоки (приёмная антенна), воспринимавшая электромагнитные волны. По электрической цепи, составленной из батареи напряжением 4–5 вольт, волнообнаружителя и нижнего реле, непрерывно протекал ток от зажима батареи к пластине А, через опилки к пластине В и по обмотке электромагнита обратно к батарее. Из-за большою сопротивления опилок волнообнаружителя величина этого тока в обычном состоянии приёмной станции была очень мала, и поэтому якорь нижнею электромагнита не притягивался.

В момент спекания опилок их сопротивление электрическому току уменьшалось, отчего возрастала сила тока в цепи и якорь нижнего электромагнита притягивался. В это мгновение в точке С происходило замыкание второй электрической цепи, составленной из батареи и звонка, что приводило в действие молоточек. Его удар по чашечке давал сигнал о прохождении волны; на обратном пути молоточек ударял по трубке волнообнаружителя и встряхивал её, нарушая этим спекание опилок и приводя указатель в готовность к приёму следующего сигнала. При этом вновь уменьшался ток через первую электрическую цепь, отпадал якорь нижнего электромагнита, и схема оказывалась готовой к очередному приёму электромагнитных колебаний. На одиночное прохождение электромагнитной волны радиостанция А. С. Попова отзывалась одиночным звонком; непрерывно проходящие электромагнитные волны давали серию звонков.

Схема первого радиоприёмника.

Для того чтобы эта первая в мире радиостанция работала уверенно, было достаточно протекание через электромагнит электрического тока величиной 5 тысячных долей ампера, что свидетельствовало о высокой чувствительности станции к слабым сигналам. Достаточно было присоединить к зажиму А отрезок горизонтальной проволоки длиной 1 метр, чтобы станция уверенно сигнализировала о прохождении электромагнитных волн в большой аудитории, причём вибратор находился в самом дальнем углу этой аудитории. Присоединение вертикального отрезка проволоки длиной 2,5 метра позволяло уже на открытом воздухе принимать сигналы от вибратора, находившегося на расстоянии 12 метров. Окружённая металлическими экранами приёмная радиостанция не отзывалась на электромагнитные сигналы, производимые в самом непосредственном соседстве, но довольно было вывести через отверстие в экране наружу отрезок проволоки длиной 10–15 сантиметров, присоединённый к зажиму А, как станция принимала сигналы от вибратора на расстоянии 4–5 метров; удлинение антенны заметно повышало чувствительность к приёму более слабых сигналов (от более далеко отнесённого вибратора). Перенеся свою приёмную радиостанцию в сад Минной школы и присоединив к ней отрезок проволоки, наброшенный на кусты, А. С. Попов повысил дальность действия станции до 80 метров (вибратор оставался в помещении физического кабинета).

Открытие А. С. Поповым роли приёмной антенны, являющееся само по себе крупным самостоятельным изобретением в деле развития беспроволочной связи, было отнюдь не случайной находкой. Проводя испытания своей станции еще в стенах физического кабинета Минной школы и относя прибор на всё большее и большее расстояние от вибратора, Александр Степанович заметил, что приём электромагнитных волн получался увереннее, когда станция находилась у стен кабинета, по которым были проложены электрические провода. Наблюдения помогли установить роль подобной проводки и использовать это открытие для повышения чувствительности прибора к приёму сигналов. В радиотехнике известен закон так называемой обратимости антенн: любая антенна, хорошо принимающая электромагнитные волны, не менее хорошо работает и будучи присоединённой к передатчику электромагнитных волн. Таким образом, открыв приёмную антенну, А. С. Попов в дальнейшем присоединил антенну и к передатчику электромагнитных волн.

Итак, первую поставленную перед собой задачу изобретатель решил. Он создал приёмную станцию, значительно превосходящую по своей технической завершённости и высокой чувствительности проволочный резонатор, устранив этим наиболее слабое звено всего устройства, необходимого для осуществления беспроволочной связи. Теперь требовался источник электромагнитных колебаний, более мощный, чем вибратор. В самом первоначальном периоде опытов А. С. Попова таким источником явились грозы — электромагнитные волны, существующие в природе. Установив при одном из опытов в саду Минной школы, что приёмная радиостанция отзывается на сигналы и тогда, когда вибратор не работает, Александр Степанович понял, что его приёмник воспринимает грозовые разряды. Так была создана вторая конструкция приёмной радиостанции — «грозоотметчик», прибор, предупреждавший заблаговременно своими звонками о приближении грозы. Кроме звонка, к этому прибору был присоединён и пишущий телеграфный аппарат, служивший для регистрации сигналов на ленту и без присутствия оператора на станции.

[2] Этого талантливого изобретателя и ученого царское правительство вынудило уехать за границу как политического эмигранта.

[3] В одной из конструкций своих приборов А. С. Попов применил трансформатор П. Н. Яблочкова, хранившийся в Минной школе со времени опытов применения во флоте каолиновых электрических свечей Яблочкова.