Радио и радиолокация

Доклад по физике на тему : 

«Радио и Радиолокация».

Ахмедьяновой Яны 11 класс.

Мечта о связи

Связь во все времена была двигателем прогресса. А уж о том, чтобы она была мгновенной, мечтали практически все. Правда, долгое время это все оставалось в области сказок, преданий и волшебных легенд. Блюдечки с наливными яблочками, говорящие зеркала, камни и талисманы — сказки о таких чародейских предметах, позволявших увидеть что угодно, есть у всех народов.

К концу XIX века сказка начала становиться явью. Мир оплела сеть телеграфных проводов (об этом мы рассказывали в сентябрьском номере Mobi), сообщения из Петербурга в Нью-Йорк доходили за считанные минуты. Чуть позже был изобретен телефон — и не только буквы, но и живую речь стало возможно передавать на расстоянии. Но вот в чем загвоздка — чтобы воспользоваться этой связью, обязательно нужен был провод.

К тому времени практически весь земной шар был исследован, эпоха великих географических открытий подошла к концу. Огромные лайнеры с паровыми котлами и железной обшивкой бороздили океан, перевозя людей по всему миру. Белых пятен на карте практически не осталось, однако водная стихия — место опасное, и связь с сушей была для кораблей острой насущной необходимостью. Но не могли же они брать с собой огромные бобины с проводом! Конечно, были прецеденты, крупные армейские подразделения нередко так и поступали, в походах разматывая за собой телеграфный кабель. Но ни морским кораблям, ни научным экспедициям такая роскошь не была доступна.

Мгновенная связь без проводов по-прежнему оставалась мечтой. Но техника шла вперед семимильными шагами, решая одну древнюю проблему за другой, — подошло время и для такой связи.

Волна без моря

Существование электромагнитных волн еще в 1864 году теоретически предсказал великий английский физик Джеймс-Клерк Максвелл. Эти волны должны были преодолевать значительное расстояние без каких-либо специальных проводников.

Менее чем через четверть века этими «невидимыми волнами» занялся талантливый ученый-экспериментатор Генрих Герц. Родившись в Гамбурге, он вначале поступил в техническое училище, но ограниченный взгляд техника его не устраивал. Вскоре он перешел в Берлинский университет, где при первой возможности приступил к опытам с электричеством. В возрасте 22 лет, еще не окончив университета, Герц получает звание доктора — исключительный по тем временам случай! А в 28 лет, в 1885 году, Герц становится профессором.

Первоначально немецкий ученый был убежденным противником электромагнитной теории Максвелла. Чтобы опровергнуть ее опытным путем, в 1887—1888 годах Герц поставил ряд экспериментов, однако результаты полностью подтвердили теорию. Герц был честным ученым и в результате не только признал, но и продолжил работу, начатую Максвеллом.
В процессе этих экспериментов Герц сумел создать устройство, способное передавать и принимать электромагнитные волны. Между двумя расходящимися штырями, на которые подавали высокочастотный ток, проскакивала искра. Такая же искра сама собой появлялась на другой паре штырей.

Такой приемник был очень малочувствительным и работал лишь на расстоянии нескольких метров. Если для экспериментов этого было вполне достаточно, то для реальной связи нужен был другой, более совершенный передатчик. К сожалению, создать его Герц не успел, поскольку в 1894 году скончался от заражения крови.
Если бы Генрих Герц успел сделать немного больше, то никаких споров о том, кто изобрел радио, вероятно, не появилось бы...

Попов и Маркони

Мировая ученая общественность заинтересовалась опытами Герца. И вскоре путь к созданию чувствительного приемника был открыт. Французский исследователь Э. Бранли и англичанин О. Лодж обнаружили, что трубка, наполненная металлическим порошком, реагирует на электромагнитные волны. Как только на передатчике проскакивала искра, трубка, которую назвали когерером, принимала сигнал и начинала проводить ток. Но чтобы принять следующий сигнал, когерер нужно было слегка встряхнуть, возвращая его в исходное состояние.

Об опытах Бранли и Лоджа узнал русский инженер Александр Степанович Попов. Он работал в Морском ведомстве (в частности, преподавал в минном классе в Кронштадте) и хорошо понимал необходимость беспроводной связи. Он начал поиски практического применения «волн Герца». Нужно было настроить аппарат так, чтобы когерер «дергался» сразу после каждого сигнала, чтобы иметь возможность тут же принять и следующий сигнал.

Решение, найденное Поповым, поражает своей простотой. К когереру был подключен электрический звонок. Как только появлялся сигнал, молоточек звонка ударял по когереру, возвращая его в исходное состояние. По «звяканью» можно было принимать сигналы азбукой Морзе. А также к аппарату можно было подключить перо, чтобы регистрировать сигналы на движущейся ленте.

7 мая 1895 года Попов впервые публично продемонстрировал прием и передачу радиосигналов на расстоянии около 60 м. Летом того же года он решил использовать свой приемник для другой цели — регистрации на ленте грозовых разрядов. Первый прибор Попова, приносящий практическую пользу, стал известен как «грозоотметчик» — это был все тот же приемник с подключенным пером.

24 марта 1896 года на лекции в Русском физико-химическом обществе Попов передал радиограмму со словами «Генрих Герц» азбукой Морзе. Теперь связь работала уже на 250 м. Успех был налицо, но чтобы достичь требуемых на флоте дальностей связи, требовалась долгая работа. Однако Попов не торопился — он работал вдумчиво и качественно, как и подобает военному инженеру.

Молодой итальянец Гульельмо Маркони подошел к делу совсем иначе. В 1895 году он также добился некоторого успеха в телеграфировании без проводов, причем схема его приемника практически не отличалась от варианта Попова. Дело в том, что Маркони учился у известного итальянского физика Аугусто Риги, и некоторые исследователи считают, что Риги знал о работах Попова и рассказал о них Маркони. Однако эта версия не доказана.

Как и у Попова, система Маркони пока что работала лишь на небольшие расстояния, тем не менее он тут же загорелся желанием найти ей самое широкое применение.

Сначала Маркони обратился в итальянское почтовое министерство, но получил отказ. В начале 1896 года он отправился в Британию, где тут же обратился за патентом на свое изобретение.

В 1897 году Маркони получил британский патент и основал коммерческую компанию. Правда, во Франции и Германии, а позже и в России, ему в патенте отказали, ссылаясь на работы Попова.

Шумиха, поднятая Маркони вокруг еще вполне «сырого» аппарата, дошла до России. А.С. Попов изложил свой взгляд на деятельность Маркони следующим образом: «Заслуга открытия явлений, послуживших Маркони, принадлежит Герцу и Бранли, затем идет целый ряд приложений, начатых Минчиным, Лоджем и многими после них, в том числе и мною, а Маркони первый имел смелость стать на практическую почву и достиг в своих опытах больших расстояний усовершенствованием действующих приборов». (Из письма в редакцию петербургской газеты «Новое время»).

В том же письме Попов изложил и свое отношение к патентованию и коммерческим привилегиям. «Если мы охотно пользуемся преимуществами от чужих изобретений, то мы должны быть рады судьбе послужить и другим своим изобретением, и сделать это должны великодушно и бескорыстно». Труды русского изобретателя должны были в свое время обогатить не только Россию, но и все человечество, тогда как Маркони стремился прежде всего к коммерческому успеху.

Реальная радиосвязь

Следует признать, что действия Маркони на поприще коммерциализации своего изобретения были вполне успешны. Уже в 1898 году он обеспечил первое применение радиосвязи на практике. Принц Уэльский, будущий король Британии Эдуард VII, повредил ногу на балу и решил восстановить здоровье на королевской яхте «Осборн», а заодно посетить регату. Его мать, знаменитая королева Виктория, находилась на берегу и беспокоилась о здоровье сына. Маркони обеспечил достаточно надежную связь между яхтой и прибрежной королевской резиденцией.

Практический дебют системы Попова состоялся позже. В ноябре 1899 года российский броненосец «Генерал-адмирал Апраксин» напоролся на подводную скалу возле острова Гогланд (недалеко от берегов Финляндии, входившей тогда в состав Российской империи). Чтобы освободить броненосец, требовалось разрушить скалу взрывами. На эту операцию требовалось значительное время. Между тем море вскоре оказалось покрыто льдом, и работы нужно было закончить до весеннего ледохода.

Для ускорения спасательной операции требовалась бесперебойная связь с командованием в Петербурге. От Петербурга до ближайшего к месту событий финского города Котка шла телеграфная линия, но до острова Гогланд она не доходила. Было решено использовать беспроводной телеграф системы Попова.

Необходимое оборудование на Гогланд завез ледокол «Ермак». Система заработала не сразу, но к 6 февраля 1900 года удалось установить надежную связь. И в этот же день около другого финского острова — Лавансари — оторвало и унесло в море льдину с 50 рыбаками. Спасти их мог только ледокол.

Сообщение об этой трагедии пришло из Петербурга в Котку по телеграфу. Нарочный не смог дойти по льду до Гогланда, где находился «Ермак». И тогда Попов передал приказ «Ермаку» по радио. Ледокол немедленно вышел в море и успешно спас рыбаков. Этот приказ стал первой официальной русской радиограммой.

К апрелю 1900 г. броненосец «Апраксин» был успешно снят со скалы. Беспроволочный телеграф доказал свою надежность и был принят на вооружение флота России.

Первые годы: открытость против монополии

И Маркони, и Попов активно работали над совершенствованием беспроволочной связи. Со временем удалось добиться увеличения дальности и улучшения качества связи.

В 1899 году Попов разработал новый, более чувствительный приемник, основанный на так называемом телефонном детектировании. В нем использовались наушники, а не звонок, и можно было «поймать» более слабый сигнал.

В свою очередь, Маркони в 1900 году запатентовал «синтонную настройку», т.е. возможность передачи и приема на определенной длине волн (частоте). До этого две радиостанции, передающие одновременно, всегда мешали друг другу, теперь же они смогли работать на разных частотах.

В 1901 году Маркони провел пробную передачу через Атлантический океан. Он объявил, что в некий момент услышал на острове Ньюфаундленд (Канада) сигнал из Англии. До сих пор идут споры о том, было ли это на самом деле... Но как бы то ни было, на менее значительных расстояниях связь работала все лучше.

Радиостанции начали использовать довольно активно — в первую очередь для связи между морскими кораблями и берегом. Военные и гражданские судна оснащались радиостанциями. Основными производителями таких станций стали британская фирма «Маркони», французская «Дюкрете» (с ней работал Попов), американская De Forest, а также немецкие компании, которые в 1903 г. создали общую фирму для выпуска радиотехники — Telefunken.

Поскольку именно Маркони первым начал коммерческое продвижение радио, то при активном содействии британского правительства его фирме удалось захватить наибольшую часть рынка. И итальянский ученый активно пользовался своим положением.

Для гражданских судов, как правило, нельзя было просто купить радиостанцию Маркони. Вместе с оборудованием непременно предоставлялся «оператор Маркони». Само собой, за отдельную регулярную плату.

Через береговые радиостанции, с которыми связывались корабли, можно было переслать сообщение в телеграфную сеть, а значит — на любой адрес на суше. Заметная часть этих «базовых станций» также принадлежала компании «Маркони». Вероятно, ее можно было бы назвать первым оператором мобильной связи — вот только вместо карманных телефонов использовались живые операторы в сочетании с громоздкой техникой.

Операторам «Маркони» (и на суше, и на кораблях) было запрещено устанавливать связь с радиостанциями других производителей. От кораблей, оснащенных системой Попова — «Дюкрете» или Telefunken, сообщения не принимались. Технически такая связь была бы вполне возможна, но Маркони установил этот запрет для укрепления своей монополии.

Многие были возмущены таким поведением. Последней каплей стал случай с братом германского кайзера Генрихом. Он возвращался из США в Европу на германском судне «Дойчланд». Разумеется, на корабле было немецкое радиооборудование. Береговые станции «Маркони» отказались передавать сообщения от Генриха кайзеру Германии и президенту США.

После этого инцидента кайзер Вильгельм потребовал созыва первой международной конференции по радиосвязи. Она собралась в Берлине в 1903 году и выработала предложения по общим правилам связи. Эти правила были окончательно приняты на второй берлинской конференции в 1906 году. Теперь все береговые станции должны были связываться с кораблями вне зависимости от производителей оборудования. Чтобы облегчить такую связь, были приняты правила по используемому алфавиту (Морзе), длинам волн и условным сигналам — в частности, сигналом призыва о помощи был объявлен знаменитый SOS.

Однако компания «Маркони», потеряв «волновую монополию», не перестала быть крупнейшим игроком на рынке радиосвязи.

Таинственный Никола Тесла

Наряду с Поповым и Маркони был и еще один инженер, претендовавший на звание изобретателя радио.

Никола Тесла, серб, переехавший в США в 1884 году, к тому времени был уже неплохим инженером. Сначала он работал у Томаса Эдисона. Как-то Эдисон пообещал молодому Тесле $50 тысяч, если тот сумеет разобраться с некоторыми крайне сложными техническими проблемами. Однако когда Тесла сделал свою работу, вместо обещанного гонорара он получил предложение о повышении зарплаты на $10 в неделю...

Изобретатель не просто ушел от Эдисона — он чуть не разорил его компанию. Эдисон продвигал электрическую проводку постоянного тока, а Тесла изобрел генератор и мотор переменного тока. Использовать переменный ток оказалось существенно удобнее, и благодаря патентованию этого изобретения Тесла получал неплохой доход.

В 1893 году во время лекции Никола Тесла продемонстрировал принципы беспроволочной связи. К 1895 году вроде бы было готово оборудование для демонстрации связи на 50 миль — но пожар в лаборатории Теслы уничтожил все без следа...

Ученый получил несколько патентов, связанных с радиосвязью, и некоторое время даже получал отчисления от компании «Маркони». Правда, в 1904 году все патенты были переданы Маркони — многие считают, что правительство США просто хотело сэкономить на выплатах Тесле, а заодно и угодить солидной корпорации. Никола Тесла попробовал защитить свои права в суде, но сражение против такого «денежного мешка», как компания «Маркони», оказалось ему не по силам.

Впрочем, Тесла не особо интересовался «обычной» радиосвязью. Он хотел чего-то особенного, что изменило бы весь мир. А для этого требовались масштабные эксперименты, а значит — и деньги.

В 1900 году Тесла начал строительство огромной деревянной башни в городке Шорхэм, штат Лонг-Айленд. Инвесторам он заявил, что на базе этой башни будет создана система радиосвязи со всем миром. На самом деле, Тесла хотел обеспечить не только связь. Башня должна была передавать на расстоянии «дармовую» электрическую энергию, обеспечив ею чуть ли не всю Землю. Кроме того, она должна была позволить управлять погодой и т.д.

Строительство было завершено в 1903 году, но башня так и не заработала. Великий проект провалился — ни радиосвязи, ни энергии не было. Тесла хотел исправить ошибки, но разочарованные инвесторы прекратили поддержку проекта. После 1905 года Тесла даже не пытался продолжать работу, и в конце концов, в 1917 году, когда земельный участок Теслы был продан за долги, башню снесли.

Позже Тесла сделал еще несколько важных изобретений — в частности, именно он сформулировал основные принципы построения радара. Он также заявлял, что создал особое оружие — «лучи смерти», которые безуспешно пытался продать английскому правительству. Эту теорию о смертельном оружии удачно обыграл советский писатель Алексей Толстой в своем фантастическом романе «Гиперболоид инженера Гарина».

Тесла умер в 1943 году, и все его бумаги тут же были засекречены. В том же году Верховный суд США вернул ему права на изобретения, связанные с радио, но было уже поздно.

Секрет своей башни Тесла унес с собой в могилу. И никто теперь не может точно сказать, что принесло бы человечеству успешное завершение эксперимента.

Война, мир и радио

ХХ век вступал в свои права. Беспроволочный телеграф становился все более совершенным.

Создавались новые антенны, детекторы, способы передачи и т.п. Американский ученый и инженер Реджиналд Фессенден разработал альтернативный способ радиопередачи звука, и в ночь под Рождество 1906 года сыграл на скрипке для операторов ближайших радиостанций.

Увеличивалось доступное для связи расстояние. Уже в 1903 году Маркони удалось осуществить первые полностью достоверные передачи через Атлантический океан, а в 1910 году он открыл коммерческую трансатлантическую линию связи.

Радио спасало жизни на море и на суше. Во время знаменитой катастрофы, случившейся с океанским лайнером «Титаник», два оператора «Маркони», находившиеся на судне, постоянно передавали в эфир сигналы бедствия. И именно благодаря этому многие пассажиры были спасены. Это была самая известная, но отнюдь не первая и не последняя подобная история. С тех пор установка радиостанций на кораблях стала обязательной.

Радио становилось и поводом для скандалов. Так, в 1912 году британское правительство решило поручить компании «Маркони» создание сети радиостанций, которые были бы переданы в собственность Британской Короны и обеспечили бы стабильную связь с колониями по всему миру. Но возникло подозрение, что министры использовали ситуацию для личного обогащения, спекулируя акциями «Маркони». Парламентские слушания длились долго. Министров в конце концов оправдали, а ситуация осталась известна в истории как «скандал Маркони», хотя сам Маркони в нем вообще не участвовал.

В том же 1912 году Лондонская международная конференция окончательно установила правила радиосвязи.

Однако радиостанциями снабжали не только гражданские корабли. Европейские страны перевооружали и совершенствовали военный флот, и радиосвязи при этом уделялось особое внимание. Создавались и полевые радиостанции для сухопутных армий. Близилась Первая мировая война, и в ней радио сыграло далеко не последнюю роль.

Кто же изобрел радио?

Все сто с лишним лет существования радио не стихают споры: кто же все-таки достоин называться его изобретателем? На Западе, как правило, таковым считают Маркони, в России — Попова...

Практические системы радиосвязи были созданы несколькими инженерами. Попов, безусловно, провел публичную демонстрацию своей системы раньше, чем Маркони. Но если верить биографам Николы Тесла, он сделал это еще раньше.

Нобелевская премия за изобретение радио, присужденная в 1909 году, досталась Маркони и немецкому инженеру Карлу Брауну. Попов, к сожалению, скончался раньше, а «нобелевку» присуждают только живым...

Тесла, заметим, изначально вообще не уделял беспроволочному телеграфу особого внимания, его больше интересовала передача электрической энергии на расстояние. Когда в прессе появилась идея о возможном присуждении Нобелевской премии Тесле, он заявил, что куда больше хотел бы признания своих изобретений. Этого он так и не дождался — немалая часть того, что он создал, к сожалению, осталась неизвестной.

Попов был военным инженером и преподавателем. Он не стремился к установлению собственного приоритета — тем более что подлинно научная работа была выполнена раньше, в первую очередь Генрихом Герцем. Попов хотел создать надежную и практичную систему для флота, России и человечества — и он это сделал.

Маркони же действительно стал «отцом радио» — но не как инженерного изобретения (здесь, по меньшей мере в самом начале, он отставал от Попова), а как бизнеса. Маркони первым понял, что за «невидимым телеграфом» стоят вполне реальные денежные купюры. И свою «львиную долю» стремился получить всеми правдами и неправдами. Среди его достижений — патент на «сырое» изобретение, шумная реклама, попытка установить монополию через запрет связи с другими станциями... Однако надо признать, что активным распространением радиостанций мир обязан в первую очередь Маркони.

Конструкции радиопередатчиков и приемников давно изменились, «искра» Попова и Маркони осталась в далеком прошлом. А вот бизнес информационных технологий и телекоммуникаций до сих пор живет по законам итальянского ученого-выскочки. И теперь уже другая большая фирма «на букву М», основанная другим молодым инженером, достигла монополии за счет массовой рекламы недоделанных продуктов и пытается ее удержать, скрывая от других программный код своей продукции. Однако благодаря той же Microsoft компьютер вошел во многие дома и офисы, стал привычным и понятным.

В отличие от радио, изобретение такого маркетингового хода бесспорно принадлежит Маркони. А образцом для инженеров, которые несмотря на «рыночное давление» умудряются работать спокойно и качественно, остается Александр Степанович Попов, русский изобретатель радио. Человек, который достиг реальных результатов гораздо раньше Маркони и мог бы его «обогнать», но предпочел сначала довести работу до конца.