«Очень быстрые электрические колебания»

Генрих Рудольф Герц (Heinrich Rudolf Hertz), 1857–1894

В период с 1886 по 1888 года Герц в углу своего физического кабинета в Политехнической школе Карлсруэ (Берлин) исследовал излучение и прием электромагнитных волн. Для этих целей он придумал и сконструировал свой знаменитый излучатель электромагнитных волн, названный впоследствии «вибратором Герца». Вибратор представлял собой два медных прутка с насаженными на концах латунными шариками и по одной большой цинковой сфере или квадратной пластине, играющей роль конденсатора. Между шариками оставался зазор – искровой промежуток. К медным стержням были прикреплены концы вторичной обмотки катушки Румкорфа – преобразователя постоянного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения. При импульсах переменного тока между шариками проскакивали искры и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Перемещением сфер или пластин вдоль стержней регулировались индуктивность и емкость цепи, определяющие длину волны. Чтобы улавливать излучаемые волны, Герц придумал простейший резонатор – проволочное незамкнутое кольцо или прямоугольную незамкнутую рамку с такими же, как у «передатчика» латунными шариками на концах и регулируемым искровым промежутком.

Посредством вибратора, резонатора и отражательных металлических экранов Герц доказал существование предсказанных Максвеллом электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве. Он доказал их тождественность световым волнам (сходство явлений отражения, преломления, интерференции и поляризации) и сумел измерить их длину.

Принципиальная схема передатчика (слева) и приемника Герца

Передающий и приемный отражатели

Благодаря своим опытам Герц пришел к следующим выводам: 1 – волны Максвелла «синхронны» (справедливость теории Максвелла, что скорость распространения радиоволн равна скорости света); 2 – можно передавать энергию электрического и магнитного поля без проводов.

В 1887 по завершении опытов вышла первая статья Герца «Об очень быстрых электрических колебаниях», а в 1888 – еще более фундаментальная работа «Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении».

Герц считал, что его открытия были не практичнее максвелловских: «Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». «И что же дальше?» – спросил его один из студентов. Герц пожал плечами, он был скромный человек, без претензий и амбиции: «Я предполагаю – ничего».

Но даже на теоретическом уровне достижения Герца были сразу отмечены учеными как начало новой «электрической эры».

В 1891 английский математик и физик сэр Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) выскажет замечание по этому поводу: «Три года назад электромагнитных волн не было нигде, теперь они есть везде».

Летом 1888, четырнадцатилетнему юноше во время отдыха в Альпах попалась на глаза статья Герца. Неизвестно что он понял из серьезного научного журнала, но возникла идея: почему бы ни попытаться использовать волны образованные вибратором Герца для передачи сигналов? По дороге мальчишке не терпелось смастерить что-то необычное.

Через 13 лет детская увлеченность свяжет Америку и Европу невидимой линией беспроводного телеграфа. А имя Гульельмо Маркони станет нарицательным в разговорах о радио…

Генрих Герц умер в возрасте 37 лет в Бонне от заражения крови. После смерти Герца в 1894, сэр Оливер Лодж заметил: «Герц сделал то, что не смогли сделать именитые английские физики. Кроме того, что он подтвердил истинность теорем Максвелла, он сделал это с обескураживающей скромностью».

Стеклянная трубка, металлические опилки и модель нерва

Эдуард Юджин Десаир Брэнли (Edouard Eugene Desire Branly), 1844–1940

Имя Эдуарда Брэнли не особенно известно в мире, но во Франции он считается одним из важнейших вкладчиков в изобретение радиотелеграфной связи.

В 1890 году профессор физики парижского Католического университета Эдуард Брэнли стал серьезно интересоваться возможностью применения электричества в терапии. По утрам он направлялся в парижские больницы, где проводил лечебные процедуры электрическим и индукционным токами, а днем исследовал поведение металлических проводников и гальванометров при воздействии электрических зарядов в своей физической лаборатории.

Устройство, которое принесло Брэнли известность, была «стеклянная трубка, свободно заполненная металлическими опилками» или «датчик Брэнли». При включении датчика в электрическую схему, содержащую батарею и гальванометр он работал как изолятор. Однако если на некотором расстоянии от схемы возникала электрическая искра, то датчик начинал проводить ток. Когда же трубку слегка встряхивали, то датчик вновь становился изолятором. Реакция датчика Брэнли на искру наблюдалась в пределах помещения лаборатории (до 20 м). Явление было описано Брэнли в 1890 году.

Кстати, подобный метод изменения сопротивления опилок, только угольных, при прохождении электрического тока, еще до недавнего времени повсеместно использовался (а в некоторых домах используется и поныне) в микрофонах телефонных аппаратов (так называемые «угольные» микрофоны).

По мнению историков Брэнли никогда не задумывался о возможности передачи сигналов. Он интересовался главным образом параллелями между медициной и физикой и стремился предложить медицинскому миру интерпретацию проводимости нерва, смоделированную с помощью заполненных металлическими опилками трубок.

Впервые публично продемонстрировал связь между проводимостью датчика Брэнли и электромагнитными волнами британский физик Оливер Лодж.

Когерер, «syntonic» и спиритизм

Оливер Джозеф Лодж (Oliver Joseph Lodge), 1851–1940

Среди основных заслуг Лоджа в контексте радио следует отметить его усовершенствование датчика радиоволн Брэнли.

К датчику Брэнли Лодж добавил прерыватель (trembler), устройство, которое встряхивало опилки, после прохождения разряда. Лодж назвал свое изобретение «когерер».

Когерер Лоджа, впервые продемонстрированный перед аудиторией Королевского Института в 1894, позволял принимать сигналы кода Морзе переданные радиоволнами и давал возможность их записи регистрирующим аппаратом. Это позволило изобретению вскоре стать стандартным устройством беспроводных телеграфных аппаратов. (Датчик вышел из употребления только через десять лет, когда будут разработаны магнитные, электролитические и кристаллические датчики).

Не менее важны другие работы Лоджа в области электромагнитных волн. В 1894 Лодж на страницах «London Electrician» рассуждая о значении открытий Герца, описал свои эксперименты с электромагнитными волнами. Он прокомментировал обнаруженное им явление резонанса или настройки:

…некоторые схемы по своей природе «вибрирующие… Они способны поддерживать возникшие в них колебания в течение длительного периода, в то время как в других схемах колебания быстро затухают. Приемник затухающего типа отреагирует на волны любой частоты, в противоположность приемнику, основанному на постоянной частоте, который реагирует только на волны с частотой его собственных колебаний.

Лодж обнаружил, что вибратор Герца «излучает очень мощно», но «из-за излучения энергии (в пространство), его колебания быстро затухают, поэтому для передачи искры он должен быть настроен в соответствии с приемником».

16 августа 1898 Лодж получил патент №609154, в котором предлагалось «использовать настраиваемую индукционную катушку или антенный контур в беспроводных передатчиках или приемниках, или в обоих устройствах». Этот «настраивающийся» («syntonic») патент имел большое значение в истории радио, поскольку в нем были изложены принципы настройки на нужную станцию. 19 марта 1912 этот патент был приобретен компанией Маркони.

Впоследствии Маркони так сказал про Лоджа:

Он (Лодж) – один из самых больших наших физиков и мыслителей, но особенно значительны его работы в области радио. С самых первых дней, после экспериментального подтверждения теории Максвелла относительно существования электромагнитного излучения и его распространения через пространство, очень немногие люди обладали ясным пониманием в отношении разгадки этой одной из наиболее скрытых тайн природы. Сэр Оливер Лодж обладал этим пониманием в гораздо большей степени, чем любой другой из его современников.

Почему Лодж не изобрел радио? Сам он так объяснил этот факт:

Я был слишком занят работой, чтобы браться за развитие телеграфа или любого другого направления техники. У меня не было достаточного понимания того, чтобы почувствовать насколько это окажется экстраординарно важным для флота, торговли, гражданской и военной связи.

За вклад в развитие науки в 1902 году король Эдуард VII посвятил Лоджа в рыцари.

Интересна и загадочна дальнейшая судьба сэра Оливера.

После 1910 он увлекся спиритизмом и стал яростным сторонником идеи общения с мертвыми. Его занимали вопросы связи науки и религии, телепатия, проявления таинственного и неизвестного. По его мнению, самым простым способом связи с Марсом будет перемещение по пустыне Сахара гигантских геометрических фигур. В возрасте восьмидесяти лет Лодж объявил, что попытается связаться с миром живых после своей смерти. Он передал запечатанный документ на хранение в Английское общество психических исследований, в котором, по его словам, содержался текст сообщения, которое он передаст с того света.