Радиотехника и радиофизика

Задача, которую начала решать радиотехника вскоре после своего возникновения, была задача генерирования незатухающих колебаний и избирательного приема электромагнитных волн. Военное значение этой задачи, равно как и путь к ее решению, было сформулировано Максом Вином, который писал в 1902 г.: "До сего времени в телеграфии без проводов преобладало стремление к достижению передачи на возможно большие расстояния. Как ни заманчивы подобные опыты, практическое их значение весьма ограничено, если не удастся построить отправительную и приемную станцию так, чтобы могли сообщаться только те станции, которые предназначены друг для друга, причем никакие, хотя бы и близкие станции не могли вызвать никаких действий". Вин в качестве иллюстрации к этой мысли приводит пример гарнизона осажденной крепости, который должен иметь возможность связи с армией, идущей ему на освобождение, "без того, чтобы расположенный между ними неприятель мог перехватывать передаваемые известия". Он указывает, что единственный путь к решению этой задачи "заключается в применении резонанса", т. е. в настройке в унисон отправительной и приемной систем.

Ф. Браун

К этому времени Ф. Браун применил так называемый "круг Брауна" (1898), т. е. колебательный контур, обладающий малым затуханием и большой емкостью. Этот контур запасает много энергии, которая через электромагнитную и гальваническую связь передается отправительной антенне. Энергия, излучаемая антенной, восполняется из "круга Брауна", и потому колебания в антенне не затухают так сильно, как в системе Маркони. Брауну принадлежат и другие важные изобретения в радиотелеграфии. В 1906 г. он изобрел кристаллический детектор электромагнитных колебаний, открыв униполярную проводимость кристалла свинцового блеска (сернистый свинец). Он много работал над проблемой, направленной передачи, предложив систему параллельных антенн и рамочную антенну (1913). В 1909 г. Ф. Браун вместе с Маркони получили Нобелевскую премию "За развитие беспроволочной телеграфии". Дальнейшее улучшение искровых передатчиков было сделано М. Вином. Вин уже в 1897 г. изучал колебательные процессы в связанных системах. В цитированной нами работе 1902 г. "О резонансе в телеграфии без проводов" он изучал избирательные свойства приемных систем, опираясь на теорию связанных колебаний. Эта теория приводит к выводу, что в связанных системах возбуждаются два колебания, разность частот которых зависит от степени связи. При этом период одного из колебаний будет больше любого из периодов вибратора и резонатора, а другой меньше, чем период собственных колебаний любой из этих систем. При резонансе частоты обоих колебаний

где b - общая частота собственных колебаний вибратора и резонатора, настроенных в резонанс b₁ = b₂ = b. При этом возникают биения, продолжающиеся во все время колебаний. "Энергия при этом перекачивается из одной системы в другую. Вначале вся энергия сосредоточена в первичной цепи; затем она на короткое время переходит в цепь вторичную". Вин устанавливает, что, изменяя величину связи, можно вызвать либо весьма мощные затухающие колебания, передающиеся на большое расстояние, либо медленно затухающие, но слабые потоки волн, способные возбуждать резонаторы, одинаково с ними настроенные, но не производящие никакого действия на все другие резонаторы. Передающая станция Брауна, работающая на острове Гельголанд, работала на частоте v = 2,14*10⁶ гц (длина волны 140 м). В первичной цепи L = 2500 см, R = 1 ом, С = 2,7*10^-3 мкф, затухание а = 2*10⁵. Во вторичной цепи L₁ = 1,52*10₅, С₁ = 3,7*10^-5 мкф, а₁ = 5,3*10⁵, М = 7*10³, k = 0,36. Поэтому частота и затухания колебания связи β₁ = 1,5*10⁷, β₂ = 1,10*10⁷, α₁ = α₂ = 3,65*10⁵.

Колебательный круг Брауна

Таким образом, система Брауна излучает мощные быстро затухающие потоки волн, распространяющиеся на большие расстояния, однако острота настройки в ней, по-видимому, не достигается. В итоге своего исследования Вин приходит к выводу, что задача об избирательном телеграфировании без проводов на близкие расстояния теоретически разрешима. Однако он пишет: "Возможность практического ее осуществления будет зависеть главным образом от того, насколько искра является источником затухания первичной цепи отправительной системы и допускает ли введение когерера во вторичную цепь приемной системы возможность острой настройки". Он добавляет: "Все же такая система, основанная на четырехкратном резонансе, заключающая в передатчике непостоянную искру, на приемной станции - не менее непостоянный когерер - является в высшей степени чувствительным прибором, способным, быть может, к правильному функционированию лишь в лабораториях и притом в руках опытных физиков; в руках неопытных лиц она далеко не дает того, чего можно было бы требовать от нее на основании теории".

В этих строках очень ясно очерчена обстановка, сложившаяся в начальный период радиотелеграфии, когда в радиопередатчике работала неустойчивая и трудно поддающаяся теоретическому анализу искра, а в приемнике столь же сложный физически прибор - когерер.

Вин продолжал настойчиво изучать поведение искры в передатчиках. Ему удалось подметить очень важную особенность искры: сильное возрастание ее сопротивления при очень коротких искровых промежутках. Такие искры он назвал "шипящими". В 1906 г. в Данциге он открыл с этими "шипящими" искрами новое явление, которое послужило основой конструкции генераторов слабозатухающих колебаний. При падении вследствие биений амплитуды колебаний в вибраторе до нуля колебания в резонаторе происходят так, как если бы цепь вибратора была разомкнута, и вся энергия, заключенная в нем, передана резонирующему контуру, в котором отсутствие искры приводит к слабому затуханию, т. е. в нем возбуждаются почти незатухающие колебания. Так как энергия передается резонатору от вибратора за короткое время колебаний, то этот способ возбуждения собственных колебаний резонатора одной частоты называется ударным возбуждением. Вин поясняет принцип ударного возбуждения механической аналогией со связанными маятниками. "При достаточно сильной связи между обоими маятниками энергия колебаний постепенно передается вторичному маятнику, а первичный приходит в покой; затем энергия снова передается обратно и вторичный маятник останавливается и т. д. Но если в тот момент, когда первичный маятник в первый раз отдал всю свою энергию вторичному и сам находится в покое, задержать его, то энергия не может снова вернуться к первичному маятнику и вторичный продолжает колебаться до остановки со своим малым затуханием. При этом значительная часть энергии колебаний первичной системы переносится на вторичную и преобразуется в мало затухающие колебания".

При этом Вин указывает: "Чтобы обстоятельства опыта соответствовали нашим электрическим колебательным цепям, возбуждаемый - вторичный маятник должен обладать малым затуханием, а первичный большим, что легко достигается погружением его в воду или масло".

Вин предлагает применить свой метод к беспроволочной телеграфии. "Так как я не имею возможности сам производить опыты с беспроволочным телеграфом,- пишет Вин,- то... я могу только высказать несколько соображений и предложений относительно применения слабо затухающих колебаний к беспроволочному телеграфу. По сравнению с отправителем Брауна, применявшимся до сих пор, разница в схеме будет та, что между возбудителем I и мачтой включается еще промежуточная система II, в которой и возбуждаются слабо затухающие колебания. Затухание колебаний в промежуточной системе II очень мало; следовательно, и при слабой связи с мачтой почти вся энергия обращается в излучение".

Метод Вина был сразу оценен в радиотехнике. Общество беспроволочной телеграфии в Берлине разработало передатчики новой системы, которая получила название "звучащая искра". Искра возникает в специальном разряднике, состоящем из пластин, разделенных кольцом из тонкой слюды. Для усиления охлаждающего действия к разрядным пластинам приложены пластины еще больших размеров. Искры следуют одна за другой в правильной последовательности, что создает характерное звучание. С помощью системы "звучащая искра" Германия в начале мировой войны поддерживала связь со своими африканскими колониями и до появления катодных генераторов обеспечивала связь между кораблями флота. Сам Вин в начале войны стал руководителем учреждения, имеющего задачей развитие радиотехники. Следует отметить, что в 1906 г. Международный конгресс запретил передатчик Маркони, как "засоритель эфира".

Кроме искры, в начальной стадии радиотехники для получения электрических колебаний использовалась электрическая дуга. В 1900 г. английский инженер В. Дуддель описал свои опыты с электрической дугой. "Если в вольтову дугу постоянного или переменного тока,- писал Дуддель в своей статье,- выдувать струею воздух или углекислоту или же воздействовать перпендикулярно к ней направленным магнитным полем, то при благоприятных обстоятельствах она снова зажигается сама собой; при непрерывном задувании она с большой быстротой то гаснет, то зажигается снова и при этом издает резкий звук". Это явление переменного гашения и зажигания дуги в условиях ее обдувания воздухом или действием магнитного поля происходит нерегулярно. "Чтобы устранить эти неправильности, я соединил с полюсами дуги постоянного тока обкладки конденсатора емкостью около 5 мкф. Тогда я, к своему удивлению, нашел, что дуга прерывалась даже в том случае, когда ее не задували. Следовательно, дуга соответствующей длины и силы тока с угольными электродами может издавать музыкальный тон, если даже потенциал источника остается постоянным и дуга ограждена, насколько это возможно, от всяких внешних влияний; для этого стоит только присоединить параллельно дуге цепь, содержащую конденсатор и самоиндукцию. По моим наблюдениям звук появляется вследствие колебаний, возникающих в цепи из конденсатора С, дуги и самоиндукции L, и высота этого звука зависит от собственного, периода колебаний системы". Новый генератор незатухающих электрических колебаний сразу привлек к себе внимание физиков. Выяснилось, что аналогичная установка, воспроизводящая звучание дуги, была еще в 1887 г. у Э. Лехера, который, как он сам писал об этом в 1901 г., не придавал никакого значения этому звучанию. С 1900 г. звучащей дугой стал заниматься в Геттингенском институте прикладного электричества Герман Симон. В 1907 г. он писал об этом так: "Начиная с 1900 г. ... я в виде лейтмотива повторял мысль, что прекрасные опыты Дудделя о поющей вольтовой дуге являются первым указанием, как создать электрические аналогии для акустического явления звучащей органной трубы и других хорошо известных явлений механических колебаний, и что при дальнейшей экспериментальной и теоретической разработке этих аналогий должна открыться новая эпоха в беспроводном телеграфе и появиться возможность беспроволочного телеграфирования при помощи волн Герца".

Таким образом, Симон подошел к явлению с точки зрения общей теории колебаний, исследуя общие черты акустических, механических и электрических генераторов незатухающих колебаний. Он, следовательно, начал изучать так называемые автоколебательные системы, в исследовании которых позднее сыграла большую роль советская школа физиков, созданная Л. И. Мандельштамом. Изучая условия, при которых возникают незатухающие колебания в дуге, Симон показал, что "явление Дудделя есть частный случай более общего явления, которое вследствие чисто электродинамических причин всегда должно иметь место, если к проводнику с "падающей характеристикой" в ответвлении присоединяется соответственная способная совершать колебания система из самоиндукции и емкости". Этот важный вывод был получен Симоном в 1902 г. Следует, однако, отметить, что еще в 1900 г. В. Кауфман в работе "Электродинамические свойства проводящих газов" показал значение падающей характеристики и, следовательно, отрицательного сопротивления ^∂E/_∂I для получения колебательного разряда. Но Симон со всей определенностью говорит о незатухающих электрических колебаниях, возбуждаемых в колебательном контуре дугой с отрицательным сопротивлением и поэтому именно его формулировка условия

возникновения таких колебаний является первой точной и ясной формулировкой.

Ученик Симона Генрих Баркгаузен в своей диссертации "Проблема возбуждения колебаний", опубликованной в Геттингене в 1907 г., рассмотрел со всей полнотой условия возбуждения колебаний в дуге. Баркгаузен исследовал экспериментально обнаруженные им три типа колебаний с помощью трубки Брауна (электронного осциллографа). Колебания в дуге имеют частоту, не превышающую определенного предела, и это препятствует применению дугового генератора для целей радиотелеграфии.

В 1906 г. датчанин В. Паульсен разработал метод получения высокочастотных колебаний с помощью дуги. Охлаждая дугу с помощью газового пламени, он возбуждал в высокочастотном колебательном контуре незатухающие колебания. В дальнейшем дуговой генератор Паульсена совершенствовался: применялось водяное охлаждение медного катода, в то время как анод оставался угольным. Дуга горела в атмосфере водорода или светильного газа. Три рода колебаний, открытые Баркгаузеном, определялись соотношением между амплитудой колебаний тока и силой постоянного тока. Если амплитуда I_max переменного тока оставалась меньшей силы постоянного тока I, то возникали колебания первого рода небольшой мощности почти синусоидальной формы. "Синусоидальность колебаний сказывается в чистом приятном тоне даваемой дуги",- писал Баркгаузен. Колебания второго рода возникают, когда I_max>I. Это колебания большой мощности синусоидальной формы: "тон из приятного, чистого, переходил в непрерывный, воющий, более низкий",- отмечал Баркгаузен. Если же напряжение на дуге в конце периода приобретает большое отрицательное значение, то дуга не гаснет, как при возбуждении колебаний второго рода, а возникает в обратном направлении. Это колебания третьего рода. Эти колебания большой мощности имеют тот же характер, как и обычные искровые колебания.

Перед самой войной в 1913 г. Мейснер применил сеточную электронную лампу Ли де Фореста для генерирования незатухающих колебаний. Во время войны произошло преобразование радиотехники. Электронная лампа вытеснила искровые и дуговые генераторы. Она оказалась необычно ценным физическим прибором. После войны наступила эпоха интенсивного развития электроники.

Дуговая лампа Паульсена

Дуговой генератор Дудделя-Симона, электронный генератор Мейснера были первыми примерами электрических автоколебательных систем. В XVII веке Галилей и Гюйгенс создали механическую автоколебательную систему - маятниковые часы.

В XX веке был создан электрический аналог таких систем. Основной особенностью этих систем является их нелинейность. Сопротивление дуги и электронной лампы зависит от силы тока и, используя эту зависимость, физики нашли удобный способ восполнять потери энергии в контуре из постоянного источника (батареи).

Один из аппаратов того времени

Теория нелинейных колебаний была создана в конце 20-х начале 30-х годов нашего столетия и, как уже было сказано, в разработке этой теории пионерскую роль сыграли исследования советских ученых (Л. И. Мандельштама, А. А. Андронова и других). Заметим, что самый термин "автоколебательные системы" был предложен советскими физиками (А. А. Андроновым).

Остановимся коротко на методах детектирования колебаний. А. С. Попов в своем первом приемнике применил в качестве детектора когерер Бранли. В начальной стадии развития радиотехники когерер был неотъемлемой частью радиоприемников. В научных измерениях применялись: разрядные трубки (Лехер, 1890; Цендер, 1892-1902), термоэлемент Клеменчича (1891), усовершенствованный П. Н. Лебедевым в 1902 г., магнитный детектор Э. Резерфорда (1897), электролитический детектор Шлёмильха (1903), аудион Флеминга (1905), кристаллический детектор Брауна (1906). В 1904 г. в Страсбурге защитил докторскую диссертацию Николай Дмитриевич Папалекси. Эта диссертация была посвящена исследованию электродинамического динамометра для высокочастотных электрических колебаний. Отклонение динамометра пропорционально ∫ i²₂dt, где i₂ - переменный высокочастотный ток. "Автор видит преимущество динамометра перед болометром в том, что он позволяет освободиться от неприятно чувствительных вспомогательных приборов (гальванометр)". Этими словами Н. Д. Папалекси заключил свое исследование.

А. С. Попов

В 1897 г. Ф. Браун сконструировал электронный осциллограф, получивший в то время название "трубки Брауна". Этот безинерционный прибор позволял изучать форму колебаний. Рихарц и Циглер в 1900 г. анализировали колебательный разряд батареи лейденских банок с помощью трубки Брауна. Электронный пучок отклонялся магнитным поле катушки, через которую проходил разряд, причем катушка помещалась под трубкой. Изображение смещения рассматривалось во вращающемся зеркале. Йонатан Ценнек сфотографировал в 1904 г. осциллограмму затухающего колебательного разряда с помощью трубки Брауна. В то время контура развертки в трубке еще не было и развертка получалась с помощью вращающегося зеркала. Отклоняющие электростатические пластины были встроены в трубку А. Венельтом в 1903 г. В. Кёниг на 30-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей, происходившем в сентябре 1908 г. в Кельне, демонстрировал фазовые кривые затухающих колебаний с помощью трубки Венельта. Конденсатор трубки присоединялся к обкладкам емкости колебательного контура, магнитное отклонение получалось с помощью электромагнита, между полюсами которого помещалась трубка. Электрическое и магнитное отклонения были перпендикулярны друг к другу. В этой установке автор получил спиралевидные кривые ("фазовый портрет" затухающих колебаний по современной терминологии).

Эскиз радиоприемника, выполненный собственноручно А. С. Поповым. Справа - схема опытов Маркони, изображенная также А. С. Поповым

Временную развертку для получения кривых тока Л. И. Мандельштам предложил в 1907 г. осуществлять с помощью магнитных катушек, включенных в цепь апериодического контура, содержащего емкость. Отклонение, соответствующее максимальной силе тока, значительно больше горизонтальных размеров экрана, так как для развертки используется только начальная часть разряда, в которой силу тока можно считать пропорциональной времени. Контур развертки и исследуемый колебательный контур, две катушки которых дают вертикальное отклонение, включаются синхронно с помощью турбинного прерывателя или ртутного прерывателя, приводимого в движение электромоторчиком.

Война, как мы уже говорили, произвела революцию в радиотехнике. Искровая радиотехника уступила место электронной. Характерно, что в период от окончания первой мировой войны до начала второй электронный осциллограф не получил большого развития. Только после окончания второй мировой войны он сделался непременной принадлежностью научных и технических лабораторий.

Фазовые кривые Кенига

Радиотехника, акустика, оптика, рентгенотехника и многие другие разделы физики нашли военное применение. Проф. В. К. Аркадьев разрабатывал научно-технические основы газовой борьбы, его жена А. А. Глаголева-Аркадьева занималась вопросом о портативных рентгеновских установках для полевых госпиталей. Даже Эйнштейн пытался сконструировать новый тип самолета и, к счастью для науки, потерпел фиаско. Мы не будем, однако, задерживаться на проблемах "военной физики" и обратимся к теоретическим достижениям этого периода.