Становление радиотехнической теории: от теории к практике. На примере технических следствий из открытия Г. Герца (стр. 5 из 9)

Развитие электродинамики проходило далее в двух основных направлениях: 1) дальнейшее обобщение и систематизация физической теории; 2) совершенствования структурных схем эксперимента, стимулировавшего появление беспроволочной телеграфии (радиотехники). Второе направление носило в основном инженерный характер.

Возникновение радиотехники

Институализация инженерной деятельности в области радиотехники осуществлялась лишь после изобретения радио, когда начала формироваться новая отрасль промышленности. Эта деятельность была направлена на разработку конструктивных вариантов радиотехнических устройств. Она дала толчок к появлению радиотехнической теории, обозначившему начало собственной истории радиотехники. С этого времени она становится связанной в основном с развитием новых схем радиотехнических устройств (например, схема с заземленной сеткой, рефлексная система, супергетеродинный приемник и т. д.). Фердинанд Браун положил начало деятельности именно такого рода. "Передатчик для беспроволочной телеграфии должен был удовлетворять двоякому требованию: прежде всего, в нем должен был возникать по возможности сильный высокочастотный переменный электрический ток, чтобы затем то же самое произошло и с излучением, т.е. электромагнитными волнами. Передатчик Маркони, который в противоположность конденсаторному контуру представляет собой не "закрытый", а "открытый" колебательный контур, превосходно излучает (радиоволны. - В. Г.). Конденсаторный контур, который сам практически ничего не излучает, напротив, с точки зрения создания сильных токов высокой частоты намного превосходит открытый колебательный контур. На основе объединения обеих схем и возник знаменитый передатчик Брауна. [...] Аналогичная двойственная задача возникает и перед приемником. Прежде всего пришедшие от передатчика электрические волны должны быть приняты, причем они должны быть преобразованы в высокочастотные токи, которые затем со своей стороны вызывают воспроизведение знаков в телефоне или записывающем устройстве. И здесь тоже для приема волн нужен подвешенный провод, как это превосходно и аналогичным образом сделали Попов и Маркони. Однако он в меньшей степени подходит для целевого использования полученной энергии, для чего, как распознал Браун, лучше всего подходит конденсаторный контур. Именно таким образом с помощью соединения этого провода с одним или многими конденсаторными контурами и возник связанный приемник Брауна" [41] (см. рис. 13) [42].

Ф. Браун был первым, кто действительно понял, какие электрические процессы происходят в радиопередатчике и радиоприемнике. Исходя из теоретических рассуждений, Браун пришел к выводу, что нужно индуктивно соединить искровой промежуток в передающем устройстве, а также когерер с антенной. Это сделало его передатчик гораздо более действенным и тем самым позволило осуществить радиосвязь через Атлантику. Изобретенный Брауном кристаллический детектор скоро заменил предложенный Бранли когерер. "Вся техника передачи с того времени, как Браун ввел в практику замкнутый контур, претерпела множество изменений. Передатчик с взрывным искровым разрядом был заменен передатчиком Вина после основополагающего открытия искры замыкания. [...] Использование электронных ламп привело к полному видоизменению и появлению совершенно новых возможностей, которые в первые годы становления этой области вообще трудно было себе даже представить" [43].

В первые же годы после изобретения радио начинается бурное развитие радиотехники. Инженерная деятельность становится главным стимулом теоретических изысканий. Основное внимание многочисленных изобретателей концентрируется на совершенствовании конструктивных элементов (детекторов [44], трансформаторов и машин высокой частоты, катодных ламп, прерывателей, рамочной антенны и т. д.) и схем (дуговых генераторов, передатчиков с ударным возбуждением, замкнутого колебательного контура и т.п.) радиотехнических устройств. Применение замкнутого колебательного контура имело особое значение. "Для принятия электрических волн следовало использовать закрытые колебательные контуры в противоположность до сих пор используемых открытых контуров. В опытах 1913 г. в Страсбурге появляется рамочная антенна, наиболее распространенная сегодня. Прием на рамочную антенну в отличие от приема с помощью открытого колебательного контура имеет существенные преимущества. В этом случае можно освободиться от помех, которые появляются вполне с определенных направлений, и тем самым получить большую свободу от помех. Кроме того, появляется возможность радиопеленга и т.п. Эти преимущества, которые сегодня всем известны, были впервые выявлены Брауном" [45]. Изобретение Брауном рамочной антенны было очень важным для дальнейшего развития телеграфии без проводов. "В 1890 г. впервые примененная рамочная антенна сделала возможным направленное излучение и направленный прием. При этом были подавлены атмосферные помехи и нежелательный прием других станций. Маркони перенес эту новую схему Брауна в свои приборы. В 1901 г. он осуществил радиосвязь между Европой и Америкой, в результате чего беспроволочная телеграфия смогла завоевать мир" [46].

Радиотехнические устройства усовершенствовались благодаря увеличению их мощности, дальности действия, удобства эксплуатации, экономичности, а также освоения все новых диапазонов электромагнитных волн для осуществления радиопередачи и радиоприема и достижения их все более наглядного представления. Последнее осуществлялось, например, с помощью электронно-лучевой трубки, или трубки Брауна.

"В силу ее практически безынерционного функционирования она давала возможность исследовать временные характеристики переменных токов и напряжений весьма высокой частоты. Эта особенность трубки, ее особое место среди иных осциллографических устройств, подчеркивалась Брауном буквально в самых первых публикациях. Для отображения быстрых колебаний, которые использует радиотехника, трубка Брауна является единственным средством детального исследования временных характеристик" [47]. Это был, однако, только лишь прототип современного осциллографа, который стал сегодня "одним из основных измерительных приборов в электронике (см. рис. 14 а), который позволяет сделать видимым на экране в графической форме изменяющееся во времени напряжение (прохождение и форму сигнала), а также измерить или представить его амплитуду в зависимости от времени" [48] (см. рис. 14 б) [49].

Браун хотел "с помощью своей электронно-лучевой трубки сделать видимым переменный ток, которым снабжался город Страсбург. Он заказал ее у наследника фирмы "Франц Мюллер Гайслер". [...] На связанном с его электронно-лучевой трубкой поворотным зеркалом появилась синусоидальная кривая. Переменный электрический ток вновь созданной электростанции города Страсбурга стал виден на экране электронно-лучевой трубки. [...] В последующие годы Браун и Ценнек добавили к этому дополнительные устройства, обеспечившие прежде всего горизонтальную развертку и некоторые иные улучшения. [...] Роговский в Аахене доработал это устройство, введя в него в 1905 г. нагреваемый катод и электростатическую развертку" [50]. Изображение кривой тока было видно непосредственно на флуоресцирующем экране. Луч следовал непосредственно за изменениями электрического тока, и Браун смог сфотографировать картину колебаний и опубликовать ее. Было очень важно уметь представлять переменные токи, измерять их и геометрически конструировать [51].

Каждому такому изобретению сопутствовали определенные теоретические и экспериментальные исследования. Например, для создания катодного вентиля (двухэлектродной лампы) был использован эффект Эдисона (электронная эмиссия), установившего в 1883 г. во время опытов со своей лампой накаливания, что "если вблизи нити накаливания расположить металлический стерженек и соединить его с положительным полюсом батареи, то через него потечет электрический ток" [52]. Однако для достижения технического применения этого эффекта понадобилось провести целый ряд дополнительных исследований.

Американский физик Ли де Форест установил, что раскаленное тело может вести себя как излучатель. Он начал разогревать не два, а один электрод и против него расположил холодный анод в виде пластинки. Ли де Форест "вполне сознательно начал поиск замены для "когерера" в качестве радиоприемника. [...] Он получил патент 15 января 1907 г. [...] и сначала продемонстрировал трехэлектродную лампу с управляющим электродом, как раннюю форму триода" (см. рис. 15) [53]. "Но этот управляющий электрод не был расположен еще между катодом и анодом [...] Только несколько позже [...] [он] начал вводить управляющий электрод между катодом и анодом, а именно - чтобы не разорвать электронный поток - в форме сетки" [54].