§ 59. Опыты с электромагнитными волнами.

Рис. 127. Образование тени. В нижней части рисунка расположение приборов показано в плане: 1 — генератор с излучающим вибратором, 2 — металлический экран, 3 — приемник с индикатором

Рис.   128. Отражение от металла электромагнитной волны:  i — угол падения, r — угол отражения

Рис. 129. Параболический рефлектор у излучающего вибратора (а) и у приемного (б)

Чтобы воспроизвести некоторые из опытов Герца и получить тем самым более подробное представление об электромагнитной волне, в настоящее время нет надобности обращаться к старинной «искровой» технике возбуждения волн. Мы уже знаем, как с помощью автоколебательных систем — генераторов с электронными лампами — была решена задача получения незатухающих электрических колебаний (§§ 30, 31). Существенно, что в случае незатухающего гармонического колебания излучаемая передатчиком энергия сконцентрирована на одной частоте, а не распределена по всему спектру, как это имеет место при излучении сильно затухающих

	Преломление электромагнитной волны в призме ( призма из парафина или асфальта) Рис. 130, 131.

колебаний. Благодаря этому приемник, настроенный в резонанс на эту частоту, поставлен в значительно более выгодные условия.

Рис. 132. Образование стоячей электромагнитной волны

Для опытов целесообразно воспользоваться достаточно короткими электромагнитными волнами, чтобы размеры приборов — резонансных вибраторов, экранов, призм и т. п.— были не слишком велики. Наиболее удобны волны, имеющие длину несколько сантиметров. В настоящее время во многих школах имеется передающая и приемная аппаратура, работающая на трехсантиметровых волнах.

Современная радиотехника использует и миллиметровые и еще более короткие (субмиллиметровые) волны, но для описываемых ниже опытов столь малые длины волн неудобны. Эти опыты можно осуществить и с волнами метрового диапазона (например, 6 м, когда длина резонансного вибратора составляет 3 м). Однако сантиметровый и дециметровый диапазоны наиболее удобны: с приборами на длину волны 6 м опыты следует делать на открытом воздухе, на ровном открытом месте, так как в противном случае результаты искажаются из-за отражения радиоволн от окружающих предметов (прежде всего металлических: железные балки в здании, электропроводка, телеграфные провода и т. п.).

Рис. 133. Наиболее сильный ток в индикаторе возникает только при вертикальном расположении приемного вибратора. При любом горизонтальном положении вибратора тока нет	Рис. 134. Наиболее сильный ток в приемном витке получается при его расположении, показанном слева. В двух других изображенных положениях тока нет

	Рис. 138. Пеленгация радиопередатчика из двух точек определяет его положение	Если мы установили направления электрического и магнитного полей Е и В, то мы найдем тем самым направление, по которому приходит волна. Другими словами, мы узнаем направление на излучатель волны из места, где производится прием. Направление электрического поля почти для всех применяемых в технике антенн вертикально. Установить же направление магнитного поля можно с помощью приемного витка (или катушки из нескольких витков — так называемой рамочной антенны). На этом основана радиопеленгация — определение направления из данного пункта на принимаемую радиостанцию Если
	направление на радиостанцию (пеленг) определено из двух пунктов, расстояние между которыми известно (А и В на рис. 138), то, построив по известной стороне АВ и двум углам треугольник, можно засечь радиостанцию, т. е. определить ее местонахождение.
Рис. 137.  Внешний вид переносного  радиопеленгатора	Принцип, положенный в основу пеленгации, используется и для целей радионавигации — вождения кораблей и самолетов по. определенному направлению, заданному специальными
передатчиками (радиомаяками). На корабле или самолете ставится при этом специальный приемник с рамочной антенной — радиокомпас, показывающий отклонения от требуемого курса. Иногда сигналы, принимаемые радиокомпасом, используются для управления рулевыми механизмами, т. е. осуществляется автоматическое сохранение заданного курса (автопилот).

Перечислим некоторые из возможных опытов, предполагая, что генератор снабжен излучающим вибратором, а приемник — приемным вибратором. Надо поместить излучающий вибратор в фокусе цилиндрического зеркала из металлического листа, согнутого по дуге параболы (рис. 129, а).

	Рис. 136. Электромагнитная волна поперечна
Рис. 135. Расположение векторов электрического и магнитного полей при вертикальном излучателе для волн,   распространяющихся в горизонтальном направлении

Интенсивность плоской волны, выходящей из такого рефлектора, существенно больше, чем в ненаправленном

излучении самого вибратора в отсутствие рефлектора. Таким же рефлектором можно снабдить и приемный вибратор (рис. 129, б), что повышает его чувствительность.

Отражение, преломление, стоячие волны. В этих опытах излучающий и приемный вибраторы надо располагать параллельно друг другу, например оба вертикально.

Отражением   от   металла можно воспользоваться   для того, чтобы получить направленное излучение в виде почти плоской волны. Описанные выше опыты лучше производить поэтому с вибраторами, снабженными рефлекторами.

Следующий опыт показывает, что электромагнитная волна, проходя из одного прозрачного материала в другой, испытывает преломление, т. е. изменяется направление ее распространения. Явление преломления волн на границе двух веществ также принадлежит к числу общеволновых явлений, но мы ранее не останавливались на нем, так как наблюдать его на звуковых или поверхностных волнах в воде не особенно просто. (Легче всего наблюдать и исследовать преломление на световых волнах, и в разделе «Геометрическая оптика» это явление рассматривается подробно.)

Для опыта с преломлением электромагнитной волны длиной, например, 3 см надо изготовить из парафина или асфальта призму с преломляющим углом, равным примерно 30° . Отклонение волны от первоначального направления распространения составляет (в зависимости от материала призмы и длины волны) 15—20°.

На рис. 132 изображена постановка опыта для получения стоячей электромагнитной волны. Плоский металлический экран ставится против рефлектора излучающего вибратора так, чтобы отраженная волна распространялась навстречу падающей. Если теперь на пути от рефлектора к экрану перемещать приемный вибратор, то ток в гальванометре будет поочередно то увеличиваться (пучности), то уменьшаться (узлы). Расстояние между двумя соседними пучностями или двумя соседними узлами равно, как мы знаем, l/2 (§ 47). Если нам заранее известна частота v колебаний генератора, то, измерив указанным путем Л, мы можем по формуле найти скорость с распространения электромагнитной волны в воздухе. При самых точных измерениях такого рода она оказывается совпадающей со скоростью света. В описанном опыте остался пока невыясненным вопрос о том, какие пучности и узлы регистрирует приемный вибратор — колебаний электрического поля или колебаний магнитного поля. Ответ мы получим в следующем разделе. Поперечность электромагнитных волн. Радиопеленгация. Оставаясь на каком-то неизменном расстоянии от вертикального излучающего вибратора, повернем приемный вибратор из вертикального в любое горизонтальное положение. Мы увидим, что ток в индикаторе приемника падает при этом до нуля (рис. 133). Объяснить это можно только тем, что электрическое поле приходящей волны имеет вертикальное направление. Действительно, такое поле может перемещать заряды (вызывать ток) вдоль приемного вибратора, когда он вертикален, и не может этого делать, когда он горизонтален. Отсюда следует, что в описанном выше опыте со стоячей волной приемный вибратор выявлял узлы и пучности электрического поля.

Повторим такой же опыт, как на рис. 133, но возьмем вместо приемного вибратора проволочный виток. При этом получается следующее. Когда виток расположен в вертикальной плоскости, проходящей через излучающий вибратор, ток в нем есть. Но при всяком повороте витка на 90° от указанной плоскости ток в нем исчезает (рис. 134).

Мы знаем, что ток в витке (или катушке) наводится переменным магнитным полем только в том случае, если это поле пронизывает виток. Следовательно, отсутствие тока при расположениях витка, показанных на рис. 134 посередине и справа, объясняется тем, что магнитное поле приходящей волны направлено горизонтально и перпендикулярно к направлению излучения. Действительно, при этом оно пронизывает виток в первом положении и не пронизывает в двух других.

Мы приходим, таким образом, к выводу, что напряженность Е и индукция В электрического и магнитного полей в волне перпендикулярны друг к другу и к направлению распространения волны (рис. 135); при этом направление Е совпадает с направлением вибратора, а вектор В лежит в плоскости, перпендикулярной к вибратору.

Нами исследован здесь случай вертикального вибратора и горизонтального направления распространения волны. Исследование любых других направлений распространения показывает, что для всякого из них остается справедливым аналогичное расположение векторов Е и В: 1) оба они перпендикулярны к направлению распространения, а значит, и колебания их происходят перпендикулярно к этому направлению, т. е. электромагнитная волна поперечна; 2) вектор Е лежит в плоскостях, проходящих через излучающий вибратор, а вектор В — перпендикулярно к этим плоскостям (рис. 136).Поперечность колебаний является совершенно общим свойством всякой электромагнитной волны, не зависящим ни от выбора направления распространения, ни от характера излучателя. Таким же общим свойством является и взаимная перпендикулярность полей Е и В в электромагнитной волне. Мы еще вернемся к этому вопросу при изучении световых волн.

§ 60. Изобретение радио Поповым.

Мы уже говорили о том, как в опытах с электромагнитными волнами была подтверждена теория Максвелла. Опыты Герца быстро стали известны ученым всего мира; возникла мысль об использовании электромагнитных волн для связи и даже для передачи энергии без проводов. Однако никто не указал практических путей для осуществления этой идеи. Сам Герц, находясь под впечатлением исключительно слабого действия волн в его опытах, по-видимому, сомневался в возможности использования этих волн для связи. Таково было положение дела к началу работ русского физика и электротехника Александра Степановича Попова (1859—1905). Начав с повторения опытов Герца, Попов усовершенствовал приборы и уже через год (в 1889 г.) добился того, что искры в его приемных резонаторах были хорошо видны большой аудитории без специального затемнения помещения. Очень скоро Попову стало ясно, что для практического использования электромагнитных волн надо в первую очередь создать чувствительный и удобный приемник.

К 1894 г. Попов построил такой приемник, причем основные принципиальные особенности его устройства сохранились и в современной приемной аппаратуре. Что же представлял собой первый приемник Попова, и как он работал?

Для увеличения чувствительности приемника Попов использовал явление резонанса. Крупной заслугой Попова является изобретение высоко поднятой приемной антенны, которая значительно увеличивает дальность действия приемника и применяется в любой радиоприемной станции и поныне.

Вторая существенная особенность приемника Попова связана со способом регистрации волн. Для этой цели Попов применил не искру, а специальный прибор — когерер, незадолго до этого изобретенный Бранли и применявшийся для лабораторных опытов. Когерер устроен следующим образом. В стеклянной трубке помещены мелкие металлические опилки; в оба конца трубки введены провода, соприкасающиеся с опилками. В обычных условиях электрическое сопротивление между отдельными опилками сравнительно велико, так что и весь когерер обладает большим сопротивлением. Электромагнитная волна, создавая в цепи когерера беременный ток высокой частоты, приводит к тому, что между опилками проскакивают мельчайшие искорки, которые сваривают опилки между собой. В результате сопротивление когерера резко уменьшается. Чтобы вернуть когереру большое сопротивление и чувствительность к электромагнитным волнам, его необходимо встряхнуть. Попов включил когерер в цепь, содержащую батарею и телеграфное реле (рис. 139).

Рис. 139. Схема первого приемника А. С. Попова, взятая из его статьи в Журнале Русского физико-химического общества (январь  1896 г.)

До прихода электромагнитной волны сопротивление когерера велико, ток через него и через реле идет очень слабый и якорь реле не притянут к нижнему электромагниту. С появлением электромагнитной волны сопротивление когерера падает, ток сильно возрастает и якорь реле притягивается к электромагниту. Тем самым замыкается контакт С, подключая к батарее обыкновенный электрический звонок. Молоточек звонка ударяет по колокольчику (или записывает отброс на движущейся бумажной ленте), сигнализируя о приходе волны. Тотчас же при своем обратном ходе молоточек ударяет по когереру, восстанавливая его чувствительность.

Таким образом, Попов осуществил то, что называется релейной схемой (см. том II, § 178); ничтожная энергия приходящих волн используется не прямо для приема (например, появления искры), а для управления источником энергии, который питает регистрирующий аппарат. В современных приемниках когерера нет, его заменили электронные лампы, но принцип реле остается в силе: ведь электронная лампа по сути дела работает именно как реле. Слабые сигналы, подводимые к лампе, управляют энергией тех источников тока, которые питают эту лампу.

Вместе с тем Попов осуществил в своем приемнике принцип обратной связи, широко применяемый с тех пор в радиотехнике. Усиленный сигнал на выходе приемника (цепь звонка) автоматически действует на вход приемника (цепь когерера). Обратная связь (реализованная в данном устройстве электромеханическим способом) — это основной новый элемент в изобретении Попова.

7 мая 1895 г. Попов продемонстрировал действие своего приемника на заседании Русского физико-химического общества. Этот день справедливо считается днем рождения радио. В 1945 г. в ознаменование пятидесятилетия изобретения радио день 7 мая был постановлением Советского правительства объявлен ежегодным «Днем радио».

За сравнительно небольшой срок, истекший со времени изобретения радио, оно прошло огромный путь дальнейшего развития. Уже в первые годы после изобретения был сделан ряд существенных усовершенствований, многие из которых также принадлежат Попову. В частности, к ним относится и то, что Попов добавил к приемнику обыкновенный телеграфный аппарат, в результате чего приход электромагнитного сигнала не только отмечался звонком, но и черточкой на телеграфной ленте.

В дальнейших своих исследованиях, проводившихся совместно с П. Н. Рыбкиным, Попов сумел осуществить прием сигналов на слух. Оказалось, что при сигналах, слишком слабых для срабатывания когерера, плохие контакты между опилками в когерере действуют как детектор (§ 61) и в телефонной трубке, присоединенной к когереру, каждый сигнал отмечается звуком. Это открытие позволило еще более увеличить дальность радиосвязи.

Следующий крупный шаг в развитии радио, сделанный вскоре после его изобретения, состоял в усовершенствовании передатчика. Искровой промежуток был вынесен из антенны в специальный колебательный контур, который я служил источником колебаний. Антенна же, связанная с этим контуром, действовала теперь только в качестве излучателя волн.

Чрезвычайно важным моментом в развитии радио было изобретение американским ученым Ли де Форестом в 1906 г. электронных ламп, позволивших создать источники незатухающих электрических колебаний (§§ 31, 59). Именно это дало возможность полностью разрешить вопрос о передаче по радио не только телеграфных сигналов, но и звуков — речи, музыки и т. п., т. е. осуществить радиотелефонию и радиовещание.