Схема приемника Попова, приведенная в «Журнале Русского. Из истории радио. Изобретение радио А. Поповым

Гипермаркет знаний>>Физика и астрономия>>Физика 11 класс>> Изобретение радио А. С. Поповым

ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО А. С. ПОПОВЫМ

Русский ученый Александр Степанович Попов стал одним из первых, кто в России решился заняться изучением электромагнитных волн. А начал он освоение электромагнитных волн с повторения опытов, которыми занимался Герц. Но в процессе работы Попову удалось найти более чувствительный и надежный способ приема электромагнитных волн. Ему удалось усовершенствовать приборы так, что в его приемных резонаторах стали появляться довольно таки сильные искры.

Со временем Александр Степанович смог построить приемник, который показывал высокую чувствительность к электрическим волнам. Кстати, особенности этого приемника в радиоаппаратуре применяют, по сей день. Чтобы чувствительность этого приемника увеличить Попов применил явление резонанса и изобрел приемную антенну.

Еще одной значимой особенностью приемника, изобретенного Поповым, был способ регистрации волн, где вместо искры был применен когерер.

Когерер – это такой прибор, который был сделан в виде трубки с двумя электродами. Внутри этой трубки находились мелкие металлические опилки, а в оба ее конца вводились провода, которые соприкасались с этими опилками.

Правда, этот прибор был изобретен не Поповым, а Бранли, для применения в лабораторных опытах.

За основу в работе когерера было положено влияние электрических разрядов на металлические порошки. А происходило это так: так как в обычных условиях электрическое сопротивление в опилках было большим, но если в цепи появлялся переменный ток высокой частоты, то между этими опилками проскакивали искорки и опилки сваривались, а сопротивление когерера уменьшалось. Чтобы снова вернуть этому прибору большое сопротивление, его необходимо взять и просто встряхнуть.

Но для осуществления беспроволочной связи, когерер должен работать автоматически. И тогда Попов придумал использовать звуковое устройство. После приема сигнала срабатывало реле, и включался звонок, а получив такую легкую встряску, сцепление между металлическими опилками становилось более слабым, и готово было принять следующий сигнал.

Также Александром Степановичем для беспроволочной связи была создана первая антенна, в которой он заземлил один из выводов когерера и присоединил другой к проволоке, поднятой на определенную высоту. Благодаря такой антенне удалось повысить чувствительность аппарата.

Изобретение ученого остается актуальным и, по сей день, так как современные радиоприемники работают на основе приборов, изобретенных Поповым, и имеют антенну, с помощью которой проходящие волны способны вызывать незначительные электромагнитные колебания. Энергия этих колебаний используется для управления источниками энергии, которые питаются в последующей цепи.

В 1895 году седьмого мая А.С. Попов впервые продемонстрировал действие своего прибора на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге.

А с 1945 года в честь пятидесятилетия изобретения радио, день 7-го мая был объявлен «Днем радио» и с тех пор его ежегодно стали отмечать в России.

Естественно А.С.Попов не остановился на достигнутом и продолжил работу над усовершенствованием приемной аппаратуры. Российский ученый поставил перед собой цель изобрести прибор, с помощью которого можно будет передавать сигналы на довольно таки большие расстояния.

На первых порах Александр Степанович добился установления связи на расстоянии двухсот пятидесяти метров, потом дальность связи была установлена на расстоянии более шестисот метров, а затем радиосвязь достигала не одной сотни километров.

Со временем с помощью изобретений А.С. Попова, была внедрена радиосвязь в армии и на флоте, благодаря чему успешно использовалась во время различных спасательных операций.

Изобретение радиосвязи – одно из самых выдающихся достижений человеческой мысли и научно-технического прогресса.

Потребность в совершенствовании средств связи, в частности установлении связи без проводов, особенно остро проявилась в конце XIX в., когда началось широкое внедрение электрической энергии в промышленность, сельское хозяйство, связь, на транспорте (в первую очередь морском) и т. д.

История науки и техники подтверждает, что все выдающиеся открытия и изобретения были, во-первых, исторически обусловленными, во-вторых, результатом творческих усилий ученых и инженеров разных стран.

Но лишь немногим из них удалось сделать эти открытия и изобретения достоянием практики и поставить их на службу человечеству. К ним относятся талантливый ученый и экспериментатор, профессор Александр Степанович Попов, создавший первый в мире практически пригодный радиоприемник, и итальянский изобретатель Гульельмо Маркони, сумевший при поддержке крупнейших британских промышленников и видных специалистов осуществить радиосвязь через океан на расстояние 3500 км.

Изобретение радиосвязи было бы невозможно без фундаментальных исследований электромагнитных волн Д. К. Максвелла и Г. Герца.

В 1888 г. Герц создал вибратор и резонатор электромагнитных волн, подтвердив на практике теоретические выводы Максвелла.

Электромагнитные волны, полученные и экспериментально исследованные Герцем, стали называть «лучами Герца». От латинского radius – «луч» – произошло слово «радио», известное миллионам людей на нашей планете.

Радио Попова

Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник А.С. Попова, основные принципы их действия те же, что и в его приборе. Современный приемник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.

7 мая 1895г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником. День 7 мая стал днем рождения радио. Ныне он ежегодно отмечается в нашей стране.

Работа Попова по увеличению расстояния приема-передачи радиосигналов.

А.С. Попов продолжал настойчиво совершенствовать приемную аппаратуру. Он ставил своей непосредственной задачей построить прибор для передачи сигналов на большие расстояния.

Вначале радиосвязь была установлена на расстоянии 250 м. Неустанно работая над своим изобретением, Попов вскоре добился дальности связи более 600 м. Затем на маневрах Черноморского флота в 1899 г. ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20 км, а в 1901 г. дальность радиосвязи была уже 150 км.

Важную роль в этом сыграла новая конструкция передатчика. Искровой промежуток был размещен в колебательном контуре, индуктивно связанном с передающей антенной и настроенном с ней в резонанс. Существенно изменились и способы регистрации сигнала. Параллельно звонку был включен телеграфный аппарат, позволивший вести автоматическую запись сигналов. В 1899г. была обнаружена возможность приема сигналов с помощью телефона. В начале 1900г. радиосвязь была успешно использована во время спасательных работ в Финляндском заливе. При участии А. С. Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.

Продолжая опыты и совершенствуя приборы, А.С. Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи. Через 5 лет после постройки первого приемника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстоянии 40 км. благодаря радиограмме, переданной по этой линии зимой 1900 г. , ледокол “Ермак” снял со льдины рыбаков, которых шторм унес в море. Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи XX в.

За границей усовершенствование подобных приборов проводилось фирмой, организованной итальянским инженером Г. Маркони. Опыты, поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфную передачу через Атлантический океан.

3. Забытое изобретение А.С. Попова или первый в мире Детекторный радиоприемник

Итак, 7 мая 1895 года нашим соотечественником Александром Степановичем Поповым на заседании Русского физико-химического общества был продемонстрирована в действии первая в мире система беспроводной сигнализации с радиоприемником телеграфных сигналов оригинальной конструкции . Летом 1897 г. итальянец Гульельмо Маркони получает патент на аналогичное устройство. За исключением второстепенных деталей приемный аппарат Маркони по схеме и принципу действия был полностью аналогичен прибору А.С. Попова, который он разработал за 14 месяцев до этого. К сожалению, в борьбе за приоритет в создании первого в мире радиоприемника с когерером, требующим встряхивания, научная общественность как у нас в стране, так и за рубежом не уделила должного внимания не менее важному изобретению А.С. Попова - первому в мире детекторному радиоприемнику на который 110 лет назад А.С. Попов получил патенты как в России, так и в Англии и Франции, США, Испании и Швейцарии [Быстров Ю.А., Золотинкина Л.И. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» - первая научно-образовательная школа электроники России // История отечественной электроники. - т.2. - М.: ИД Столичная энциклопедия, 2012. - С 529–548.] Об этом забытом историческом факте, а также судьбе детекторного приемника на протяжении его более чем вековой истории и пойдет речь.

Заметим, что сходство первых приемников А.С. Попова (1895 г.) и Г. Маркони (1896 г.) прежде всего было в том, что принимаемые сигналы приводили в действие электромагнитный ударник, встряхивающий металлические опилки в когерере Бранли. И в том и другом случае включение электромагнита ударника производилось для приведения в действие как самописца с записью регистрируемых сигналов на бумагу (в своем грозоотметчике в 1895 г.), так и телеграфного аппарата, когда впервые в мире была передана радиотелеграмма «Генрих Герц» в 1896 г.

Но настоящий прорыв в увеличении дальности радиосвязи был связан с применением электромагнитных телефонных трубок. Впервые идея воспользоваться наушниками пришла во время проверки радиоприемной аппаратуры сотрудниками, работавшими с А.С. Поповым, П.Н. Рыбкиным и Д.С. Троицким. Они непосредственно подключили телефонные трубки к когереру, который не срабатывал, и услышали передаваемые сигналы. Дальнейшее изучение А.С. Поповым эффекта детекторного действия когерера с металлическим окисленным порошком позволило ему вообще отказаться от встряхиваемого молоточком когерера. Им было проведено множество опытов с различными типами радиокондукторов (так стал называть А.С. Попов когерер без встряхивания).

Попов дает такое описание радиокондуктора (в нашем понимании детектора): «Для передачи на большие расстояния я употребляю «радиокондуктор», состоящий из стеклянной трубки, внутри которой приклеены две ленточки из платины, на которых находятся крупинки стали, обладающие многочисленными участками с окисленной поверхностью. Трубка хорошо просушенная, закрывается герметически.(…) Я показал с той же целью, что можно комбинировать микрофонный уголь с разными металлами. Простые электроды из металла или графита с металлическими стержнями, иголками и т. д. позволяют воспроизвести это интересное явление».

Именно такого типа радиокондуктор был установлен в радиоприемниках А.С. Попова, применявшихся в спасательной операции броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», наскочившего на скалы вблизи о. Гогланд в Финском заливе. Когда Николай II узнал об аварии броненосца он писал: «Главному морскому штабу разработать к весне 1900 г. проект соединения главнейших пунктов южного берега Финского залива телеграфной линией между Кронштадтом и Ревелем». Как видно из этого предписания, телеграфный кабель можно было проложить только весной, но к тому времени броненосец был бы раздавлен льдами. Единственным выходом было применение беспроволочного телеграфа. К этому времени Попов уже располагал усовершенствованной радиоаппаратурой с телефонными трубками и новым радиокондуктором.

В 1899 году три комплекта радиостанций конструкции А.С. Попова были изготовлены французской фирмой Дюкрите. Поэтому, несмотря на большое расстояние (47 км), которое нужно было преодолеть для передачи радиосообщений в спасательной операции, Попов приступает к решению поставленной перед ним задачи. Уже 25 января 1900 г. с о. Гогланд была послана на Котку (о. Кутсало) первая радиотелеграмма. Ответ был тревожный: «Командиру ледокола «Ермак». Около Лавенсари оторвало льдину с рыбаками. Окажите помощь». «Ермак» в тот же день пошел в Ревель, захватив спасенных им 27 рыбаков. Обмен радиотелеграфными сообщениями продолжался до апреля месяца, когда броненосец «Апраксин» был снят со скал. Всего было передано 440 радиотелеграмм.

Использованная в спасательной операции в сложнейших зимних условиях радиоаппаратура, изобретенная А.С. Поповым доказала ее надежность и пригодность для практического применения. За это Попов был удостоен Электротехническим институтом звания почетного инженера-электрика, получил высочайшую благодарность и вознаграждение от Морского министерства. А первый детекторный радиоприемник А.С. Попова, на который он получил патент в России, Англии и Франции был награжден золотой медалью на Всемирной выставке в Париже в 1900 году.

У английского патента № 2797, выданного 25 февраля 1900 г. было следующее конкретное название: «Improvementsin Coherersfor Telephonicand Telegraphic Signalling ». Русский патент (привилегия № 6066) имел более общее название: «Приемник депеш, посылаемых с помощью электромагнитных волн» (рис. 5).

Рис. 5. Собственноручный чертеж А.С. Попова из российского патента телефонного приемника депеш (1900 г.).

Хочу привести страницу из английского журнала «Engineering», июнь 1900 г. с сообщением о выдаче А.С. Попову патента на детекторный приемник в Англии (рис. 6). Как там написано в заголовке, он не требует восстановления когерера. Обращаю ваше внимание на две схемы приемника, заявленные А.С. Поповым. Первая - с радиокондуктором, подключенным к наушникам последовательно с батареей, а вторая - с наушниками, подключенными ко вторичной обмотке согласующего трансформатора (А.С. Попов называет его индукционной бобиной), первичная обмотка которого подключается в цепь с радиокондуктором. Как пишет А.С. Попов, «в этом случае звуки слышатся в телефоне громче и отчетливее, нежели в отсутствии индукционной бобины, обычно употребляемой в микротелефонных станциях».

Рис. 6. Фрагмент описания английского патента А.С. Попова

Часто задают вопрос: раз первыми прием на слух осуществили П.Н. Рыбкин и Д.С. Троицкий, почему их не считают изобретателями детекторного приемника?

Начну с разъяснения, почему патент на телефонный приемник депеш получил А.С. Попов, а не Рыбкин П.Н. или Троицкий Д.С. Для этого нужно обратиться к описанию патента, составленного самим А.С. Поповым. В самом начале он пишет, что «основанием для устройства нового приемника депеш, посланных по системе Морзе с помощью электромагнитных волн, служит вновь открытое свойство когерера». Далее: «Употребление телефона уже применялось для изучения электрических колебаний». И, наконец, о новом свойстве когерера: «Это новое свойство случайно обнаружено с трубкой (прим .: имеется ввиду когерер), мной изобретенной для телеграфа без проводников моими непосредственными помощниками - ассистентом Минного класса П.Н. Рыбкиным и капитаном Д.С. Троицким во время опытов, проводимых в Кронштадте в начале июня сего года».

Рис. 7. Рисунки из американского патента А.С. Попова .

Еще одно изобретение детекторного приемника в США принадлежит Пикару (Greenleaf Whittier Pickard «Meansforreceiving intelligence communicated by electric waves » U.S. Patent 836,531 -, 1906). Он получил патент в тот же год, что и Дэнвуди, но его приемник уже имеет более совершенную конструкцию кристаллического детектора, почти классическую. Об истории своего изобретения он опубликовал статью «How I Inverted the Crystal Detector » The Electrical Experimenter , August, 1919. В этой статье он рассказывает, что для выбора наилучшего кристаллического детектора он перепробовал свыше 30 000 комбинаций различных материалов. Кстати, до сегодняшнего дня схематическое обозначение диода принадлежит также ему.

Также после А.С. Попова на детекторный приемник получил патент в США Боше (BoseJ.C., физик из Индии). Он получил патент в 1904 г. с таким названием «Detector for electrical disturbances », заявку на который он подал в 1901 году. И хотя Боше в описании своего патента не может еще отказаться от термина когерер, ставя его в один ряд с детектором: «This invention has reference to detector sandso-called coherers for there ceptionofe lectrical disturbances, Hertzianwaves… ». Тем не менее именно он впервые ввел в обиход слово детектор(detector ).

Можно надеяться, что преданием гласности забытого американского патента нашего соотечественника А.С. Попова удастся расширить область приоритетов в истории радиотехники нашей страны. И как бы детектирующий прибор не назывался: трубка Бранли, когерер Лоджа, радиокондуктор Попова, ртутный когерер Маркони и даже двухэлектродная лампа Флеминга и т. д., все эти приборы в нашем современном понимании - детектирующие устройства. И с исторической точки зрения следует их четко различать по их свойствам и по времени появления. В этом ряду твердотельные «карборунд» Данвуди и «кошачий ус» Пикарда и даже детектор Боше не опережают детектирующий радиокондуктор Попова. Именно поэтому изобретателем первого в мире детекторного приемника, в котором окисные пленки в контакте с платиной и определяли детектирующие свойства радиокондуктора, а принятый сигнал регистрировался с помощью телефонов, можно по праву назвать Александра Степановича Попова.

Изобретение А.С. Попова получило свое развитие и в советской России. С первых дней советской власти правительство придавало большое значение развитию радиотехники в России. Уже в 1918 году в Нижнем Новгороде создается большая радиолаборатория. В состав радиолаборатории вошли такие известные ученые, как М.А. Бонч-Бруевич, В.П. Вологдин, В.К. Лебединский, В.М. Лещинский, П.А. Остряков, Д.А. Рожанский,

В.В. Татаринов, А.Ф. Шорин и др. М.А. Бонч-Бруевич будучи руководителем Нижегородской радиолаборатории в течение 10 лет много сделал для развития отечественной радиоэлектроники. Нижегородская радиолаборатория получила мировую известность и была дважды (в 1922 и в 1928 гг.) награждена орденом Трудового Красного знамени за создание первых отечественных радиоламп. Например, в 1920 году была создана первая самая мощная в мире радиолампа для первого радиотелефонного передатчика в России. Тем не менее большое внимание радиолаборатория уделяла и разработке различных радиоприемников. В частности, в 1920-е годы большой популярностью пользовался детекторный приемник, разработанный сотрудником радиолаборатории С.И. Шапощниковым.

А другой сотрудник радиолаборатории О.В. Лосев разработал детекторный приемник с полупроводниковым усилителем, известный как «Кристадин Лосева». Изобретение Лосева стало мировой сенсацией. Лишь через много лет получило объяснение использование детектора в кристадине, который фактически явился прообразом современных туннельных диодов. А метод радиоприема с дополнительным полупроводниковым генератором, работающим на частоте принимаемого сигнала, был первым опытом синхронного детектирования, широко распространенного в настоящее время. Последним детекторным приемником промышленного изготовления можно считать «Комсомолец» .

После Великой Отечественной войны в нашей стране чувствовалась нехватка дешевых массовых радиоприемников. С целью создания образцов детекторных приемников, пригодных для массового производства отечественной промышленностью, в 1947 году Осоавиахим СССР объявил конкурс. В конкурсе приняли участие 31 конструктор из 14 предприятий и НИИ разных министерств. Первая премия была присуждена инженеру М.Р. Капланову (НИИ МПСС) за детекторный приемник, названный им «Комсомолец», который и был рекомендован к внедрению в производство на разных предприятиях страны (рис. 8).

Рис. 8. Детекторные приемники «Комсомолец » из Москвы, Ленинграда и Минска.

Интерес к детекторным приемникам сохранился и в наши дни. В хорошем смысле детекторный приемник можно назвать антикризисным приемником. Он не требует затрат на источники электропитания, так как в нем используется только энергия передающей радиостанции. С созданием в последнее время более совершенных радиоэлектронных микросхем теперь можно создать детекторный приемник с более высокой чувствительностью. Что же это за микросхемы? Речь идет о недавно созданных MOSFETEPA Dsarrays с электрически-программируемой пороговой архитектурой (Electrically-Programmable Analog Devices EPADs ). Данные устройства обладают уникальными свойствами по потребляемой мощности (нВт), работают со сверхнизкими питающими напряжениями (меньше 0,5 В). Приведем впечатляющие характеристики уже выпускаемой микросхемы ALD110900. Один каскад усилителя: V+ = 0,5V; 1+ = 1,9 ?А; Pd = 960 nW; Gain = 24. Два каскада усиления: V+ = 0,5 V; 1+ = 2,8 ?А; Pd = 1,4 ?W, Gain = 52. Используя такую микросхему, удается собрать современный высокочувствительный детекторный приемник (рис. 9).

Рис. 9. Современный детекторный приемник