О телеграфировании без проводов
Доклад на съезде железнодорожных электротехников в Одессе 17 сентября 1897 г. [29].
Вопрос о телеграфировании без проводников явился с тех пор, как только познакомились с электрическими и электромагнитными действиями на расстоянии.
Действие на расстоянии может быть возбуждено двумя весьма различными приемами: сильным зарядом, периодически появляющимся и исчезающим и возбуждающим переменное электростатическое поле, или электромагнитными действиями прерывистого или переменного тока. Первый способ телеграфирования был осуществлен Эдисоном [30] в следующем виде. Высокая мачта, снабженная большим шаром, соединена была со специальным генератором, вроде трансформатора Тесла, возбуждаемого действием прерывистого тока, и затем другая мачта, снабженная также шаром, соединена через телефон с землей.
Заряды первого шара могли отозваться электростатической индукцией на втором шаре. Другой способ основан на взаимном действии параллельных проводников. Этот способ осуществлен Присом, который был натолкнут на эти опыты тем фактом, что прерывистые телеграфные токи в отдаленном даже проводнике возбуждают настолько сильные индукционные токи, что можно слышать в телефоне действие телеграфа.
Прис пытался воспользоваться этим на практике и на Чикагском конгрессе сделал доклад о достигнутых результатах [31]. Однако же эти два способа не имеют прямого отношения к современному способу телеграфирования без проволоки, основанного на особом явлении, известном под именем электрического колебания. Это не будет прерывистый ток, а явление особого рода, о котором скажу несколько слов.
Остановимся на каком-нибудь общепонятном, не электрическом колебании, например, возьмем маятник. Если маятник мы выведем из положения равновесия, мы, поднимая, сообщим ему потенциальную энергию; если отпустить его, то маятник начнет двигаться, и потенциальная энергия постепенно будет переходить в кинетическую; когда же он поднимется на другую сторону, кинетическая энергия вновь превращается в потенциальную. Что благоприятствует и что препятствует продолжительности явления?
Понятно, значительная величина первоначального запаса энергии, т. е. высота первоначального поднятия, определяющая размер, и масса маятника играют здесь первую роль. Препятствующим обстоятельством будет сопротивление движению. Чтобы колебания долго не прекращались, надо, чтобы сопротивления движению механическому были по возможности ничтожны.
Эти два обстоятельства имеют место во всяком колебании без исключения, какое бы движение ни взяли.
Посмотрим, как можно осуществить переход энергии потенциальной в кинетическую и обратно в электрических явлениях.
Два хорошо изолированных и разноименно заряженных тела неопределенно долго могут сохранять свои заряд. Они будут обладать потенциальной энергией. Цели эти два тела соединить прямолинейным проводником, то начнется электрический ток. Проявляется особый род кинетической энергии.
На чертеже 1 показаны два шара и между ними прямолинейный проводник с перерывом. Ток наступает тогда, когда заряд шаров достигнет разности потенциалов, при которой электрические силы будут в состоянии разрушить целость изолятора. До тех пор пока не перейдена прочность этого изолятора, пока не наступил разряд происходит накопление потенциальной энергии. С наступлением разряда, пока ток идет, например, сверху вниз, является вблизи прямолинейного проводника магнитное поле с линиями сил, расположенными концентрическими кругами около этого проводника. Это магнитное поле есть какой-то вид кинетической энергии. Как только потенциалы шаров сравняются, ток должен бы прекратиться, как следствие причины, которая его возбуждала, но движение не прекратится; здесь за счет запасенной энергии магнитного поля ток поддержится в том же направлении и будет заряжать шары, но в противоположном прежнему заряду направлении. Затем все явления будут повторяться, и за мгновение, пока существует искра, может произойти несколько тысяч таких колебаний.
Прибор для возбуждения электрических колебаний, быстро непрекращающихся, должен удовлетворять некоторым условиям. На концах проводника, в котором возбуждаются колебания, помещаются шары или листы, обладающие значительной электрической емкостью. Чтобы начальный запас энергии был большой, надо возбудить большую разность потенциалов; для того же, чтобы происходил колебательный разряд, т. е. чтобы взаимные превращения энергии не скоро прекратились, надо, чтобы побочные затраты энергии, помимо электростатической и электромагнитной, были возможно малы. Каждый раз как ток идет по проводнику, часть энергии превращается в тепловую; проводник поэтому должен иметь возможно малое сопротивление. Чтобы в искре энергии тратилось мало, она не должна превосходить известной длины. Для того чтобы запасти большую потенциальную энергию, можно увеличить длину перерыва, в котором происходит разряд, но тогда легко может случиться, что совсем не будет колебаний.
Такой источник электрических колебаний впервые был осуществлен в конце восьмидесятых годов Генрихом Герцем [32], опубликовавшим ряд работ над электрическими колебаниями, которые положили начало новому, теперь уже широко развивающемуся отделу учения об электричестве, имеющему первостепенное значение в науке и в практических приложениях.
Посмотрим теперь, что происходит в пространстве, окружающем источник электрических колебаний. Во всякой точке пространства вблизи проводника тока возбуждается магнитное поле, вблизи же электрических тел существует электростатическое поле; если же величины и направления тока или величины и знаки заряда в источнике изменяются, то в среде, окружающей источник электрических колебаний, будут периодически изменяться величины напряженности магнитного и электрического поля, т. е. в среде возбуждается электромагнитная волна по всем направлениям.
В позднейшее время, кроме способа Герца, появилось много различных способов обнаружения электромагнитной волны. Бранли первый показал, что тонкие слои металла обладают свойством мгновенно изменять свое сопротивление, если до них достигнет электромагнитная волна, причем сопротивление уменьшается. Таким же свойством обладает металлический порошок; отдельные зерна металла, составляющего порошок, настолько слабо прикасаются друг к другу, что ток небольшого числа элементов не проходит через него, но как только электромагнитная волна достигнет массы порошка, порошок мгновенно делается хорошо проводящим. Это можно демонстрировать простыми средствами.
Составляется цепь из обыкновенного звонка и двух-трех элементов (черт. 2), и к ее концам присоединяются две металлические пластинки. Прикосновением пластинок замыкается цепь, и звонок звонит. Если же положить на столе обе пластинки рядом, не касаясь друг друга, и заполнить пространство между ними железными опилками, то, хотя цепь звонка и будет замкнута через опилки, сопротивление цепи весьма велико, и звонок не будет звонить. Но если по соседству будет произведен колебательный разряд в каком-либо вибраторе, то электромагнитная волна тотчас же установит связь между разъединенными частичками порошка, сопротивление цепи уменьшится, и звонок начнет действовать. Эта связь может быть снова разрушена, если встряхнуть порошок.
Другой аналогичный опыт. Замыкаются два элемента через звонок и металлическую цепочку (черт. 3), звонок звонит; при постепенном увеличении числа звеньев цепочки, введенных в цепь, звонок скоро перестает работать. Если натянуть цепочку, то опять вызывается звон. Электрическая волна делает то же, что прямое нажатие. Встряхивание цепочки опять прерывает ток.
Может быть, причина увеличения проводимости чисто механическая, так как под влиянием электромагнитных волн отдельные частички наэлектризовываются и притягиваются между собою, или же, что вероятнее, здесь Должно произойти в контакте выделение электрической энергии и достаточно интенсивное молекулярное движение, чтобы произвести соединение наподобие сваривания. Постоянство и чувствительность вышеописанного явления зависят от величины зерен порошка, расстояния между пластинками и числа вольт источника тока. Только с большой и постоянной чувствительностью можно переходить к практическим приложениям. Два рода рассмотренных явлений и служат основанием для телеграфирования без проводников.
На одной станции находится источник электрических колебаний, возбуждающий в пространстве электромагнитные волны; эти волны, достигнув проводников другой станции, возбуждают на них также электрические колебания. Эти колебания, распространяясь до опилок, замыкают ток местной батареи на принимающей станции.
Однако только что описанные приборы не будут обладать еще одним существенным свойством, которое необходимо для сигнализации, потому что действие электромагнитной волны приводит к тому, что цепь местной батареи замыкается и затем ток уже не прекращается. Для того чтобы было возможно телеграфировать, нужно было продумать еще одно приспособление, которое и было сделано мною в 1895 г.
Бранли, Лодж и другие пользовались простым механическим сотрясением для того, чтобы нарушить связь опилок и разомкнуть цепь, но моею задачей было такое устройство, чтобы замыкание местной цепи автоматически вызвало и сотрясение опилок, причем ток замкнется только на мгновение.
Достигнуто это было самыми простыми средствами. Внутри стеклянной трубочки (черт. 4) наклеены две платиновые пластинки и на них насыпан порошок. Эта трубочка помещается на пружине так, что слабым ударом можно вызвать ее сотрясение и встряхнуть опилки. Автоматическое встряхивание опилок было достигнуто следующим расположением: ток от батареи 2—6 вольт проводится последовательно через трубку с порошком и обмотку телеграфного реле; пока опилки находятся в обыкновенном состоянии, в цепи циркулирует ток чрезвычайно слабый, и якорь реле остается не притянутым, но как только до опилок достигнет электромагнитная волна, тотчас сопротивление всей цепи уменьшится якорь реле притянется и замкнет побочную цепь звонка. Звонок тотчас же произведет удар, и вместе с тем молоточек его встряхнет трубку с опилками, вследствие чего цепь реле разомкнется, так как опилки опять перестанут хорошо проводить ток, и якорь реле будет оттянут назад.
Таким образом, является возможность всякую волну, достигшую трубки, отметить электрическим звонком. Прежде всего я воспользовался своим прибором для метеорологических целей.
Такой прибор установлен в июле 1895 г. в Лесном институте и работает уже более 2 лет. Потом этот прибор был приспособлен для опытов Герца с электрическими лучами.
Два средства могут быть употреблены для достижения больших расстояний: увеличение энергии источника волн и увеличение чувствительности приемника.
Если взять малые размеры вибратора, то потенциальная энергия при заряде его мала и увеличить ее нельзя. Необходимо прежде всего увеличить размеры частей вибратора и выбрать такой, в котором при большой длине искры, т. е. при значительной разности потенциалов в первый момент разряда, легко сохранить колебательный характер последнего. Теория и работы других наблюдателей указали на то, что самый первый вибратор, построенный Герцем, должен обладать указанными свойствами и дать большое расстояние. Вибратор этот имеет шары около 30 см и между ними разрезанный стержень немного менее метра. Колебания, возбужденные в таком вибраторе, не быстро затухают, а потому можно в нем сделать значительной длины искру и достигнуть значительной разности потенциалов в начале колебания, не опасаясь того, что разряд утратит колебательный характер.
Теперь другая сторона — приемник также может служить средством для увеличения расстояния. Сначала употреблялся в чувствительных трубках порошок, но после многих проб оказалось, что большей чувствительности можно достигнуть, употребляя вместо порошка мелкий стальной бисер, вроде крупных опилок.
Бисер, как показал опыт, дает расстояние в 3—5 раз больше, чем опилки. Употребление бисера pi увеличение вибратора дает расстояние до 300 саж. с маленькой спиралью, при длине искры не более 4—5 мм. Употребление следующего номера спирали сразу дает расстояние более версты. Если же приемник снабдить очень длинным вертикальным проводником, то расстояние, на котором волны будут действовать на приемник, еще увеличится, так как, увеличивая длину приемной проволоки, захватывается энергия с большой части пространства. Есть и еще средства для увеличения чувствительности приемника, именно увеличение чувствительности реле, употребляемого в цепи чувствительной трубкой.
Все опыты с моими приборами производились на средства Морского министерства и происходили в 1895 и 1896 гг.
В июне 1896 г. появились публикации о приборе Маркони. Все, что выше описано, содержится и в приборе Маркони, который применил вибратор системы профессора Риги. Он состоит из двух шаров, которые близко сходятся. Между двумя шарами происходит разряд. Следовательно, по сравнению с вибратором Герца, в нем уничтожен промежуточный проводник. Это сделал Риги умышленно; его цель была — получить как можно меньшие размеры колебаний и малую длину волны. Маркони остановился на вибраторе Риги, как на самом лучшем.
Схема опытов Маркони изображена на черт. 5, откуда видна его полная тождественность составных частей с моим прибором. В приемной части оказался прибор d с порошком, но иной формы. Здесь не две пластинки, а два маленьких цилиндра, пространство между которыми заполнено порошком. Диаметр этих цилиндров одинаков с внутренним диаметром трубки. Порошок Маркони взял никелевый и из трубки выкачал воздух. Чувствительность прибора Маркони немного больше, чем у моего. Батарея, ведущая ток через трубку и контакт в опилках, замыкается через обмотку реле. Затем, далее, побочная цепь содержит молоточек. Все остальные части те же самые, как и у моего прибора, за исключением никелевых опилок и пустоты. На чертеже поставлены катушки L и L 1 чтобы случайные колебания, происшедшие от искры в перерывах релей звонка, ослаблялись катушками с самоиндукцией и не достигали чувствительной трубки.
Маркони пользуется явлением резонанса. Если взять два тела, способные звучать в унисон, то колебания в воздухе, произведенные одним, могут вызвать звучание второго тела. Так как всякому проводнику присуще свое собственное колебание определенного периода, то можно подобрать приемник такого размера, чтобы его колебания отвечали колебаниям вибратора. Я также пытался в своих опытах воспользоваться резонансом, но он мало помогал (Здесь А. С. Попов отмечает тот факт, что при уменьшении разрядного промежутка наряду с обострением резонанса уменьшалась интенсивность искры. (Прим. ред.)). Я усиливал вибратор тем, что получал предельные длины искры.
Если же уменьшить разрядное расстояние, то колебания будут затухать медленнее и резонанс выразится резче. У Маркони расстояние между шарами невелико; около миллиметра. Следовательно, начальная энергия его вибратора сравнительно мала, но зато легко можно увеличить расстояние, на котором действует приемник, пользуясь резонансом; в этом также можно видеть отличие опытов Маркони по сравнению с моими опытами. На прилагаемом чертеже (черт. 6) показана схематическая карта местности, где производились опыты Маркони, которые производились также на море. На карте показаны места приборов Маркони и расстояния. Это — наибольшее расстояние опытов Маркони. Прис говорит, что он, увеличивая размеры вибратора, достигал больших расстояний, до 14 километров. Здесь же указаны чертами места опытов Приса с параллельными проводниками.
Что касается связи прибора с телеграфом, то вопрос состоит только в подборе элементов, вибратора, молоточка, сопротивления обмоток телеграфа и т. д. Все это надо подобрать. Всякая волна делает точку на телеграфной ленте, но одними точками действовать нельзя, надо, чтобы вибратор действовал периодически; 5, 10, 15 точек дадут черту, и сигнализация уже становится возможной.
29) (к стр. 79). Доклад опубликован в «Протоколах заседания 4 совещательного съезда железнодорожных электротехников и представителей службы телеграфа русских железных дорог, созванного па 15 сентября 1897 г. в Одессе», Спб., 1898 г., стр. 173—179.
Выступление А. С. Попова в Одессе было охарактеризовано общей и специальной прессой, как триумф ученого-изобретателя. Наиболее содержательный отчет напечатан в «Записках Одесского отделения Русского технического общества» (1897, вып. 7, стр. 3 и ел.).
Председатель съезда А. Н. Эйлер (о нем ниже.— М. Р.) открыл заседание следующей речью:
«Милостивые государи! Едва стали известны всем нам работы профессора Рентгена, уже получившие столь широкое применение, как в сентябре 1896 г. появились краткие заметки об опытах с электрическими волнами, производимых английским телеграфным ведомством но системе Маркони. 4 июня текущего года представляется подробный доклад об изобретенной Маркони передаче сигналов на расстояние без проводников. Все мы жадно знакомимся с новым завоеванием пытливого человеческого ума и тут совершенно случайно узнаем, что в этой области имеются уже работы нашего соотечественника, уважаемого А. С. Попова. В 1895 и вначале 1896 г. он построил прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний в атмосфере, по сравнении с которым изобретение Маркони представляет точную почти копию. Таким образом, оказывается, что знаменитые опыты покойного профессора Боннского университета Герца послужили краеугольным камнем для разработки системы передачи электрических волн в целях сигнализирования впервые у нас в России. Нам приятно видеть г. Попова, согласившегося поделиться с нами вопросом о телеграфировании без проводов и с упоминанием тех результатов его последних опытов, произведенных по поручению морского ведомства».
«Появление А. С. Попова на кафедре перед слушателями было встречено шумными рукоплесканиями,— сообщается далее в вышеуказанном отчете.— г. Попов, поблагодарив участников съезда за приглашение поделиться с ними своими опытами, приступил к ознакомлению со своими работами в этой области. Раньше всего слушателям были показаны аппараты, предназначенные для опытов. В соседней комнате, занимаемой библиотекой Технического общества, был установлен электрический аппарат (передача), а в большой зале, за толстой каменной стеной, перед слушателями был поставлен приемник, изобретенный докладчиком в 1895 г. Приемник состоит из маленькой стеклянной трубочки с железными опилками, гальванической батареи и телеграфного аппарата. В тот самый момент, когда в аппарате получались искры, на приемном телеграфном аппарате появились знаки. При этом толстые стены технического общества вовсе не служили препятствием. По заявлению докладчика, такое же действие получилось бы даже тогда, если бы передатчик, состоящий из спирали Румкорфа, находился от приемника на 1У2 и более верст. Лишь благодаря спешности работы и отсутствию некоторых технических средств пришлось ограничиться сравнительно незначительным расстоянием. Опыты эти производятся впервые в Одессе. Нужно надеяться, что они положат начало дальнейшему плодотворному развитию нового способа передачи электрической энергии. Сообщение г. Попова и демонстрирование опытов продолжались несколько часов. Оно было выслушано с большим интересом. Докладчик был награжден шумными аплодисментами и ему была выражена благодарность за ценное сообщение. Участниками съезда было отмечено то обстоятельство, что наш соотечественник первый применил способ телеграфирования без проводов. Лишь спустя полтора года, уже после того как ого работы были напечатаны в специальных журналах, появилось сообщение в иностранных журналах об изобретении итальянца Маркони, наделавшем много шума в техническом мире».
Эйлер Александр Николаевич (1861 —1921), потомок знаменитого петербургского академика; правнук сына Леонарда Эйлера (1707— 1783) Христофора (1743—1812), генерал-майора артиллерии, начальника Сестрорецкого оружейного завода.
Активный член VI (электротехнического) отдела РТО, А. Н. Эйлер проявил себя как видный деятель, посвятив свои труды проблемам связи на железнодорожном транспорте; в последние годы
жизни работал на Октябрьской железной дороге в качестве заместителя начальника службы связи.
Возглавленный А. Н. Эйлером съезд начался с его доклада «Об одновременном телеграфировании и телефонировании по одному и тому же проводу», вызвавшего оживленные прения.
30) (к стр. 79). Эдисон Томас-Альва (1847—1931), американский изобретатель.
Подробной об этом см. Почтово-телеграфный журнал, 1892. Отд. неоф., март 340—341. Здесь приведено следующее заявление Эдисона: «Мною сделано открытие, что электрический телеграф между двумя отдаленными пунктами возможен и без проволоки, при посредстве одной индукции, если только она производится на достаточной высоте, так, чтобы воспрепятствовать поглощению электричества землей. Открытие это имеет значение как для суши, так и для поверхности водной. Корабли на океане могут сообщаться между собой и с сушей. На море достаточна высота в 100 фут. Можно пользоваться мачтами и с верхушек мачт давать сигналы на далекие расстояния: на вершине мачт будут устанавливаться металлические щиты, путем индукции электрические сотрясения вызывают вибрацию или электрические волны (подобные световым), действующие на электрический прибор на отдаленном судне, имеющем подобный же приемный металлический щит. При сообщении с берегом для возвышения металлических щитов над земною поверхностью можно употреблять воздушные шары на привязи». См. тот же журнал, 1889, июль, стр. 495—496.
31) (к стр. 80). «Телеграфное сообщение без металлических проводников» — там же, 1895, май, стр. 493 и ел. И названную в прим. 18 статью Приса «Передача сигналов на расстояние без проводов».
32) (к стр. 82). Герц Генрих Рудольф (Hertz Ileinrich Rudolf) (1857—1894) — немецкий физик. Питомец Берлинского университета, Герц по окончании высшей школы стал ассистентом своего учителя, Г. Гельмгольца. Был профессором ряда высших учебных заведений, в том числе Политехникума в г. Карлсруэ. Работы Горца, обессмертившие его имя, относятся к периоду пребывания в этом городе, который он затем покинул, заняв кафедру в Боннском университете. История этих работ освещена во вводной части его книги «Исследования по распространению электрической силы» (Русск. пер. «Из предистории радио», стр. 112 и ел.).
Герц поставил перед собой задачу экспериментально убедиться в существовании свободных электромагнитных волн; он установил при этом, что они подчиняются тем же законам (отражения, преломления и поляризации), что и световые волны. Один из одареннейших экспериментаторов, каких только знает история естествознания (он умер, не дожив до 37 лет), Герц осуществил аппаратуру, послужившую фундаментом, на котором А. С. Попов воздвиг здание беспроволочной телеграфии. Это были так называемые вибратор и резонатор Герца, описанные в его первой работе, носящей название «О весьма быстрых электрических колебаниях» (см. там же стр. 131).
Первоначальное устройство вибратора состояло из двух пластин, соединенных проводом, прерванным в середине; в месте разрыва обе части провода были снабжены двумя небольшими разрядными шариками, соединенными с источником питания— индукционной катушкой Румкорфа. При помощи этого устройства Герц получал колебательный разряд, который ему удалось обнаружить посредством созданного им резонатора; последний представлял собой металлический проводник, согнутый в круг или прямоугольник так, чтобы между концами, снабженными небольшими шариками, оставался некоторый промежуток. При разряде вибратора между шариками резонатора проскакивали искры, длина которых могла изменяться микрометрически. Таким образом, Герц сознательно управлял электромагнитными волнами, экспериментально доказав тождественность их свойств со свойствами света.
Но волны Герца не воспринимались далее помещения его лаборатории. Для опытов на более далекие расстояния его аппаратура была слишком нечувствительна.
Научное значение открытия Герца не умаляется тем, что сам он не получил практических результатов. Открытие Герца тотчас же нашло признание во всем мире, и А. С. Попов был одним из первых, кто начал дальнейшую разработку важнейшего научного достижения.