Радио
Насколько бы ни были хороши такие виды передачи информации, как телефон и телеграф, они обладали одним существенным недостатком — их месторасположение и мобильность напрямую зависели от подведенных проводов. А что делать, если абонент находится, например, на самолете или корабле?
Идея беспроводной, или, как ее называли в начале, беспроволочной связи, удалось воплотить в реальность на рубеже XIX и XX вв. Устройство, использующее в своей работе электромагнитные волны, получило название «радио». Вначале радио использовалось только для передачи сообщений с помощью азбуки Морзе. Кстати, само название «радио» — это сокращение от слова «радиотелеграф». В наши дни радио прочно вошло в жизнь каждого человека. Благодаря быстрому развитию технологий с его помощью стало возможно передавать не только сигналы, но и голос, и музыку.
Вибратор и резонатор Герца
Считается, что первым, кто выдвинул гипотезу о существовании электромагнитных волн, был известный английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879). Это случилось в 1864 г. А уже в 1886 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857—1894) провел эксперимент, подтверждавший теорию Максвелла. Для возбуждения электромагнитных волн Герц разработал прибор, названный им вибратором, а для их обнаружения создал резонатор. Когда на вибратор, состоящий из двух стержней, подавали индукционный ток, то между находящимися на их концах шарами проскакивала искра, и в окружающее пространство излучались электромагнитные волны. Они улавливались резонатором, который состоял из согнутой в кольцо проволоки, на обоих концах которой находились металлические шары, между которыми также наблюдалось проскакивание искры. Следует отметить, что вибратор Герца имел небольшую мощность, а резонатор был очень малой чувствительности, и поэтому передачу электромагнитных волн можно было осуществить лишь в пределах комнаты.
В нескольких шагах от открытия радио
В 1894 г. английскому физику Оливеру Джозефу Лоджу (1851 — 1940) удалось существенно увеличить чувствительность приемной части. Для этого он использовал в ней устройство, названное «когерером» (от латинского «coheare» — «сцепляться», «связываться»). Оно представляло собой стеклянную трубку, в которую были помещены металлические опилки. При возникновении вблизи когерера электромагнитных волн, сопротивление опилок быстро падало и восстанавливалось лишь после их легкого встряхивания. Это позволило увеличить дальность приема до нескольких десятков метров, однако Лодж на этом остановил свои эксперименты, хотя до открытия радио ему оставалось сделать всего один шаг.
Первый в мире радиотелеграф
В ряде стран, в том числе и России, считается, что первым, кто применил электромагнитные волны для передачи информации без проводов, стал русский инженер Александр Степанович Попов (1859— 1905). 7 мая 1895 г. (эта дата отмечается как День радио) Попов на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге продемонстрировал свое изобретение — первый в мире радиоприемник, или, как называл его автор, грозоотметчик.
Радиоприемник Попова состоял из когерера, электрического звонка и чувствительного электромагнитного реле. Для увеличения чувствительности к конструкции были присоединены антенна и заземление. Электромагнитные волны заставляли слипаться металлические опилки когерера, и от этого их сопротивление резко уменьшалось. Ток, идущий на реле, возрастал, оно срабатывало и включало звонок. На обратном пути молоточек звонка ударял по когереру, встряхивал опилки и приводил аппарат в исходное состояние.
В 1897 г. Попов осуществил радиосвязь между двумя кораблями на расстоянии 5 км, еще через год довел его до 30 км. Вскоре изобретатель присоединил к своему устройству телеграфный аппарат Морзе, включенный в электрическую цепь вместо звонка. Так получился первый в мире радиотелеграф — передатчик и приемник с возможностью записи сигналов на бумажную ленту.
Радиосвязь через Атлантический океан
Практически одновременно с Поповым свою радиотелеграфную установку создал итальянский инженер Гульельмо Маркони (1874—1937). С детства он живо интересовался электричеством, а потом увлекся идеей беспроволочного телеграфа. В 1896 г. он переехал в Англию и получил патент на свое изобретение. Так как это был первый патент, взятый на устройство для передачи сигналов без проводов, во многих странах мира Маркони вполне справедливо считают изобретателем радио.
Радиотелеграф Маркони обеспечивал дальность связи около 20 км, а после усовершенствования в 1898 г. — вполне устойчивую связь через Ла-Манш. В декабре 1901 г. изобретатель организовал первую радиосвязь через Антлантический океан, а на следующий год трансатлантическая радиосвязь стала регулярной. В 1909 г. Маркони была присуждена Нобелевская премия по физике.
Трансляция музыки
Аппараты Попова и Маркони передавали телеграфные, а не звуковые сигналы. Большую работу в этом направлении сделал канадский ученый Реджинальд Обри Фессенден (1866-1932). В начале XX в. им была разработана амплитудная модуляция, благодаря которой стала возможна передача звука посредством радиосигналов. В 1906 г. ученый осуществил первую в мире трансляцию музыки, принятую несколькими беспроводными приемными устройствами. Уже в 1921 г. только в США регулярные программы передавались восемью станциями, в 1923 г. начала работать знаменитая станция Би-Би-Си в Великобритании, а к 1925 г. в мире насчитывалось уже 600 радиостанций.
Привычный дизайн
Уже в начале 20-х гг. XX в. приемное устройство приобрело привычный для нас вид и было названо радиоприемником. Во-первых, у него появился орган настройки (тюнер), с помощью которого пользователь выбирал соответствующий канал (как еще говорят — волну или частоту) из множества каналов, улавливаемых антенной. Во-вторых, в схему радиоприемника был включен детектор, преобразовывающий переменный ток высокой частоты в однополярные импульсы, которые поступали на головной телефон (наушники), либо через усилитель на громкоговоритель. В-третьих, радиоприемники начали собирать на полупроводниковых элементах. Вначале это были электронные лампы, затем транзисторы, которые в свою очередь были заменены на интегральные микросхемы.
Это интересно!
Когда вы настраиваете радиоприемник на понравившуюся передачу, на его шкале вы видите цифру. Это частота передающей станции, на которой установлен передатчик. Он посылает в эфир электромагнитные волны заданной длины или частоты, которая, как вы помните, измеряется в герцах (Гц), т.е. количестве колебаний в секунду. Музыка или голос ведущего, которые представляют собой механические колебания воздуха, преобразовываются микрофоном в электрический сигнал, который накладывается на передающую волну. Этот процесс называется модуляцией волны. Такая смесь волн усиливается и поступает в антенну передатчика.
Когда электромагнитные колебания воспринимаются антенной радиоприемника, они воздействуют на имеющийся в нем колебательный контур. Он преобразует электромагнитную волну в электрические сигналы, из которых детектор выделяет электрические колебания, идентичные отправленным. Затем они усиливаются и направляются в громкоговоритель.
Радиус действия станции
Электромагнитные волны распространяются от передатчика со скоростью 300 тыс. км/с. Таким образом, если их частота составляет 1 тыс. Гц, то на долю каждой отдельной волны придется путь в 300 км. Это и будет ее длиной. Таким образом, длина каждой волны напрямую связана с частотой колебания сгенерировавшей ее системы.
Радиосвязь для передачи информации использует электромагнитные волны в диапазоне частот от нескольких десятков тысяч до сотен миллионов герц (или длину волны от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков километров). Они условно разделены на несколько диапазонов волн — от очень низких частот (длинные волны) до сверхвысоких частот (ультракороткие волны).
Радиус действия радиостанции зависит не только от ее мощности, но еще и от длины электромагнитной волны. Так, например, длинные и средние волны (частоты менее 3 МГц), используемые для морской связи и навигации, распространяются на очень большие расстояния, так как отражаются от ионосферы и могут огибать Землю. В то же время более короткие волны не отражаются и поэтому антенна передатчика должна «видеть» антенну приемника, т.е. находиться на одной прямой.
«Ходилки-говорилки»
Часть диапазона частот была выделена для персональной радиосвязи. Сюда относятся популярные во всем мире карманные переговорные устройства — малогабаритные приемопередатчики (радиостанции), с помощью которых можно переговариваться на небольших расстояниях. Впервые подобные устройства начали применять в армии США, где их окрестили «walkie-talkie» — «уоки-токи» — «ходилка-говорилка», что дословно можно перевести как «говорить на ходу». Этот термин настолько прочно вошел в нашу жизнь, что сейчас так называют практически все портативные переговорные устройства. Они широко используются водителями такси, военными, сотрудниками охранных и специальных подразделений, геологами, путешественниками, спасателями и т.п. Кроме того, «уоки-токи» с небольшим радиусом действия можно даже купить в магазине игрушек.
Пейджинговая система
Всего несколько десятков лет назад, еще до того, как сотовые телефоны стали доступными широким массам пользователей, основным способом мобильной передачи информации являлась пейджинговая система. Первый в мире пейджер выпустила американская компания «Моторола» в 1956 г.
В этом устройстве радиопередатчик использовался для передачи на небольшие индивидуальные приемники предупреждающих сигналов или коротких текстовых сообщений. Каждый приемник имел собственный уникальный код и поэтому принимал только сообщения, включающие этот код. Для того чтобы отправить сообщение на пейджер, надо было набрать телефон оператора пейджинговой сети и сообщить ему код абонента и продиктовать сообщение.
Зарождение радиоастрономии
Оказывается с помощью электромагнитных волн можно не только передавать сообщения, но и изучать звезды, которые являются естественными источниками радиоволн. Для того чтобы улавливать и исследовать такие волны, было изобретено устройство, получившее название радиотелескоп. Впервые о возможности его создания заговорили в 1931 г., после того как в ходе исследования атмосферных радиопомех обратили внимание на излучения, приходящие из космоса. Так родилась новая ветвь астрономии — радиоастрономия.
В отличие от телескопа оптического, в радиотелескопе вместо линз используется металлическая антенна (чаще всего параболическая) очень больших размеров, которая улавливает радиоволны и направляет их на приемник. Исследуя полученные из глубокого космоса сигналы, ученые узнают много нового и интересного о тех процессах, которые нельзя увидеть даже в самые мощные оптические телескопы. Так, например, с помощью радиотелескопов были получены волны слабого излучения, которые образовались на расстоянии в 2 млн световых лет от Земли.
Самый большой радиотелескоп из имеющих сферическую антенну, был построен в Пуэрто-Рико в кратере потухшего вулкана в 1963 г. и принадлежит астрономической обсерватории Аресибо. Диаметр его антенны равен 300 м.