Общепринято считать, что радио изобрел Попов, однако если глубже окунуться в историю, то не все так просто и очевидно. Это ожидаемо, поскольку настолько масштабные открытия обычно принадлежат не конкретным специалистом. Предварительно идет многолетняя работа большой группой ученых из разных стран. Идет постепенное накопление необходимой основы для дальнейшей работы.
Поэтому важно предварительно рассмотреть предпосылки, которые привели к появлению радиосвязи. В данной статье также будут рассмотрены успехи других инженеров.
Кто способствовал изобретению радио
Во время активного развития телеграфии достаточно быстро стало очевидно, что технология имеет массу недостатков и просто не покрывает все потребности. Поэтому все развитые страны начали активно искать новые средства связи. При этом специалисты активно искали возможность устранить главный недостаток и найти способ передачи данных без проводов.
В качестве первой значимой даты принято указывать 1831 год – был проведен эксперимент, который доказал, что переменное магнитное поле генерирует электрический ток. Работа принадлежит Майклу Фарадею и позволила начать полноценные работы в направлении беспроводной связи, но процесс шел достаточно медленно. В 1854 году Джеймс Клерк Максвелл (известный физик) детально изучил данное явление и описал его математически. В публикации были раскрыты многие аспекты, также было предсказано, что дальнейшая работа приведет к открытию электромагнитного излучения. Физик при помощи ряда опытов показал, что обычный свет представляет собой форму электромагнитного излучения, поэтому имеет соответствующие свойства. Был сделан вывод, что существуют другие виды волн, которые обладают определенными свойствами, но их нельзя увидеть визуально.
Только после этого появился термин «радио», использовалось латинское слово radio, которое дословно можно перевести как «излучать во все стороны». Это достаточно точно описывало особенности излучения радиоволн, хотя изначально понятие использовалось гораздо шире. В оборот термин ввел в 1873 году Уильям Крукс, представив свое новое устройство – радиометр. Оно не несло практической пользы и представляло собой стеклянную колбу, в центральной части находился набор небольших лопастей, прикрепленных к оси. Если на элемент попадало тепловое излучение (стенки были из прозрачного стекла), лопасти начинали вращаться. Это было обусловлено тем, что стороны каждой лопасти имели разный цвет, темная сторона нагревалась быстрее. Ось имела специальную конструкцию крепления, что обеспечивало минимальное трение.
Сам прибор и дальнейшая деятельность Крукса не имела прямого отношения радиоволнам, но новый термин «радио» достаточно точно описывал особенности распространения электромагнитных волн, поэтому начал активно использоваться.
Следующий важный шаг сделал Томас Эдисон, произошло это в 1876 году. В процессе проведения своих опытов специалист обратил внимание, что при возникновении искры в цепи, которая обладает индуктивностью, аналогичная искра возникала в аналогичном устройстве, которое расположено поблизости. В процессе опытов было обнаружено, что эффект может возникать даже при отдалении устройства – на тот момент максимальная дистанция составила 30 метров. Прибор корректно работал и при наличии препятствий.
На тот момент Эдисон просто не смог корректно объяснить такое поведение устройств. Было предложено достаточно пространное объяснение – существование некой «силы» которая состоит из различных компонентов, включая магнетизм, тепло, свет и электричество. Несмотря на отсутствии теоретической базы, работы в данном направлении были продолжены.
В 1886 году была даже запатентована инновационная система сигнализации для кораблей. Для расширения радиуса действия использовались антенны, которые при помощи воздушных шаров поднимались на значительную высоту. Проект был действительно рабочим, однако на тот момент технология не получила развития.
Работы велись и в Германии – успехов добился Генрих Герц, который решил повторить и углубиться в опыты Максвелла. Ему удалось создать собственную установку, которая доказала существование и возможность искусственной генерации электромагнитных волн. Принцип действия был аналогичный – использовалось два независимых контура (генератора), на концах были небольшие металлические шары, между которыми проскакивала заметная искра. В этом случае на приемнике возникал аналогичный эффект, который также можно было наблюдать визуально.
В 1888 году физик представил публикацию «О лучах электрической силы». Была проделана огромная работа с большим количеством новых экспериментов. Удалось не только в очередной раз доказать наличие электромагнитных волн, но и зафиксировать их ключевые свойства. В частности, было доказано, что они также распространяются в окружающей среде со скоростью света. На тот момент ученый не пытался создать реальные устройства, которые бы для работы использовали радиоволны. Более того, он не считал, что им в дальнейшем удастся найти практическое применение.
Приблизил реальное использование радио Эдуард Бранли. Физик в 1890 году представил когерер, который позволяет фиксировать радиоволны на значительном расстоянии. Это была стеклянная трубка с двумя контактами по краям, наполненная обычными металлическими опилками. В обычном состоянии они имели достаточно высокое сопротивление. Однако при прохождении радиоволн их сопротивление резко падало, что фиксировалось устройством. В первой версии после каждого срабатывания колбу приходилось встряхивать вручную, чтобы опилки вернули свои первоначальные свойства.
В 1894 году Оливер Лодж представил более совершенную версию прибора, в которой была предусмотрена возможность автоматического встряхивания колбы. Конструкция была достаточно простой: при падении сопротивления ток подавался на электромагнит, который притягивал небольшой молоточек, чтобы он ударил по звонку. На обратном ходе ударных механизм бил по корпусу колбы, встряхивая опилки. Это позволяло постоянно принимать радиоволны и оповещать об этом при помощи звонка.
Лодж также смог привлечь внимание общественности к радиосвязи – писал научные статьи, проводил демонстрации новых открытий, читал лекции в учебных заведениях. Многие энтузиасты и физики также начали активно изучать беспроводную связь и проводить собственные опыты.
К началу 1890- годов уже накопилось достаточно теоретических знаний, были разработаны отдельные узлы, включая приемник и передатчик радиоволн. Термин «радио» уже активно использовался в научной среде. Фактически, оставалось только собрать все это в единую работающую систему. Эти занялись сразу несколько специалистов, включая Николу Тесла и Александра Попова.
Работа Александра Попова над первым радиоприемником
На начальном этапе своей карьеры Попов работал преподавателем физики, позднее увлекся изобретениями Герца, что изменило его сферу деятельности. Он бросил работу и отправился в научную поездку. Посещение Всемирной выставки в Чикаго позволило в полной мере ознакомиться работами Николы Теслы, также ему удалось стать членом престижного Французского общества, что также сыграло определенную роль в дальнейшей работе.
После возвращения в Россию он полностью сосредоточился на реализации беспроводной передачи при помощи радиоволн. В 1895 году он представил обновленную версию приемника электромагнитных волн. Было добавлено реле, что позволило заметно повысить чувствительность устройства. Изначально прибор использовался как обычный фиксатор грозы, поскольку реагировал на молнии.
7 мая 1895 года Александр Попов в Санкт-Петербурге представил свою разработку на очередном заседании физико-химического общества. Именно данное событие позднее стало основанием для выбора даты празднования Дня радио.
Устройство могло только фиксировать наличие радиоволн, однако это было первое практическое применение технологии. Прибор работал стабильно и позволял заранее детектировать приближение грозы.
Уже 25 марта 1896 года Попов впервые в истории передал искусственный радиосигнал на 250 метров – демонстрация проходила на территории Петербургского университета. Исходящий сигнал генерировался при помощи устройства, в основе которого лежал передатчик Герца. Первым было передано слово «Герц», так Попов отдельно подчеркнул, чьи исследования легли в основу его изобретения.
Дальнейшая работа была направлена на повышение стабильности передачи, максимального расстояния, велся поиск возможности точной настройки системы. В 1899 году был разработан новый тип приемника, в котором когерер уже не использовался. К этому моменту обеспечивался уверенный прием на расстоянии до 35 километров, антенны при этом постепенно уменьшались в размерах. В 1900 году была налажена стабильная радиосвязь между двумя крупными островами, расположенными в Финском заливе. Расстояние составляло уже порядка 45 километров. Еще через три года полноценная радиосвязь была запущена между кораблями на Черном море. Используемое оборудование позволяло передавать информацию на 120 километров, что было настоящим прорывом.
В то время в России не было тенденции к активному оформлению патентов на новые устройства, как это было принято в других странах. Попов также не оформлял патенты, хотя было разработано много инновационных устройств. Он отмечал, что научные открытия такого уровня должны изначально служить на благо науки и способствовать развитию страны. Также многие его разработки сразу получали статус оборонного значения, долгое время они были засекречены. В правительстве понимали, что возможность обеспечения стабильной связи позволит кардинально изменить обстановку при ведении боевых действий.
Изобретения Гульельмо Маркони
Практически с детства будущий специалист активно интересовался физикой и смежными науками. Активно следил за деятельностью Герца и также начал собирать и тестировать собственные устройства для передачи радиосигнала. В отличие от русских специалистов, он сразу пытался перейти на коммерческие рельсы. В частности он обратился почтовую службу Италии, но его изобретение не было оценено.
Однако неудача не остановила изобретателя, он отправился в Великобританию, где также подал заявку на оформление нового патента. Правительство рассматривало ее почти год – только в июле 1897 году был оформлен необходимый документ с номером GB189612039A.
В сентябре 1986 года была проведена первая публичная демонстрация новой системы передачи сигналов. Через год Маркони смог увеличить радиус действия до 18 километров, также началось коммерческое продвижение нового продукта. Общественность и различные компании заинтересовались новым устройством, что дало толчок к дальнейшему развитию.
В основе запущенной системы лежало 4 основных компонента: приемник с когерером, генератор радиоволн, система антенн с заземлением и телеграфный ключ, который обеспечивал кодирование исходной информации. В числе первых важных усовершенствования было использование специального контура, который позволяет достаточно точно настроить работу на одинаковой частоте. Это позволило повысить стабильность приема и дальность системы. Изобретением быстро заинтересовались военные, Маркони привлекли к разработке систем связи для морского флота и армии.
Не обошлось на данном этапе и без патентных споров. В 1900 году в американское патентное ведомство от имени Маркони была подана новая заявка, однако в оформлении документа было отказано. В качестве обоснования указывалось наличие аналогичных патентов от Николы Теслф. На тот момент их накопилось уже немало, его работы были известны во многих странах. Однако в 1904 году по неизвестным причина решение было пересмотрено, Маркони получить официальный патент. Это означало, что фактически именно он юридически являлся изобретателем радио в США. Тесла пытался опротестовать решение, но в силу финансовых проблем не мог начать полноценное судебное разбирательство, что привело к потере времени.
Но постепенно дело удалось сдвинуть с мертвой точки, было запущено длительное разбирательство. Но только в 1943 году было принято окончательное решение – Верховный суд отменил патенты, выданные итальянскому разработчику. В итоговом решении указывалось, что ключевые технологии для реализации радиопередачи были разработаны тремя специалистами: Джон Стоун (селективные подсистемы приема), Оливер Лодж (модуль настройки частот), Никола Тесла (передача энергии без проводов).
Работы Николы Теслы
Работы изобретателя редко упоминаются в контексте беспроводной передачи данных. Однако именно он является авторов многих открытий, которые в дальнейшем активно использовались для развития радио. В 1891 году Никола Тесла на очередной лекции продемонстрировал возможность передачи энергии без проводов. При помощи тока высокой частоты он на небольшом расстоянии зажигал обычные лампы накаливания.
В этом же году был оформлен патент на систему, которая могла генерировать устойчивые электрические колебания, что обеспечивало возможность передачи их по воздуху. Уже тогда в качестве основного инструмента настройки использовался принцип резонанса, что позволяло точно настраивать устройства на определенную частоту. Аналогичный принцип используется во всех радиоприемниках даже сегодня. При этом не важно – крутим мы вручную специальную ручку или нажимает кнопку для смены цифр на дисплее.
Тесла всегда отличался нестандартным мышлением и невероятными амбициями. Еще в 1985 году изобретатель публично подтвердил намерение передать на четкий радиосигнал на расстояние порядка 80 километров. Работа уже активно велась, но весной этого же года крупный пожар уничтожил важное оборудование и записи, что практически остановило работу.
Однако после остановки данного проекта Тесла перенес внимание на другие, более масштабные. Многие из них поражают размахом даже сегодня. В 1901 году было запущено строительство 57-метровой башни «Варденклиф». Новый проект подразумевал, что по всему миру будет развернута масштабная сеть таких конструкций, что позволит запустить систему беспроводной передачи. При этом можно будет передавать не только информацию, но и электричество.
Настроен Тесла был достаточно серьезно – в 1903 году были проведены успешные испытания системы – башня генерировала искусственные молнии, которые имели длину до 30 метров. Но закончить проект не удалось, основной инвестор свернул финансирование.
Заслуги изобретателя не стали основой для крупных коммерческих систем, однако очевидно, что Тесла внес значительный вклад в развитие радио. Для этого достаточно посмотреть перечень его патентов:
US613809A – описание системы радиоуправления на примере автономной лодки. Реализованы все необходимые команды для перемещения по произвольному маршруту;
US649621A – более совершенный передатчик сигнала, в котором предусмотрена возможность настройки резонанса. Обеспечивает повышение дальности передачи;
US645576A – устройство беспроводной передачи энергии, используется система антенн, заземление и резонанс в цепях;
US568178A – описан модуль для генерации стабильных высокочастотных электрических колебаний, что позволило повысить стабильность передачи;
US725605A – модуляция несущего высокочастотного сигнала. Технология используется и сегодня для передачи обычного звука;
US685953A – система для передачи электричества через атмосферу. Используется заземление, антенны и контуры для получения резонанса;
US787412A – использование двух независимых каналов для передачи информации. Система позволила снизить количество помех и увеличить общую дальность передачи.