61745 (Ли де Форест и первые шаги электроники)

Ли де Форест и первые шаги электроники

Хасапов Борис

Гении прокладывают дороги в науках, а люди, обладающие умом и вкусом, разравнивают и украшают их. Улучшение дорог следует рекомендовать, для того чтобы лучше переходить с одной стороны на другую.

Г. К. Лихтенберг (1742–1799)

Какой нации не хотелось бы назвать одного из своих сыновей изобретателем радио и числить приоритет великого открытия за своей родиной? Вот почему уже столетие не утихают споры среди историков науки. Приводятся убедительнейшие доводы и мнения, в которых фигурирует не так уж много имен: Максвелл (Англия), Герц (Германия), Бранли (Франция), Попов (Россия), Маркони (Италия).

Среди этой плеяды великих умов, каждый из которых заслуживает чести быть включенным в «жизнеописание» нового средства связи, можно встретить и других ученых, «рангом пониже». Но даже среди них американский инженер Ли де Форест кажется фигурой, на первый взгляд, не совсем подходящей для роли основателя радио. Ведь к исследованиям в области радиотелеграфии он приступил, уже после того как первые сигналы были переданы через Атлантику, а искровой телеграф, как тогда называли радио, достаточно широко использовался на практике. Но почему же на родине инженера-ученого, в США, его имя произносят в сочетании со словами «отец радио» и даже «дедушка телевидения»? Ведь для этого должны быть веские основания. И они есть.

Радиотелефон – это актуально

Конец ХIХ в. был ознаменован событием, которому вначале придали мало значения. Ассистенты А. С. Попова – П. Н. Рыбкин и

Д. С. Троицкий обнаружили с нынешней точки зрения «самоочевидную» вещь.

Пытаясь найти неисправность в радиоприемнике «прозвонкой» электрических цепей с помощью обыкновенной телефонной трубки, они отчетливо услышали радиосигналы азбуки Морзе ближайшей радиостанции.

Во-первых, это означало, что с помощью радиоволн можно передавать звуковые сигналы. Во-вторых, появилась возможность принимать на слух маломощный сигнал, на который не реагировало реле приемника – непременный элемент первых конструкций.

26 июля 1899 г. А. С. Попов получает российскую привилегию и патенты в Англии и Франции на «Телефонный приемник депеш, посылаемых с помощью электромагнитных волн по системе Морзе» [2]. Испытания новой системы связи было решено провести на действующей эскадре Черноморского флота. Во время летней кампании 1901 г. в районе Новороссийска дальность передач временами достигала 80 миль (около 150 км). Хотя зона уверенного приема была чуть меньше, но вывод, что радиоволны воспринимаются и за линией горизонта, был однозначен [3].

Здесь уместно привести классический пример «благоглупости», когда бюрократия стоит на пути развития прогресса. «Командование Черноморского флота, – сообщил Рыбкин, – запретило использование радиотелефонов на флоте, ссылаясь на то, что телеграфная лента является документом, в то время как доверять радисту, принимавшему на сл потребовали подтверждать гербовой печатью. А время шло, впереди были трагедии Цусимы и «Титаника», однако никаких стимулов для проведения исследовательских работ в области передачи человеческой речи по радио не было.

В США в тот период такие работы уже начались. Их результаты показали, что искровые передатчики для этой цели не годятся и частота несущей волны должна составлять не менее 10 тыс. периодов в секунду. Вопросами радиотелефонии занялся инженер Р. Фесенден, создавший высокочастотные электромашинные генераторы (альтернаторы). С 1906 г. с их помощью и были проведены первые радиотелефонные переговоры на побережье Атлантики. Кстати, их темой была стоимость рыбы на Бостонском рынке.

Судоводители в США отказались изучать правила работы на телеграфном ключе, поэтому было решено иметь радистов только на пассажирских судах (другие суда оборудовались только радиотелефоном).

«Аудион» – так названо изобретение

Ли де Форест появляется на арене работ по искровому телеграфу в 1900 г. Сменив несколько лабораторий пионеров нового вида связи, в 1902 г. он организует собственную «Американскую компанию беспроволочного телеграфа».

Из электротехники ему было известно, что при облучении воздуха пламенем горящей свечи он становится проводимым. То же происходило при нагревании любого разреженного газа. Уверенный, что рано или поздно среди светящихся под действием электрического тока газов может быть найден хороший детектор для волн Герца, Ли де Форест приступает к экспериментам.

Уже в 1903 г. он произвел очень удачный и перспективный опыт. Две платиновые обкладки воздушного конденсатора «лизало» пламя горелки, а на плазму внутри его действовало поле электромагнитной катушки, включенной между антенной и землей (рис. 1). С помощью этого детектора Ли де Форест принял сигналы с судна, стоящего в Нью-Йоркской гавани. Первый успех окрылил изобретателя. Но применить такое устройство на практике не представлялось возможным. «Было очевидно, что для судовой радиостанции приспособление с газовым пламенем неприемлемо, – записал изобретатель, – поэтому я стал искать способ нагревать газ непосредственно электрическим током». Проще всего для этой цели было использовать обыкновенную эдисоновскую электролампочку, введя туда платиновые пластинки электродов и обернув частью приемной катушки стеклянный баллон лампы. Впоследствии один из платиновых электродов был удален, а вместо него была применена раскаленная нить лампы (рис. 2). Радиоприемник с таким детектором работал не хуже других аналогичных приборов, но и не лучше.

Проводя многочисленные опыты, Ли де Форест однажды обернул стеклянный баллон лампы металлической фольгой, соединенной с антенной. Приемник стал более чувствительным. «В тот момент, – вспоминает ученый, – я понял, что эффективность лампы может быть увеличена, если третий электрод поместить внутрь». Что экспериментатор и поспешил сделать. Качество приема возросло. Дальнейшие опыты приводят изобретателя к мысли, что это эффективным, если поместить его между нитью накаливания и токоприемной пластиной. «Очевидно, – догадывается Ли де Форест, – что третий электрод не должен быть сплошной пластиной».

Начались поиски материалов, форм и размеров электрода, а также места его расположения между двумя выводами лампочки.

Наиболее удачной оказалась конструкция, в которой роль одного электрода выполняла раскаленная нить накала лампочки, помещенной в другой электрод в виде цилиндра. Между ними и располагался третий электрод, выполненный в виде проволочной спирали (рис. 3). Свое детище изобретатель назвал «аудионом» (от латинского «аудио» – слышать и греческого «ион» – идущий). Качество работы устройства определялось по силе звучания принимаемого сигнала на слух, и она превосходила все применявшиеся до этого приборы. Позже с легкой руки английского электротехника Вильяма Икклза лампы с тремя электродами стали называть триодами.

Поиски истины и открытие

Флотские радисты (а именно на флоте применялось новое средство связи), стремясь увеличить чувствительность аудионов, разогревали нить накала до недопустимых пределов, и они перегорали. Специалисты военно-морского флота, не разобравшись в проблеме, дали распоряжение «не приобретать аудионы, а пользоваться старыми детекторами».

Ученые не находили ничего нового в конструкции Ли де Фореста. Вот что писал изобретатель диода Флеминг: «В октябре 1906 г. д-р Форест описал прибор, названный им аудионом, который является простым повторением моего, описанного восемнадцатью месяцами раньше. Введенное изменение не дает существенного различия в действиях прибора как детектора» [6]. Написано это в 1907 г., но даже в 1908-м француз К. Тиссо подтверждает приоритет Флеминга.

Интересен тот факт, что оба изобретателя оригинальных электронных приборов, принявших электрон как реальность, подходили к определению приоритета с разных позиций. Флеминг считал приборы электронными, а Ли де Форест – ионными. Однако ничего удивительного в этом нет.

Существовавшие в то время вакуумные насосы, предназначавшиеся для производства электрических лампочек накаливания, были настолько несовершенными, что это позволяло трактовать процессы, происходящие в аудионе, двояко. Ли де Форест считал, что его прибор работает по принципу ионизации глубоко разреженного газа. Только изобретение диффузионных вакуумных насосов и многолетние исследования позволили досконально изучить возможности радиолампы с дополнительным электродом и убедиться в электронном характере его внутренних процессов. Поистине революционной стала способность аудиона усиливать поступающий на него сигнал. Радиоприемники теперь могли воспринимать сигналы удаленных радиостанций или очень слабые. Мощности передатчиков могли быть уменьшены, что способствовало более широкому распространению радиотелефона.

Однако развитие систем передачи человеческой речи не ставило своей задачей внедрение радиовещания, информации или музыкальных перике нужна была радиотелефония для деловой и выгодной двусторонней связи, но случилось непредвиденное...

Всем надоела назойливая радио- и телереклама. Но ради исторической справедливости нужно признать, что радиореклама появилась раньше радиовещания. И самое непосредственное отношение к ней имеет не кто иной, как изобретатель аудиона. Вот что писал сам Ли де Форест: «В 1909 г. я производил радиотелефоны для США. Каждый комплект был испытан с помощью записей фонографа. К моему удивлению, многие радиолюбители и профессиональные операторы наслаждались этими контрольными передачами. Естественно, мне пришла идея относительно радиовещания. Привлекательная музыка и интересные программы могли передаваться в эфир, создавая спрос на беспроводное оборудование». В целях рекламы были организованы первые трансляции в прямом эфире из Нью-Йоркской «Метрополитен опера», а в ноябре 1916 г. была воплощена идея пере- дачи процедуры подсчета голосов во время президентских выборов. Именно она резко повысила интерес к широковещательным передачам по радио.

Впервые в мире регулярное радиовещание началось в США из города Питсбурга с 1921 г. Первая радиореклама, в которой расписывались достоинства и низкая стоимость квартир в высотках Лонг-Айленда, была передана в 1922 г. из Нью-Йорка. Однако к ней Ли де Форест не имел никакого отношения.

Еще одно открытие

Успешно внедрив свой аудион в радиоприемник, Ли де Форест не мог пройти мимо идеи использовать его в радиопередатчике. Дело в том, что генерирование радиоволн сопряжено с устройствами, осуществляющими колебательные процессы. Таких излучателей колебаний в природе множество. Это и звучащий колокол, и голосовые связки, и качающаяся под потолком люстра, и маятник настенных часов.

В электричестве можно создать источник колебаний, объединив в цепь заряженный конденсатор и индуктивность, образовав так называемый колебательный контур. Все природные колебательные системы выдают затухающие колебания. Струна через какое-то время перестает звучать, морские волны успокаиваются. Колебания в контурах тоже затухают. Для высококачественных радиопередач требуются колебания незатухающие. А это непросто сделать. Для длинноволнового диапазона можно создать машинный генератор высокочастотных колебаний. А как решить вопрос с колебательным контуром, обеспечивающим колебания практически любой частоты?

Вот, например, в настенных часах для создания незатухающих колебаний маятника в течение нескольких суток были встроены специальные механизмы, которые регулярно подталкивают маятник в строго определенный момент по фазе его движения. Энергия для этого берется у поднятых гирь или заведенной пружины. Устройство называется анкерным механизмом.

А как быть с колебательным контуром? Ли де Форест включает колебательный контур в цепь сетки своего аудиона, и по электрическим цепям усиленный сигнал с колебательного контура вновь попадает на этот же контур, «подталкивая» в нужный момент колебания, чтобы амплитуда иткрытие в электротехнике было названо положительной обратной связью и ныне применяется в тысячах разных устройств. Патент на эту систему Ли де Форест получил в 1915 г. Теперь никакого труда не составляло получать электрические колебания нужных частот. Правда, первые ламповые генераторы сначала не могли обеспечить потребных для передатчиков мощностей. Начнется жесточайшая конкуренция между альтернаторами и ламповыми генераторами. В конце концов альтернаторы исчезнут из употребления, а электронная лампа займет подобающее ей место.

Но изобретатель аудиона был бы не американцем, если бы не нашел практического применения своему устройству не только на радио. Он создает первый электронный музыкальный инструмент.

Сконструировав на аудионах электрический генератор звуковых частот по одному триоду на каждую октаву и усилив сигналы, он подает их в громкоговорители, расположенные по периметру комнаты. Так попутно решаются вопросы объемного звука. Но, главное, изменяя настройку колебательных контуров, Ли де Форесту удалось получить чарующие, непривычные для человеческого слуха звуки. Свой инструмент Ли де Форест назвал «аудион-пиано». При этом были высказаны пророческие слова: «Я надеюсь, что с помощью этой маленькой электронной лампы смогу сделать инструмент достаточно совершенный, чтобы музыканты могли реализовывать свои самые богатые музыкальные фантазии».