61854 (Становление радиотехнической теории: от теории к практике. На примере технических следствий из открытия Г. Герца), страница 2

Заимствованная из механики и акустики теоретическая схема естественного волнового процесса позволяла транслировать для случая электромагнитных волн и соответствующую математическую схему - геометрическое изображение стоячей волны с ее узлами, пучностями, периодом, фазой и длиной. Пользуясь этой схемой Генрих Герц поставил соответствующие эксперименты и произвел необходимые измерения: в частности, изменения фазы и амплитуды электромагнитных волн при отражении и показателя преломления асфальтовой призмы. Герц также, как и Максвелл, использовал Фарадеево представление об электрических и магнитных силовых линиях, детализировав его. Например, он приводит изображения так называемого процесса "отшнуровывания" силовых линий от вибратора (колебательного контура), ставшего затем очень важным для радиотехники элементом радиопередающего устройства, анализируя распределение сил для различных моментов времени. Он называет такое изображение "наглядной картиной распределения силовых линий" (см. рис. 1) [9].

Герц строит особые структурные теоретические схемы и соответствующий им концептуальный аппарат (например, понятия вибратора и резонатора). Скрупулезное описание конструкции опытного оборудования (в том числе, материала, из которого изготовлены зеркала, их формы и размеров) сочетается у него с обобщенным теоретическим описанием экспериментально-измерительных ситуаций в виде структурных схем, которые являются прообразом будущих электрических схем радиоприемного и радиопередающего устройств и входят в состав физической теории (вибратор и резонатор). Для регистрации искры он искал сначала позицию микрометра, соединенного проводом с вибратором, а затем отсоединенного от него, что позволило ему открыть беспроводную передачу электромагнитных волн (см. рис. 2-А) [10].

При исследовании явления электромагнитного резонанса Герцу приходилось подбирать нужные параметры различных компонентов его установки, включавших индукционную катушку, разрядник, конденсатор и т.д. Он измерял длину искры и расстояние между вибратором и резонатором, на основе этих измерений вычерчивал резонансные кривые и проводил необходимые расчеты. Разрабатывая новое экспериментальное оборудование, он действовал как инженер, хотя и не имел в виду какого-либо технического применения своих экспериментальных устройств. И математический аппарат, и опыты служили ему лишь средством к пониманию и объяснению физического процесса - распространения электромагнитных волн в пространстве. Но благодаря именно его работам электродинамика смогла дать жизнь новой сфере инженерной деятельности и соответствующей ей технической теории.

Свою хорошо оснащенную лабораторию в университете Карлсруэ Герц унаследовал от Фердинанда Брауна, профессора электротехники, модернизировавшего в 1883-1885 гг. курсы соответствующих дисциплин в этом университете. Уже "в его ранних исследованиях, которые он проводил задолго до возникновения беспроволочной телеграфии, можно обнаружить зародыши важнейших разработок в этой области [...] Он обладал огромным даром и необыкновенным искусством создания вспомогательного экспериментального оборудования. Именно таким образом появилась измерительная аппаратура, имеющая большое самостоятельное значение, которая нашла применение в качестве физической исследовательской и измерительной техники", - писали о Брауне Мандельштам и Папалекси в 1928 г. [11]

Когда Герц прибыл в Карлсруэ, перед ним "была поставлена задача читать лекции по физическому эксперименту для студентов инженерных специальностей. Для решения этой задачи у него в распоряжении было все необходимое физическое оборудование, которое он мог также использовать и для исследовательских целей" [12]. Позже Герц писал:

"В физическом арсенале высшей технической школы Карлсруэ, где я проводил эти опыты, я нашел и использовал для лекционных целей пару так называемых спиралей Рисса [13]. У меня вызвал удивление тот факт, что не было необходимости разряжать большую батарею через эту спираль, чтобы сохранить искру в другой спирали, что было вполне достаточно использовать для этого, напротив, маленькие лейденские банки, ведь искрение небольшого индуктора происходило, сразу же после разряда искрового промежутка. Я заметил, что при изменении расстояния [между спиралями] появляется сопутствующая искра, и взял это явление как исходное для моего последующего исследования. Сначала я считал эти электрические движения слишком стремительными и нерегулярными для дальнейшего использования; но когда я обнаружил появление узлов [14] в середине рядом расположенного провода и тем самым ясное и чистое явление, я убедился, что теперь задача, поставленная Берлинской академией, может быть решена, а далее этого мое честолюбие тогда и не распространялось. Мое убеждение, естественно, усилилось после того, как я понял, что имею дело с регулярными колебаниями" [15].

В письме швейцарскому физику профессору Эмилю Эдуарду Саразэну Герц пишет в 1889 г. уже из Бонна:

"Приборы, с которыми я работал, были сделаны не каким-то искусным механиком элегантным способом по хорошо вычерченным эскизам, а частично мной самим, отчасти же лаборантом физического кабинета университета Карлсруэ. Они были кое-как склеены из кусков дерева, прикручены проволокой, приляпаны сургучом, и переделывались помногу раз. Шаровые полюса, например, были взяты от другого прибора и после того, как я уехал из Карлсруэ, были снова на него возвращены; некоторые части, которые можно было легко транспортировать, я прихватил с собой сюда, но по большей части все осталось в Карлсруэ".

Лаборант из Карлсруэ в принципе мог бы, по мнению Герца, создать копию этого прибора, но "он, скорее всего, не будет знать, как ему это сделать. Поскольку не сможет создать те приборы точно такими, какими были тогда" [16].

Своими исследованиями Герц установил следующее: электромагнитные волны, подобно свету, могут распространяться в непроводящей среде (эфире); они так же, как и свет, распространяются с конечной скоростью; в свободном пространстве интенсивность электромагнитных колебаний убывает обратно пропорционально первой степени расстояния от вибратора (а не третьей, как это происходит вблизи него); при подходящей частоте электрических колебаний в цепи вибратор может излучать в пространство электромагнитные волны (путем "отшнуровывания" силовых линий); электромагнитные волны и свет имеют одну и ту же физическую природу. Этих основных теоретических положений оказалось вполне достаточно для сознательного изобретения практических технических устройств. "С 1886 г. по 1888 г. Герцу удалось с искровым промежутком в качестве элемента, создающего колебания, и с настроенными колебательными контурами создать свободные (независимые от проводника) электромагнитные волны и доказать распространение этих волн в пространстве. Заимствованные из оптики опыты по преломлению, дифракции и отражению электромагнитных волн придали электромагнитной теории Максвелла уже определенное эмпирическое значение" [17].

Герц так характеризует следствия своих экспериментов:

"В оптике аналогией нашему опыту является опыт Ллойда с зеркалами Френеля. В оптике и акустике эти опыты используются как доказательства волновой природы света и звука, поэтому описанные здесь явления следует рассматривать как доказательство волнового распространения индуктивного действия электромагнитных колебаний" [18].

Герц ставил свои опыты, чтобы доказать наличие связи между светом и электричеством. В письме Герману фон Гельмгольцу от 30 ноября 1888 г. из Карлсруэ он пишет, что ему посчастливилось доказать регулярное отражение излучения. Для этого Герц установил рядом два зеркала таким образом,

"чтобы не было влияния А на В, а напротив этих зеркал поставил металлическую стенку так, чтобы искры сразу же проявлялись в В, которые еще были распознаваемы, если стенка отстояла от зеркал на 10 м. Точно так же я смог получить отражение под углом в 45°, причем я использовал две соседние комнаты, как показано на чертеже (рис. 6). Деревянные двери ничуть не мешали появлению искр" [19].

В. Кайзер замечает по этому поводу: "Волны Герца были приняты не только физиками как доказательство теории Максвелла. С волнами Герца само ядро теории Максвелла, а именно токи смещения и их электродинамическое влияние, несомненно привлекло внимание электротехников, которые уже почти в течение двадцати лет фиксировали его на сильноточной электротехнике" [20]. Однако создаваемая им аппаратура была еще недостаточно совершенной для практического применения.

Совершенствование экспериментального оборудования

После публикации результатов Герца развернулись исследования по усовершенствованию экспериментального оборудования и разработки новых, более простых и надежных способов получения и регистрации электромагнитных волн. "Не только профессиональные физики, преподаватели и изучающие физику, но также электротехники, получившие научное образование, пытались познакомиться с основными положениями этой теории" [21]. Эти работы фактически еще не выходили за пределы экспериментальной деятельности в естественной науке, но вели к техническому использованию электродинамики. П.Н. Лебедев в своей работе 1895 г. "О двойном преломлении лучей электрической силы" писал: "После того как Герц дал нам методы экспериментально проверить следствия электромагнитной теории света [...], естественно появилась потребность делать его опыты в небольшом масштабе, более удобном для научных изысканий" [22]. Именно эта деятельность и сделала возможным появление первых радиопередающего и радиоприемного устройств, хотя она и не выходила за пределы детальной разработки и конкретизации теоретической схемы электродинамики.

Прежде всего требовалось устранить основные недостатки вибратора Герца, в том числе быстрое затухание колебаний и быстрое обгорание контактов. Первый был довольно быстро устранен благодаря введению трех искровых промежутков вместо одного. Для уменьшения обгорания контактов предлагали помещать центральные сферы, соединяемые с внешними сферами разрядом, в масляную жидкость. Это позволило увеличить длину искры, не полируя каждый раз шарики, а также легко изменять период колебаний путем сближения или удаления обкладок конденсатора, включенного в первичный контур, или самих шаров вибратора. Риги, например, использовал для увеличения разности потенциалов искрового промежутка вазелин (рис. 7) [23].

Еще одним недостатком вибратора Герца была малая величина получаемой искры, что затрудняло ее регистрацию. Поиски более надежного способа наблюдения искр производились сразу многими исследователями. В качестве регистратора ими использовалась газоразрядная трубка, электроскоп, термоэлемент и т. д. Однако наиболее перспективным оказался когерер - прибор для обнаружения электрических колебаний, действие его основывалось на изменении сопротивления "плохого контакта" под действием электрических колебаний в цепи, частью которой он являлся. "Когерер" (или "фриттер") был разработан французским физиком Эдуардом Бранли. Когерер состоял из стеклянной трубки, наполненной прессованными металлическими опилками (рис. 8) [24].

Бранли показал, что электрическое сопротивление когерера, обычно довольно высокое, становится нулевым, если вблизи появляется искра. Сам он не сразу заметил здесь связь с электромагнитными волнами, но многие другие исследователи сразу же использовали его идею для беспроволочной телеграфии [25]. Когерер со своей способностью внезапно изменять состояние изолятора на состояние проводника был "полностью неопределенным конструктивным элементом" радиоприемника, который "не давал никакой возможности дать ему теоретическое описание" [26].

При помощи когерера английский ученый и инженер Оливер Лодж продемонстрировал отражение, преломление и поляризацию электромагнитных волн. Как сообщает сам Герц:

"Профессор Оливер Лодж в Ливерпуле в те же годы, когда была сделана мной описанная работа, рассматривал теорию грозового разрядника и при этом провел ряд опытов по разряду весьма малых конденсаторов, которые привели его к наблюдению колебаний и волн в проводах. Поскольку он действовал полностью на основе максвелловских представлений и весьма усердно стремился доказать эти представления, несомненно, если бы я не опередил его, он также пришел бы к наблюдению волн в воздушной среде и таким образом получил бы доказательство распространения электрической силы во времени" [27].