61854 (Становление радиотехнической теории: от теории к практике. На примере технических следствий из открытия Г. Герца), страница 4

Радиотехнические устройства усовершенствовались благодаря увеличению их мощности, дальности действия, удобства эксплуатации, экономичности, а также освоения все новых диапазонов электромагнитных волн для осуществления радиопередачи и радиоприема и достижения их все более наглядного представления. Последнее осуществлялось, например, с помощью электронно-лучевой трубки, или трубки Брауна.

"В силу ее практически безынерционного функционирования она давала возможность исследовать временные характеристики переменных токов и напряжений весьма высокой частоты. Эта особенность трубки, ее особое место среди иных осциллографических устройств, подчеркивалась Брауном буквально в самых первых публикациях. Для отображения быстрых колебаний, которые использует радиотехника, трубка Брауна является единственным средством детального исследования временных характеристик" [47]. Это был, однако, только лишь прототип современного осциллографа, который стал сегодня "одним из основных измерительных приборов в электронике (см. рис. 14 а), который позволяет сделать видимым на экране в графической форме изменяющееся во времени напряжение (прохождение и форму сигнала), а также измерить или представить его амплитуду в зависимости от времени" [48] (см. рис. 14 б) [49].

Браун хотел "с помощью своей электронно-лучевой трубки сделать видимым переменный ток, которым снабжался город Страсбург. Он заказал ее у наследника фирмы "Франц Мюллер Гайслер". [...] На связанном с его электронно-лучевой трубкой поворотным зеркалом появилась синусоидальная кривая. Переменный электрический ток вновь созданной электростанции города Страсбурга стал виден на экране электронно-лучевой трубки. [...] В последующие годы Браун и Ценнек добавили к этому дополнительные устройства, обеспечившие прежде всего горизонтальную развертку и некоторые иные улучшения. [...] Роговский в Аахене доработал это устройство, введя в него в 1905 г. нагреваемый катод и электростатическую развертку" [50]. Изображение кривой тока было видно непосредственно на флуоресцирующем экране. Луч следовал непосредственно за изменениями электрического тока, и Браун смог сфотографировать картину колебаний и опубликовать ее. Было очень важно уметь представлять переменные токи, измерять их и геометрически конструировать [51].

Каждому такому изобретению сопутствовали определенные теоретические и экспериментальные исследования. Например, для создания катодного вентиля (двухэлектродной лампы) был использован эффект Эдисона (электронная эмиссия), установившего в 1883 г. во время опытов со своей лампой накаливания, что "если вблизи нити накаливания расположить металлический стерженек и соединить его с положительным полюсом батареи, то через него потечет электрический ток" [52]. Однако для достижения технического применения этого эффекта понадобилось провести целый ряд дополнительных исследований.

Американский физик Ли де Форест установил, что раскаленное тело может вести себя как излучатель. Он начал разогревать не два, а один электрод и против него расположил холодный анод в виде пластинки. Ли де Форест "вполне сознательно начал поиск замены для "когерера" в качестве радиоприемника. [...] Он получил патент 15 января 1907 г. [...] и сначала продемонстрировал трехэлектродную лампу с управляющим электродом, как раннюю форму триода" (см. рис. 15) [53]. "Но этот управляющий электрод не был расположен еще между катодом и анодом [...] Только несколько позже [...] [он] начал вводить управляющий электрод между катодом и анодом, а именно - чтобы не разорвать электронный поток - в форме сетки" [54].

(на рисунке - явная путаница! - V.V.)

Английский инженер сэр Джон Флеминг изобрел вакуумный диод, названный им "пустотным клапаном", и предложил использовать его в качестве детектора в радиоприемном устройстве (см. рис. 16) [55]. Он использовал открытый Эдисоном эффект "для создания двухэлектродной выпрямительной электронной лампы" и в 1905 г. получил на нее британский и американский патенты. Однако "права на его изобретения находились в собственности фирмы Маркони, консультантом которой он был". Тем не менее диод Флеминга "так никогда и не сыграл какой-либо значащей практической роли, поскольку он явно проигрывал в качестве выпрямляющего элемента кристаллическому детектору Брауна" [56].

Открытое ранее свойство двух находящихся в соприкосновении кристаллов пропускать ток в одном направлении послужило основой для изобретения кристаллического детектора. После ряда специальных исследований Браун и Пиккар нашли подходящие пары для кристаллических детекторов. "Уже в 1874 г. Браун пишет об открытых им явлениях следующее: если пропустить электрический ток через медный колчедан, пирит (железный колчедан), галенит (свинцовый блеск), блеклую руду и т.п. минералы, то наблюдается тот факт, что сила тока не пропорциональна ЭДС. Если же при этом электроды находятся в различных минералах, тогда сила тока зависит от знака приложенной разности потенциалов. Браун обнаружил в своей первой экспериментальной конфигурации тридцатипроцентное различие в силе тока при смене полярности. В усовершенствованном варианте эксперимента можно было говорить об отсутствии обратного тока вообще. Это явление, которое представляет собой отклонение электропроводности от закона Ома и характерно для однополярной проводимости, нашло свое важное применение: на нем основываются открытые Брауном и введенные в практику телеграфии без проводов кристаллические детекторы" [57].

Формирование новых теоретических схем радиотехники идет по двум основным направлениям: 1) в плане развития и конкретизации "универсальной" теоретической схемы электромагнитных взаимодействий путем заполнения диапазона практически используемых радиоволн (с одновременным развитием методов исследования их физических свойств); 2) в аспекте разработки специфической обобщенной теоретической схемы радиотехники на базе анализа конструкций различных радиотехнических систем, включая развитие средств их синтеза.

Построение технической теории - теоретической радиотехники

"Телеграфия без проводов" первоначально представляла собой прикладное исследовательское направление электродинамики. Позже она стала рассматриваться как новый раздел (область исследования) электротехники, задача которого заключалась в совершенствовании приема электромагнитных волн, борьбе со всевозможными видами помех, использовании тока высокой частоты. В ранних курсах по радиотехнике еще значительное место занимает электротехническая часть, так как радиотехника пользуется различными стандартными электротехническими устройствами и элементами. Поэтому радиотехнические цепи рассматриваются первоначально как разновидность электротехнических цепей, работающих на токах высокой частоты. В данном случае можно говорить о переносе исходной теоретической схемы и соответствующих ей понятий, представлений и методов анализа из смежной технической теории.

В процессе переработки этой схемы, взятой из электротехники, на основе нового эмпирического материала (иных конструктивных элементов) происходит ее коренное преобразование. Радиотехнические схемы имеют ряд существенных отличий от электротехнических цепей. А это влечет за собой и необходимость изменения их исходной электротехнической модели. Так, для получения токов высокой частоты в радиотехнике стали применяться методы, неизвестные в электротехнике, свободные колебания, не связанные с проводами и совершенно новые приборы и устройства. "Методы измерения силы тока, напряжения и т.д. невозможно было непосредственно заимствовать из тогдашней электротехники. Появлялись совершенно новые устройства новой измерительной техники: измерение частоты или длины волны и логарифмического декремента" [58]. Кроме того, изменяется и масштаб многих электротехнических величин. Радиотехнику приходится учитывать такие величины, которые слишком малы и не представляют интереса при изучении техники медленных изменений электрического тока. Другими словами: достигается соответствие двух слоев технической теории - поточных (описывающих физические процессы, протекающие в радиотехнических устройствах) и структурных (задающих конструктивно-технические параметры этих устройств) схем.

Параллельно разрабатываются частные теоретические модели, такие, как теория усилителей, теория пустотных (ламповых) генераторов переменного тока и т.п., образующих отдельные островки теоретического исследования. Все частные теоретические вопросы, касающиеся конструктивных элементов радиотехнических систем (например, электровакуумных приборов), и более детальное описание конструкции их подсистем (радиоприемников, радиопередатчиков, антенн [59] и т.д.) постепенно выносятся в специальные курсы. В результате выделились некоторые вопросы, представляющие общий интерес для всякого радиотехнического устройства. Частные теоретические схемы перерабатываются и систематизируются с одновременным их обобщением.

Проблема введения однородных идеальных объектов радиотехнической теории, позволяющих установить соответствие ее функциональной, поточной и структурной схем, на уровне традиционных электротехнических элементов решалась относительно просто.

Во-первых, уже в электротехнике было установлено однозначное соответствие между всеми этими идеальным объектами (емкостью, индуктивностью, сопротивлением) и конструктивными элементами реальных электрических схем (конденсаторами, катушками индуктивности, резисторами). Во-вторых, цепь, построенная из идеальных объектов, с помощью специально разработанных в электротехнике приемов может быть представлена в виде произведения некоторого количества операторов. Рассмотрение радиотехнических систем с точки зрения теории цепей значительно упрощает задачу их исследования, поскольку огромное разнообразие конструктивных элементов, отличающихся своими характеристиками, принципом действия, конструктивным оформлением и т.д., заменялось сравнительно небольшим количеством идеальных элементов и их соединений, представляющих реальные элементы и связи. Любая электротехническая цепь может рассматривается как совокупность идеализированных двухполюсников, действие каждого из которых может быть описано линейным оператором, преобразующим входящий ток в выходящий - и тот и другой представляются в этом случае вектором, характеризующим максимальное (или действующее) значение силы тока и его фазу. Одна из наиболее распространенных электротехнических схем - это трансформатор, преобразователь тока и/или напряжения, "в простейшем случае состоящий из 2 обмоток, первичной и вторичной, снабженный, как правило, ферромагнитным сердечником. Прохождение переменного электрического тока в первичной обмотке трансформатора индуцирует ЭДС во вторичной обмотке".

Американский инженер сербского происхождения Никола Тесла (1856-1943) пытался использовать этот принцип для беспроводной передачи энергии. Для этого в цепь первичной обмотки трансформатора включался колебательный контур с искровым прерывателем. В 1897 г. в Нью-Йорке он получил патент на "Электрический преобразователь", известный также под названием "трансформатора Теслы" (см. рис. 17) [60].

Несколько сложнее обстоит дело с нелинейными элементами радиотехнических цепей (например, радиолампами). Но и они для токов и напряжений, соответствующих линейным участкам их вольт-амперных характеристик, могут быть рассчитаны с помощью традиционных электротехнических методов.

К началу 20-х гг. телеграфия без проводов из полулюбительского изобретательства, где преобладали интуиция и искусство, превратилась в инженерную дисциплину, покоящуюся на твердом фундаменте технических расчетов и проектирования. Электрическая телеграфия "использует лишь слабые электрические токи и низкие напряжения по сравнению с сильноточной электротехникой. Тем не менее законы распространения электрического тока остаются в обеих этих областях одни и те же" [61]. В дополнение к этому разрабатываются новые методы и теории, например теория электрических цепей. "Доминирующая до конца XIX столетия сильноточная электротехника (машиностроительный период развития электротехники) была в основном ориентирована на практический опыт и поэтому не могла решающим образом помочь развитию теории электрических цепей. [...] Впервые в начале нашего столетия быстро развивающаяся слаботочная электротехника (телефонии и беспроволочной телеграфии) дала решающий импульс становлению самостоятельной теории электрических цепей и стала в этом виде исходным пунктом для многочисленных математических подходов" [62].