На первых порах А. С. Попов приспособил свой приемник для исследования гроз и назвал его «грозоотметчиком». Молния — сверхмощный радиопередатчик. Ее удары возбуждают в пространстве целые вихри электромагнитных волн. «Грозоотметчик», улавливая отголоски этих вихрей, сигнализировал о приближении грозы, когда она была еще очень далеко.

7 мая 1895 года ученый впервые продемонстрировал свое изобретение. В этот день он выступил на заседании физико-химического общества с докладом под скромным названием: «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям».

Свой доклад, ознаменовавший рождение беспроволочной связи, А. С. Попов закончил пророческими словами:

«В заключение могу выразить надежду, что мой прибор, при дальнейшем усовершенствовании его, может быть применен к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний…».

День 7 мая, признанный всем прогрессивным человечеством днем изобретения радио, стал национальным праздником советского народа.

Вместе со своим помощником П. Н. Рыбкиным Александр Степанович продолжал работать над усовершенствованием изобретения. Еще при первых опытах ученый заметил, что если присоединить к одному из выводов чувствительной трубки кусок провода, то дальность приема во много раз увеличится. Так была создана антенна — один из важнейших элементов радиосвязи. Присоединяя другую такую же антенну к передатчику, Попов добился нового значительного увеличения дальности.

Затем изобретатель заменил звонок в приемнике обычным телеграфным аппаратом. Условные телеграфные сигналы — точки и тире, определенные комбинации которых обозначали те или иные буквы, — стали автоматически записываться на узкую бумажную ленту.

24 марта 1896 года Попов продемонстрировал перед учеными беспроволочную телеграфную передачу. В физическом кабинете Петербургского университета был установлен радиоприемник, а на расстоянии 250 метров от него, в здании университетской химической лаборатории находился передатчик, которым управлял П. Н. Рыбкин. Вот что рассказывает один из очевидцев этого замечательного события профессор О. Д. Хвольсон.

«Передача происходила таким образом, что буквы передавались по азбуке Морзе, притом знаки были ясно слышны. У доски стоял председатель физического общества, профессор Ф. Ф. Петрушевский, имея в руках бумагу с ключом азбуки Морзе и кусок мела. После каждого передаваемого знака он смотрел на бумагу и затем записывал на доске соответствующую букву. Постепенно на доске получились два слова: „Генрих Герц“. Трудно описать восторг многочисленных присутствовавших и овации А. С. Попову…»

Уже в следующем 1897 году дальность действия беспроволочного телеграфа превысила 5 километров. Жизнеспособность радио была доказана.

По мере распространения волна как бы растрачивает свою силу и постепенно затухает. Это происходит в результате трения отдельных частиц воздуха друг о друга. Вот почему с увеличением расстояния звук слабеет.

Наталкиваясь на барабанную перепонку уха, звуковые волны заставляют ее колебаться. Именно поэтому звук можно услышать.

Как показывает опыт, звук может распространяться не только в воздухе, но и в других газах, в жидкостях и твердых телах, например в азоте, керосине, воде, железе. В жидкостях, и особенно в твердых телах, звуковая волна движется даже быстрее, чем в воздухе, и затухает значительно слабее. Приложив ухо к железнодорожному рельсу, можно услышать шум приближающегося поезда задолго до того, как он будет слышен «по воздуху». Измерения показали, что при обычной температуре скорость звука в воздухе равна приблизительно 340 метрам в секунду, в воде — 1450 и в железе — примерно 5000.

А будет ли слышен звук в безвоздушном пространстве? Если поместить электрический звонок под стеклянный колпак, то звон будет слышен довольно хорошо. Но стоит только начать выкачивать из-под колпака воздух, как звон станет слабеть. Если бы воздух удалось полностью выкачать, звона совсем не было бы слышно.

Но существуют волны, которые могут распространяться и в безвоздушном пространстве. Это — применяемые в беспроволочной связи электромагнитные волны.

Стоит только разомкнуть цепь тока, как стрелка снова начнет указывать север. Значит, электрический ток, текущий по проводу, возбуждает в пространстве не только электрические, но и магнитные силы, отклоняющие стрелку компаса.

Электрические и магнитные силы, возбуждаемые током, представляют собой одно из проявлений особого вида материи — так называемого электромагнитного поля.

Кроме постоянного, существует также переменный ток, направление которого изменяется много раз в секунду. Такой ток течет в осветительной сети. Там он изменяет свое направление 100 раз в секунду: сотую долю секунды течет в одном направлении, затем меняет направление на обратное, спустя сотую долю секунды снова идет в прежнем направлении и т. д. Он все время как бы колеблется, совершая 50 полных колебаний в секунду. Если зарисовать изменение силы переменного тока (она пропорциональна числу электронов, проходящих через какое-либо поперечное сечение проводника в единицу времени) и его направление, то получится картина, показанная на рис. 4. Одно полное электрическое колебание выделено на ней жирной линией.

^{Рис. 4. Кривая переменного тока.}

Число колебаний, совершаемых переменным током в единицу времени, называется его частотой. Таким образом, частота тока в осветительной сети равна 50 колебаниям в секунду. В радиотехнике применяются быстропеременные токи с частотами от нескольких десятков тысяч до сотен миллионов колебаний в секунду.

В пространстве, окружающем провод с переменным током, как и при постоянном токе, действуют электрические и магнитные силы, т. е. существует электромагнитное поле. Но если приблизить к такому проводу компас, то его стрелка останется неподвижной. Это объясняется тем, что магнитные силы, действующие вокруг провода, по которому течет переменный ток, изменяются чрезвычайно быстро, и стрелка не успевает реагировать на эти изменения.

Электрические и магнитные силы поля не существуют раздельно; всякое изменение электрических сил влечет за собой изменение сил магнитных, и наоборот. Это свойство поля называют электромагнитной индукцией.

Если в электромагнитное поле переменного тока поместить замкнутый виток провода, то в проводе начнет циркулировать ток той же частоты. Это явление как раз и объясняется электромагнитной индукцией.

Переменное электромагнитное поле имеет одно замечательное свойство: оно волнообразно распространяется в пространстве со скоростью света на значительное расстояние от места своего возникновения.

На рис. 5 схематически показана электромагнитная волна.

^{Рис. 5. Схематическое изображение электромагнитной волны.}

Стрелки указывают, как изменяется направление электрических сил по мере распространения волны (так же изменяются и магнитные силы, но они направлены под прямым углом к электрическим и на рисунке не показаны). Длина электромагнитной волны — это расстояние между двумя соседними максимумами электрических или магнитных сил одного направления.

Длина электромагнитных волн бывает различной. Например, видимый свет — это тоже электромагнитные волны, только чрезвычайно короткие (длина световых волн измеряется тысячными долями миллиметра). Радиоволны — более длинные электромагнитные волны. Они воспринимаются нами с помощью радиоприемника.

Как же создаются электрические колебания, каким образом работают радиопередатчик и приемник?

Прежде чем рассмотреть работу «электрического маятника», познакомимся с действием его частей — катушки индуктивности и конденсатора.

В повседневной жизни нам часто приходится сталкиваться с явлением инерции. Под словом «инерция» подразумевают свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Часто можно наблюдать, как движется автомобиль или трамвай с выключенным мотором, как едет велосипедист, не вращая педалей. Такое движение обусловлено инерцией.

Чтобы сдвинуть с места тяжело груженный вагон, нужно приложить большую силу. Как только вагон тронулся, двигать его становится гораздо легче. Чтобы затормозить движение такого вагона, вам снова придется приложить очень большую силу. Это еще пример инерции.

На валах многих машин устанавливают маховики — массивные колеса, сглаживающие толчки вращающихся валов. Чтобы раскрутить или, наоборот, остановить маховик, также нужна большая сила, потому что чем массивнее тело, тем больше его инерция, тем сильнее оно сопротивляется всякому изменению его состояния.

Катушка индуктивности очень напоминает маховик. Она обладает своего рода инерцией по отношению к электрическому току.

Если полюсы электрической батареи замкнуть прямолинейным проводником, то в такой цепи мгновенно установится наибольшая сила тока. Значит, электрическая «инерция» прямого провода ничтожно мала.

Если же к батарее подключить катушку индуктивности, то сила тока достигнет максимальной величины не сразу, а постепенно, спустя некоторый промежуток времени. Этот процесс будет происходить тем медленнее, чем больше витков провода содержится в катушке. Таким образом, катушка индуктивности обладает электрической «инерцией», которая возрастает с увеличением числа витков.

Индуктивность катушки препятствует не только быстрому возрастанию тока при замыкании цепи, но и его падению в момент размыкания. Иными словами, подобно тому как инерция противодействует всякому изменению скорости движения тел, индуктивность оказывает сопротивление всякому изменению силы электрического тока.

Теперь обратимся к конденсатору. Каково его действие? Конденсатор вмещает определенный электрический заряд, так же как сосуд вмещает определенное количество жидкости. Чем больше площадь пластин конденсатора и меньше расстояние между ними, тем выше его емкость, т. е. тем больший заряд он может вместить.

Чтобы «зарядить» конденсатор, нужно подключить его к полюсам электрической батареи. При этом на одной пластине («обкладке») конденсатора сосредоточится положительный заряд, а на другой — отрицательный. Если теперь отключить конденсатор от батареи и замкнуть обкладки проводником, то произойдет мгновенный разряд конденсатора — по проводнику протечет ток, и заряды уравновесят друг друга. Если конденсатор замкнуть прямолинейным проводником, то наибольший ток потечет в первый момент; по мере разряда сила тока будет падать и упадет до нуля, когда конденсатор совсем разрядится.

Другое дело, если к обкладкам конденсатора присоединить катушку индуктивности. В такой цепи вследствие ее большой электрической «инерции» максимальная сила тока установится не сразу. Ток, проходящий по катушке, будет возрастать постепенно и достигнет наибольшей величины, когда конденсатор полностью разрядится.

Казалось бы, в этот момент ток должен мгновенно прекратиться — ведь конденсатор полностью разрядился! Но попробуйте мгновенно остановить быстро мчащийся поезд. Такая попытка обречена на неудачу — скорость поезда будет уменьшаться постепенно.

Точно так же и движение электрических зарядов в силу «инерции» катушки не прекратится сразу, как только конденсатор разрядится. За счет энергии, накопленной катушкой, ток некоторое время будет течь в ту же сторону, что и раньше, постепенно убывая. При этом конденсатор вновь станет заряжаться, но на этот раз на той обкладке, где раньше был положительный заряд, начнет сосредоточиваться отрицательный, и наоборот. В тот момент, когда конденсатор снова зарядится, сила тока в цепи упадет до нуля; затем ток потечет в обратную сторону — конденсатор опять станет разряжаться.

Такой процесс попеременного заряда и разряда станет повторяться вновь и вновь — в цепи, состоящей из конденсатора и подключенной к нему катушки, будут происходить электрические колебания. Отсюда и название «колебательный контур». Если бы провод катушки не обладал сопротивлением, т. е. пропускал бы электрический ток без малейших потерь, то колебательный процесс в контуре продолжался бы вечно, и электрическая энергия все время переходила бы из конденсатора в катушку, из катушки снова в конденсатор и т. д.

Однако в любом проводе неизбежно расходуется электрическая энергия. Электронам, движущимся по проводу, приходится «пробиваться» сквозь гущу атомов и молекул металла. Часть электронов сталкивается с ними, резко тормозится и теряет свою энергию, которая превращается в тепло, нагревая провод (вспомните раскаленную спираль электрической плитки!).

А раз в проводе катушки имеются потери энергии, то электрические колебания мало-помалу затухают, и колебательный процесс в контуре прекращается.

Колебательный контур, как и обычный маятник, имеет собственную частоту колебаний. Чем больше индуктивность катушки и емкость конденсатора, тем ниже собственная частота колебательного контура. Регулировкой емкости или индуктивности контур передатчика либо приемника настраивают на нужную частоту электрических колебаний.

Самое удивительное заключалось в том, что в первом случае ток протекал по разомкнутой цепи. Он как бы перепрыгивал пространство между пластинкой и раскаленной нитью.

Долгое время это явление оставалось загадкой, но затем ему было дано объяснение.

При нагреве ламповой нити электроны, «блуждающие» между ее атомами, движутся все быстрее и быстрее. При высоких температурах они даже начинают «выпрыгивать» наружу. Когда нить раскалена, вокруг нее образуется облачко электронов.

Поскольку разноименные электрические заряды притягиваются друг к другу, электроны устремляются к металлической пластинке, лишь когда она заряжена положительно. Поэтому между нитью и пластинкой начинает течь электрический ток.

Когда же пластинка заряжена отрицательно, она, наоборот, отталкивает от себя электроны, и в этом случае никакого тока не возникает. Ток отсутствует и тогда, когда лампа не горит, потому что холодная нить не испускает электронов.

Металлическую пластинку (положительный электрод) назвали анодом лампы, а ламповую нить (отрицательный электрод) — катодом.

Простейшая радиолампа, в которой имеется всего лишь два электрода — катод и анод, — получила название диода[1]. Ее схематическое изображение дано на рис. 8.

^{Рис. 8. Схематическое изображение двухэлектродной лампы.}

Двухэлектродная лампа еще не способна усиливать электрические колебания, однако с ее помощью можно преобразовывать переменный ток в постоянный, т. е. текущий в одном направлении, или, как говорят, выпрямлять переменный ток.

Действительно, если диод подключить к осветительной сети, то ток через него будет течь только в одну сторону короткими толчками — импульсами — в те моменты, когда на анод поступает положительный заряд. Когда же анод заряжается отрицательно, лампа вообще не пропускает тока; она, как говорят, «заперта» (рис. 9).

^{Рис. 9. Выпрямление переменного тока диодом.}

Таким образом, диод работает подобно вентилю велосипедной или автомобильной камеры, пропускающему воздух лишь в одну сторону. Поэтому выпрямительную лампу иногда называют вентилем.

Для того чтобы радиолампа могла усиливать электрические колебания, между ее анодом и катодом нужно поместить еще один электрод, сделанный в виде металлической решетки или проволочной спирали, — так называемую сетку.

Устройство простейшей трехэлектродной лампы (триода) показано на рис. 10, а, а изображение триода на радиосхемах — на рис. 10, б.

^{Рис. 10. Устройство и схематическое изображение триода.}

Сетку иногда называют управляющим электродом: она управляет потоком электронов, несущихся сквозь нее к аноду.

Если управляющая сетка заряжена положительно, она ускоряет движение электронов, помогает им оторваться от катода и достичь анода лампы. Если же на сетке имеется отрицательный заряд, то этот заряд отталкивает электроны, мешает им «пробиться» к аноду.

Сетка расположена очень близко от катода, во много раз ближе, чем анод. Поэтому она влияет на движение электронов гораздо сильнее анода. Если отрицательный заряд на сетке достаточно велик, то лампа «запирается» и перестает пропускать ток даже в том случае, когда анод заряжен положительно.

Ничтожные изменения заряда на сетке приводят к резким изменениям силы анодного тока (так называют поток электронов, проходящий через анод лампы).

Если величина заряда на сетке колеблется, то сила анодного тока меняется с той же частотой. При этом сравнительно слабые колебания сеточного заряда вызывают значительно более мощные колебания анодного тока. Следовательно, в лампе происходит процесс усиления электрических колебаний.

На рис. 11 схематически изображен ламповый радиоусилитель.

^{Рис. 11. Схема лампового радиоусилителя.}

На «вход» усилителя, между катодом и сеткой лампы, поступают слабые электрические колебания (например, от антенны радиоприемника). К «выходу», между анодом и гальванической батареей, подключена так называемая нагрузка — колебательный контур.

Когда колебания на входе усилителя отсутствуют, электрический заряд, создаваемый на сетке лампы специальным источником электричества (этот источник для простоты на рисунке не показан), не изменяется по величине. Поэтому остается постоянной и сила анодного тока.

Когда же на сетку лампы поступают электрические колебания, величина заряда начинает периодически изменяться. Это вызывает пульсацию анодного тока, проходящего через нагрузку. Толчки тока «раскачивают» колебательный контур, и в нем возникают электрические колебания, размах которых особенно велик в случае резонанса, т. е. тогда, когда контур настроен на частоту колебаний.

С помощью радиолампы электрические колебания можно усилить в десятки раз. Но часто такое усиление оказывается недостаточным. Так, например, чтобы разобрать слабые сигналы далекой радиостанции, их энергию приходится иногда усиливать в миллионы раз. При таком усилении едва уловимый шорох воспринимался бы нашим ухом как оглушительный грохот.

Как же осуществляется это колоссальное усиление?

Когда нужно подняться на верхний этаж дома, пользуются лестницей. Поднимаясь по лестнице, мы последовательно преодолеваем ступень за ступенью. Каждая следующая ступень поднимает нас все выше.

По такому же «ступенчатому» принципу строятся и радиоусилители. Обычно они состоят из нескольких ламповых «ступеней», каждая из которых представляет собой самостоятельный усилитель на одной лампе. Вход каждой последующей ступени подключается к выходу предыдущей.

Предположим, что каждая ступень усиливает колебания в 10 раз. Тогда общее усиление двух ступеней будет равно 10X10=100, трех — 10Х10Х10=1000 и т. д. Чем больше ламп в усилителе, тем выше его усиление. Вот почему в чувствительных радиоприемниках для дальнего приема бывает по десяти и более ламп.

В современной радиоаппаратуре часто применяются многосеточные лампы — четырехэлектродные (тетроды), пятиэлектродные (пентоды) и т. д. С помощью таких ламп можно усиливать токи с частотами свыше десяти миллионов колебаний в секунду. Обычные триоды для этой цели уже мало пригодны.

По мере развития радиолампы она становилась все менее похожей на своего предка — лампочку накаливания. Хрупкая стеклянная оболочка во многих радиолампах сменилась прочным железным панцырем. Такие лампы стали называться металлическими. Ясно, что они совсем не дают света и сохраняют название ламп лишь в силу укоренившейся традиции.

Лампы различны и по внешнему виду, и по размерам. Миниатюрные лампы — «желуди» — очень похожи на желудь как величиной, так и формой. Другое дело мощные радиолампы, применяемые в радиопередатчиках. Их величина близка к росту человека.

Как видно из рисунка, между катодом и сеткой лампы включена дополнительная катушка индуктивности 1. Она называется катушкой «обратной связи». Катушка обратной связи находится в электромагнитном поле катушки индуктивности 2 основного колебательного контура. Под влиянием этого поля в ней возбуждаются электрические колебания, которые затем усиливаются лампой и «раскачивают» контур.

Получается замкнутый круг: колебательный процесс, происходящий в контуре, порождает колебания в катушке обратной связи, а последние в свою очередь усиливаются лампой и поддерживают колебания в контуре. Генератор все время как бы сам себя возбуждает. Поэтому он получил название генератора с самовозбуждением.

Но в самый первый момент в контуре еще нет колебаний, и, стало быть, нечего усиливать. Как же зарождаются колебания? Ведь для того чтобы, например, начал колебаться маятник в стенных часах, необходим внешний толчок, который вывел бы его из положения равновесия.

В радиопередатчике роль такого толчка играет мгновенный импульс тока, возникающий при включении батареи.

В начальный момент колебательный контур генератора находится как бы в состоянии неустойчивого равновесия. Достаточно незначительно измениться анодному току генераторной лампы, и в контуре появляются едва заметные колебания. Тотчас часть их энергии «ответвляется» через катушку обратной связи во входную цепь лампы, усиливается и вновь попадает в контур. Размах электрических колебаний в контуре постепенно возрастает, пока не достигнет своей максимальной величины.

Современные передатчики устроены более сложно. В них, как и в радиоусилителях, много ламп. Это объясняется тем, что простейший генератор с самовозбуждением создает колебания с устойчивой частотой только тогда, когда его мощность невелика (намного меньше, чем у обычной осветительной электролампочки). Поэтому мощность радиопередатчика приходится усиливать с помощью ряда усилительных ступеней.

Имеются сложные генераторы, в которых колебания, создаваемые в первой ступени, усиливаются последующими. Такие генераторы называются генераторами с независимым возбуждением. Передатчики, подобные тому, с устройством которого мы сейчас познакомились, применяются для передачи телеграфных сигналов — коротких и длинных серий электромагнитных волн.

С этой целью периодически включают и выключают генератор по правилам телеграфной азбуки. Радист на приемной станции слышит работу передатчика не все время, а только в те моменты, когда включен ток. Комбинируя в уме услышанные сигналы, радист записывает радиограмму на листе бумаги.

Сигналы такого передатчика могут быть приняты и автоматическим радиотелеграфным аппаратом, прообраз которого был создан А. С. Поповым.

Сложнее обстоит дело при радиотелефонной передаче. Ведь здесь передается живая человеческая речь и музыка, а не точки и тире телеграфной азбуки!

Микрофон состоит из металлического корпуса 1, тонкой графитовой пластинки — мембраны 2, изолированного контакта 3 и угольного порошка 4, заполняющего пространство между мембраной и контактом.

Если включить микрофон в цепь электрической батареи, то через угольный порошок потечет ток. Сила этого тока будет зависеть от того, насколько сдавлен порошок. Рыхлая порошковая масса, состоящая из множества крупинок угля, оказывает электрическому току большое сопротивление. Если же надавить на мембрану, то порошок станет более плотным, его крупинки теснее сомкнутся друг с другом и их сопротивление электрическому току уменьшится. А от величины сопротивления цепи зависит сила тока в ней. Чем меньше сопротивление, тем больше сила тока. Периодически надавливая на мембрану, можно изменять сопротивление угольного порошка, а значит, и силу тока, проходящего через микрофон.

То же самое происходит, когда на микрофон «давят» звуковые волны. Встречая мембрану, они заставляют ее колебаться с частотой звука. При этом и сила тока в цепи микрофона также начинает пульсировать в полном соответствии со звуковыми колебаниями, как это показано на рис. 14.

^{Рис. 14. Пульсация тока в цепи микрофона.}

Так осуществляется превращение звука в колебания электрического тока. Как бы ни был сложен звук, какие бы тончайшие оттенки он ни принимал, всегда можно получить колебания электрического тока, в точности ему соответствующие.

«Озвученное» электричество можно передать по проводам на любое расстояние, как передают обычный электрический ток.

Обратная задача — превращение колебаний электрического тока в звук — решается с помощью всем известных приборов — телефонных наушников и громкоговорителей.

Устройство простейшего телефонного наушника можно видеть на рис. 15.

^{Рис. 15. Устройство простейшего телефонного наушника.}

На магнитный сердечник С надета проволочная катушка К. Поблизости от сердечника расположена мембрана из тонкой жести М. Эта мембрана притягивается к сердечнику с определенной силой.

Если через катушку пропустить постоянный электрический ток, то возбуждаемые им магнитные силы, взаимодействуя с магнитной силой сердечника, увеличивают или уменьшают притяжение мембраны (это зависит от направления тока). Если через катушку течет переменный ток, то сила, воздействующая на мембрану, изменяется периодически, с частотой этого тока. Поэтому мембрана начинает колебаться. Ее колебания передаются окружающему воздуху, и в нем возникают звуковые волны. Так электричество превращается в звук.

На таком принципе основана обычная телефонная связь. А в области радиотелефонии приходится прибегать к более сложным преобразованиям.

Дело в том, что электрические колебания звуковой частоты можно передать на значительное расстояние только по проводам, а в воздухе они быстро затухают. Да и много ли толку было бы, если бы такие колебания хорошо распространялись в пространстве! Отдельные передачи «накладывались» бы друг на друга, и в эфире царил бы сплошной хаос, как в огромной толпе, где каждый говорит в полный голос.

И все же ученые нашли способ передавать электрические колебания звуковых частот без проводов на любые расстояния.

Для этой цели используются электрические колебания радиочастот, в десятки, сотни и тысячи раз более высоких, чем звуковые.

Иная картина наблюдается при работе телефонного передатчика. Размах генерируемых им колебаний то и дело изменяется, на первый взгляд, без всякой закономерности (рис. 17).

^{Рис. 17. Электрические колебания при радиотелефонной работе.}

Но на самом деле закономерность есть.

Присмотритесь к линии, которая огибает пики «высокочастотных» колебаний, создаваемых радиопередатчиком. Ее извилины нам уже знакомы. Ведь именно такой характер имеет пульсация тока, текущего через микрофон, когда на мембрану «давят» звуковые волны (см рис. 14).

Значит, при радиотелефонной передаче звук управляет размахом колебаний в контуре передатчика, а следовательно, и энергией электромагнитных волн.

Вот как это получается.

В радиотелефонном передатчике на управляющую сетку лампы одновременно с высокочастотными колебаниями, идущими через катушку обратной связи, поступают колебания низкой звуковой частоты от микрофона. Ясно, что при этом величина электрического заряда на сетке изменяется двояко: во-первых, очень быстро с высокой частотой и, во-вторых, сравнительно медленно с низкой частотой.

Высокочастотные колебания, усиливаясь лампой, «раскачивают» колебательный контур, так как он настроен точно на их частоту. Низкочастотные колебания «раскачивать» контур не могут, поскольку он очень далек от их частоты. Зато они периодически изменяют усиление лампы, а значит, и размах высокочастотных колебаний в контуре.

Пока диктор молчит, размах высокочастотных колебаний не изменяется. Но стоит ему произнести слово, и размах колебаний начнет увеличиваться и уменьшаться в соответствии с характером звука.

Такой процесс носит название модуляции, а колебания высокой частоты, размах которых меняется по закону звуковых колебаний, называются модулированными.

Итак, при радиотелефонной передаче звук последовательно превращается сначала в электрические колебания звуковой частоты, как и при обычной проводной телефонии, а затем в модулированные колебания высокой частоты. А во время приема решается обратная задача: модулированные колебания, улавливаемые приемником, преобразуются в колебания низкой частоты, а потом в звук.

Посмотрим, как это происходит.

Теперь это ряд одинаково направленных пиков — импульсов постоянного тока, высота которых меняется в соответствии со звуковыми колебаниями.

Импульсы постоянного тока, проходя через катушку телефонного наушника, возбуждают в окружающем пространстве магнитные силы, действующие в одном направлении. При этом мембрана испытывает быстрые, следующие друг за другом толчки. Из-за своей инерционности она не успевает «откликаться» на каждый толчок в отдельности, но поскольку на этот раз толчки происходят в одну сторону, они сливаются в единую силу, величина которой изменяется в соответствии с линией, огибающей импульсы выпрямленного тока, то есть по закону звуковых колебаний.

Эта сила заставляет мембрану колебаться, и мы слышим звук, в точности такой, какой был произнесен перед микрофоном передатчика и управлял размахом высокочастотных колебаний.

Выявление колебаний звуковой частоты, происходящее в радиоприемнике, называется детектированием (это слово по-русски означает обнаружение).

Прибор, в котором происходит процесс детектирования, носит название детектора. Двухэлектродная лампа — это ламповый детектор. Существуют также безламповые детекторы. Простейший безламповый детектор состоит из кусочка сернистого свинца (галена) и стальной пружинки, острие которой упирается в поверхность галена. Этот детектор, подобно диоду, может выпрямлять переменные токи.

На рис. 19 показано устройство простейшего безлампового радиоприемника. Такой приемник называют детекторным. В нем отсутствует усиление колебаний высокой частоты. Колебания, улавливаемые антенной, поступают на колебательный контур, а от него через детектор прямо в обмотку телефонных наушников. Поэтому громкость передач, принимаемых на детекторный приемник, невелика.

^{Рис. 19. Схема детекторного приемника.}

В современных ламповых радиоприемниках усиливаются колебания как высокой, так и низкой частот. Поэтому в таких приемниках далекие станции хорошо слышны.

Детекторный радиоприемник «Комсомолец» и тринадцатиламповый радиоприемник «Мир» различны и по сложности, и по размерам, и по внешнему оформлению. Но оба эти приемника — простой и сложный — работают в основном по одному и тому же принципу, о котором говорилось выше.

Как видим, такая волна распространяется гигантским скачком на огромные расстояния. Ясно, что сигналы, переносимые ею, можно услышать только там, где она возвращается на землю, подобно тому как солнечный «зайчик» виден лишь на том месте, на которое падает луч света.

В зависимости от длины электромагнитных волн распространение энергии происходит в основном либо вдоль земли, либо в атмосфере, либо обоими путями одновременно.

Длинные волны движутся вдоль земной поверхности и хорошо огибают кривизну земли. Они также распространяются в атмосфере, причем роль пространственной волны в этом случае возрастает с расстоянием. Так, например, до 300 километров наблюдается лишь поверхностная волна, на расстояниях от 300 до 3000 километров «проходят» как поверхностная, так и пространственная волны, а на расстояниях свыше 3000 километров преобладает пространственная волна.

Средние волны гораздо сильнее поглощаются поверхностью земли и хуже огибают ее кривизну. Все же такая поверхностная волна успевает пройти до 1000 километров прежде, чем полностью затухнет.

Короткие волны распространяются вдоль земли очень плохо. Они сильно поглощаются ее поверхностью и с трудом огибают кривизну земного шара. Поэтому главную роль в распространении коротких волн играет пространственная волна. Если настроить приемник на какую-либо близкую коротковолновую радиостанцию, сесть с ним в поезд и поехать, то слышимость начнет быстро уменьшаться, и вскоре прием совершенно прекратится. Несколько сот или даже тысяч километров поезд будет идти по «зоне молчания», а затем снова станет слышна передача. Это поезд встретился с пространственной волной, отразившейся от ионосферы.

Величина «зоны молчания» зависит от состояния ионосферы — от ее высоты и насыщенности свободными электронами. Состояние ионосферы в свою очередь связано с солнечным излучением. Всякое изменение в деятельности Солнца сказывается на концентрации электронов в ионосфере. Так, например, в течение суток «густота» заряженных частиц резко меняется, поэтому ночью поглощение энергии пространственной волны ионосферой уменьшается во много раз. Этим объясняется то, что в часы темноты громкость длинноволновых и особенно средневолновых радиостанций заметно возрастает.

С укорочением волны поглощение электрической энергии атмосферой снижается. Именно поэтому так велика «дальнобойность» маломощных коротковолновых передатчиков.

Умелый выбор длины волны позволяет радистам обеспечивать бесперебойную радиосвязь на каком угодно расстоянии, во всякое время суток и в любую «радиопогоду».

Мощные радиостанции, которые должны обслуживать передачами огромную территорию без «зон молчания», работают на длинных волнах.

Радиостанции, обслуживающие определенные районы, расположенные на больших расстояниях от передатчика, работают на коротких волнах. На этом диапазоне ведутся радиопередачи для зарубежных стран, радиосвязи между Москвой и столицами союзных республик, крупными культурными и промышленными центрами и т. д.

На коротких волнах работают также многочисленные самолетные и корабельные установки, радиостанции экспедиций и специальных служб.

По мере развития радиотехники внимание инженеров и ученых направлялось в сторону все более коротких волн. Этому способствовала «теснота» в эфире, которая усиливалась с увеличением числа радиостанций.

Советские ученые исследовали электромагнитные волны вплоть до волн, измеряемых миллиметрами. В 1924 году советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны длиной в одну десятую миллиметра. Однако вскоре выяснилось, что волны короче 10 метров (так называемые ультракороткие волны) совершенно непригодны для дальней связи.

Поверхностная волна этого диапазона чрезвычайно интенсивно поглощается почвой, особенно в пересеченной или лесистой местности и в городах. Кривизна Земли оказывается для нее почти непреодолимым препятствием. Пространственная же волна обычно не отражается ионосферой, а проходит ее насквозь, как луч света проникает через оконное стекло. Ионосферное «зеркало» прозрачно для ультракоротких волн.

Поэтому с первого взгляда может показаться, что на границе коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов лежит предел, который не может перешагнуть радиотехника. Но это неверно. Благодаря ультракоротким волнам радио получило много новых, разнообразных применений. О некоторых из них мы и расскажем.

Это — особая радиолампа в стеклянном баллоне с большим, слегка выпуклым дном — экраном Э. Экран покрыт изнутри слоем специального состава, который обладает свойством светиться, когда о него ударяются электроны.

Анод трубки А имеет форму пустотелого цилиндра. На него подается большой положительный заряд; под воздействием этого заряда электроны, вылетающие с катода К, приобретают настолько большую скорость, что проносятся внутри анода и «бомбардируют» экран. Поток электронов сжимается в узкий луч с помощью отрицательно заряженного «фокусирующего» электрода Ф, действующего подобно обыкновенной оптической линзе. В том месте, где электронный луч встречает экран, появляется светящаяся точка.

Направление электронного луча устанавливается с помощью двух взаимно перпендикулярных пар металлических пластин П. На эти пластины подаются электрические заряды, которые, взаимодействуя с зарядами электронов, отклоняют луч от центрального положения. В зависимости от величин и знаков зарядов, сосредоточенных на пластинах, электронный луч может перемещаться вверх — вниз и влево — вправо.

В электронно-лучевой трубке, как и в обычной усилительной радиолампе, есть управляющий электрод, или сетка С. Чем больше отрицательный заряд на сетке, тем слабее поток электронов и бледнее светящаяся точка на экране.

Действие телевизионной трубки основано на одной особенности человеческого глаза. Если зажечь в темноте электрический фонарик и начать быстро вращать его, то будут видны не отдельные положения лампочки, а сплошная световая линия. Глаз удерживает зрительное впечатление в течение десятой доли секунды после того, как исчезает световое раздражение.

Поэтому, если луч на экране трубки начнет быстро перемещаться по горизонтали, то будет видна сплошная горизонтальная линия. Если же заставить электронный луч двигаться по экрану так, как движется взгляд при чтении книги, то на экране возникнет светящийся прямоугольник, составленный из многих горизонтальных линий — строк.

Если при движении по строкам интенсивность луча изменится, то яркость экрана в разных местах будет неодинакова. Значит, управляя интенсивностью луча по определенному закону, можно получить на экране световое изображение. Именно это и происходит во время телевизионного сеанса.

При передаче спектакля из студии телевизионного центра оператор «нацеливает» на артистов объектив аппарата, напоминающего большую фотокамеру. Это на самом деле фотокамера, только в ней световое изображение проектируется не на матовое стекло и фотопластинку, а на особый светочувствительный экран, обладающий одним замечательным свойством: под воздействием света на экране появляются электрические заряды.

По светочувствительному экрану, как и в обычной «приемной» телевизионной трубке, движется тонкий электронный луч. Интенсивность этого луча все время постоянна. Касаясь экрана, луч оставляет на нем свой заряд, который складывается с зарядом, возникающим под воздействием света, и передается по проводам к телевизионному радиопередатчику. Освещенность экрана в разных местах неодинакова. Поэтому и величина заряда также различна. Колебания заряда передаются на управляющую сетку лампы радиопередатчика и вызывают периодическое изменение силы его сигналов.

Соответственно изменяется и размах электрических колебаний в телевизионном приемнике. Поступая на управляющую сетку электронно-лучевой трубки, электрические колебания изменяют интенсивность электронного луча и яркость световой точки на экране.

Движение электронных лучей в передающей «камере» и «приемных» трубках строго согласовано и происходит с одинаковой скоростью. В любой момент лучи падают на одни и те же места экранов. Поэтому световая картина на экране приемных трубок в точности воспроизводит изображение, спроектированное на светочувствительный экран «передающей» камеры.

Чем больше число строк, по которым «бегает» электронный луч, тем выше четкость изображения. Картина на экране телевизора напоминает мозаику, а мозаичное изображение тем совершеннее, чем меньше размер образующих его «зерен».

В Советском Союзе передача телевидения происходит с четкостью 625 строк.

Современные высококачественные телевизионные передачи ведутся только на ультракоротких волнах. Это объясняется тем, что сигналы телевидения занимают в эфире очень широкую полосу, им должно быть в тысячи раз «просторнее», чем сигналам обычных радиотелефонных станций. А поскольку на длинных, средних и даже коротких волнах и без того уже тесно, для телевизионных передач пригоден лишь диапазон ультракоротких волн, наиболее «вместительный» изо всех диапазонов. К тому же на нем гораздо меньше влияние помех.

Недостаток современного телевидения — малый радиус действия — объясняется характерными особенностями распространения ультракоротких волн, о которых говорилось выше. Устранение этого недостатка — одна из важнейших задач, стоящих перед радиоспециалистами[4].

Впервые это явление было обнаружено в начале тридцатых годов. Исследуя радиопомехи, ученые натолкнулись на один вид помех, которому трудно было дать объяснение. Эти помехи возникали периодически, через каждые сутки, в одно и то же время. А ведь за сутки Земля делает один полный оборот по отношению к звездам. Поэтому ученые предположили, что странные радиосигналы исходят из космического пространства, из вселенной.

В начале второй мировой войны на подобные помехи снова обратили внимание. В то время на побережье Англии действовали радиолокационные станции, с помощью которых своевременно отражались воздушные налеты врага. Было замечено, что в ранние утренние часы радиолокаторы как бы «слепли»: на их экранах появлялись беспорядочные всплески, в которых терялись импульсы, возникавшие в момент приближения самолетов.

Вскоре выяснили, что эти помехи объяснялись радиоизлучением Солнца. Позднее ученые установили, что радиосигналы посылает не только Солнце, но и разреженный межзвездный газ, а также некоторые туманности.

Так родилась радиоастрономия — новое мощное средство изучения вселенной. С ее помощью изучают Солнце, межзвездный газ, происхождение космических лучей и т. д.

Радиоастрономия имеет много преимуществ перед обычной астрономией, существовавшей тысячелетия. Астрономам мешает солнечный свет, воздушные потоки, облачность, дождь. Атмосфера Земли поглощает световые лучи, идущие от светил. Все это не препятствует изучению вселенной методами радиоастрономии.

Астрономы не ограничиваются исследованием радиосигналов, идущих из космического пространства. Они «вторгаются» в него с помощью специальных радиолокационных установок. В 1946 году ученые «прощупали» Луну лучом радиолокатора.

Радиолокацию можно использовать и для изучения планет солнечной системы, для исследования «падающих звезд» — метеоров. С ее помощью были открыты крупные метеорные потоки.

Все это только первые успехи радиоастрономии.

Кстати, еще немного об астрономии. С глубокой древности астрономы были «хранителями времени». Они определяли время по звездам. Но мало определить время, его нужно еще и сохранить. Для этого применяются особо точные часы, называемые астрономическими. Маятник таких часов делают из специального сплава, который почти не расширяется при нагреве. Чтобы атмосферное давление не влияло на ход астрономических часов, их помещают в стеклянный цилиндр, из которого затем выкачивают воздух. Для устранения каких-либо толчков часы помещают в подвальные помещения. Несмотря на все это, такие астрономические часы за сутки спешат или отстают на тысячную долю секунды. Эта величина кажется нам очень маленькой. Но для современной науки такая точность уже недостаточна.

Более точны так называемые кварцевые часы. Маятником в них служит пластинка, вырезанная из кристалла кварца. Оказывается, такая пластинка ведет себя как колебательный контур, причем этот контур отличается исключительно высокой устойчивостью собственной частоты. Если кварцевую пластинку включить вместо контура в ламповый генератор, то частота генерируемых им колебаний также будет чрезвычайно высокой.

Существуют особые электромоторы, у которых число оборотов в минуту зависит от частоты переменного тока. Если частота тока, приводящего в движение такой мотор, строго постоянна, то постоянно и число оборотов в минуту. Если подобный электромотор соединить с зубчатым механизмом, вращающим часовые стрелки, то получатся часы, точность которых зависит только от того, насколько устойчива частота тока. Следовательно, присоединив мотор к генератору с кварцевой пластинкой, можно создать чрезвычайно точные часы.

И действительно, кварцевые часы в сутки спешат или отстают не более чем на одну десятитысячную секунды!

А возможны ли часы еще точнее кварцевых? Радиоспециалисты уже разрабатывают их. В таких часах будут использоваться резонансные колебания молекул, происходящие с почти неизменной частотой.

Говоря о различных применениях радиотехники, нельзя не упомянуть радионавигацию. Еще в 1897 году А. С. Попов указал, что радиосигналы можно использовать на маяках. В дальнейшем были разработаны разнообразные навигационные приборы для вождения самолетов и кораблей по радио. К этим приборам относятся, например, радиокомпасы, указывающие направление на радиостанцию. Существуют также установки для посадки самолетов ночью, в тумане или во время пурги.

Все шире применяется управление работой различных машин по радио. Созданы образцы радиоуправляемых самолетов и кораблей.

Каждые сутки в небо взмывают сотни маленьких стратостатов. Это шары-зонды. Они несут ввысь крошечные метеорологические станции. С высоты в десятки километров показания метеорологических приборов передаются по радио на землю автоматически.

В труднодоступных местах устанавливаются автоматические радиометеорологические станции. Эти станции в течение нескольких лет без вмешательства человека систематически «составляют» и передают метеосводки.

Так радио «сдружилось» с метеорологией.

Даже в такую науку, как математика, проникли радиотехнические методы. Они произвели подлинную революцию в технике вычислений.

Бывало долгие месяцы, а иногда и годы трудились математики над решением сложных математических уравнений. Это не было прихотью, пустой тратой времени. Такие расчеты встречаются во многих областях науки и техники. Теперь решение подобных уравнений не вызывает трудностей. Несколько минут — и специальная вычислительная машина уже решила задачу, над которой провел бы тысячи часов любой математик. Эта машина представляет собой сложное радиоустройство, в котором роль чисел выполняют электрические токи. Операции над числами заменены здесь различными электрическими процессами.

Современные вычислительные устройства содержат по нескольку тысяч и даже десятков тысяч радиоламп. Создание таких устройств — большое достижение современной радиотехники.

Но и это не предел возможностей радио. Ведутся работы по созданию «автоматического переводчика» — электронной машины, автоматически переводящей несложный текст с одного языка на другой. За такой машиной не угнаться ни одному, даже самому квалифицированному переводчику! Создаются также «автоматические библиографы и архивариусы» — машины для систематизации и учета научной литературы. Подобные машины должны намного облегчить умственный труд, избавить ученых от второстепенной, но трудоемкой работы вроде отыскания нужной статьи и ее перевода с чужого языка.

И все это становится возможным благодаря радио!

Уже созданы карманные приемники размерами с портсигар, в которых нет ни одной радиолампы. Существуют и безламповые телевизоры. А сколько еще новых применений найдут полупроводниковые приборы в будущем! Не есть ли это начало нового переворота в радиотехнике?

Большие перспективы встают перед радиотехникой и в связи с развитием атомной энергетики. Ученые ведут работу над созданием электрических батарей, использующих энергию атома. Такие батареи при малых размерах окажутся поистине вечными источниками питания для радиоприемников.

Интересно будущее телевидения. Разрабатываются установки для стереоскопического телевидения, дающего объемное изображение, и для цветного телевидения. Ведутся опыты по дальнейшему повышению четкости телевизионных передач. Четкость в 1050 строк, уже полученная во время лабораторных исследований, не уступает четкости хорошего кинофильма.

Радиус действия будущих телевизионных центров значительно расширится благодаря созданию радиорелейных линий и сети проволочного телевизионного вещания.

Наука стоит на пороге межпланетных полетов. Связь между космическим кораблем и землей будет осуществляться по радио, с помощью ультракоротких волн. Здесь как раз и пригодится их способность «пробивать» ионосферное зеркало!

Для межпланетных полетов потребуется своего рода пересадочная станция, миниатюрная «Луна» — искусственный спутник Земли. На нем можно установить телевизионный передатчик, радиус действия которого будет охватывать значительную часть земной поверхности.

Широкие горизонты открываются перед радиотехникой будущего!

Само название «радио» в будущем приобретет новый, более широкий смысл. Радио станет прежде всего средством передавать энергию на расстояние (например, чтобы приводить в движение автомашины).

От скромного грозоотметчика до мощного средства передачи энергии на расстояние — таков путь радио.