Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Рис. 11.2. Первый центральный коммутатор, Нью-Хейвен, Коннектикут, 1878 г.

Открытие Герца было фундаментальным в изобретении радио. Электромагнитные волны несут радиосигнал, и без их знания невозможно иметь радио. Некоторые физики, в том числе англичанин Оливер Джозеф Лодж (1851–1940), понимали возможность использования электромагнитных волн для передачи и приема телеграфных сообщений. В 1894 году Лодж описал прибор, состоящий из ресивера, настроенного так, чтобы собирать волны, детектора, то есть реле для усиления сигналов, и принтера для записей точек и тире. Детектор Лоджа назвали когерером, в который входил также тремблер. Он был основан на явлении, открытом в 1879 году Дэвидом Эдвардом Хьюзом (1831–1900). Когерер, который несколькими годами раньше использовался для других целей, – это короткая стеклянная трубка с никелевыми опилками. Вместе с клеммами он являлся частью локальной цепи батареи. Электромагнитные волны, «пойманные» в этот ресивер, понижают сопротивление опилок, которые «слипаются» и позволяют току течь от батареи через них. После установления проводимости в когерере опилки продолжают служить хорошим проводником и поэтому больше не реагируют на волны. Лодж восстанавливал сопротивление опилок, встряхивая их с помощью тремблера, который закупоривал трубку. Ресивер Лоджа работал, но, поскольку он больше интересовался обучением и научными исследованиями, а не практическим применением своих разработок, он не занимался их усовершенствованием для коммерческого использования.

В 1894 году, в том же году, когда Лодж продемонстрировал свой ресивер, Гульельмо Маркони (1834–1937), молодой итальянский изобретатель, прочитал об открытии Герца и немедленно приступил к разработке практического метода беспроводной связи. Маркони сделал усовершенствованный осциллятор, или передатчик, используя антенну, установленную на шесте, и также увеличил эффективность когерера. В 1896 году он преуспел в передаче и приеме кодированных сообщений на расстояние в 2 мили. Считая, что в Англии больше возможностей для доведения его радиосвязи до коммерческого использования, Маркони в том же году отправился туда. Очень скоро он уже передавал и принимал сообщения при расстоянии 8 миль. В 1897 году Маркони начал экспериментировать с передачей на большие расстояния, и почувствовал себя победителем, когда услышал в приемнике на Ньюфаундленде переданную азбукой Морзе букву S – три точки. Передатчик в это время находился в Южном Корнуолле – на полуострове Лизард.

В 1898 году Лодж изобрел селективный тюнер. Когерер в качестве детектора не отвечал современным требованиям, и Джон Амброуз Флеминг, тогда консультировавший Маркони, изобрел двухэлементную или диодную вакуумную трубку, использующую принципы Эдисона. Два вывода этого реле были анодом и накаленным катодом, который постоянно испускал электроды. Флеминг поместил трубку, или клапан, как он его назвал, в воздушную цепь ресивера. Вариации входящих сигналов меняли заряд анода с положительного на отрицательный. Во время отрицательного интервала он отталкивал электроны, испускаемые катодом, и тока не было. Во время положительного интервала анод притягивал электроны от катода, и возникший ток приводил в действие принтер или телефонный приемник. Хотя изобретение Флеминга является базовым для радио, его диод неудовлетворительно показал себя в эксплуатации. Американский изобретатель Ли де Форест в 1906 году усовершенствовал диод, вставив решетку в вакуумную трубку между катодом и анодом. Решетка, или металлический экран, была связана с радиоантенной, и переменный или колебательный заряд на ней отталкивал электроны, когда был отрицательным, и усиливал поток электронов, когда был положительным. Тем самым осуществлялся более эффективный контроль над током, чем в диоде. Поскольку теперь в трубке де Фореста присутствовало три элемента, она названа триодом. И диод, и триод работают в условии частичного вакуума.

Пока шло развитие вакуумной трубки, также совершенствовалась передача волн – в отличие от телеграфных передач на искровом разряднике. Передача волн – незатухающих колебаний – необходима для передачи голоса. Реджинальд Обри Фессенден (1866–1932) в Америке, понимая необходимость эффективной системы передачи волн, разработал таковую с генератором в 1903 году. Именно Фессендену удалось создать гетеродинную цепь для приемника с использованием разницы частот между передающей и принимающей цепями. В 1914 году Эдвин Говард Армстронг (1890–1954) из Колумбийского университета создал обратную цепь, которая существенно повысила чувствительность приема вакуумной трубки ресивера. В 1918 году он усовершенствовал ее, и появилась супергетеродинная цепь, ставшая основополагающей для современного радио и радарного приема. К 1919 году стало возможно производить эффективные передатчики и приемники для речевого вещания, используя наработки предыдущих двадцати лет.

До 1919 года радио в основном использовалось для передачи информации из одного пункта в другой, как телеграф и телефон. С начала 1920-х годов, однако, началось радиовещание. Радиоприемники появились в частных домах и постепенно стали одной из самых популярных форм развлечения. Имея приемник дома, всегда можно было узнать новости, в том числе коммерческие, к примеру, рыночные цены на продовольственные товары для фермеров и т. д. Радио нередко служило средством быстрой связи для членов сообществ в случае местных катаклизмов. Оно было удобным инструментом для формирования общественного мнения и пропаганды. Иными словами, оно очень быстро приобретало популярность.

Изначально радиовещательные станции использовали амплитудную модуляцию (АМ) радиоволны, при которой частота звуковых волн изменяет амплитуду высокочастотных радиоволн, которые передают сообщение для приема и восстановления звука. Неисправные электродвигатели и другие устройства, электрические бури и электрические разряды могут добавлять собственную амплитуду волне, вызывая интерференцию или то, что называется помехами. Самым важным событием в радио после того, как вещание стало обычным делом, было появление частотной модуляции (FM), которую изобрел в 1933 году Э.Г. Армстронг. FM имеет более высокую точность воспроизведения, чем АМ, и относительно свободна от помех. В FM-системах вариация в радиоволнах, родившихся из звуковых волн, – это вариация в частоте, а не в амплитуде. Поскольку сигналы не зависят от амплитуды радиоволны, внешних помех практически нет. FM-система передает сигналы для телевизионного вещания в США.