4. Изобретение радио

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространяющиеся в пространстве переменные электрическое и магнитное поля. Изменения полей передаются от источника дальше, поэтому волна может переносить энергию и сигнал на расстояние, не перенося вещество. Именно такой способ передачи лежит в основе радио.

Радиопередатчик — устройство, которое создаёт электромагнитные волны и передаёт с их помощью информацию. В передатчике изменяющийся ток вызывает переменные поля, а антенна излучает волну. Чтобы передать сигнал, свойства тока должны изменяться согласно передаваемому сообщению.

Радиоприёмник — устройство, которое обнаруживает радиоволны и преобразует принятый сигнал в доступную для регистрации или восприятия форму. Его антенна принимает воздействие волны, а электрические цепи обрабатывают возникший сигнал. В ранних приёмниках его наличие показывал звонок или другой регистратор.

Когерер — ранний прибор для обнаружения радиоволн, в котором металлические опилки между электродами меняли сопротивление под действием сигнала. Приёмная волна делала слой опилок более проводящим, поэтому через него мог пройти ток. Когерер позволял превратить слабое воздействие волны в заметное срабатывание устройства.

Как это устроено

Генрих Герц проверял следствие теории Максвелла: если электрические заряды быстро колеблются, они должны создавать электромагнитные волны. В искровом вибраторе возникал разряд, а на расстоянии Герц помещал проводник с небольшим промежутком — резонатор. Появление искры в его промежутке показывало, что до него дошло электромагнитное воздействие. Исследуя отражение и другие свойства волн, Герц подтвердил, что это не действие, мгновенно передаваемое по проводам, а распространяющийся процесс.

В искровом передатчике источник высокого напряжения создавал искру между электродами. Разряд быстро менял заряд и ток в цепи, а после него возникали быстрые электрические колебания, которые постепенно затухали. Переменный ток в проводнике антенны создавал изменяющиеся электрическое и магнитное поля. Они распространялись от антенны в пространстве как электромагнитные волны, поэтому передатчик мог воздействовать на прибор вдали от себя.

В установке Александра Попова антенна принимала пришедшие волны и помогала получить электрическое воздействие в цепи приёмника. В этой цепи находился когерер — стеклянная трубка с металлическими опилками между электродами. Под действием радиосигнала опилки лучше проводили ток, сопротивление когерера уменьшалось, и срабатывало регистрирующее устройство, например звонок. После срабатывания когерер встряхивали: опилки снова разрыхлялись, и прибор был готов обнаружить следующий сигнал.

Роли участников истории радио важно различать. Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн и изучил их свойства, но его опыты сами по себе не были системой передачи сообщений. Попов разрабатывал приёмные устройства и демонстрировал возможность принимать сигналы; Маркони развивал практическую беспроводную связь и передачу на большие расстояния. Радио стало результатом перехода от доказательства существования волн к созданию пригодных для связи передатчиков и приёмников.

Путь сообщения можно представить как последовательность: передатчик создаёт изменяющийся ток, его антенна излучает волну, а волна распространяется до приёмника. В антенне приёмника возникает электрический сигнал, который обнаруживается и преобразуется устройством приёма. Так переданная информация оказывается доступна на расстоянии без соединяющего передатчик и приёмник провода. Скорость распространения радиоволн в воздухе близка к скорости света, поэтому сигнал достигает приёмника очень быстро.

Основные части простейшей радиосистемы

Читайте таблицу как путь сигнала: сверху вниз, от возникновения колебаний до регистрации приёмником. В средней колонке указано, что происходит с сигналом на каждом этапе, а в правой — почему это возможно с точки зрения физики. Если звено с антенной или когерером убрать, приёмная установка не сможет надёжно зафиксировать сигнал.

Разбор задач

Задача 1. Радиостанция передаёт сигнал с частотой 1,5 МГц. Найдите длину волны в воздухе. Длина волны связана с частотой формулой λ = c / f, где скорость волны в воздухе приблизительно равна скорости света. Перед подстановкой переведём мегагерцы в герцы.

1. Запишем данные: f = 1,5 МГц = 1,5 · 10⁶ Гц, c ≈ 3 · 10⁸ м/с.
2. Подставим значения: λ = (3 · 10⁸) / (1,5 · 10⁶) м.
3. Разделим числа и степени: 3 / 1,5 = 2, а 10⁸ / 10⁶ = 10². Поэтому λ = 200 м.

Ответ: длина волны составляет примерно 200 м. Значение получилось достаточно большим, потому что частота радиосигнала намного меньше частоты видимого света.

Задача 2. Передатчик и приёмник разделены расстоянием 600 км. Оцените время распространения радиосигнала. Для оценки считаем, что волна идёт по воздуху со скоростью c ≈ 3 · 10⁸ м/с. Не нужно включать в расчёт время, за которое приёмник обнаружит и зарегистрирует сигнал: спрашивается только время его пути.

1. Переведём расстояние в метры: s = 600 км = 600 000 м = 6 · 10⁵ м.
2. Используем формулу времени движения: t = s / c.
3. Подставим значения: t = (6 · 10⁵) / (3 · 10⁸) с = 2 · 10⁻³ с.

Ответ: примерно 0,002 с, или 2 мс. Это оценка времени распространения волны; задержка, связанная с обработкой сигнала в приёмнике, в неё не входит.

Задача 3. Приёмник с когерером срабатывает только при подключённой антенне. Объясните наблюдение и опишите путь сигнала от передатчика до регистрирующего устройства. Нужно проследить не только за работой когерера, но и за тем, откуда берётся воздействие, изменяющее его сопротивление.

1. В искровом передатчике разряд вызывает быстрые электрические колебания, а ток в его антенне создаёт электромагнитные волны.
2. Волны распространяются до приёмной антенны и создают в ней электрический сигнал. Без антенны воздействие на когерер оказывается недостаточным для срабатывания.
3. Принятый сигнал изменяет состояние металлических опилок в когерере: его сопротивление падает, ток проходит через цепь и включает регистрирующее устройство.

Ответ: антенна принимает радиоволну и обеспечивает появление сигнала в цепи, а когерер превращает это воздействие в изменение сопротивления. Регистрирующее устройство показывает, что сигнал дошёл до приёмника.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что радиоволна переносит вещество. Так можно подумать, потому что сообщение действительно достигает удалённого места. Но распространяются поля, а вместе с волной передаются энергия и информация, а не вещество передатчика. Проверка: представьте, что сигнал прошёл через пустое пространство, не унося частицы антенны.

Ошибка: смешивать роли Герца, Попова и Маркони. Их часто называют рядом в рассказах об истории радио, поэтому этапы легко объединить. Герц подтвердил существование волн, а Попов и Маркони внесли вклад в создание и развитие практической радиосвязи. Проверяйте себя вопросом: речь идёт об экспериментальном доказательстве или о передаче сообщений?

Ошибка: считать, что когерер создаёт радиоволны. Путаница возникает из-за того, что он входит в радиоустановку и реагирует на сигнал. Однако колебания и волны создаются передатчиком, а когерер находится в приёмнике и обнаруживает воздействие волны. Проверьте направление процесса: от источника к приёмному прибору.

Ошибка: подставлять в λ = c / f частоту в мегагерцах без перевода. Число 1,5 МГц не равно 1,5 Гц: приставка «мега» означает миллион. Из-за пропуска множителя 10⁶ длина волны получится неверной в миллион раз. Перед расчётом запишите частоту в герцах и проверьте, что единицы результата — метры.

Связь с другими темами

Для понимания радио пригодятся знания об электрических колебаниях: именно быстрые изменения тока создают переменные поля. Нужно также представлять, как связаны электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне. Скорость, частота и длина волны связываются формулой λ = c / f, а время прохождения расстояния оценивается как t = s / c. Эта тема служит основой для изучения радиосвязи, радиопередачи и современных беспроводных средств, хотя их приёмники устроены сложнее раннего когерера.

Что запомнить

• Радиосвязь основана на передаче информации с помощью электромагнитных волн.
• Быстрые электрические колебания в передатчике создают радиоволны.
• Радиоволны распространяются в пространстве и переносят энергию и сигнал.
• Антенна передатчика излучает волны, а антенна приёмника обнаруживает сигнал.
• Когерер в ранних приёмниках менял сопротивление под действием радиоволн.
• Опыты Герца подтвердили существование электромагнитных волн; Попов и Маркони развивали практическую радиосвязь.