§ 51. Изобретение радио А. С. Поповым

Определения и обозначения

Электромагнитные волны — распространяющиеся в пространстве изменения электрического и магнитного полей. Они могут переносить энергию от источника к приёмнику и не требуют провода между ними. Поэтому с их помощью можно передавать сигналы на расстояние. Для понимания радио важно проследить, как волна достигает антенны и вызывает изменения в электрической цепи.

Когерер, или радиокондуктор, — прибор, сопротивление которого резко уменьшается под действием электромагнитных волн. В его чувствительном элементе находятся металлические опилки или контакты, чья проводимость возрастает при воздействии волны. Изменение сопротивления превращает слабое воздействие в изменение тока. Когерер нужен приёмнику как чувствительный элемент, обнаруживающий приход сигнала.

Радиоприёмник — устройство, которое обнаруживает электромагнитные сигналы и преобразует их в доступный для регистрации сигнал. В установке Попова результатом обнаружения становился звук электрического звонка. Приёмник не создавал принятую волну, а реагировал на неё. Такое преобразование позволяло человеку заметить сигнал и отличить момент его прихода.

Как это устроено

Передача сигналов без проводов стала возможной после открытия электромагнитных волн и опытов Генриха Герца, подтвердивших их существование. Если электрические колебания создают волну, она может распространяться отдельно от источника и воздействовать на проводник в другом месте. Значит, передатчик и приёмник не обязательно соединять проводом. Оставалось придумать прибор, который заметно реагировал бы на слабое воздействие волны.

Попов использовал для этой цели когерер, поскольку его сопротивление под действием электромагнитных волн резко уменьшалось. Когда сопротивление становилось малым, через прибор проходил ток, достаточный для срабатывания следующей части схемы. Однако после такого воздействия когерер сохранял проводящее состояние, поэтому не мог надёжно различать новые сигналы. Его требовалось встряхивать, чтобы нарушить образовавшиеся проводящие контакты и вернуть высокое сопротивление.

В приёмнике антенна была связана с когерером и принимала воздействие электромагнитной волны. Когерер менял проводимость, а ток в его цепи включал реле — электромагнитный переключатель. Реле замыкало цепь электрического звонка, где энергия для звука поступала от источника питания. Молоточек звонка ударял по чашке и одновременно встряхивал когерер, подготавливая его к следующему приёму.

При приходе волны сначала менялась проводимость когерера, затем ток приводил в действие реле и замыкалась цепь звонка. Звонок звучал не потому, что волна непосредственно толкала его детали: волна лишь запускала последовательность электрических и механических действий. Удар молоточка сбрасывал когерер, поэтому сигнал прекращался и прибор снова становился чувствительным к следующему воздействию. Так один принятый импульс превращался в отдельное заметное срабатывание.

Сначала Попов применял приёмник для регистрации атмосферных разрядов: молния создавала электромагнитные волны, которые достигали антенны. Позднее стало возможно принимать сигналы, посланные передатчиком, то есть использовать устройство именно для беспроводной передачи сообщений. В 1895 году Попов продемонстрировал прибор для обнаружения электромагнитных волн. Эта демонстрация стала важным этапом, потому что показала практический способ обнаруживать волны и положила начало развитию радиосвязи.

Устройство и работа радиоприёмника Попова

Пользуйся таблицей как схемой причин и следствий: сначала волна действует на антенну, затем меняется состояние когерера. После этого реле включает звонок, а механизм встряхивания подготавливает когерер к новому сигналу. Источник питания обеспечивает работу электрических частей приёмника.

Разбор задач

1. Назовите элементы приёмника Попова и укажите, в какой последовательности они участвуют в регистрации сигнала.

Условие: нужно восстановить путь сигнала от появления электромагнитной волны до её обнаружения человеком. Важно не смешивать антенну, которая принимает воздействие волны, и когерер, который меняет сопротивление. Затем следует определить, какой элемент включает звонок. Проследим причинную цепочку по шагам.

1. Волна достигает антенны и вызывает в приёмнике электрическое воздействие.
2. Когерер реагирует на это воздействие: его сопротивление уменьшается, поэтому ток в его цепи возрастает.
3. Ток приводит в действие реле, которое замыкает цепь электрического звонка.
4. Звонок звучит, а молоточек встряхивает когерер, возвращая его к готовности принять следующий сигнал.

Ответ: последовательность регистрации такова: электромагнитная волна — антенна — изменение проводимости когерера — срабатывание реле — звонок. Молоточек завершает цикл встряхиванием когерера. Источник питания обеспечивает энергией цепи реле и звонка.

2. Объясните, почему после каждого принятого сигнала когерер нужно было встряхивать.

Условие: требуется объяснить, почему приёмник не мог просто оставить когерер в том состоянии, в которое он перешёл при первом сигнале. Известно, что волна резко уменьшала сопротивление когерера. Значит, нужно выяснить, мешает ли сохранение этого состояния регистрации следующего сигнала. Рассуждение показывает, зачем в конструкции был нужен механизм сброса.

1. До сигнала сопротивление когерера велико, и ток в его цепи мал.
2. После воздействия волны сопротивление резко уменьшается, и когерер становится проводящим.
3. Если не встряхнуть прибор, он может остаться проводящим и не отреагировать как следует на новое воздействие.
4. Удар молоточка нарушает проводящее состояние и возвращает когерер к исходному режиму.

Ответ: когерер встряхивали, чтобы после срабатывания восстановить его высокое сопротивление и подготовить к следующему сигналу. В приёмнике Попова эту задачу выполнял молоточек звонка. Так один импульс не мешал обнаружению следующего.

3. Приёмник перестал регистрировать следующие сигналы после первого срабатывания. Определите возможную причину и предложите действие.

Условие: звонок сработал один раз, но дальнейшие сигналы приёмник не показывает. Нужно найти возможный сбой в последовательности его работы. Поскольку когерер после воздействия волны может сохранять малое сопротивление, следует проверить не только антенну и реле, но и возврат прибора в исходное состояние. Начнём с части, которая должна срабатывать после звонка.

1. Вспомним рабочую цепочку: волна меняет проводимость когерера, реле замыкает цепь, звонок звучит.
2. После удара молоточек должен встряхнуть когерер, чтобы он снова мог различать следующий сигнал.
3. Если встряхивания нет, когерер мог остаться проводящим и не сбрасываться после первого срабатывания.
4. Проверим, движется ли молоточек и передаёт ли он встряхивание когереру; затем восстановим работу механизма.

Ответ: возможная причина — когерер остался в проводящем состоянии, потому что механизм встряхивания не сработал. Нужно проверить молоточек и его связь с когерером. После восстановления встряхивания приёмник сможет снова регистрировать последовательность сигналов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что когерер сам создаёт электромагнитную волну. Так можно подумать, потому что когерер называют важной частью радиоприёмника, но его роль другая: он реагирует на уже пришедшую волну изменением сопротивления. Проверка простая: спроси себя, какой элемент принимает сигнал, а какой меняет проводимость. Источником волны служит передатчик или, например, атмосферный разряд, а когерер обнаруживает её воздействие.

Ошибка: путать функции антенны и когерера. Антенна принимает воздействие волны, тогда как когерер меняет сопротивление под этим воздействием. Путаница возникает потому, что оба элемента участвуют в начале приёма. Чтобы проверить себя, распредели действия: волна достигает антенны, а изменение проводимости происходит в когерере.

Ошибка: считать, что электромагнитная волна непосредственно заставляет звонок звучать. В действительности волна воздействует на приёмную часть, после чего ток приводит в действие реле, и лишь оно замыкает отдельную цепь звонка. Ошибку допускают, сокращая длинную цепочку до «волна — звук». Для проверки назови промежуточные звенья: когерер, реле, звонок.

Ошибка: забывать о встряхивании когерера. Если не учесть его, непонятно, как приёмник мог различать несколько сигналов подряд: после первого воздействия сопротивление когерера оставалось уменьшенным. Встряхивание сбрасывало это состояние и подготавливало прибор к новому сигналу. Проверь объяснение работы приёмника: после звонка в нём должно быть действие, возвращающее когерер к готовности.

Связь с другими темами

Для понимания работы радио нужно знать, что электромагнитные волны распространяются в пространстве и переносят энергию. Эта тема связана с электромагнитными колебаниями: колебания в передатчике служат источником волн, а приёмник реагирует на их приход. В дальнейшем тот же общий принцип лежит в основе радиосвязи, радиопередачи и беспроводных средств связи. Современные устройства устроены сложнее, но также принимают электромагнитные сигналы и преобразуют их в информацию, доступную человеку.

Что запомнить

• Радиосвязь позволяет передавать сигналы без соединяющего провода.
• Приёмник Попова обнаруживал электромагнитные волны с помощью когерера.
• Под действием волны сопротивление когерера уменьшалось.
• Реле использовалось для включения цепи электрического звонка.
• Молоточек встряхивал когерер и возвращал его к готовности принять следующий сигнал.
• В 1895 году Попов продемонстрировал прибор для обнаружения электромагнитных волн.