§ 5.8. Изобретение радио А. С. Поповым

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача сообщений на расстояние с помощью электромагнитных волн. В отличие от проводной связи, передатчик и приёмник не соединены металлическим проводом: сигнал распространяется через пространство.

Когерер — прибор для обнаружения электромагнитных волн, содержащий металлические опилки. После воздействия волны опилки сцепляются, и электрическое сопротивление когерера резко уменьшается, поэтому через него начинает проходить ток.

Антенна — проводник, предназначенный для излучения или приёма электромагнитных волн. В установке Попова антенна улавливала слабое воздействие волны и передавала его в цепь когерера; в передатчике аналогичный проводник способствовал излучению.

Радиоприёмник — устройство, которое принимает электромагнитный сигнал и преобразует его в звук или другой различимый сигнал. В опыте Попова таким сигналом был звонок, позволявший услышать факт приёма волны.

Как это устроено

Для радиосвязи нужны передатчик, канал распространения и приёмник. Передатчик формирует сигнал, электромагнитная волна переносит его через пространство, а приёмник обнаруживает и преобразует сигнал. Соединительный провод между установками не требуется именно потому, что роль канала выполняет электромагнитное поле.

В искровом передатчике между электродами происходит разряд. Напряжение быстро возрастает, затем ток резко меняет величину и направление в колебательном процессе. Такие быстро меняющиеся токи создают переменное электромагнитное поле, часть которого отделяется от передатчика и распространяется в виде электромагнитной волны.

Приёмная антенна взаимодействует с пришедшей волной, поэтому в ней возникает переменное электрическое воздействие. Заземление образует второй путь для тока и замыкает электрическую цепь приёмника. Благодаря этому слабый сигнал от антенны может воздействовать на когерер заметнее, чем в разомкнутой цепи.

В исходном состоянии опилки в когерере соприкасаются неустойчиво, поэтому сопротивление прибора велико. Электромагнитная волна вызывает в них электрические и механические изменения: частицы сцепляются, и сопротивление резко падает. После прекращения воздействия это состояние само не исчезает, поэтому когерер необходимо встряхнуть и снова разрыхлить опилки.

Уменьшение сопротивления когерера увеличивает ток в цепи реле. Реле замыкает отдельную электрическую цепь, питающую звонок, и невидимое воздействие волны превращается в слышимый сигнал. Механизм встряхивания срабатывает от той же системы и возвращает когерер в чувствительное состояние, поэтому установка может принимать последовательность сигналов.

Элементы первой радиоустановки А. С. Попова и их функции

Таблица показывает путь сигнала от возникновения электромагнитной волны до звукового оповещения. Читая её слева направо, можно восстановить работу передатчика и приёмника; особенно важно не путать обнаружение волны с её созданием.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Назовите элементы приёмной установки Попова, которые обнаруживают волну и сообщают о её приёме. Нужно отделить собственно обнаружение от последующего оповещения.

1. Антенна принимает электромагнитное воздействие и передаёт его в цепь.
2. Когерер изменяет сопротивление под действием волны, поэтому именно он обнаруживает сигнал.
3. Реле использует возникший ток для включения отдельной цепи, а звонок создаёт слышимый результат.

Ответ: последовательность такова: антенна — когерер — реле — звонок.

Задача 2

Условие. Объясните, почему звонок может звучать только кратковременно, даже если передатчик посылает серию сигналов. Рассмотрим, что происходит с когерером после первого срабатывания.

1. Первая волна сцепляет металлические опилки, сопротивление когерера уменьшается, и реле включает звонок.
2. После этого опилки остаются сцепленными, поэтому когерер не готов различить следующий отдельный сигнал обычным способом.
3. Механизм встряхивания разрывает контакты между опилками, увеличивает сопротивление и восстанавливает чувствительность.

Ответ: звонок звучит кратко, потому что после срабатывания когерер нужно встряхнуть; затем он снова может принять следующий импульс.

Задача 3

Условие. Передатчик работает на частоте ν = 3 МГц. Определите длину электромагнитной волны и объясните, почему приёмная антенна должна быть связана с её распространением.

1. Используем связь скорости, длины волны и частоты: λ = c/ν.
2. Переведём частоту: 3 МГц = 3·10⁶ Гц. Тогда λ = 3·10⁸ м/с ÷ 3·10⁶ 1/с = 100 м.
3. Антенна должна принимать переменное поле именно этой волны, поэтому её электрические размеры и схема включения влияют на эффективность приёма.

Ответ: λ = 100 м; антенна должна быть согласована с распространением и частотой волны, чтобы заметное воздействие возникало в цепи приёмника.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что Попов передавал звук непосредственно электромагнитной волной. Так думают, потому что звонок слышен на расстоянии, но сначала передаётся кодированный электрический сигнал, а приёмник преобразует его в звук. Проверка: спросите себя, где находится устройство, создающее звук.

Ошибка 2. Путать когерер с источником радиоволн. Когерер не излучает, а только реагирует на пришедшую волну изменением сопротивления. Проверка: источник находится в передатчике, а когерер — в приёмной цепи.

Ошибка 3. Забывать о встряхивании когерера и считать, что он сам возвращается в исходное состояние. После сцепления опилки сохраняют малое сопротивление, поэтому механический сброс необходим. Проверка: проследите, какое действие снова увеличивает сопротивление прибора.

Ошибка 4. Утверждать, что радиосвязь не требует оборудования. Без передатчика, антенн, канала распространения и приёмника сообщение не возникнет и не будет обнаружено. Проверка: назовите отдельно источник сигнала, путь волны и устройство, регистрирующее её.

Связь с другими темами

Для понимания работы установки нужны знания об электромагнитных колебаниях и волнах, их распространении, а также о связи длины волны со скоростью и частотой: λ = c/ν. Тема Попова подготавливает изучение радиопередачи, модуляции, радиоприёма, телевидения и современных беспроводных систем связи.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт сообщения с помощью электромагнитных волн.
• Передатчик преобразует электрические колебания в электромагнитное излучение.
• Антенна излучает и принимает электромагнитные волны.
• Когерер обнаруживает волну по изменению сопротивления металлических опилок.
• Реле и звонок превращают обнаружение волны в заметный сигнал.
• Механизм встряхивания восстанавливает чувствительность когерера.
• Опыт Попова стал важным этапом создания практической радиосвязи.