Александр Попов - пионер радиотехники
Александр Попов — пионер радиотехникиСложно представить современный мир без радиосвязи. Сотовые телефоны, мобильный интернет, спутниковое телевидение, навигаторы GPS и многое другое, что делает нашу жизнь удобнее и интереснее — все это работает благодаря тому, что когда-то была открыта возможность передачи сигналов без проводов, с помощью невидимых радиоволн. Но открытия не происходят сами собой, их делают люди. И часто к одному важному озарению идут долгие годы, и многие-многие поколения ученых трудятся, понемногу приоткрывая завесу мировых тайн, чтобы однажды люди обрели новое знание.
Эта книга — о человеке, который первым в нашей стране придумал, как общаться на расстоянии без электрических проводов. Он открыл для России радиосвязь. Но при этом никогда не забывал о трудах своих коллег, чьи разработки использовал в своих опытах. Этого скромного, но очень талантливого ученого звали Александр Попов.
Заводской посёлок
Александр Попов родился в 1859 году на Урале, в горнорудном посёлке Турьинские рудники. Его отцом был местный священник Стефан Попов, человек очень добрый и отзывчивый. В большой и дружной семье росло семеро детей, но Стефан Петрович находил время и силы не только для них, но и для работы в детском приюте.
Часто бывая в рудничных мастерских, маленький Саша подолгу наблюдал за работой станков и машин. Их устройство завораживало его воображение, и с юных лет он увлекся постройкой разного рода механизмов. Вместе с товарищами он сооружал водяные мельницы и подъемные машины, ведерками вытаскивающие землю из небольших самодельных «шахт», и в этом занятии ему не было равных.
Начало учения
Захватывающие опыты со всевозможными конструкциями — это, конечно, здорово, но однажды приходит пора учиться и другим вещам. Саше предстояло уехать далеко от дома в Далматовское училище. Хочешь — не хочешь, а к учебе надо готовиться, и всего за три месяца наш герой выучился и читать, и писать.
И вот десятилетний мальчик впервые в жизни отправляется в дальний путь. Автобусов и самолетов тогда еще не было, поезда ходили мало, и довезти Сашу поручили проезжавшим через поселок купцам. Конечно, всё это было очень непривычно и волнительно, но в то же время страшно интересно. К тому же, в училище его ждал старший брат Рафаил, который тоже когда-то там учился, а теперь преподавал латинский язык.
Рафаила Саша очень уважал. Еще бы — он не только обучал ребятишек языку, на котором говорили древние римляне, но еще писал в журналы статьи о жизни уральцев. Но и этого ему было мало. Рафаил хотел стать еще умнее, писать еще лучше, а для этого надо было поучиться в университете.
И вот спустя пару лет, как Саша приехал в Далматов, Рафаил уезжает в Санкт- Петербург поступать в университет. Переехать пришлось и Саше — его теперь отправили учиться в Екатеринбург, где жила с мужем старшая сестра Мария. В семье Поповых не принято было оставлять друг друга без присмотра, без заботы.
Учился Саша блестяще. Его вдохновлял пример брата, и он тоже мечтал однажды оказаться в Петербургском университете. Для этого очень старался успевать по всем предметам. И когда пришла пора переводиться в другую школу — Пермскую духовную семинарию — он был единственным из тридцати учеников, кто получил высший балл на вступительных экзаменах.
«Математик»
Чем духовные семинарии отличаются от обыкновенных школ? — спросите вы. С одной стороны, в них подробно изучают Библию и другие религиозные книги, потому что учеников готовят стать священниками. Но и обычные школьные предметы — историю, географию, математику, иностранные языки — там тоже преподают, ведь и священнику без них не обойтись. Ну и наконец учились в таких заведениях именно дети священнослужителей, «поповичи» , как их тогда называли. Недаром и фамилия у Сашиного семейства была «Поповы».
А как раз в те времена, когда учился Саша, в стране проводили реформы образования, и обычные школьные предметы в духовных семинариях стали преподавать больше и лучше. Это делалось для того, чтобы их выпускники могли выбирать — пойти ли по стопам отца и сделаться священником, или идти учиться дальше в университеты, чтобы освоить другую профессию — например, врача, юриста или даже ученого.
И как раз в Пермской семинарии Саша окончательно понял, что в священники не пойдет, потому что всей душой он полюбил точные науки. Занимался он по этим дисциплинам так усердно, что даже прозвище получил — «математик». Математика тогда была царицей всех точных наук.
Но еще больше математики его тянула к себе физика, ведь именно эта наука объясняла работу всех тех механизмов, которые он так увлеченно конструировал в детстве.
На пути к мечте
Отец, заметив искренний интерес Саши к наукам, не стал мешать и отпустил младшего сына, как когда-то и старшего Рафаила, в Петербург.
В столицу юноша, которого теперь все чаще называли уже не Сашей, а Александром, поехал не один. Его младшие сестры Анна и Августа тоже хотели учиться и, получив благословение родителей, молодые люди все вместе отправились в новую жизнь.
На первых порах они поселились у брата Рафаила, который уже вовсю работал журналистом и издателем газет. Александр старался помогать ему в этих делах, но почти все его силы и время поглощала учеба.
Теперь он числился студентом физико-математического факультета и в этой ученой среде чувствовал себя, как рыба в воде. Юноша быстро завел новых друзей — его ум, доброта и обаяние легко привлекали людей, а успехи в учебе скоро обратили на него и внимание преподавателей.
Знаток электротехники
Очень скоро Александр так хорошо разбирался в физике и так здорово умел ее растолковать другим, что однажды его, еще студента, позвали «объяснителем» (т. е. экскурсоводом) на первую в мире электротехническую выставку! Она проходила в знаменитом Соляном городке Петербурга.
Чего там только не было: электромагнитные двигатели, телеграфные аппараты, лампы электрического освещения и многое-многое другое. Сейчас все это кажется нам знакомым и привычным, а что-то — например, телеграфы, уже и вовсе устаревшим. Но тогда большая часть электрической техники была в диковинку простым людям, пусть даже и жителям столицы. И именно благодаря таким увлеченным «объяснителям», как студент Попов и его товарищи по университету, они могли хоть немного понять загадочные механизмы поразительных устройств.
А в электрических механизмах Александр хорошо разбирался еще и вот по какой причине.
Так как семья Поповых была совсем небогатой, денег из дома ему присылать не могли. Как быть в таком случае? Конечно, нужно было зарабатывать самому, успевая при этом еще и учиться.
Так Александр устроился на работу электриком. Что же это за работа такая?
Представьте себе Невский проспект вечером. Темнеет, и вдруг, как по щелчку, загораются фонари. Когда-то их зажигали фонарщики, забираясь по отдельности на каждый фонарный столб. Там они подливали горючую жидкость, поджигали фитиль… Помните одного такого фонарщика из сказки о Маленьком принце?
Но во времена Попова появились электрические фонари, и зажигать их можно было теперь не по одному, а сразу на всей улице из особого места, где был установлен электрический генератор.
И вот Александр дежурит у чудо-машины, а бойкий мальчишка, его помощник, глядит вблизи на вспыхивающие огни и, если они горят слабо, кричит, что есть мочи:
— Поддай!
В ответ наш электрик снова колдует у генератора, и ток еще пуще бежит по проводам, освещая городские улицы.
Уроки любви
Однако самым популярным заработком для студентов все же было и остается репетиторство.
Записные книжки Александра Попова сохранили множество адресов, по которым он ездил с частными уроками в студенческие годы. И один из этих адресов стал для него особенным.
Там проживала семья адвоката Богданова, чью дочь Раису Попов готовил для поступления на женские врачебные курсы. Александр был всего на год старше своей воспитанницы, и молодые люди легко подружились. Раиса была такой же усердной ученицей, как и ее учитель, что питало взаимное уважение. И все шло замечательно, пока не стряслась беда. За год до долгожданного поступления Раисы на курсы внезапно умер её отец. Семья потеряла кормильца, и денег платить за услуги репетитора больше не было. Но Александр не мог бросить девушку в беде, на полпути к ее мечте, и предложил продолжить занятия бесплатно. Он очень хорошо понимал, в какой трудной ситуации оказались Раиса и её мать и, кроме того, ему очень, очень нравилась его ученица. Девушка не могла не оценить великодушного поступка, и дружба переросла в глубокую привязанность и любовь. Вскоре молодые люди поженились.
Судьба ведет в Кронштадт
Завершив учебу в университете, Александр получил работу преподавателя в военно-морском городе Кронштадте. Там он должен был обучать офицеров российского флота, которым физика и знания об электротехнике были очень важны, чтоб совладать со сложной военной аппаратурой.
Как никто другой, Попов умел увлекать захватывающими физическими опытами, знал самые точные и ясные слова, чтоб объяснять сложнейшие явления, а его скромность, добродушие и сердечность еще больше привлекали к нему слушателей курсов.
Самой большой радостью на новом месте работы стала для Александра Попова физическая лаборатория, которая без всякого сомнения была тогда лучшей в стране. В ней он мог вести собственные научные исследования, строить гипотезы и тут же проверять их на опыте. Именно здесь он и сделает своё самое важное и волнующее открытие — систему беспроводной связи.
Однако дорогу к этому изобретению прокладывало не одно поколение ученых.
На пороге электромагнитного царства
Все началось с обнаружения любопытного факта: если компас окажется рядом с источником электрического тока, то его магнитная стрелка отклонится от обычного положения. А ведь долгое время физики считали, что электричество и магнетизм никак друг с другом не связаны! Это наблюдение открыло ученым важную тайну: оказывается, электрический ток создает свое магнитное поле.
Затем английский физик Майкл Фарадей доказал обратный эффект: изменения магнитного поля в свою очередь тоже порождают электрический ток. Прошло еще немного времени, и шотландец Джеймс Максвелл объяснил природу этих явлений в нескольких математических уравнениях, предсказав существование электромагнитных волн. Он полагал, что они могут свободно распространяться как в воздухе, так и в космическом вакууме, двигаясь со скоростью света. А значит, и видимый свет солнца — это тоже электромагнитные волны! Но полагать и предсказывать — значит строить гипотезы, а всякую гипотезу нужно еще доказать. Увы, Максвелл не дожил до того момента, когда его смелая теория была подтверждена опытами.
Доказательство Герца
Создать и «поймать» электромагнитные волны смог уже немецкий ученый Генрих Герц. Забавно, что сделал он это, желая опровергнуть гипотезу Джеймса Максвелла. А на деле доказал его правоту!
Для своих опытов Герц изготовил два прибора.
Первый представлял собой два медных стержня с латунными шариками на концах, между которыми оставался совсем небольшой зазор. К основанию стержней подключался источник электрического тока, в результате чего между шариками пробегала электрическая искра. По задумке Герца это был генератор или, иначе говоря, передатчик электромагнитных волн. Впоследствии его называли «вибратором Герца».
Второй прибор во многом напоминал первый — это была разомкнутая металлическая рамка, концы которой также увенчивались латунными шариками. Однако к этому устройству электрический ток не подключали. Он должен был принять электромагнитные волны передатчика без всякого физического контакта с ним — прямо по воздуху, без проводов. То есть второй прибор выполнял роль приемника. Герц прозвал его «резонатором».
Когда между шариками передатчика проскакивала искра, практически в тот же миг другая искра пробегала и через шарики приемника. Герцу удалось измерить скорость их движения — и, действительно, они проносились со скоростью света! Так Генрих Герц доказал гипотезы Джеймса Максвелла.
Волшебные опилки
— Стоп. При чем тут опилки? - спросите вы. — Книжка ведь не про Винни-Пуха!
Спокойствие, только спокойствие.
Вы удивитесь, но опилки бывают разные. Деревянная стружка, которой была набита голова плюшевого медвежонка, помогала ему сочинять разные шумелки, пыхтелки и сопелки. Но представьте себе — бывают, оказывается, опилки… металлические! Они остаются в процессе обработки металлов. И однажды такие опилки помогли ученым придумать кое-что интересное.
Один любознательный профессор физики из Парижа — его звали Эдуард Бранли — взялся ставить опыты с железными опилками. Его интересовала их реакция на электрические разряды и электромагнитные волны.
Мелкие частички железа он помещал в небольшую стеклянную трубку, закупоренные концы которой с обеих сторон соединялись с другими элементами электрической цепи — например, измерителем тока. Бранли обнаружил поразительную вещь: если поблизости был источник электромагнитных волн, то железные опилки слипались друг с другом. При этом измерительный прибор показывал появление электрического напряжения. Но чтобы повторить этот опыт снова, опилки надо было разлепить, встряхнув стеклянную трубку.
Английский ученый Оливер Лодж придумал специальный часовой механизм, встряхивавший опилки через равные промежутки времени. Эту улучшенную им конструкцию трубки он назвал «когерер» (от латинского cohaerere — «сцеплять»). Демонстрацию нового устройства Лодж посвятил памяти Генриха Герца.
Вскоре о его работе узнали другие физики, и она вдохновила их на новые свершения. Одним из таких энтузиастов был Александр Попов.
День радио
Случилось это как раз тогда, когда наш герой в самом расцвете творческих сил работал в Кронштадте.
Первым его усовершенствованием стал более удобный способ возвращать когерер в рабочее состояние. Если у Лоджа трубка с опилками встряхивалась за счет дополнительного часового механизма, который срабатывал сам по себе с определенной периодичностью, то у Александра Попова это происходило тоже автоматически, но только тогда, когда приемник получал сигнал передатчика. Выглядело это следующим образом: реагируя на электромагнитную волну, конструкция приемника приводила в движение специальный молоточек, стучавший по звонку. Вслед за этим молоточек, отскакивая от звонка, ударял и по когереру, тем самым встряхивая его и подготавливая для приема следующего сигнала.
День, когда Александр Попов делал доклад об этом приборе и его усовершенствовании — 7 мая 1895 года — впоследствии стал отмечаться как День радио.
Создание грозоотметчика
Готовясь к демонстрации этой улучшенной системы, Попов вместе со своим помощником и другом Петром Рыбкиным обнаружил интересный эффект: приемник реагировал не только на электромагнитные волны, посылаемые передатчиком, но и на грозовые разряды в атмосфере! А значит, с его помощью можно было предсказывать приближение гроз, изучать их характер и длительность, а также заранее готовиться к опасностям, которые они могли с собой принести. Оставалось только придумать способ, как фиксировать эти атмосферные разряды. И он был найден: Александр Попов подсоединил к первоначальному механизму небольшой барабан, обернутый бумажной лентой, на которой специальное пишущее устройство выводило прерывистые линии. Так появился совершенно новый прибор — грозоотметчик.
Новинка сразу же заинтересовала метеорологов — специалистов, изучающих атмосферные явления и прогнозирующих погоду. Один экземпляр грозоотметчика был скоро установлен на метеостанции Петербургского Лесного института. Аппарат прослужил для исследований около 30 лет. Затем его сменили более современные устройства.
Беспроволочный телеграф
И все же главным стремлением Александра Попова было создать на основе конструкции Лоджа удобное средство беспроводной связи. В то время проводные телефоны только-только изобрели, они было несовершенны и дороги. Поэтому основным устройством для передачи сообщений, помимо бумажной почты, был телеграф — прибор, позволявший быстро отправлять короткие сообщения — телеграммы — по электрическим проводам. Телеграммы чаще всего передавались в закодированном виде. Самым известным и популярным телеграфным кодом служила азбука Морзе. С ее помощью каждая буква или цифра кодировалась определенной комбинацией всего лишь двух знаков — точек и тире. Принимавший сообщение телеграфный аппарат сам отмечал их на тонкой бумажной ленте.
Попов придумал, как соединить новую беспроводную систему с телеграфом. Для этого на передающее устройство (передатчик) он установил телеграфный ключ — подвижный элемент со своеобразной «шляпкой» наверху. А к приемнику подсоединил пишущий аппарат Морзе. Кратко нажимая на ключ, можно было передать точку, а длительное нажатие отправляло тире.
Свою конструкцию ученый называл беспроволочным телеграфом. Это было новое средство связи! Чуть позднее оно получило другое название — радиосвязь или просто радио.
Вместе с тем созданное Поповым устройство было лишь первым поколением радиоаппаратуры. Эту технику нужно было испытывать в разных условиях, совершенствовать с разных сторон: увеличивать дальность передачи сигнала с нескольких метров до десятков, сотен, а затем и тысяч километров, придумывать способы бороться с помехами, улучшать конструкцию, чтобы она была удобнее и надежнее. И в ходе этих испытаний скоро последовали новые открытия.
Телефонный приемник депеш
Научные исследования плохо вести в одиночку. Как гласит известная пословица: одна голова — хорошо, а две — лучше. Потому ученые постоянно читают научные журналы со статьями коллег, путешествуют в другие города и страны, чтобы встретиться там с единомышленниками, поделиться новостями, обсудить научные проблемы и пути их решения. И Александр Попов тоже часто бывал в заграничных командировках, делал доклады на конференциях, знакомился с достижениями других физиков, электротехников, занимавшихся изучением электромагнитных волн и тех возможностей, которые они могли подарить человечеству.
Однако еще более важной была поддержка и помощь коллег, с кем он работал в Кронштадте и Петербурге. В исследованиях беспроводной связи его ближайшим соратником и другом был Пётр Николаевич Рыбкин — выпускник того же физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета, где в свое время учился и наш герой. Живое участие в опытах Попова и Рыбкина принимал также капитан Дмитрий Троицкий, начальник Кронштадтского телеграфа (еще проводного).
И вот однажды, когда Александр Попов был за границей в одной из своих командировок, Петр Рыбкин и Дмитрий Троицкий сделали потрясающее открытие. В очередной раз проводя испытания беспроволочного телеграфа на море, они столкнулись с проблемами в передаче сигнала. И, чтобы проверить исправность приемной аппаратуры, решили подключить к ней наушники от телефона – так можно было узнать, принимает ли она электрический ток. Раз, два, и вот уже наушники подсоединены к когереру. Три, четыре — и к восторгу экспериментаторов в них отчетливо слышны сигналы азбуки Морзе! Короткий сигнал означал точку, а длинный «дзиньк» — тире. Более того, Рыбкин и Троицкий обнаружили еще один неожиданный эффект: соединенному с наушниками когереру не нужно было встряхивание, он все равно продолжал принимать сигналы, и даже на большее расстояние, чем прежде. Только представьте себе, какое радостное волнение охватило находчивых испытателей! Хотелось плясать! Но первым делом они сделали другое — отправили срочную телеграмму Александру Попову: «Обнаружили новое свойство трубки».
Едва получив это сообщение, ученый тотчас же отправился обратно в Кронштадт.
Исследуя открытый Рыбкиным и Троицким эффект, Попов разработал новую конструкцию радиоприемника, в которой уже не было ни звонка, ни молоточка для встряхивания когерера, да и сам когерер, принимавший электромагнитный сигнал, сильно видоизменился — теперь он назывался детектор (от латинского слова detector — «обнаружитель»). Главным же отличием этой версии устройства стали наушники (головные телефоны, как их называли тогда).
Новую разработку Александр Попов назвал «Телефонный приемник депеш ». По сути это был первый радиотелефон. Спустя всего несколько месяцев он помог спасти человеческие жизни!
Гогландская эпопея
Первые испытания беспроволочного телеграфа Попов проводил в Кронштадте вместе со своими ближайшими коллегами. Сначала — на суше, на коротких расстояниях, а затем и на море. Для кораблей новый вид связи был особенно важен, ведь по воде провода не протянешь! Тем более, что сами суда не стоят на месте, а постоянно перемещаются. Но только через несколько лет испытаний новое средство связи решились, наконец, использовать для реального дела.
Представьте себе картину: поздняя холодная осень, туман и ветер. Льдистые воды Финского залива бьют о борт огромного военного судна. Темнота сгущается, шторм усиливается, начинается метель, а вокруг не видно ни одного маяка. Корабль — а это был броненосец береговой обороны «Генерал-Адмирал Апраксин» — идет практически вслепую. Вдруг — толчок, скрежет бронированного корпуса о камни. Беда — сели на мель!
Вскоре корабль дал течь, и экипаж срочно эвакуировали в шлюпках на ближайший берег — им оказался остров Гогланд.
Дальше необходимо было организовать спасение пострадавшего броненосца: снять его с мели и отбуксировать на ремонт. Этому мешало отсутствие связи между Гогландом, около которого застрял броненосец, и материком.
В такой ситуации надежда была только на беспроволочный телеграф!
Морское министерство спешно призвало на помощь Александра Степановича Попова. Он откликнулся с радостью и волнением.
Сам ученый вместе с группой телеграфистов отправился в прибрежный город Котка. Там находился ближайший к Гогланду телеграфный пункт, а значит, была проводная связь с Санкт-Петербургом, откуда должны были руководить спасательными работами. Кроме того, дальность беспроводной связи, достигнутая при испытаниях, была тогда еще небольшой — не более 50 километров. И расстояние от Гогланда до Котки вполне позволяло успешно принимать сигналы.
Верный соратник Петр Рыбкин с другими телеграфистами поплыл на Гогланд. Обоим предстояло построить станции беспроволочной телеграфии в кратчайшие сроки. Команда Попова, работавшая в городе, со всеми работами управилась за месяц и сразу же попытались связаться с Гогландом. Но там дело обстояло сложнее. Требовалось не только доставить на остров все необходимые материалы, но и надежно укрепить оборудование на скалистом берегу острова. А на дворе стояла суровая зима, мели метели и кусались морозы. Поэтому усилий и времени потребовалось почти в два раза больше, чем на Котке.
И вот, наконец, радостный миг — связь установлена! Можно было начинать спасательные работы по эвакуации броненосца.
Однако одна из первых телеграмм, принятых на Гогланде, касалась совсем другого дела. Она была адресована капитану ледокола «Ермак», участвовавшему в спасении «Апраксина» и находившемуся близ острова: «Около Лавенсари оторвало льдину с рыбаками. Окажите помощь».
Не медля ни минуты, «Ермак» отправился на помощь бедствующим рыбакам. Найти их удалось лишь ближе к вечеру, но все были живы и счастливо спасены командой знаменитого ледокола.
Так впервые в истории беспроволочный телеграф помог людям, попавшим в беду.
Как же в те дни ликовали сердца Александра Степановича Попова и его друга Петра Рыбкина! Их неутомимые труды принесли, наконец, первые плоды.
***
Гогландская эпопея наглядно показала, что будущее — за новым видом связи.
В последующие годы на кораблях Российского флота начали постепенно устанавливать радиооборудование, изготовленное по схемам Александра Попова. Пока был жив, он без устали участвовал в организации этого важного дела, учил студентов — будущих радиотехников и ученых, вдохновляя их своим личным примером.
Многое еще предстояло открыть в этой новой и таинственной области радиосвязи, но в России первые шаги на этом пути были сделаны героем нашей книги.
Почему у радио так много изобретателей?
Сейчас вы узнали о выдающемся ученом и первом российском радиотехнике Александре Степановиче Попове. Иногда его называют «отцом радио». Но, читая книгу, вы встретили много имен других исследователей, без участия которых открытие беспроводной связи было бы невозможным или же совсем иным. А сколько есть еще замечательных людей, вложивших свои таланты и силы в развитие радио: Никола Тесла, Гульельмо Маркони, Реджинальд Обри Фессенден... Всех не перечислишь!
Ведь наука и её развитие — дело общечеловеческое. И в каждой стране есть свои герои, свои пионеры, участвующие в этой общей работе. И это замечательно, не так ли?
Мастер-класс
Простейший радиоприемник с когерером
Материалы:
фольга
пластиковый стаканчик
светодиод с батарейкой
скотч
пьезозажигалка для газовой плиты
1. Две длинных ленты фольги опускаем до дна стаканчика, концы снаружи должны быть при этом достаточно длинными — примерно по 15 см;
2. Делаем с десяток шариков из фольги, засыпаем в стаканчик так, чтобы они скрыли дно;
3. Наружные концы фольги соединяем с батарейкой светодиода и закрепляем соединения скотчем;
4. На небольшом расстоянии от стаканчика создаем электрический разряд пьезозажигалкой — вуаля, светодиод зажигается!
5. Слегка встряхиваем стаканчик с шариками и повторяем опыт, пока не устанем.
