II. У КОЛЫБЕЛИ РАДИОСВЯЗИ
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК КАК МАГНИТ
Всем вам, конечно, знаком электрический ток. Он течёт по проводам, освещает наши дома, нагревает утюги и плитки, приводит в движение самые разнообразные машины. Учёные установили, что электрический ток — это движение мельчайших частиц, электронов, которые текут по проводам под действием электрических сил.
При своём движении электроны сталкиваются с частицами вещества, из которого сделана проволока. В результате этих столкновений получается тепло (вспомните, что если ударять молотом по наковальне, то оба тела также нагреваются). Это нагревание широко используется в электрических лампочках (в них тонкая металлическая нить накаляется током добела) и в электрических плитках.
Ho, кроме того, что электрический ток греет проволоку, он создаёт одно явление, более важное для нас.
Если поднести проволоку с током к магнитной стрелке компаса, то эта стрелка поворачивается. Как известно, точно так же поворачивается магнитная стрелка и от приближения магнита. Значит, ток действует на магнитную стрелку подобно магниту, т. е. ток создаёт вокруг себя магнитные силы. Если проволока прямая, то эти силы малы, их трудно заметить. Но если свернуть проволоку в катушку, магнитные силы делаются более заметными. B этом случае можно заметить действие катушки не только на лёгкую стрелку; если к катушке поднести большой магнит, то он может даже втянуться в катушку. Если изменить направление тока, т. е. поменять местами концы проволоки, присоединённые к источнику тока, то магнит будет уже не втягиваться в катушку, а выталкиваться из неё.
Но ведь хорошо известно, что если подносить один магнит к другому, то они также либо притягиваются, либо отталкиваются — в зависимости от того, какие концы магнитов сближаются. Следовательно, катушка с током становится подобной магниту. И действительно, она, как обыкновенный магнит, притягивает кусок стали, железа, гвозди и тому подобные вещи. Поэтому её называют электромагнитом.
Если теперь вблизи проволочной катушки укрепить стальную круглую пластинку — мембрану — и пропускать по катушке ток, то эта пластинка, притягиваясь к катушке, будет прогибаться. При прекращении тока она будет распрямляться. Таким образом, когда ток ослабляется или усиливается, то и пластинка то выпрямляется, то прогибается, т. е. приходит в колебания. Это колебание передаётся воздуху. Если ток изменяется со звуковой частотой (от 20 до 20000 раз в секунду), то и колебания пластинки и воздуха получаются звуковыми — пластинка звучит.
Таким именно образом и устроен аппарат для передачи звука при помощи электрического тока — телефон. Только в настоящем телефоне, кроме катушки и пластинки, имеется ещё магнит, вставленный в катушку. Он улучшает действие телефона.
При телефонном разговоре между двумя какими-либо местами они соединяются проволоками, по которым течёт электрический ток, меняющийся с частотой звука. Достигая телефона, ток приводит его мембрану в колебания, и в телефоне слышен звук.
Телефон был изобретён лет 70 назад и широко распространился в последующие годы. Число телефонов, действующих на земном шаре в настоящее время, достигает десятков миллионов.
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЛИЯНИЕ
Магнитные действия тока были открыты в 1820 r. Через несколько лет великий английский физик Михаил Фарадей задался целью выяснить такой вопрос: при помощи электрического тока, т. е. движущихся электронов, можно создать магнитные силы; а нельзя ли получить обратное, т. е. при помощи магнита или электромагнита создать электрические силы и заставить двигаться атомы электричества — электроны?
После долгих и трудных поисков Фарадей достиг успеха в 1831 г. Он заметил, что если перемещать около проволочной катушки магнит или электромагнит, в ней возникает ток. При этом, чем быстрее Фарадей двигал магнит, т. е. чем быстрее изменялись в катушке магнитные силы, тем большей силы получался ток.
Так как ток в проволоке всегда возникает под действием электрических сил, то, следовательно, изменения магнитных сил вызывают в катушке возникновение электрических сил. Это явление называют электромагнитной индукцией («индукция» значит — «влияние»); оно используется почти во всех электрических машинах.
Весьма важно то обстоятельство, что даже если убрать проводник, то электрические силы всё же будут существовать в пространстве, где меняются магнитные силы. Их можно и в этом случае обнаружить, но это не так легко сделать. Таким образом, всегда и везде вся — кое изменение магнитных сил обязательно вызывает появление электрических сил.
С другой стороны, если где-нибудь изменяются электрические силы, то при этом обязательно появляются магнитные силы. Мы имели случай в этом убедиться, когда заметили, что катушка с меняющимся током в различной степени притягивает стальную пластинку.
Действительно, раз при изменении тока пластинка притягивается с неодинаковой силой, значит, магнитные силы, действующие на неё со стороны катушки, меняются. Но ведь ток в катушке создаётся электрическими силами, и если он меняется, то это происходит благодаря изменению электрических сил. Следовательно, изменение электрических сил вызывает изменение магнитных сил.
После смерти Фарадея учёный Максвелл, изучая электрические и магнитные явления, пришёл в 1867 r. к важному заключению. Он доказал, что если где-нибудь меняются электрические силы, то по соседству обязательно возникнут магнитные силы; изменения же магнитных сил в свою очередь создадут по соседству новые электрические силы, и так далее. Начавшись в одном месте, это явление передаётся в «окрестности», оттуда — опять в соседние места и таким образом распространяется всё дальше и дальше, подобно тому как волна, возникшая на воде, распространяется по её поверхности.
Если первоначальные изменения (колебания) электрических и магнитных сил повторялись с определённым периодом, то и изменения электрических и магнитных сил в окружающем пространстве будут происходить также с определённым периодом. В пространстве образуется «электромагнитная волна». Она распространяется, как показали расчёты Максвелла, с громадной скоростью — 300000 километров в секунду. Эта скорость равна скорости распространения света.
Такая скорость удивительно велика. От Москвы до Ленинграда волна проходит только за одну пятисотую долю секунды! Расстояние от Земли до Луны электромагнитная волна проходит в 11⁄4, секунды, а от Земли до Солнца — около 8 минут.
Так как электрические и магнитные силы могут существовать в воздухе и даже в безвоздушном пространстве, то никаких проволок для передачи электромагнитных волн на расстояние не требуется.
В 1887 г. работавший в Германии физик Генрих Герц (потомки которого были изгнаны Гитлером из Германии за своё не чисто немецкое происхождение) научился получать электромагнитные волны и наблюдать их в окружающем пространстве на расстоянии нескольких метров от их источника — от проволоки.
Так как электромагнитные волны не действуют на наши органы чувств, то для обнаружения их приходилось пользоваться специальными приборами. Период колебаний этих волн был поразительно мал: он составлял всего лишь стомиллионные доли секунды (следовательно, длина волны измерялась десятками сантиметров).
52 года назад, 7 мая 1895 г. русский учёный Александр Степанович Попов впервые показал на научном заседании в Петербурге (теперь Ленинграде) свой замечательный прибор, который отмечал на расстоянии до 40 километров электромагнитные волны, создаваемые в воздухе электрическими грозовыми разрядами — молнией. Этот прибор (рис. 6) был первым приёмником электромагнитных волн, или, как их теперь чаще называют, радиоволн. Попов назвал его грозоотметчиком.
Показывая учёным свой грозоотметчик, Попов сказал: «Если удастся изобрести достаточно мощные источники электромагнитных волн, то станет возможна связь без каких бы то ни было проводов на значительных расстояниях».
И уже меньше чем через год, 24 марта 1896 г. Попов вместе со своим помощником, ныне здравствующим П. Н. Рыбкиным, передал первую в мире радиограмму. Источник волн, т. е. передатчик, был расположен в 200 метрах от усовершенствованного грозоотметчика — приёмника. Рыбкин вёл передачу, а Галопов вместе с крупнейшими русскими учёными следил за тем, как обычный телеграфный аппарат, присоединённый к грозоотметчику, букву за буквой записывал слова первой радиограммы: «Генрих Герц».
