ИСТОРИЯ РАДИО В ИМЕНАХ

Слагаемые прогресса

«ЭФФЕКТ ЭДИСОНА» ИЛИ ТАЙНА ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Джон Амброуз Флеминг (John Ambrose Fleming), 1849–1945

     Английский инженер Джон Флеминг внес значительный вклад в развитие электроники и фотометрии, в электрические измерения и радиотелеграфную связь. Наиболее известно его изобретение радиодетектора (выпрямителя) с двумя электродами, которое он назвал термоэлектронной лампой, также известной как вакуумный диод, кенотрон, электронная лампа или диод Флеминга.

     Это устройство, запатентованное в 1904 г., стало первым электронным детектором радиоволн, преобразующим радиосигналы переменного тока в постоянный. Открытие Флеминга было первым шагом в эпоху ламповой электронной техники. Эпоху, которая продлилась без малого до конца XX века.

     Флеминг учился в Университетском колледже в Лондоне и в Кембридже у великого Максвелла, многие годы работал консультантом в лондонских компаниях Эдисона и Маркони. Был весьма популярным преподавателем в Университетском колледже и первым, кто удостоился титула профессора электротехники. Флеминг опубликовал более сотни научных статей и книг, включая такие популярные как «Принципы электрической волновой телеграфной связи» (1906) и «Распространение электрических токов в телефонных и телеграфных проводах» (1911). Эти работы многие годы были основополагающими по данной тематике. В 1881 г., когда электричество стало привлекать всеобщее внимание, Флеминг поступил на работу в компанию Эдисона в Лондоне на должность инженера-электрика, которую занимал почти десять лет. Знания в области электротехники и большой практический опыт обеспечили ему высокий авторитет в научной среде. К услугам Флеминга прибегали многие компании при решении проблем электроосвещения и электричества.

     Сорокалетняя трудовая деятельность Флеминга на должности профессора электротехники в Университетском колледже и великолепные лекторские способности, обеспечили ему большую популярность как преподавателя, а также множество приглашений сотрудничества от различных учебных заведений.

     Очевидно, что работы Флеминга по электричеству и телефонии должны были рано или поздно привести его в зарождающуюся радиотехнику – более 25 лет он занимал должность научного советника в компании Маркони и даже принимал участие в создании первой трансатлантической радиостанции в Полду.

     Долгое время не стихали споры по поводу длины волны, на которой велась первая трансатлантическая передача. В 1935 г. в своих воспоминаниях Флеминг так прокомментировал этот факт: «В 1901 г. длина волны электромагнитного излучения не измерялась, потому что я к тому времени еще не изобрел волномер (он был изобретен в октябре 1904 г.). Высота подвеса антенны в первом варианте составляла 200 футов (61 м). Последовательно с антенной мы подключали трансформаторную катушку или “jiggeroo” (трансформатор затухающих колебаний). По моим оценкам, первоначальная длина волны должна была быть не менее 3000 футов (915 м), но позднее она была гораздо больше. В то время я знал, что дифракция – огибание радиоволнами земного шара – будет увеличиваться с увеличением длины волны, и после первого успеха постоянно убеждал Маркони увеличить длину волны, что и было сделано, когда начались коммерческие передачи. Я разработал специальные волномеры, чтобы измерять волны длиной около 20 000 футов (6096 м)».


Слева – диод Флеминга (1904 г.); справа – рисунок из патента на изобретение (7 ноября 1905).

     Триумф Полду принадлежал Маркони, а известность Флемингу принесла «маленькая электрическая лампа накаливания» – диод Флеминга. Сам он так описывал это изобретение: «В 1882 г. в качестве советника компании Эдисона (Edison Electric Light Company of London) по электричеству, я решал многочисленные проблемы с лампами накаливания и всеми техническими средствами, имеющимися в моем распоряжении, изучал физические явления, происходящие в них. Подобно многим другим исследователям, я заметил, что нити накаливания легко ломались при небольших ударах, и после перегорания ламп их стеклянные колбы меняли цвет. Это изменение стекла было настолько привычным, что принималось всеми как данность. Казалось, нет никаких оснований обращать на это внимание. Но в науке должны приниматься во внимание все мелочи. Мелочи сегодня, завтра могут возыметь огромное значение. Задаваясь вопросом, почему колба лампы накаливания темнела, я начал исследовать это явление и обнаружил, что во многих перегоревших лампах имелась полоска стекла, которая не изменила цвет. Похоже, что кто-то брал закопченную колбу и стирал налет, оставляя чистой узкую полоску. Я установил, что лампы с этими странными резко очерченными чистыми участками были в других местах покрыты осажденным углеродом или металлом. А чистая полоска была непременно U-образной формы, повторяющей форму угольной нити, причем точно на противоположной от перегоревшей нити стороне колбы. Для меня стало очевидным, что ненарушенная часть нити действовала как экран, оставляющий ту самую характерную полоску чистого стекла, и что заряды из разогретой нити накаливания бомбардировали стенки лампы молекулами углерода или испаренного металла. Мои эксперименты в конце 1882 г. и начале 1883 г. доказали справедливость догадки. Эдисон также заметил это явление, кстати, называемое “эффектом Эдисона”, но не смог объяснить его природу. В октябре 1884 г. исследованиями «эффекта Эдисона» занимался Уильям Прис. Он решил, что эффект связан с испусканием молекул углерода от нити накаливания в прямолинейных направлениях, что подтвердило мое первоначальное открытие. Но Прис, как и Эдисон, также не стал докапываться до истины. Он не объяснил явление и не стремился его применить. “Эффект Эдисона” остался тайной лампы накаливания».

     В 1888 г. Флеминг получил несколько специальных углеродных ламп накаливания, изготовленных в Англии Эдисоном и Джозефом Сваном, и продолжил эксперименты. Он приложил к угольной нити накаливания отрицательное напряжение и заметил, что бомбардировка заряженными частицами прекратилась. При изменении положения металлической пластины, изменялась интенсивность бомбардировки. Когда же вместо пластины в колбу был помещен металлический цилиндр, расположенный вокруг отрицательного контакта нити без соприкосновения с ней, то гальванометр зафиксировал наибольший ток. Флемингу стало очевидным, что металлический цилиндр «захватывал» заряженные частицы, которые испускала нить. Основательно изучив свойства эффекта, он обнаружил, что комбинация нити и пластины, названной анодом, могла использоваться как выпрямитель переменного тока не только промышленной, но и высокой частоты, используемой в радио.


Принцип работы диода Флеминга.

     Работа Флеминга в компании Маркони позволила ему тщательно ознакомиться с капризным когерером, применявшемся в качестве датчика радиоволн. В поисках лучшего датчика он пытался разрабатывать химические детекторы, но в какой-то момент ему пришла мысль: «А почему бы не попробовать лампу?». Сначала он собрал колебательный контур с двумя лейденскими банками в деревянном корпусе и с индукционной катушкой, затем другую схему, которая включала электронную лампу и гальванометр. Обе схемы были настроены на одинаковую частоту. Флеминг так описал свой эксперимент: «Было приблизительно 5 часов вечера, когда аппарат был закончен. Мне, конечно, очень хотелось проверить его в действии. В лаборатории мы установили две эти схемы на некотором расстоянии друг от друга, и я запустил колебания в основной цепи. К моему восхищению, я увидел, что стрелка гальванометра показала стабильный постоянный ток. Я понял, что мы получили в этом специфическом виде электрической лампы решение проблемы выпрямления высокочастотного тока. “Недостающая деталь” в радио была найдена, и это была электрическая лампа! Я сразу понял, что металлическая пластина должна быть заменена металлическим цилиндром, закрывающим всю нить, чтобы “собрать” все испускаемые электроны. У меня в наличии имелось множество угольных ламп накаливания с металлическими цилиндрами, и я начал использовать их в качестве высокочастотных выпрямителей для радиотелеграфной связи.

     Этот прибор я назвал колебательной лампой. Ей сразу же было найдено применение. Гальванометр заменили обычным телефоном – учитывая развитие технологии того времени, когда повсеместно использовались искровые системы связи, это была единственно возможная замена. В таком виде моя лампа широко использовалась компанией Маркони в качестве датчика волн. 16 ноября 1904 г. я подал заявку на патент в Великобритании».

     За изобретение вакуумного диода Флеминг был удостоен множества почестей и наград. В марте 1929 г. он был посвящен в рыцари за «неоценимый вклад в науку и промышленность».

 

«ПОЮЩАЯ ДУГА» И «ДАТСКИЙ ЭДИСОН»

Вильям Ду Боис Дуддель (William Du Bois Duddell), 1872–1917

    На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетий уличные фонари в Европе были уже электрическими, но источниками света в них были не привычные в наши дни лампы накаливания – к тому времени уже изобретенные Эдисоном, – а электродуговые лампы с угольными электродами.

     Широкому применению новаторских ламп Эдисона препятствовала низкая яркость их свечения, высокая стоимость, недолговечность, потребность в изменении конструкции фонарей. Дуговые светильники также были недолговечны, обладали низкой эффективностью и к тому же обладали неприятным недостатком – издавали раздражающий свистящий звук. (Оказывается, проблеме шума осветительных приборов уже более 100 лет. В частности, «свист» некоторых люминесцентных светильников в наше время также не доставляет радости).

     Английский физик Вильям Дуддель, которого муниципальные власти Лондона пригласили для решения шумовой проблемы светильников нашел способ… управлять тоном издаваемого звука. Продемонстрированный им в 1899 г. прибор управлялся клавиатурой, с помощью которой можно было изменять подаваемое на лампы напряжение и таким образом менять тон «пения» дуги, что позволяло воспроизводить музыкальные композиции. Устройство оказалось довольно забавным развлечением. Дуддель не заметил перспективности изобретения и даже не попытался запатентовать устройство.

     Сложно сказать в какой области оказало большее значение изобретение Дудделя – в радио или в зарождающейся электронной музыке, но остается бесспорным фактом, что оно стало еще одним, пусть небольшим, вкладом в развитие науки. Вероятнее всего, изобретение так и осталось бы «занятной вещицей», если бы в 1903 г. датский ученый Поулсен не развил идею «поющей дуги» Дудделя в своем генераторе – дуге Поулсена.


Обслуживание дуговых фонарей (слева); рисунок внешнего вида дуговой лампы (справа), ок. 1899 г.

     Поулсен обнаружил, что если «поющую дугу» поместить в водородную среду, то частота колебаний увеличивается почти до 500 000 Гц. К тому же водород позволял более эффективно отводить тепло. Следующим усовершенствованием дуги стало магнитное поле, которое Поулсен прикладывал в месте ее горения. Поле позволяло подавать на дугу более высокие напряжения и за счет этого повысить мощность излучения.

Вальдемар Поулсен (Valdemar Poulsen), 1869–1942

     За вклад в развитие радиотехники репортеры окрестили Вальдемара Поулсена «датским Эдисоном». В течение первых десятилетий XX века его дуговая система передачи была основой большинства устройств радиосвязи. Кроме дуги, Поулсен первым разработал (в 1899 г.) принципы магнитной записи, используемые и в настоящее время (телеграфон Поулсена).

     Трудно выделить из изобретений Поулсена более значимое: магнитная запись или дуговой передатчик. По-видимому, в контексте истории радио большую роль сыграла именно дуга. Кроме обеспечения более мощной и чистой передачи телеграфных сигналов, она впервые в истории радио позволила всерьез задуматься о возможности передачи голоса.

     В 1903 г. Поулсен запатентовал «улучшенный дуговой генератор колебаний, использующий углеводородную атмосферу и магнитное поле» и первым предложил последовательное соединение дуговых ламп. В частности, улучшенная модификация генератораиспользовалась компанией Telefunken для создания в 1906 г. коммерческой системы связи. Из отчета компании: «Для повышения мощности дуговые передатчики Поулсена подключались последовательно. При питании напряжением постоянного тока подключались 6 генераторов при 220 В, 12 генераторов при 440 В, или 24 при 880 В». Система компании Telefunken обеспечивала зону охвата 25 миль.

     Когда дуговой передатчик был представлен в Америке, то сразу получил там широкое распространение и составил серьезную конкуренцию передатчикам Фессендена. Дуговые передатчики мощностью до 500 кВт были испытаны американским флотом и получили очень высокую оценку, хотя у них тоже было немало недостатков. В частности, большое количество побочных гармоник и шумов. Кроме того, они выделяли так много тепла, что требовалась система водяного охлаждения. Несмотря на это, во время первой мировой войны на многих военных кораблях были установлены именно передатчики Поулсена.

     Для обеспечения качества связи и требуемой дальности телеграфные радиосвязные системы вполне довольствовались искровыми передатчиками. В свою очередь эксперименты с передачей голоса требовали новых технологических решений и, прежде всего, источников незатухающих колебаний, которые как раз и обеспечивали генераторы Поулсена. Он первым представил передатчик, который кроме телеграфных сообщений, позволял с приемлемым качеством передавать голос.


Дуговой генератор Поулсена на радиостанции в местечке Малабар (о. Ява, Индонезия). Запущен в эксплуатацию в мае 1923 г. Мощность генератора после модернизации катушек намагничивания – 3.6 МВт. Длина антенны – 2000 м, ширина – 240 м, высота подвеса – 500 м над дном ущелья. Радиостанция предназначалась для прямой связи голандской колонии с метрополией на расстояние ок. 12000 км на волнах длиной 20-75 км.

     В первое десятилетие XX века дуговые передатчики Поулсена были единственными реальными устройствами для экспериментов с радиотелефонией и радиовещанием. Затем появился более эффективный генератор переменного тока Александерсона и дуговые передатчики, так же как когда-то искровые, стали историей. А еще через несколько лет настала эпоха ламповой техники.

Карта сайта