Дэвид Эдвард Юз и открытие радиоволн

"Опыты Юза 1879 г. фактически представляли собой открытие герцевых волн до Герца, изобретение когерера до Бранли и изобретение беспроволочного телеграфа до Маркони и других."

Газета Globe от 12 мая 1899 г. (цит. по [1, с. 316]).

20 февраля 1880 г. Дэвид Эдвард Юз (1831–1900) в своей лаборатории в Лондоне показывал президенту Королевского общества (академии наук) и двум почетным секретарям, как с помощью простой схемы, содержащей микрофон и телефон, обнаруживать, даже на расстоянии в четверть мили, неизвестные ранее "воздушные электрические волны", создаваемые искровым разрядом. К сожалению, ученые гости не увидели ничего особенного в опытах Юза, объяснив их не тем, что "воздух проводит электрические волны", как говорил Юз, а давно известным явлением электромагнитной индукции. Тщетно Юз демонстрировал коллегам узлы и пучности в открытых им волнах.

"Трудность в науке, – писал Джон Бернал (1901–1971), – часто представляет не столько то, как сделать открытие, сколько понять, что оно сделано" [2, с. 339]. Обескураженный Юз так и не опубликовал своего открытия. Лишь в 1899 г. его уговорили написать отчет об опытах, которые он проводил в 1879 и 1880 гг., т. е. до опытов Генриха Герца (1857–1894) и Эдуарда Бранли (1844–1940). Без этого отчета, написанного незадолго до смерти, и без лабораторных журналов Юза, которые его вдова передала Британскому музею, было бы очень мало известно об интереснейшем эпизоде из предыстории радио [3] и вкладе Дэвида Юза в открытие радиоволн.

Дэвид Эдвард Юз (в современной транскрипции – Хьюз) родился 16 мая 1831 г. в Лондоне; в семилетнем возрасте уехал с родителями в Соединенные Штаты. В детстве и юности его талант проявился не в науке и технике, а в музыке. Любовь к музыке в дальнейшем сказалась в приверженности Юза – изобретателя и ученого – к электроакустике и ее методам. По окончании колледжа Св. Иосифа в Бардстауне, штат Кентукки, Юз занял должность преподавателя музыки Академии Роузлэнда в том же городе. Вскоре, однако, удивительным и счастливым образом его интересы переместились в область механических и электрических опытов. Оборудование для них Юз проектировал и изготавливал сам.

Довольно быстро Дэвид настолько преуспел в науке, что на следующий год был назначен на кафедру натуральной философии (точных наук). Юз стал преподавать и физику, и музыку [4].

В 1853 г., оставив преподавательскую должность, с тем чтобы больше времени посвящать научно-техническому творчеству, Юз переехал в Боулинг-Грин, штат Кентукки. Он зарабатывал деньги на жизнь и на опыты частными уроками музыки.

Первый успех пришел к Юзу как изобретателю в области электросвязи.

Существовавшие в то время печатающие телеграфные аппараты были слишком громоздкими и ненадежными для успешного коммерческого применения. В них использовался механизм последовательного действия; для печатания одной буквы обычно требовалось двенадцать импульсов тока [5]. Такие аппараты не могли работать на относительно длинных телеграфных линиях, которые имели значительную емкость, что приводило к неразличимости отдельных импульсов вследствие растягивания их фронтов. В результате печатающий барабан не продвигался на требуемое число шагов и печаталась не та буква.

В 1854 г. Юз создал печатающий телеграфный аппарат, в котором применялась синхронизация печатающих барабанов передающего и приемного устройств. Она достигалась в результате того, что оба барабана приводились во вращение с помощью идентичных часовых механизмов. Управление скоростью каждого механизма осуществлялось посредством регулируемой вибрирующей пружины. Когда оба часовых механизма вращались с одинаковой скоростью, пружины создавали колебания одной и той же звуковой частоты. Генерируемые пружинами частоты сравнивались с известной частотой камертона. Затем с помощью стартовых сигналов печатающие барабаны запускались в один и тот же момент времени.

В 1855 г. Юз продал свой еще не завершенный аппарат за 100 тыс. долларов Коммерческой компании печатающего телеграфа. В 1856 г. он запатентовал свое изобретение и стал работать в Американской телеграфной компании, которая практически немедленно внедрила у себя аппараты Юза.

В 1857 г. Юз поехал в Англию в поисках новых рынков сбыта для своего изобретения. Однако англичане не проявили интереса к изобретению уроженца их страны. По иронии судьбы, когда через несколько лет через Ла-Манш был проложен первый подводный телеграфный кабель, возникла необходимость использования на обоих концах линии телеграфных аппаратов одного и того же типа. Французы соглашались только на печатающий аппарат Юза. И англичане были вынуждены применить аппаратуру, которую ранее высокомерно отвергли. Но единственным местом, в котором они установили аппарат Юза, был лондонский оконечный пункт линии через Ла-Манш. Во всех других местах в Англии телеграфные сообщения no-прежнему записывались от руки.

Практически все страны континентальной Европы оценили новый аппарат по достоинству. Франция, Россия, Австрия, Турция не только внедрили изобретение Юза, но и наградили изобретателя медалями и почетными титулами.

В 1865 г. Юз был в Санкт-Петербурге в связи с установкой его аппарата на телеграфной линии Петербург – Москва. Александр II пригласил Юза в Царское Село прочесть лекцию. На ней присутствовали император и императрица. Юз рассказывал не только о своем печатающем телеграфном аппарате, но и о новейших разработках в области техники связи, в частности, о телефонном аппарате немецкого изобретателя Иоганна Филиппа Рейса (1834–1874). С помощью этого аппарата Юз "мог передавать и принимать все музыкальные звуки, а также некоторые произносимые слова, хотя в общем слова передавались весьма ненадежно" [6]. Напомним, что Александр Грэхем Белл (1847–1922) получил патент на телефон только в 1876 г.

Продажа лицензий на печатающий телеграфный аппарат обеспечила Юзу материальную независимость. В 1877 г. Юз со своей женой, уроженкой Америки, навсегда обосновались в Лондоне, и с этого времени он полностью посвятил себя науке.

Юзу было известно, что при освещении селена его электрическое сопротивление меняется. Юз знал также, что сопротивление большинства материалов сильно зависит от температуры. Возможно, рассуждал ученый, подобное влияние на некоторые металлы будут оказывать и звуковые волны.

Обычные проволочные проводники не проявляли никакой чувствительности к звуковым волнам, или "акустическим колебаниям", как их называл Юз. Кроме того, он установил, что на провода, подвергаемые изгибу или растяжению, звуковые волны также не действуют. В экспериментальной установке Юза исследуемые провода входили в электрическую цепь с телефоном, по которой протекал ток [7].

Телефон оказался ценным средством не только для связи, но и для научных исследований. Юз ожидал, что телефон позволит легко обнаруживать на слух возможные флуктуации тока, создаваемые звуковыми волнами.

Однажды, когда Юз экспериментально исследовал влияние звуковых волн на натянутые провода, один провод порвался. В момент обрыва провода в телефоне послышался "порывистый" звук. Это получалось каждый раз, когда Юз специально вызывал обрыв. Юз попытался воспроизвести условия, имевшие место в момент обрыва, прижимая друг к другу с разной силой концы провода. В процессе таких попыток обнаружилось, что проводники, прижимаемые под небольшим постоянным давлением, хорошо реагируют на звуковые волны. Так было положено начало опытам с "несовершенными контактами", которым суждено было сыграть важнейшую роль в разработке первых практических детекторов радиоволн.

Экспериментируя далее, Юз положил параллельно друг другу на расстоянии примерно полдюйма два стальных гвоздя. Он сделал электрическую цепь, соединив последовательно батарею и телефон с промежутком между гвоздями. Затем Юз замкнул цепь, положив третий гвоздь поперек двух первых таким образом, что гвозди образовали букву "Н" (рис. 1). Под действием звуковых волн, воздействовавших на "несовершенные контакты" между гвоздями, электрическое сопротивление контактов изменялось, что приводило к изменению тока в цепи. Телефон, включенный в цепь, реагировал на флуктуации тока, воспроизводя звук. Этот простой "микрофон", который сделал Юз, был довольно чувствительным, но в воспроизводимом звуке отсутствовала тонкая модуляция исходной речи.

Термин "микрофон" использовал в 1827 г. сэр Чарлз Уитстон (1802–1875), когда он открыл возможность передачи музыкальных звуков по металлическим и стеклянным стержням. Юз применил этот термин к различного рода преобразователям звука, которые он стал разрабатывать.

"Можно вполне рассчитывать на то, – писал Юз, – что микрофон будет делать для нас в отношении слабых звуков то же самое, что микроскоп делает в отношении предметов, которые слишком малы для зрения человека" [7]. Юз накрыл перевернутым стаканом муху вместе с Н-образным микрофоном из гвоздей, смонтированным на пустом спичечном коробке, при этом ему "удавалось слышать характерную поступь мухи" [7].

Для создания микрофонов Юз испробовал различные конфигурации и сочетания материалов. В одной из конструкций микрофона ромбовидный угольный элемент свободно удерживался в вертикальном положении между двумя угольными колодками; устройство было снабжено мембраной (рис. 2).

Примерно в то же время над созданием различных микрофонов ("говорящих телефонных передатчиков") работал Томас Альва Эдисон (1847–1931). Эдисон рассказывал о своих разработках Вильяму Прису (1834–1913), главному инженеру-электрику Британского почтового ведомства. Разработки Юза и Эдисона оказались похожими. Это дало повод Эдисону обвинить Приса в нарушении конфиденциальности, а Юза – в плагиате, но мало кто поддерживал столь серьезные обвинения [8–10].

Микрофон сыграл важную роль в усовершенствовании "индукционных весов". Индукционные весы, разработанные Юзом в 1879 г., состояли из двух отдельных индукционных катушек, каждая из которых имела первичную и вторичную обмотки. Вторичные обмотки катушек были соединены таким образом, что при равновесии токи, индуцированные в них, взаимно уничтожались [11]. Первичные обмотки были соединены последовательно между собой, а также с батареей и изображенными на рис. 3 прямоугольником – микрофоном и "реотомом" (прерывателем тока); при этом создавались периодические импульсы тока [12]. Во вторичной цепи получался ток, который имел также импульсный характер. Телефон, включенный последовательно со вторичными обмотками, преобразовывал импульсы тока в слышимый сигнал и тем самым служил весьма чувствительным индикатором разбаланса.

Если рядом с одной из катушек помещали кусок металла, то равновесие нарушалось. Степень разбаланса, а значит, и громкость шума в телефоне зависели от массы металла или, в случае металлов одинаковой массы, от вида металла.

Принцип индукционных весов принадлежал не Юзу и был известен к тому времени лет двадцать пять. Заслуга Юза заключалась в применении микрофона и телефона для повышения чувствительности весов.

Чувствительность индукционных весов Юза была достаточной для того, чтобы обнаруживать разность масс менее чем в 1 мг для двух образцов чистого металла. Точно так же индукционные весы позволяли обнаруживать различия чистоты в 0,0001 для образцов одинаковой массы.

При работе весов в телефоне прослушивались щелчки, которые совпадали по времени с искрами, проскакивавшими между контактами реотома. Юз предположил, что при искрении создаются электромагнитные волны, давно предсказанные Максвеллом, и что эти волны воздействуют на микрофон, который служит детектором электромагнитных волн. При включении микрофона во вторичную цепь щелчки становились громче. В первых опытах с индукционными весами Юз использовал микрофон, который содержал стальную иглу, слегка касавшуюся куска угля [13, с. 2]. В дальнейшем Юз применял микрофон на основе контакта уголь – уголь.

Вскоре ученый задал вопросы, нельзя ли обнаружить эффект искрения на больших расстояниях от источника. Он изготовил приемное устройство, содержавшее телефон и "термобатарею".

"Термобатарея" представляла собой один из юзовских микрофонов на основе угольного ромбоида. Возможно, Юз принял этот термин потому, что ранее наблюдал улучшение работы "микрофонных" (несовершенных) контактов при нагревании. Кроме того, он мог ошибочно предположить наличие каких-то термоэлектрических эффектов.

Юз упростил искровой передатчик, выполнив его из гальванического элемента, соединенного последовательно с прерывателем на основе часового механизма и первичной обмоткой индукционной катушки. Передатчик и приемник находились на расстоянии нескольких футов друг от друга и были соединены проводом (рис. 4).

В конце октября 1879 г. Юз пришел к выводу, что из передающей схемы можно убрать индукционную катушку: оказалось, что любая электрическая искра, независимо от того, как она получена, обусловливает звук в телефоне.

Далее Юз поместил передатчик и приемник в разные комнаты и уже не соединял приборы. К приемнику был подсоединен провод, который находился на расстоянии 6 футов (около 2 м) от передатчика. Таким образом, можно сказать, что Юз изобрел антенну, хотя антенна фигурировала еще в опытах Луиджи Гальвани (1737–1798), в которых детектором служил свежий препарат лягушки.

Вскоре Юз обнаружил, что если передающее и приемное устройства соединить с газовыми трубами, проложенными в земле, то сигналы можно принимать на большем расстоянии. Затем он сделал землю неотъемлемой частью приемного устройства, соединив один конец телефона с проложенной в земле свинцовой газовой трубой, а один конец микрофона (на основе угольного ромбоида) – с железной водопроводной трубой (рис. 5). Щелчки в телефоне усилились. Дело в том, что эти трубы из разнородных металлов в сочетании с влажной землей образовывали источник небольшого напряжения. Так Юз установил, что включение батареи в приемное устройство устраняет необходимость присоединения его к трубам.

Детекторный эффект, открытый Юзом, можно объяснить нелинейностью вольтамперной характеристики микрофона. Но так как она симметрична, для детектирования необходим источник смещения.

Юз присоединил к передатчику металлическое крыло повозки, чтобы посмотреть, не улучшится ли излучение волн. Затем заменил крыло проводом, прикрепленным к деревянной рейке, создав тем самым более эффективную передающую антенну. Теперь сигналы можно было принимать на расстоянии до 60 футов (18 м). Опыты проводились в доме.

Чтобы выяснить, нельзя ли еще более увеличить дальность передачи, Юз решил вынести опыты за пределы дома. Оставив в доме работающий передатчик, Юз ходил по улице со своим приемником, содержавшим микрофон и телефон. Ему удавалось обнаружить щелчки на расстоянии более четверти мили (400 м).

Юз замечал, что в одних местах сигналы слабее, а в других сильнее. Это должно было указывать на наличие узлов и пучностей, т. е. на то, что в самом деле создавались и обнаруживались электромагнитные волны. Заметим, что в ближнем поле любой антенны наблюдаются узлы и пучности стоячей волны. Стоячие волны (а значит, узлы и пучности) могли образовываться и в результате отражений волн от окружающих предметов.

В декабре 1879 г. Юз пригласил на свои опыты некоторых членов Королевского общества, включая сэра Вильяма Крукса (1832–1919) и Вильяма Приса (1834–1913), с именами которых впоследствии будет связано зарождение беспроводной телеграфии. Опыты произвели на них сильное впечатление.

В феврале 1880 г., прежде чем писать доклад для Королевского общества, Юз решил продемонстрировать свои опыты президенту общества Вильяму Споттисвуду (1825–1883) и почетным секретарям общества Томасу Генри Гексли (1825–1895) и Джорджу Габриэлю Стоксу (1819–1903). Юз надеялся, что эти выдающиеся ученые поддержат его в утверждении важнейшего научного открытия. Но случилось иначе... Юз мог бы найти утешение в том, что Стоке, главный, кто принизил значение его опытов, не поняв их сути, ранее отверг, как "незначительные", несколько представленных Королевскому обществу статей Фарадея и Максвелла [4].

Примерно через десять лет после опытов Юза Герц получил всеобщее признание за экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн (1887 г.). Юз искренне признал успех Герца. В упоминавшихся воспоминаниях Юз справедливо писал: "Опыты Герца были гораздо убедительнее моих, хотя он пользовался значительно менее эффективным детектором по сравнению с микрофоном или когерером" [1, с. 310].

Расхождение Юза со Споттисвудом, Гексли и Стоксом не испортило его отношений с Королевским обществом. В конце 1880 г. он был избран членом этого общества, а в 1885 г. награжден его золотой медалью за научные заслуги. Юзом восхищались как ученым, изобретателем и как личностью. В 1886 г. Королевское общество избрало Дэвида Юза своим президентом.

Литература

  • Fahie J. J. A History of Wireless Telegraphy. – New York: Dodd Mead and Co., 1901; перепеч. New York: Arno Press, 1971.
  • Бернал Дж. Д. Наука в истории общества / Пер. с англ. – М.: ИЛ 1956.
  • March J. D., Roberts R. G. David Edward Hughes: inventor, engineer and scientist // Proc. IRE. – 1979. – V. 126. – P. 929–935.
  • Brown G. B. David Edward Hughes, F. R. S. // Notes and Records of the Royal Society. – 1980. – V. 34. – № 2. – P. 227–239.
  • Evershed S. The life and work of David Hughes // Journal of the IRE. -1931. – V. 69. – P. 1245–1250.
  • Telephonic reminiscences // The Electrician. – 1895. – V. 34. – P. 636–637.
  • Hughes D. E. On the action of sonorous vibrations in varying the force of an electric current //Proc. Royal Soc. – 1879. – Ser. A. – P. 362–369.
  • Baker E. C. Sir William Preece F. R. S. – Victorian Engineer Extraordinary. – London: Hutchison Co., 1976.
  • Conot R. A Streak of Luck. – New York: Seaview Books, 1979.
  • Du Moncel T. A. L. The Telephone, The Microphone and the Phonograph. – New York: Harper Bros., 1879; перепеч. New York: Arno Press, 1974.
  • Hughes D. E. On an induction-currents balance and experimental researches made therewith // Proc. Royal Soc. – 1879. – V. 29. – P. 56–65.
  • Jordan D. W. D. E. Hughes, self-induction and the skin effect // Centaurus. – 1982–1983. – V. 26. – № 2–3. – P. 123–153.
  • Phillips V. J. Early Radio Wave Detectors. – London: Peter Peregrinus Ltd. and The IEE, 1980.
  • Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №9, 1994 г., стр. 34.
    Перепечатывается с разрешения редакции.






    Рекомендуемый контент




    Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.