Изобретению радиосвязи предшествовали многие десятилетия создания теоретических основ, открытия и экспериментального исследования радиоволн , а также инженерно-технических разработок, связанных с их передачей и обнаружением. Эти разработки позволили Гульельмо Маркони превратить радиоволны в систему беспроводной связи .
Идея о том, что провода, необходимые для электрического телеграфа, можно устранить, создав беспроводной телеграф , существовала задолго до появления радиосвязи. Изобретатели пытались построить системы, основанные на электропроводности , электромагнитной индукции или других теоретических идеях. Несколько изобретателей/экспериментаторов столкнулись с явлением радиоволн до того, как его существование было доказано; в то время ее списали на электромагнитную индукцию .
Открытие электромагнитных волн , в том числе радиоволн , Генрихом Рудольфом Герцем в 1880-х годах произошло после теоретических разработок связи между электричеством и магнетизмом , начавшихся в начале 1800-х годов. Кульминацией этой работы стала теория электромагнитного излучения , разработанная Джеймсом Клерком Максвеллом в 1873 году, которую Герц продемонстрировал экспериментально. Герц считал, что электромагнитные волны не имеют практической ценности. Другие экспериментаторы, такие как Оливер Лодж и Джагадиш Чандра Бос , исследовали физические свойства электромагнитных волн и разработали электрические устройства и методы для улучшения передачи и обнаружения электромагнитных волн. Но они, очевидно, не увидели смысла в разработке системы связи, основанной на электромагнитных волнах.
В середине 1890-х годов, основываясь на методах, которые физики использовали для изучения электромагнитных волн, Гульельмо Маркони разработал первый аппарат для радиосвязи на большие расстояния. [1] 23 декабря 1900 года канадский изобретатель Реджинальд А. Фессенден стал первым человеком, который отправил звук ( беспроводную телефонию ) с помощью электромагнитных волн, успешно передав его на расстояние около мили (1,6 километра), а шесть лет спустя в канун Рождества 1906 года он стал первым человеком, осуществившим публичную радиопередачу. [2] [3]
К 1910 году эти различные беспроводные системы стали называть «радио».
До открытия электромагнитных волн и развития радиосвязи было предложено и испытано множество систем беспроводного телеграфа. [4] В апреле 1872 года Уильям Генри Уорд получил патент США 126,356 на систему беспроводной телеграфии, в которой он предположил, что конвекционные потоки в атмосфере могут переносить сигналы, как телеграфный провод. [5] Через несколько месяцев после того, как Уорд получил свой патент, Махлон Лумис из Западной Вирджинии получил патент США 129 971 на аналогичный «беспроводной телеграф» в июле 1872 года. [6] [7] Запатентованная система утверждала, что использует атмосферное электричество для устранения накладных расходов. провод, используемый существующими телеграфными системами. Он не содержал диаграмм или конкретных методов, а также не ссылался на какую-либо известную научную теорию и не включал ее в себя.
В Соединенных Штатах Томас Эдисон в середине 1880-х годов запатентовал систему электромагнитной индукции, которую он назвал «телеграфией кузнечика», которая позволяла телеграфным сигналам перескакивать на короткое расстояние между идущим поездом и телеграфными проводами, идущими параллельно путям. [8] В Соединенном Королевстве Уильям Прис смог разработать телеграфную систему с электромагнитной индукцией, которая с антенными проводами длиной в несколько километров могла передавать информацию через промежутки длиной около 5 километров (3,1 мили) . Изобретатель Натан Стабблфилд между 1885 и 1892 годами [9] также работал над системой индукционной передачи.
Форма беспроводной телефонии зафиксирована в четырех патентах на фотофон , изобретенный совместно Александром Грэмом Беллом и Чарльзом Самнером Тейнтером в 1880 году. Фотофон позволял передавать звук по лучу света , а 3 июня 1880 года Белл и Тейнтер передали первое в мире беспроводное телефонное сообщение с помощью недавно изобретенной формы легкой телекоммуникации . [10] [11]
В начале 1890-х годов Никола Тесла начал исследования высокочастотного электричества. Тесла знал об экспериментах Герца с электромагнитными волнами 1889 года в [12] [13] , но (как и многие ученые того времени) думал, что даже если бы радиоволны существовали, они, вероятно, распространялись бы только по прямым линиям, что делало их бесполезными на больших расстояниях. передача инфекции. [14]
Вместо использования радиоволн усилия Теслы были сосредоточены на создании системы распределения энергии на основе проводимости, [15] [16] [14] , хотя в 1893 году он отметил, что его система также может включать в себя связь. Его лабораторная работа и более поздние крупномасштабные эксперименты в Колорадо-Спрингс привели его к выводу, что он может построить всемирную беспроводную систему на основе проводимости, которая будет использовать саму Землю (путем подачи очень большого количества электрического тока в землю) в качестве означает передачу сигнала на очень большие расстояния (по Земле), преодолевая предполагаемые ограничения других систем. [17] Он продолжил попытки реализовать свои идеи передачи энергии и беспроводной связи в своем очень большом, но неудачном проекте Wardenclyffe Tower . [18]
Различные ученые предположили, что электричество и магнетизм связаны. Около 1800 года Алессандро Вольта разработал первый способ получения электрического тока. В 1802 году Джан Доменико Романьози, возможно, предположил связь между электричеством и магнетизмом, но его сообщения остались незамеченными. [19] [20] В 1820 году Ганс Христиан Эрстед выполнил простой и сегодня широко известный эксперимент по электрическому току и магнетизму. Он продемонстрировал, что провод, по которому течет ток, может отклонять намагниченную стрелку компаса . [21] Работа Эрстеда повлияла на Андре-Мари Ампера , создавшего теорию электромагнетизма. Некоторые ученые предположили, что свет может быть связан с электричеством или магнетизмом.
В 1831 году Майкл Фарадей начал серию экспериментов, в ходе которых открыл электромагнитную индукцию . Зависимость была математически смоделирована законом Фарадея , который впоследствии стал одним из четырёх уравнений Максвелла . Фарадей предположил, что электромагнитные силы распространяются в пустое пространство вокруг проводника, но не завершил свою работу, связанную с этим предложением. В 1846 году Майкл Фарадей предположил, что свет — это волновое возмущение в «силовом поле». [22]
Развивая серию экспериментов Феликса Савари, [23] [24] [25] между 1842 и 1850 годами Джозеф Генри провел эксперименты по обнаружению индуктивных магнитных эффектов на расстоянии 200 футов (61 м). [26] [27] [28] Он был первым (1838–42), кто произвел высокочастотные электрические колебания переменного тока , а также указал и экспериментально продемонстрировал, что разряд конденсатора при определенных условиях является колебательным, или, как он выражается он состоит « из основного разряда в одном направлении, а затем из нескольких рефлекторных действий вперед и назад, каждое более слабое, чем предыдущее, до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие ». [ нужна цитация ] Эта точка зрения была также позже принята Гельмгольцем , [29] математическая демонстрация этого факта была впервые дана лордом Кельвином в его статье о « Переходных электрических токах ». [30] [31]
Между 1861 и 1865 годами, основываясь на более ранних экспериментальных работах Фарадея и других ученых и на собственной модификации закона Ампера, Джеймс Клерк Максвелл разработал свою теорию электромагнетизма, которая предсказала существование электромагнитных волн. В 1864 году Максвелл описал теоретическую основу распространения электромагнитных волн в своей статье для Королевского общества « Динамическая теория электромагнитного поля ». Эта теория объединила все ранее не связанные друг с другом наблюдения, эксперименты и уравнения электричества, магнетизма и оптики в непротиворечивую теорию. [32] Его набор уравнений — уравнений Максвелла — продемонстрировал, что электричество, магнетизм и свет являются проявлениями одного и того же явления — электромагнитного поля . Впоследствии все остальные классические законы или уравнения этих дисциплин были частными случаями уравнений Максвелла. Работы Максвелла в области электромагнетизма были названы «вторым великим объединением в физике» после объединения гравитации Ньютоном в 17 веке. [33]
Оливер Хевисайд позже переформулировал исходные уравнения Максвелла в систему из четырех векторных уравнений, которые сегодня широко известны как уравнения Максвелла. [34] Ни Максвелл, ни Хевисайд не передавали и не принимали радиоволны; однако их уравнения для электромагнитных полей установили принципы проектирования радиоприемников и остаются стандартным выражением классического электромагнетизма.
О работе Максвелла Альберт Эйнштейн писал: [35]
«Представьте себе чувства [Максвелла], когда сформулированные им дифференциальные уравнения доказали ему, что электромагнитные поля распространяются в виде поляризованных волн и со скоростью света! Лишь немногие люди в мире удостоились такого опыта... Физикам потребовалось несколько десятилетий, чтобы осознать всю значимость открытия Максвелла, настолько смелым был скачок, который его гений совершил в концепциях его коллег».
Другие физики были столь же впечатлены работой Максвелла, например, Ричард Фейнман , который прокомментировал: [36]
«При взгляде на мировую историю, если смотреть, скажем, через десять тысяч лет, не может быть никаких сомнений в том, что самое значительное событие XIX века будет оцениваться как открытие Максвеллом законов электромагнетизма. Гражданская война в США отойдет на второй план в сравнении с этим важным научным событием того же десятилетия».
Беренд Вильгельм Феддерсен , [37] немецкий физик, в 1859 году, будучи частным ученым в Лейпциге , сумел в экспериментах с лейденской банкой доказать, что электрические искры состоят из затухающих колебаний.
В 1870 году немецкий физик Вильгельм фон Безольд открыл и доказал, что наступающие и отраженные колебания, возникающие в проводниках при разряде конденсатора, вызывают интерференционные явления. [38] [39] Профессора Элиху Томсон и Э.Дж. Хьюстон в 1876 году провели ряд экспериментов и наблюдений над высокочастотными колебательными разрядами. [40] В 1883 году Джордж Фитцджеральд предположил [41] на заседании Британской ассоциации , что электромагнитные волны могут генерироваться разрядом конденсатора, но это предложение не было поддержано, возможно, потому, что не было известно никаких средств для обнаружения волн. [31]
Когда в 1879 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц искал тему для своей докторской диссертации, преподаватель Герман фон Гельмгольц предложил ему попытаться доказать теорию электромагнетизма Максвелла. Первоначально Герц не видел никакого способа проверить эту теорию, но его наблюдение осенью 1886 года, когда лейденская банка разряжалась в большую катушку и вызывала искру в соседней катушке, натолкнуло его на мысль о том, как построить испытательный прибор. . [42] [43] [44] Используя катушку Румкорфа для создания искр через зазор ( передатчик искрового промежутка ) и наблюдая за искрами, возникающими между зазором в ближайшей металлической рамочной антенне , между 1886 и 1888 годами Герц провел серию научные эксперименты, которые подтвердили бы теорию Максвелла. [45] Герц опубликовал свои результаты в серии статей между 1887 и 1890 годами, [46] и снова в полной форме книги в 1893 году. [47]
В первой из опубликованных статей « О очень быстрых электрических колебаниях » изложен хронологический ход его исследований, поскольку они проводились до конца 1886 — начала 1887 года. [48]
Впервые было намеренно и недвусмысленно доказано, что электромагнитные радиоволны («волны Герца») [49] передаются через свободное пространство искровым разрядником и обнаруживаются на небольшом расстоянии. [50]
Герц смог в некоторой степени контролировать частоты излучаемых им волн, изменяя индуктивность и емкость передающих и приемных антенн . Он сфокусировал электромагнитные волны, используя угловой отражатель и параболический отражатель , чтобы продемонстрировать, что радио ведет себя так же, как свет, как и предсказывала электромагнитная теория Максвелла более 20 лет назад. [31]
Герц не разработал систему практического использования электромагнитных волн и не описал каких-либо потенциальных применений этой технологии. Студенты Боннского университета спросили Герца, какую пользу могут принести эти волны. Он ответил: « Это бесполезно. Это всего лишь эксперимент, который доказывает правоту маэстро Максвелла, у нас просто есть эти загадочные электромагнитные волны, которые мы не можем увидеть невооруженным глазом. Но они есть » . [51]
Многие физики быстро поняли, что волны Герца можно использовать (вместо света) в системах, подобных оптическому телеграфу : например, Ричард Трелфолл и Джон Перри предположили, что в 1890 году Александр Пелэм Троттер в 1891 году и Фредерик Томас Траутон в 1892 году, однако все они думал об этом с точки зрения коротких вспышек, а не телеграфных точек и тире. [52] В малоизвестной статье под названием «Некоторые возможности электричества», опубликованной в феврале 1892 года в « Фортнайтли ревью» , сэр Уильям Крукс описал беспроводную телеграфию, созданную годом ранее, хотя метод и тип не описаны. . [53] [54] Год спустя американский физик Амос Эмерсон Долбер привлек к этой идее аналогичное внимание. [55] Здоровье Герца ухудшилось после тяжелой инфекции в 1892 году, и он умер в 1894 году, поэтому искусство радиоволновой связи было предоставлено другим для реализации в практической форме.
В 1789–1791 годах Луиджи Гальвани заметил, что искра, возникшая поблизости, вызвала судорогу в лапке лягушки, к которой прикасался скальпель. [56] [57] В различных экспериментах он заметил сокращения лапок лягушек, вызванные молнией, а также светящийся разряд из заряженной лейденской банки, который со временем исчезал и возобновлялся всякий раз, когда поблизости возникала искра. [58] [59]
Джозеф Генри наблюдал намагниченные иглы молнии в начале 1840-х годов.
В 1852 году Сэмюэл Альфред Варлей заметил заметное падение сопротивления масс металлических опилок под действием атмосферных электрических разрядов. [26]
К концу 1875 года, экспериментируя с телеграфом , Томас Эдисон заметил явление, которое он назвал « эфирной силой », объявив о нем прессе 28 ноября. Он отказался от этого исследования, когда Элиху Томсон , среди прочих, высмеял эту идею, заявив, что это электромагнитная индукция.
В 1879 году экспериментатор и изобретатель Дэвид Эдвард Хьюз , работавший в Лондоне, обнаружил, что плохой контакт в телефоне Bell, который он использовал в своих экспериментах, по-видимому, вызывал искрение, когда он работал на находящихся неподалеку индукционных весах (ранняя форма металлоискателя ) . [60] [61] Он разработал улучшенный детектор для улавливания этого неизвестного «дополнительного тока» на основе своей новой конструкции микрофона (похожий на более поздние детекторы, известные как когереры или кристаллические детекторы ) [60] [62] и разработал способ прерывания его индукционные весы, чтобы произвести серию искр. Путем проб и ошибок он в конце концов обнаружил, что может улавливать эти «воздушные волны», когда нес свое телефонное устройство по улице на расстояние 500 ярдов (460 м).
20 февраля 1880 года он продемонстрировал свой эксперимент представителям Королевского общества , включая Томаса Генри Хаксли , сэра Джорджа Габриэля Стоукса и Уильяма Споттисвуда , тогдашнего президента Общества. Стоукс был убежден, что явление, которое демонстрировал Хьюз, было просто электромагнитной индукцией , а не типом проводимости по воздуху. [63] [64] [65] Хьюз не был физиком и, похоже, принял наблюдения Стокса и больше не проводил эксперименты. [64] Его работой, возможно, был эксперимент с беспроводной связью, о котором Уильям Крукс вспоминал в своем обзоре Fortnightly Review 1892 года на тему «Некоторые возможности электричества». [66] [54]
В 1890 году Эдуард Бранли [67] [68] [69] продемонстрировал то, что он позже назвал «радиопроводником», [70] который Лодж в 1893 году назвал когерером , первым чувствительным устройством для обнаружения радиоволн. [71] Вскоре после опытов Герца Бранли обнаружил, что рыхлые металлические опилки, которые в нормальном состоянии обладают высоким электрическим сопротивлением, теряют это сопротивление при наличии электрических колебаний и становятся практически проводниками электричества. Это Бранли продемонстрировал, поместив металлические опилки в стеклянный ящик или трубку и сделав их частью обычной электрической цепи. Согласно общепринятому объяснению, когда вблизи этой цепи возникают электрические волны, в ней генерируются электродвижущие силы, которые как бы сближают опилки, то есть сцепляют их, и таким образом их электрическое сопротивление уменьшается, от чего потому что сэр Оливер Лодж назвал этот аппарат когерером. [72] Следовательно, приемный прибор, которым может быть телеграфное реле, которое обычно не показывает никаких признаков тока от маленькой батареи, может работать при возникновении электрических колебаний. [73] Брэнли также обнаружил, что, когда опилки однажды сцепились, они сохраняли свое низкое сопротивление до тех пор, пока их не разлучили, например, постукивая по трубке. [74] Когерер, однако, не был достаточно чувствительным, чтобы его можно было надежно использовать по мере развития радио. [75]
Британский физик и писатель сэр Оливер Лодж был близок к тому, чтобы первым доказать существование электромагнитных волн Максвелла. В серии экспериментов весной 1888 года, проведенных с лейденской банкой, соединенной с отрезком провода с разнесенными искровыми промежутками, он заметил, что получал искры разного размера и рисунок свечения вдоль провода, который, по-видимому, был функцией длины волны. [76] [77] Прежде чем он смог представить свои собственные выводы, он узнал о серии доказательств Герца на ту же тему. [ нужна цитата ]
1 июня 1894 года на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфордском университете Лодж прочитал памятную лекцию о работе Герца (недавно скончавшегося) и доказательстве немецкого физика существования электромагнитных волн 6 лет назад. Лодж организовал демонстрацию квазиоптической природы «волн Герца» (радиоволн) и продемонстрировал их сходство со светом и зрением, включая отражение и передачу. [78] Позже в июне и 14 августа 1894 года он проделал аналогичные эксперименты, увеличив расстояние передачи до 55 метров. [76] В этих лекциях Лодж продемонстрировал детектор, который стал стандартом в радиоработе, улучшенную версию детектора Бранли, который Лодж назвал когерером . Он представлял собой стеклянную трубку с металлическими опилками между двумя электродами. Когда к электродам прикладывался небольшой электрический заряд от волн от антенны, металлические частицы слипались или «слипались», заставляя устройство становиться проводящим, позволяя току от батареи проходить через него. В установке Лоджа слабые импульсы от когерера улавливались зеркальным гальванометром , который отклонял проецируемый на него луч света, давая визуальный сигнал о получении импульса. После получения сигнала металлические опилки в когерере разбивались на части или «декогерировались» с помощью вибратора с ручным управлением или вибрации колокола, расположенного рядом на столе, который звонил каждый раз при приеме передачи. [78] Лодж также продемонстрировал настройку с использованием пары лейденских банок, которые можно было привести в резонанс. [79] Лекции Лоджа получили широкую огласку, а его методы повлияли и были расширены другими пионерами радио, включая Аугусто Риги и его ученика Гульельмо Маркони , Александра Попова , Ли де Фореста и Джагадиша Чандры Боса . [79] [80] [81]
В то время Лодж, казалось, не видел смысла в использовании радиоволн для передачи сигналов или беспроводной телеграфии, и ведутся споры о том, удосужился ли он вообще демонстрировать общение во время своих лекций. [79] Физик Джон Амброуз Флеминг отметил, что лекция Лоджа была физическим экспериментом, а не демонстрацией телеграфной передачи сигналов. [82] После того, как была разработана радиосвязь, лекция Лоджа стала предметом приоритетных споров о том, кто изобрел беспроводную телеграфию (радио). Его ранняя демонстрация и более поздняя разработка настройки радио (его патент на настройку Syntonic 1898 года ) привели к патентным спорам с компанией Marconi. Когда в 1911 году синтонный патент Лоджа был продлен еще на семь лет, Маркони согласился урегулировать патентный спор и приобрести патент. [83]
В ноябре 1894 года индийский физик Джагадиш Чандра Бос публично продемонстрировал в Калькутте использование радиоволн , однако он не был заинтересован в патентовании своей работы. [84] Бозе поджег порох и позвонил в колокол на расстоянии, используя электромагнитные волны, [85] подтвердив, что сигналы связи можно передавать без использования проводов. Он отправлял и принимал радиоволны на расстоянии, но не использовал это достижение в коммерческих целях. [ нужна цитата ]
Бозе продемонстрировал способность сигнала распространяться из лекционной комнаты, через промежуточную комнату и коридор в третью комнату, находящуюся на расстоянии 75 футов (23 м) от радиатора, проходя таким образом через три сплошные стены, а также орган председателя (который оказался вице-губернатором). У приемника на таком расстоянии все еще было достаточно энергии, чтобы установить контакт, который вызвал звонок, выстрелил из пистолета и взорвал миниатюрную мину. Чтобы получить этот результат от своего маленького излучателя, Бозе установил аппарат, который любопытным образом предвосхитил высокие «антенны» современной беспроводной телеграфии — круглую металлическую пластину на вершине столба высотой 20 футов (6,1 м), соединяемую с излучателем и аналогичный с приемным аппаратом. [86]
Форма «когерера», разработанная профессором Бозе и описанная им в конце его статьи «О новом электрополярископе», позволила создать впечатление, что чувствительность и дальность действия в то время оставляли желать лучшего. [86] В 1896 году британская газета Daily Chronicle сообщила о его экспериментах с УВЧ: « Изобретатель (Дж. К. Бозе) передал сигналы на расстояние почти в милю, и в этом заключается первое, очевидное и чрезвычайно ценное применение этого нового теоретического чуда. . »
После пятничных вечерних выступлений Бозе в Королевском институте « Инженер-электрик» выразил «удивление тем, что никогда не было секрета в отношении его конструкции, так что всему миру было открыто принять ее для практических и, возможно, прибыльных целей». .' Бозе иногда критиковали за непрактичность за отсутствие прибыли от своих изобретений. [86]
В 1899 году Бозе объявил о разработке « когерера железо-ртуть-железо с телефонным детектором » в докладе, представленном в Королевском обществе в Лондоне. [87] Позже он получил патент США 755840 « Детектор электрических помех » (1904 г.) на особый электромагнитный приемник. Бозе продолжил свои исследования и внес другой вклад в развитие радио. [88]
В 1894–1895 годах русский физик Александр Степанович Попов проводил эксперименты по разработке радиоприемника — улучшенной версии конструкции Оливера Лоджа , основанной на когерере . Его конструкция с когерерным механизмом автоматического удара была разработана как детектор молний , помогающий лесной службе отслеживать удары молний, которые могут вызвать пожар. Его приемник оказался способен улавливать удары молний на расстоянии до 30 км. Попов построил версию приемника, способную автоматически записывать удары молний на рулоны бумаги. Попов подарил свой радиоприемник Русскому физико-химическому обществу 7 мая 1895 года — этот день отмечался в Российской Федерации как « День радио », пропагандируемый в странах Восточной Европы как изобретатель радио. [89] [90] [91] Статья о его выводах была опубликована в том же году (15 декабря 1895 г.). В конце 1895 года Попов записал, что надеется на дальнюю передачу сигналов с помощью радиоволн. [92] Он не подавал заявку на патент на это изобретение. [ нужна цитата ]
В 1898 году Никола Тесла разработал лодку с дистанционным управлением на основе радио/когерера с формой защищенной связи [93] [94] между передатчиком и приемником, [95] которую он продемонстрировал в 1898 году. Тесла назвал свое изобретение «телеавтоматом» и он надеялся продать ее как управляемую морскую торпеду . [96]
Гульельмо Маркони учился в Технической школе Ливорно и знакомился с опубликованными трудами профессора Аугусто Риги из Болонского университета . [97] В 1894 году сэр Уильям Прис представил в Королевском институте в Лондоне доклад об электрической сигнализации без проводов. [98] [99] В 1894 году на лекциях Королевского института Лодж прочитал «Работу Герца и некоторых его преемников». [100] Говорят, что Маркони, находясь в отпуске в 1894 году, прочитал об экспериментах, которые Герц проводил в 1880-х годах. Маркони также читал о работе Теслы. [101] Именно в это время Маркони начал понимать, что радиоволны можно использовать для беспроводной связи. Ранний аппарат Маркони представлял собой развитие лабораторного аппарата Герца в систему, предназначенную для целей связи. Сначала Маркони использовал передатчик, чтобы позвонить в звонок в приемнике в своей лаборатории на чердаке. Затем он перенес свои эксперименты на улицу, в семейное поместье недалеко от Болоньи, Италия , чтобы общаться дальше. Он заменил вертикальный диполь Герца вертикальным проводом, покрытым металлическим листом, с противоположной клеммой, подключенной к земле. На приемной стороне Маркони заменил искровой разрядник когерером из металлического порошка — детектором, разработанным Эдуардом Бранли и другими экспериментаторами. Маркони передал радиосигналы на расстояние около 1,5 миль (2,4 км) в конце 1895 года. [102]
Маркони получил патент на радио, британский патент № 12039 « Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в устройствах для них» . Полная спецификация была подана 2 марта 1897 года. Это был первый патент Маркони на радио, хотя в нем использовались различные более ранние методы других экспериментаторов и напоминал инструмент, продемонстрированный другими (включая Попова). В это время широко исследовалась беспроводная телеграфия с искровым разрядником. В июле 1896 года Маркони представил свое изобретение и новый метод телеграфии вниманию Приса, тогдашнего главного инженера Британской правительственной телеграфной службы , который в течение предыдущих двенадцати лет интересовался развитием беспроводной телеграфии. индуктивно-кондуктивный метод. 4 июня 1897 года он выступил с докладом «Сигнализация в космосе без проводов». [103] Прис посвятил значительное время демонстрации и объяснению устройства Маркони в Королевском институте в Лондоне, заявив, что Маркони изобрел новое реле, обладающее высокой чувствительностью и деликатностью. [104]
.jpg/1280px-Muirhead_Morse_inker_(Rankin_Kennedy,_Electrical_Installations,_Vol_V,_1903).jpg)
Компания Marconi Company Ltd. была основана Маркони в 1897 году и известна как Wireless Telegraph Trading Signal Company . Также в 1897 году Маркони основал радиостанцию в Нитоне, остров Уайт , Англия. Беспроводной телеграф Маркони был проверен телеграфными властями почтового отделения; они провели серию экспериментов с системой телеграфии Маркони без соединительных проводов в Бристольском канале . Октябрьские беспроводные сигналы 1897 года были отправлены с равнины Солсбери в Бат на расстояние 34 миль (55 км). [107] Около 1900 года Маркони разработал эмпирический закон, согласно которому для простых вертикальных передающих и приемных антенн одинаковой высоты максимальное рабочее телеграфное расстояние изменяется как квадрат высоты антенны. [108] Это стало известно как закон Маркони .
Другие экспериментальные станции были созданы в Лавернок-Пойнт , недалеко от Пенарта ; на Флэт-Холмсе , острове в середине Ла-Манша, и в Брин-Дауне , мысе на стороне Сомерсета . Сигналы были получены между первой и последней точками, на расстоянии примерно 8 миль (13 км). В качестве приемного инструмента использовалась пишущая машинка Морзе [109] образца почтового отделения. [110] [111] В 1898 году Маркони открыл радиозавод на Холл-стрит, Челмсфорд, Англия , на котором работало около 50 человек. В 1899 году Маркони объявил о своем изобретении «когерера железо-ртуть-железо с телефонным детектором» в докладе, представленном в Королевском обществе в Лондоне. [ нужна цитата ]
В мае 1898 года для Корпорации Ллойдс была установлена связь между Балликаслом и маяком на острове Ратлин на севере Ирландии. В июле 1898 года телеграф Маркони был использован для сообщения о результатах гонок на яхтах на Кингстаунской регате для газеты Dublin Express . Набор инструментов был установлен в комнате в Кингстауне, а другой — на борту парохода «Летущая охотница». Воздушный проводник на берегу представлял собой полосу проволочной сетки, прикрепленную к мачте высотой 40 футов (12 м), и во время гонок было отправлено и правильно получено несколько сотен сообщений. [ нужна цитата ]
В это время принц Уэльский , впоследствии король Эдуард VII , имел несчастье повредить колено и был заперт на борту королевской яхты «Осборн» , базирующейся в заливе Коус. По запросу Маркони установил свой аппарат на борту королевской яхты, а также в коттедже Ледивуд на территории Осборн-хауса на острове Уайт, где остановилась его мать королева Виктория . За 16 дней выздоровления принца было отправлено более 150 сообщений. [112] Пройденные расстояния были небольшими; но, когда яхта двигалась, в некоторых случаях высокие холмы оказывались так, что воздушные провода перекрывались на сотни футов, но это не было препятствием для связи. Эти демонстрации побудили Корпорацию Тринити-Хаус предоставить возможность опробовать систему на практике между маяком Саут-Форленд , недалеко от Дувра, и маяком Ист-Гудвин на песках Гудвин . Эта установка была введена в эксплуатацию 24 декабря 1898 года и доказала свою ценность. Было показано, что после установки аппарата с ним могут работать обычные моряки с очень небольшой подготовкой. [ нужна цитата ]
В конце 1898 года электрический волновой телеграф, созданный Маркони, продемонстрировал свою полезность, особенно для связи между кораблем и кораблем, а также кораблем и берегом. [113]
Станция отеля Haven и мачта беспроводного телеграфа были местом, где после 1898 года проводилась большая часть исследовательской работы Маркони в области беспроводной телеграфии. [114] В 1899 году он передавал сообщения через Ла -Манш . Также в 1899 году Маркони представил Институту инженеров-электриков « Беспроводную телеграфию » . [113] Кроме того, в 1899 году У. Х. Прис представил «Эфирную телеграфию», заявив, что экспериментальная стадия беспроводной телеграфии была пройдена в 1894 году и изобретатели затем перешли на коммерческую стадию. [115] Прис, продолжая лекцию, подробно описывает работу Маркони и других британских изобретателей. В апреле 1899 года эксперименты Маркони были впервые повторены в США Джеромом Грином в Университете Нотр-Дам . [116] [117] В октябре 1899 года о прогрессе яхт в международной гонке между «Колумбией» и «Шемроком» было успешно сообщено по воздушной телеграфии: с двух корабельных станций было (как говорят) отправлено до 4000 слов. до береговых станций. Сразу после этого аппарат по заказу был передан на службу Военно-морскому совету США, и под личным наблюдением Маркони последовало несколько весьма интересных экспериментов. [118] Компания Маркони была переименована в компанию беспроводного телеграфа Маркони в 1900 году .
В 1901 году Маркони утверждал, что принимал дневные трансатлантические радиочастотные сигналы на длине волны 366 метров (820 кГц). [120] [121] [122] Маркони установил беспроводную передающую станцию в доме Маркони, Росслэр-Стрэнд, графство Уэксфорд, в 1901 году, чтобы действовать в качестве связующего звена между Полдху в Корнуолле и Клифденом в графстве Голуэй. В его заявлении от 12 декабря 1901 года, в котором для приема использовалась антенна с воздушным змеем длиной 152,4 метра (500 футов), говорилось, что сообщение было получено на Сигнал-Хилл в Сент-Джонсе , Ньюфаундленд (ныне часть Канады) через сигналы, передаваемые новым центром компании. Мощная электростанция в Полдху , Корнуолл . Полученное сообщение было заранее подготовлено и было известно Маркони и состояло из буквы Морзе «S» — трех точек. Однако Брэдфорд недавно оспорил сообщаемый успех, основываясь на теоретической работе, а также на реконструкции эксперимента. Сейчас хорошо известно, что передача на большие расстояния на длине волны 366 метров невозможна в дневное время, поскольку небесная волна сильно поглощается ионосферой. [ нужна цитата ] Вполне возможно, что то, что было услышано, было всего лишь случайным атмосферным шумом, который был ошибочно принят за сигнал, или что Маркони мог слышать коротковолновую гармонику сигнала. [121] [122] Расстояние между двумя точками составляло около 3500 километров (2200 миль). [ нужна цитата ]
Заявление о передаче сигнала из Полдху в Ньюфаундленд подверглось критике. [123] Есть различные историки науки, такие как Белроуз и Брэдфорд, которые ставят под сомнение то, что Атлантика была соединена мостом в 1901 году, но другие историки науки придерживаются позиции, что это была первая трансатлантическая радиопередача. Критики утверждали, что более вероятно, что в этом эксперименте Маркони получил посторонний атмосферный шум от атмосферного электричества . [124] Передающая станция в Полдху, Корнуолл, использовала передатчик с искровым разрядником, который мог генерировать сигнал в диапазоне средних частот и с высокими уровнями мощности. [ нужна цитата ]
Маркони переправился из Англии в Канаду и США. [125] В этот период Маркони разработал особый электромагнитный приемник, названный магнитным детектором Маркони [126] или гистерезисным магнитным детектором [127] и успешно использовавшийся в его ранних трансатлантических работах (1902 г.) и во многих станции меньшего размера в течение ряда лет. [128] [129] В 1902 году станция Маркони была создана в деревне Крукхейвен , графство Корк , Ирландия , для обеспечения морской радиосвязи судам, прибывающим из Америки. Капитан корабля мог связаться с агентами судоходных линий на берегу, чтобы узнать, какой порт должен принять их груз, без необходимости сойти на берег в первом порту выхода на берег. [130] Ирландия также, благодаря своему западному расположению, должна была сыграть ключевую роль в первых усилиях по отправке трансатлантических сообщений. Маркони передавал сообщение со своей станции в Глейс-Бэй , Новая Шотландия, Канада, через Атлантику, а 18 января 1903 года станция Маркони передала приветственное послание от Теодора Рузвельта , президента Соединенных Штатов, королю Соединенного Королевства, отмечая первая трансатлантическая радиопередача, происходящая из США. [ нужна цитата ]
В 1904 году Маркони открыл на борту RMS Campania ежедневную океанскую газету Cunard Daily Bulletin . Вначале проходящие события были напечатаны в небольшой четырехстраничной брошюре под названием « Cunard Bulletin» . Заголовок будет гласить «Cunard Daily Bulletin» с подзаголовком « Маркониграммы прямо на корабль ». [131] Все пассажирские суда компании «Кунард» были оснащены системой беспроводного телеграфа Маркони, посредством которой поддерживалась постоянная связь либо с другими судами, либо с наземными станциями в восточном или западном полушарии. RMS Lucania в октябре 1903 года с Маркони на борту было первым судном, поддерживавшим связь с обеими сторонами Атлантики. The Cunard Daily Bulletin , 32-страничная иллюстрированная газета, издававшаяся на борту этих лодок, записывала новости, полученные по беспроводной телеграфии, и была первой океанской газетой. В августе 1903 года с британским правительством было заключено соглашение, по которому компания «Кунард» должна была построить два парохода , которые вместе со всеми другими кораблями «Кунард» будут находиться в распоряжении Британского Адмиралтейства для аренды или покупки, когда бы они ни потребовались. Правительство предоставило компании кредит в размере 2 600 000 фунтов стерлингов на строительство кораблей и предоставило им субсидию в размере 150 000 фунтов стерлингов в год. Одним из них была RMS Lusitania , а другим — RMS Mauretania . [132]
Маркони был удостоен Нобелевской премии по физике 1909 года вместе с Карлом Фердинандом Брауном за вклад в развитие беспроводной телеграфии. Демонстрации Маркони использования радио для беспроводной связи, оснащение кораблей спасательной беспроводной связью, [133] создание первой трансатлантической радиослужбы, [125] и строительство первых станций британской коротковолновой службы отметили его место в истории. [ нужна цитата ]
В июне и июле 1923 года коротковолновые передачи Маркони происходили ночью на 97 метрах от беспроводной станции Полдху в Корнуолле на его яхту «Элеттра» на островах Зеленого Мыса . В сентябре 1924 года Маркони днем и ночью перенесся на 32 метра из Полдху на свою яхту в Бейруте . В июле 1924 года Маркони заключил контракт с Главпочтамтом Великобритании (GPO) на установку телеграфных цепей из Лондона в Австралию, Индию, Южную Африку и Канаду в качестве основного элемента Имперской беспроводной сети . Коротковолновая линия связи « Beam Wireless Service » из Великобритании в Канаду была введена в коммерческую эксплуатацию 25 октября 1926 года. Служба беспроводной связи Beam из Великобритании в Австралию, Южную Африку и Индию была введена в эксплуатацию в 1927 году. Электронные компоненты для системы были изготовлены на заводе Маркони в Нью-Йорке. Завод уличной беспроводной связи в Челмсфорде . [134]
Основным вкладом Фердинанда Брауна было введение замкнутой настроенной цепи в генерирующую часть передатчика и ее отделение от излучающей части (антенны) посредством индуктивной связи, а затем использование кристаллов для приемных целей. Браун экспериментировал сначала в Страсбургском университете. Браун много писал на тему беспроводной связи и был хорошо известен благодаря своим многочисленным публикациям в журнале Electrician и других научных журналах. [135] В 1899 году он подал заявку на патенты « Электротелеграфия с помощью конденсаторов и индукционных катушек» и «Беспроводная электропередача сигналов по поверхностям ». [136]
Пионеры, работавшие над беспроводными устройствами, в конце концов подошли к пределу расстояния, которое они могли преодолеть. Подключение антенны непосредственно к разряднику давало только сильно затухающую последовательность импульсов. Прошло всего несколько циклов, прежде чем колебания прекратились. Схема Брауна обеспечивала гораздо более длительные устойчивые колебания, поскольку энергия имела меньшие потери при колебании между катушкой и лейденскими банками. Также посредством индуктивной антенной связи [137] излучатель был согласован с генератором. [ нужна цитата ]
Весной 1899 года Браун в сопровождении своих коллег Кантора и Ценнека отправился в Куксхафен , чтобы продолжить свои эксперименты в Северном море. 6 февраля 1899 года он подал заявку на патент США « Беспроводная электрическая передача сигналов по поверхностям ». Вскоре он преодолел расстояние в 42 км до города Мутцинг. 24 сентября 1900 г. состоялся регулярный обмен радиотелеграфными сигналами с островом Гельголанд на расстоянии 62 км. Маяки на реке Эльбе и береговая станция в Куксхафене начали регулярную радиотелеграфную службу. 6 августа 1901 года он подал заявку на получение средств для настройки и регулировки электрических цепей . [ нужна цитата ]
К 1904 году замкнутая система беспроводного телеграфирования, связанная с именем Брауна, была хорошо известна и в принципе принята повсеместно. Результаты экспериментов Брауна, опубликованные в журнале «Электрик», представляют интерес, помимо использованного метода. Браун показал, как можно удовлетворительно и экономически решить проблему. [138] Преимущество генератора с замкнутым контуром, как было известно, состоит в том, что он способен использовать кинетическую энергию в контуре генератора, и, следовательно, поскольку такому контуру можно придать гораздо большую мощность, чем можно получить с помощью излучающего генератора. Использование только одной антенны позволяет накопить и излучить гораздо больше энергии. [138] Излучение также продлевается, причем оба результата имеют тенденцию к достижению столь желаемого ряда незатухающих волн. Доступная энергия, хотя и была больше, чем в открытой системе, все же была незначительной, если не использовались очень высокие потенциалы с вытекающими отсюда недостатками. [138] [139] Браун избегал использования чрезвычайно высоких потенциалов для зарядки зазора, а также использовал менее расточительный зазор, разделяя его на части. [138] [140] Однако главным моментом в его новом устройстве является не просто разделение разрядников, а их расположение, при котором они заряжаются параллельно, при низких напряжениях и разряжаются последовательно. Этот дизайн изображен на Нобелевской премии , присужденной Брауну в 1909 году. [141]
Джон Стоун Стоун был одним из первых телефонных инженеров , оказал влияние на разработку технологий беспроводной связи и получил десятки ключевых патентов в области «космической телеграфии». Патенты Стоуна на радио вместе с их эквивалентами в других странах составляют очень объемный вклад в патентную литературу по этой теме. Только этому патентообладателю было выдано более семидесяти патентов США. Во многих случаях эти спецификации представляют собой научный вклад в литературу по данной теме, наполненный ценными ссылками на другие источники информации. [142]
Стоун выдал ему большое количество патентов, охватывающих метод воздействия на систему излучателей и испускания энергии в виде волн заданной длины, какими бы ни были электрические размеры генератора. [143] 8 февраля 1900 года он подал заявку на селективную систему в патенте США № 714,756 . В этой системе индуктивно связаны две простые цепи, каждая из которых имеет независимую степень свободы, и в которых при восстановлении электрических колебаний до нулевого потенциала токи накладываются, создавая сложные гармонические токи, которые позволяют синтонизировать резонаторную систему с точность генератора. [143] Система Стоуна, как указано в патенте США 714,831 , развивала свободные или неуправляемые простые гармонические электромагнитные сигнальные волны определенной частоты с исключением энергии сигнальных волн других частот, а также приподнятый проводник и средства для развития в нем вынужденных простых электрические колебания соответствующей частоты. [144] В этих патентах Стоун разработал схему многократного индуктивного колебания с целью вызвать в антенном контуре одиночное колебание определенной частоты. В системе получения энергии свободных или неуправляемых простых гармонических электромагнитных сигнальных волн определенной частоты, исключая энергию сигнальных волн других частот, он предложил приподнятый проводник и связанный с ним резонансный контур, настроенный на частота волн, энергию которых необходимо получить. [144] Когерер, созданный на основе так называемой системы Стоуна [145], использовался в некоторых портативных беспроводных устройствах армии США . Stone Coherer имеет две небольшие стальные пробки, между которыми расположены свободно упакованные углеродные гранулы. Это устройство самодекогерентности ; хотя он и не так чувствителен, как другие виды детекторов, он хорошо подходит для грубого использования портативного оборудования. [145]
В 1897 году недавно получивший повышение капитан Королевского флота Генри Джексон стал первым человеком, который установил беспроводную связь между кораблями и продемонстрировал непрерывную связь с другим судном на расстоянии до трех миль. [146] HMS Hector стал первым британским военным кораблем, на котором была установлена беспроводная телеграфия , когда она провела первые испытания нового оборудования для Королевского флота . [147] [148] Начиная с декабря 1899 года HMS Hector и HMS Jaseur были оснащены беспроводным оборудованием. [149] 25 января 1901 года HMS Jaseur получил сигналы от передатчика Маркони на острове Уайт и от HMS Hector (25 января). [150]
В 1899 году Совет ВМС США опубликовал отчет о результатах исследований системы беспроводного телеграфирования Маркони. [151] В отчете отмечалось, что система была хорошо адаптирована для использования в эскадрильной сигнализации в условиях дождя, тумана, темноты и скоростного движения, хотя сырость влияла на производительность. [152] Они также отметили, что когда две станции передают одновременно, обе будут приняты, и что система потенциально может повлиять на компас. Они сообщили о дальности от 85 миль (137 км) для больших кораблей с высокими мачтами (43 метра, 141 фут) до 7 миль (11 км) для небольших судов. Совет рекомендовал провести испытания системы ВМС США. [ нужна цитата ]
В конце 1886 года Реджинальд Фессенден начал работать непосредственно на Томаса Эдисона в новой лаборатории изобретателя в Вест-Ориндже, штат Нью-Джерси . Фессенден быстро добился значительных успехов, особенно в конструкции приемников, работая над разработкой аудиоприема сигналов. В начале 1900 года Бюро погоды США начало систематический курс экспериментов в области беспроводной телеграфии, наняв его в качестве специалиста. [153] Фессенден разработал здесь гетеродинный принцип, согласно которому два сигнала объединяются для создания третьего сигнала.
В 1900 году началось строительство большого радиопередающего генератора переменного тока. Фессенден, экспериментируя с высокочастотным искровым передатчиком , успешно передал речь 23 декабря 1900 года на расстояние около 1,6 километра (0,99 мили), что стало первой аудио-радиопередачей . В начале 1901 года Бюро погоды официально установило Фессендена в Вирс-Пойнт, остров Роанок , Северная Каролина , и он осуществил экспериментальную передачу данных по воде на станцию, расположенную примерно в 5 милях (8,0 км) к западу от мыса Хаттерас , причем расстояние между двумя станциями составляло примерно 50 миль (80 км). [153] Генератор переменного тока мощностью 1 кВт и частотой 10 килогерц был построен в 1902 году. Заслуга в разработке этой машины принадлежит Чарльзу Протеусу Штейнмецу , Кэрилу Д. Хаскинсу, Эрнсту Александерсону , Джону Т.Х. Демпстеру, Генри Гейзенхонеру, Адаму Штейну, Младший и Ф.П. Мансбендель. [31]
В статье, написанной Фессенденом в 1902 году, утверждалось, что были достигнуты важные успехи, одним из которых было преодоление значительной потери энергии, наблюдаемой в других системах. В интервью корреспонденту New York Journal Фессенден заявил, что в своем раннем аппарате он не использовал ни воздушный трансформатор на передающем конце, ни концентрический цилиндр для излучателей и антенн [153] [154] и использовал емкость, а устроен совершенно иначе, чем в других системах, и что он не использовал когерер или какую-либо форму несовершенного контакта. Фессенден утверждал, что он уделял особое внимание селективным и мультиплексным системам и был вполне удовлетворен результатами в этом направлении. [153] 12 августа 1902 года Фессендену было выдано 13 патентов, охватывающих различные методы, устройства и системы передачи сигналов без проводов. [153] Эти патенты включали множество новых принципов, главным из которых был метод распределения емкости и индуктивности вместо локализации этих коэффициентов генератора, как в предыдущих системах. [143]
К лету 1906 года на станции Брант-Рок была установлена машина с частотой 50 килогерц , а осенью 1906 года регулярно работала так называемая электрическая переменная динамо-машина с частотой 75 килогерц и мощностью 0,5 кВт. [31] Фессенден [155] использовал его для беспроводной телефонной связи с Плимутом, штат Массачусетс , на расстояние примерно 11 миль (18 км). [31] В следующем году были построены машины с частотой 96 килогерц [156] и мощностью 1 кВт и 2 кВт. Фессенден считал, что система затухающего когерера волн по существу и фундаментально неспособна превратиться в практическую систему. [31] Он использовал метод двухфазного высокочастотного генератора переменного тока [157] и непрерывное производство волн [158] с изменяющимися константами передающей цепи. [31] [159] Фессенден также использовал бы методы дуплексного и мультиплексного коммутатора . [160] 11 декабря 1906 года состоялась операция беспроводной передачи в сочетании с проводными линиями связи. [161] [31] В июле 1907 года дальность действия была значительно расширена, и речь была успешно передана между Брант-Роком и Ямайкой , на Лонг-Айленде , на расстояние почти 200 миль (320 км), при дневном свете и в основном по суше, [162] мачта на Ямайке имеет высоту примерно 180 футов (55 м). [31]
В ноябре 1904 года английский физик Джон Амброуз Флеминг изобрел двухэлектродный ламповый выпрямитель, который он назвал колебательным клапаном Флеминга . [163] , для чего он получил патент Великобритании 24850 и патент США 803684 . [164] Этот «клапан Флеминга» был чувствительным и надежным и поэтому заменил кристаллический диод, используемый в приемниках, используемых для беспроводной связи на большие расстояния. Его преимущество заключалось в том, что он не мог быть серьезно поврежден или выведен из строя каким-либо исключительно сильным паразитным сигналом, например, вызванным атмосферным электричеством. [165] Флеминг получил медаль Хьюза в 1910 году за свои достижения в области электронной техники. Маркони использовал это устройство в качестве радиодетектора. [ когда? ]
Верховный суд Соединенных Штатов в конечном итоге признал патент США недействительным из-за неправомерного отказа от ответственности и, кроме того, подтвердил, что технология, указанная в патенте, на момент подачи заявки была известна из уровня техники. [166] Это изобретение стало первой вакуумной лампой . Диод Флеминга использовался в радиоприемниках в течение многих десятилетий после этого, пока более 50 лет спустя его не заменила усовершенствованная твердотельная электроника.
Ли Де Форест [167] [168] [169] интересовался беспроводной телеграфией и изобрел Audion в 1906 году. Он был президентом и секретарем Радиотелефонной и телеграфной компании Де Фореста (1913). [170] [171] Система Де Фореста была принята правительством Соединенных Штатов и была продемонстрирована правительствам других стран, включая правительства Великобритании, Дании, Германии, России и Британской Индии, все из которых приобрели аппарат Де Фореста до Великая война. Де Форест является одним из отцов «электронной эпохи», поскольку Audion способствовал широкому использованию электроники . [172]
Де Форест сделал лампу Audion из вакуумной лампы . Он также создал « Осциллион », незатухающий передатчик волн. Он разработал метод беспроводной телеграфии Де Фореста и основал американскую компанию De Forest Wireless Telegraph. Де Форест был выдающимся инженером-электриком и крупнейшим американским вкладчиком в развитие беспроводной телеграфии и телефонии. Элементы его устройства принимают сравнительно слабые электрические сигналы и усиливают их. Детектор аудиона , усилитель аудиона и передатчик « Осциллион » способствовали развитию радиоискусства и передаче письменной или звуковой речи. Во время Первой мировой войны система Де Фореста сыграла важную роль в эффективности Службы связи США, а также была установлена правительством США на Аляске. [172]
Ниже приводится краткая подборка важных событий и личностей, связанных с развитием радио, с 1860 по 1910 год. [173]
{{cite encyclopedia}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )стр. 158–59