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 беспроводную систему связи .
Идея о том, что провода, необходимые для электрического телеграфа, можно устранить, создав беспроводной телеграф , существовала задолго до создания 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 его списали на электромагнитную индукцию .
Открытие электромагнитных волн , включая радиоволны , Генрихом Рудольфом Герцем в 1880-х годах произошло после теоретической разработки связи между электричеством и магнетизмом , которая началась в начале 1800-х годов. Эта работа достигла кульминации в теории электромагнитного излучения, разработанной Джеймсом Клерком Максвеллом к 1873 году, которую Герц продемонстрировал экспериментально. Герц считал, что электромагнитные волны имеют небольшую практическую ценность. Другие экспериментаторы, такие как Оливер Лодж и Джагадиш Чандра Бозе , исследовали физические свойства электромагнитных волн, и они разработали электрические устройства и методы для улучшения передачи и обнаружения электромагнитных волн. Но они, по-видимому, не видели ценности 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 дальней радиосвязи. [1] 23 декабря 1900 года канадский изобретатель Реджинальд А. Фессенден стал первым человеком, который передал аудиосигнал ( беспроводная телефония ) 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, который осуществил публичную беспроводную трансляцию. [2] [3]
К 1910 году эти различные беспроводные системы стали называть «радио».
До открытия электромагнитных волн и развития радиосвязи было предложено и испытано множество беспроводных телеграфных систем. [4] В апреле 1872 года Уильям Генри Уорд получил патент США 126 356 на беспроводную телеграфную систему, 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, Мэлон 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 воздушного провода, используемого существующими телеграфными системами. Она не содержала диаграмм или конкретных методов и не ссылалась на какую-либо известную научную теорию и не включала ее.
В Соединенных Штатах Томас Эдисон в середине 1880-х годов запатентовал систему электромагнитной индукции, которую он назвал «телеграфия кузнечика», которая позволяла телеграфным сигналам преодолевать короткое расстояние между движущимся поездом и телеграфными проводами, идущими параллельно рельсам. [8] В Соединенном Королевстве Уильям Прис смог разработать систему электромагнитной индукции телеграфа, которая с антенными проводами длиной во много километров могла передавать данные через промежутки около 5 километров (3,1 мили). Изобретатель Натан Стабблфилд в период с 1885 по 1892 год [9] также работал над системой индукционной передачи.
Форма беспроводной телефонии зафиксирована в четырех патентах на фотофон , изобретенный совместно Александром Грэхемом Беллом и Чарльзом Самнером Тейнтером в 1880 году. Фотофон позволял передавать звук по лучу света , и 3 июня 1880 года Белл и Тейнтер передали первое в мире беспроводное телефонное сообщение с помощью недавно изобретенной ими формы световой телекоммуникации . [10] [11]
В начале 1890-х годов Никола Тесла начал свои исследования в области высокочастотного электричества. Тесла знал об экспериментах Герца с электромагнитными волнами с 1889 года [12] [13] , но (как и многие ученые того времени) считал, что даже если бы радиоволны существовали, они, вероятно, распространялись бы только по прямым линиям, что делало бы их бесполезными для передачи на большие расстояния. [14]
Вместо использования радиоволн усилия Теслы были сосредоточены на создании системы распределения электроэнергии на основе проводимости, [15] [16] [14] хотя он отметил в 1893 году, что его система также может включать 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 введения очень большого количества электрического тока в землю) в качестве средства для проведения сигнала на очень большие расстояния (по всей Земле), преодолевая предполагаемые ограничения других систем. [17] Он продолжал пытаться реализовать свои идеи передачи электроэнергии и беспроводной связи в своем очень большом, но неудачном проекте башни Уорденклифф . [18]
Различные ученые предполагали, что электричество и магнетизм связаны. Около 1800 года Алессандро Вольта разработал первые средства получения электрического тока. В 1802 году Джан Доменико Романьози , возможно, предположил связь между электричеством и магнетизмом, но его отчеты остались незамеченными. [19] [20] В 1820 году Ганс Христиан Эрстед провел 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, который создал теорию электромагнетизма. Несколько ученых предположили, что свет может быть связан с электричеством или магнетизмом.
В 1831 году Майкл Фарадей начал серию экспериментов, в которых он открыл электромагнитную индукцию . Это соотношение было математически смоделировано законом Фарадея , который впоследствии стал одним из четырех 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 является волновым возмущением в «силовом поле». [22]
Продолжая 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 создал высокочастотные электрические колебания переменного тока , и указал и экспериментально продемонстрировал, что разряд конденсатора при определенных условиях является колебательным или, как он выразился, состоит « из основного разряда в одном направлении, а затем нескольких рефлекторных действий назад и вперед, каждое из которых слабее предыдущего, пока не будет достигнуто равновесие ». [ требуется ссылка ] Эта точка зрения была позже принята Гельмгольцем , [29] математическое доказательство этого факта было впервые дано лордом Кельвином в его статье « Переходные электрические токи ». [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 между собой наблюдения, эксперименты и уравнения электричества, магнетизма и оптики в последовательную теорию. [32] Его набор уравнений — уравнения Максвелла — продемонстрировал, что электричество, магнетизм и свет являются проявлениями одного и того же явления, электромагнитного поля . Впоследствии все другие классические законы или уравнения этих дисциплин были частными случаями уравнений Максвелла. Работа Максвелла по электромагнетизму была названа «вторым великим объединением в физике» после объединения гравитации Ньютоном в 17 веке. [33]
Оливер Хевисайд позднее переформулировал исходные уравнения Максвелла в набор из четырех векторных уравнений, которые сегодня известны как уравнения Максвелла. [34] Ни Максвелл, ни Хевисайд не передавали и не принимали радиоволны; однако их уравнения для электромагнитных полей заложили принципы проектирования радиоустройств и остаются стандартным выражением классического электромагнетизма.
Альберт Эйнштейн писал о работе Максвелла : [35]
«Представьте себе чувства [Максвелла], когда сформулированные им дифференциальные уравнения доказали ему, что электромагнитные поля распространяются в форме поляризованных волн, причем со скоростью света! Немногим людям в мире выпало счастье испытать подобное... физикам потребовалось несколько десятилетий, чтобы осознать всю значимость открытия Максвелла, настолько смелым был скачок, который его гений заставил совершить в представлениях своих коллег».
Другие физики были столь же впечатлены работой Максвелла, например, Ричард Фейнман , который прокомментировал: [36]
«Глядя на историю мира в долгосрочной перспективе, скажем, на десять тысяч лет вперед, можно не сомневаться, что самым значительным событием XIX века будет считаться открытие Максвеллом законов электромагнетизма. Гражданская война в Америке померкнет до провинциальной незначительности по сравнению с этим важным научным событием того же десятилетия».
Беренд Вильгельм Феддерсен , [37] немецкий физик, в 1859 году, будучи частным ученым в Лейпциге , успешно провел эксперименты с лейденской банкой и доказал, что электрические искры состоят из затухающих колебаний.
В 1870 году немецкий физик Вильгельм фон Безольд открыл и продемонстрировал тот факт, что набегающие и отраженные колебания, создаваемые в проводниках разрядом конденсатора, приводят к явлениям интерференции. [38] [39] Профессора Элиху Томсон и Э. Дж. Хьюстон в 1876 году провели ряд экспериментов и наблюдений за высокочастотными колебательными разрядами. [40] В 1883 году Джордж Фицджеральд предположил [41] на заседании Британской ассоциации , что электромагнитные волны могут генерироваться разрядом конденсатора, но это предположение не было реализовано, возможно, потому, что не было известно никаких средств для обнаружения волн. [31]
Когда немецкий физик Генрих Рудольф Герц искал тему для своей докторской диссертации в 1879 году, преподаватель Герман фон Гельмгольц предложил ему попытаться доказать теорию электромагнетизма Максвелла. Сначала Герц не видел способа проверить теорию, но его наблюдение осенью 1886 года за разрядом лейденской банки в большую катушку и созданием искры в соседней катушке дало ему идею о том, как построить испытательный аппарат. [42] [43] [44] Используя катушку Румкорфа для создания искр через зазор ( передатчик с искровым зазором ) и наблюдая за искрами, создаваемыми между зазором в близлежащей металлической рамочной антенне , между 1886 и 1888 годами Герц проведет серию научных экспериментов, которые подтвердят теорию Максвелла. [45] Герц опубликовал свои результаты в серии статей между 1887 и 1890 годами, [46] а затем снова в виде полной книги в 1893 году. [47]
Первая из опубликованных статей, « Об очень быстрых электрических колебаниях », дает отчет о хронологическом ходе его исследований, насколько они были проведены до конца 1886 года и начала 1887 года. [48]
Впервые было преднамеренно и недвусмысленно доказано, что электромагнитные радиоволны («волны Герца») [49] передаются через свободное пространство с помощью искрового разрядника и обнаруживаются на коротком расстоянии. [50]
Герц смог получить некоторый контроль над частотами излучаемых им волн, изменяя индуктивность и емкость передающих и приемных антенн . Он сфокусировал электромагнитные волны, используя уголковый 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 для практического использования электромагнитных волн и не описал никаких потенциальных применений этой технологии. Студенты в Боннском университете спросили Герца, какое применение могут найти эти волны. Он ответил: « Это совершенно бесполезно. Это просто эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав, 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 это в 1890 году, Александр Пелхэм Троттер в 1891 году и Фредерик Томас Траутон в 1892 году, однако все они думали об этом в терминах коротких вспышек, а не телеграфных точек и тире. [52] В, возможно, малозаметной статье под названием «Некоторые возможности электричества» в феврале 1892 года в The Fortnightly Review сэр Уильям Крукс описал беспроводную телеграфию как достигнутую годом ранее, хотя метод и тип не описаны. [53] [54] Американский физик Амос Эмерсон Долбер привлек аналогичное внимание к этой идее годом позже. [55] Здоровье Герца ухудшилось после тяжелой инфекции в 1892 году, и он умер в 1894 году, поэтому искусство радиоволновой связи было предоставлено другим для воплощения в практическую форму.
В 1789–1791 годах Луиджи Гальвани заметил, что искра, возникшая поблизости, вызывала судорогу в лапке лягушки, к которой прикасался скальпель. [56] [57] В ходе различных экспериментов он заметил сокращения в лапках лягушек, вызванные молнией и светящимся разрядом от заряженной лейденской банки, который со временем исчезал и возобновлялся всякий раз, когда поблизости возникала искра. [58] [59]
В начале 1840-х годов Джозеф Генри наблюдал намагниченные иглы от молний.
В 1852 году Сэмюэл Альфред Варли заметил значительное 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 об этом прессе 28 ноября. Он отказался от этого исследования, когда Элиу 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, казалось, искрил, когда он работал с близлежащим индукционным балансом (ранняя форма металлоискателя ). [60] [61] Он разработал улучшенный детектор для улавливания этого неизвестного «дополнительного тока» на основе своей новой конструкции микрофона (похожего на более поздние детекторы, известные как когереры или кристаллические детекторы ) [60] [62] и разработал способ прерывания своего индукционного баланса для получения серии искр. Путем проб и ошибок он в конечном итоге обнаружил , что может улавливать эти «воздушные волны», когда он нес свое телефонное устройство по улице на расстояние до 500 ярдов (460 м).
20 февраля 1880 года он продемонстрировал свой эксперимент представителям Королевского общества, включая Томаса Генри Гексли , сэра Джорджа Габриэля Стокса и Уильяма Споттисвуда , тогдашнего президента общества. Стокс был убежден, что явление, которое демонстрировал Хьюз, было всего лишь электромагнитной индукцией , а не типом проводимости по воздуху. [63] [64] [65] Хьюз не был физиком и, похоже, принял наблюдения Стокса и не продолжил эксперименты дальше. [64] Его работа, возможно, была беспроводным экспериментом, о котором Уильям Крукс вспомнил в своем обзоре «Некоторые возможности электричества» в Fortnightly Review 1892 года. [66] [54]
В 1890 году Эдуард Бранли [67] [68] [69] продемонстрировал то, что он позже назвал «радиопроводником», [70] что Лодж в 1893 году назвал когерером , первым чувствительным устройством для обнаружения радиоволн. [71] Вскоре после экспериментов Герца Бранли обнаружил, что свободные металлические опилки, которые в нормальном состоянии имеют высокое электрическое сопротивление, теряют это сопротивление при наличии электрических колебаний и становятся практически проводниками электричества. Бранли показал это, поместив металлические опилки в стеклянную коробку или трубку и сделав их частью обычной электрической цепи. Согласно общепринятому объяснению, когда электрические волны устанавливаются поблизости от этой цепи, в ней генерируются электродвижущие силы, которые, по-видимому, сближают опилки, то есть когерируют, и, таким образом, их электрическое сопротивление уменьшается, по этой причине этот аппарат был назван сэром Оливером Лоджем когерером. [72] Следовательно, приемный прибор, который может быть телеграфным реле, которое обычно не показывает никаких признаков тока от небольшой батареи, может работать, когда устанавливаются электрические колебания. [73] Бранли далее обнаружил, что когда опилки однажды когерировали, они сохраняли свое низкое сопротивление до тех пор, пока их не разъединяли, например, постукиванием по трубке. [74] Когерер, однако, был недостаточно чувствителен, чтобы его можно было надежно использовать по мере развития радио. [75]
Британский физик и писатель сэр Оливер Лодж был близок к тому, чтобы стать первым, кто доказал 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 он получал искры разного размера и узор свечения вдоль провода, который, казалось, был функцией длины волны. [76] [77] Прежде чем он смог представить свои собственные результаты, он узнал о серии доказательств Герца по той же теме. [ необходима цитата ]
1 июня 1894 года на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфордском университете Лодж прочитал мемориальную лекцию о работе Герца (недавно скончавшегося) и доказательстве существования электромагнитных волн немецким физиком 6 лет назад. Лодж устроил 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 провел аналогичные эксперименты, увеличив расстояние передачи до 55 метров. [76] В этих лекциях Лодж продемонстрировал детектор, который стал стандартом в радиотехнике, улучшенную версию детектора Бранли, который Лодж назвал когерером . Он состоял из стеклянной трубки, содержащей металлические опилки между двумя электродами. Когда небольшой электрический заряд от волн от антенны прикладывался к электродам, металлические частицы сцеплялись или «сцеплялись», заставляя устройство становиться проводящим, позволяя току от батареи проходить через него. В установке Лоджа слабые импульсы от когерера улавливались зеркальным гальванометром , который отклонял луч света, проецируемый на него, давая визуальный сигнал о том, что импульс был получен. После получения сигнала металлические опилки в когерере разбивались или «декогерировались» с помощью ручного вибратора или вибраций колокольчика, помещенного на стол рядом, который звонил каждый раз, когда принималась передача. [78] Лодж также продемонстрировал настройку с помощью пары лейденских банок, которые можно было привести в резонанс. [79] Лекции Лоджа были широко разрекламированы, а его методы оказали влияние и были расширены другими пионерами радио, включая Аугусто Риги и его ученика Гульельмо Маркони , Александра Попова , Ли де Фореста и Джагадиша Чандру Бозе . [79] [80] [81]
Лодж в то время, казалось, не видел никакой ценности в использовании радиоволн для сигнализации или беспроводного телеграфирования, и ведутся споры о том, удосужился ли он вообще продемонстрировать связь во время своих лекций. [79] Физик Джон Эмброуз Флеминг указал, что лекция Лоджа была физическим экспериментом, а не демонстрацией телеграфного сигнала. [82] После того, как была разработана радиосвязь, лекция Лоджа стала предметом приоритетных споров о том, кто изобрел беспроводную телеграфию (радио). Его ранняя демонстрация и последующее развитие настройки радио (его патент на синтоническую настройку 1898 года ) привели к патентным спорам с компанией Marconi. Когда в 1911 году синтонический патент Лоджа был продлен еще на семь лет, Маркони согласился урегулировать патентный спор и купить патент. [83]
В ноябре 1894 года индийский физик Джагадиш Чандра Бозе публично продемонстрировал использование радиоволн в Калькутте , но 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 могут передаваться без использования проводов. Он посылал и принимал радиоволны на расстоянии, но не использовал это достижение в коммерческих целях. [ необходима цитата ]
Бозе продемонстрировал способность сигнала распространяться из лекционного зала, через промежуточную комнату и проход в третью комнату, находящуюся на расстоянии 75 футов (23 м) от излучателя, таким образом проходя через три сплошные стены по пути, а также через тело председателя (который оказался вице-губернатором). Приемник на таком расстоянии все еще имел достаточно энергии, чтобы установить контакт, который вызвал звон колокола, выстрелил из пистолета и взорвал миниатюрную мину. Чтобы получить этот результат от своего небольшого 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), соединенную с излучателем, и аналогичную пластину с приемным аппаратом. [86]
Форма «Когерера», разработанная профессором Бозе и описанная им в конце его статьи «О новом электрополярископе», позволяла добиться чувствительности и диапазона, которые, казалось, оставляли желать лучшего в то время. [86] В 1896 году британская Daily Chronicle сообщила о его экспериментах на 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 речей Бозе в Королевском институте , The Electric Engineer выразил «удивленность тем, что никогда не делалось секрета относительно его конструкции, так что он был открыт для всего мира, чтобы использовать его в практических и, возможно, коммерческих целях». Бозе иногда критиковали за непрактичность и отсутствие прибыли от его изобретений. [86]
В 1899 году Бозе объявил о разработке « железно-ртутно-железного когерера с телефонным детектором » в докладе, представленном в Королевском обществе в Лондоне. [87] Позже он получил патент США 755,840 , « Детектор электрических помех » (1904), на специальный электромагнитный приемник. Бозе продолжил свои исследования и внес другой вклад в развитие радио. [88]
В 1894–95 годах русский физик Александр Степанович Попов проводил эксперименты по разработке радиоприемника , улучшенной версии конструкции Оливера Лоджа на основе когерера . Его конструкция с механизмом автоматического отвода когерера была разработана как детектор молний , чтобы помочь лесной службе отслеживать удары молний, которые могли вызвать пожары. Его приемник оказался способен ощущать удары молний на расстоянии до 30 км. Попов построил версию приемника, которая была способна автоматически записывать удары молний на рулоны бумаги. Попов представил свой радиоприемник Российскому физико-химическому обществу 7 мая 1895 года — этот день отмечается в Российской Федерации как « День радио », пропагандируемый в странах Восточной Европы как день изобретателя радио. [89] [90] [91] Статья о его открытиях была опубликована в том же году (15 декабря 1895 года). В конце 1895 года Попов записал, что он надеется на дальнюю передачу сигналов с помощью радиоволн. [92] Он не подавал заявку на патент на это изобретение. [ необходима цитата ]
В 1898 году Никола Тесла разработал дистанционно управляемую лодку 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 надеялся продавать его как управляемую морскую торпеду . [96]
Гульельмо Маркони учился в Ливорно-техническом училище и познакомился с опубликованными трудами профессора Аугусто Риги из Болонского университета . [97] В 1894 году сэр Уильям Прис представил доклад в Королевском институте в Лондоне об электрической сигнализации без проводов. [98] [99] В 1894 году на лекциях в Королевском институте Лодж прочитал «Работы Герца и некоторых его последователей». [100] Говорят, что Маркони читал во время отпуска в 1894 году 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 был развитием лабораторного аппарата Герца в систему, предназначенную для целей связи. Сначала Маркони использовал передатчик, чтобы звонить 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, увенчанным металлическим листом, с противоположным выводом, подключенным к земле. На стороне приемника Маркони заменил искровой промежуток на когерер из металлического порошка, детектор, разработанный Эдуардом Бранли и другими экспериментаторами. Маркони передавал радиосигналы на расстояние около 1,5 миль (2,4 км) в конце 1895 года. [102]
Маркони получил патент на радио с британским патентом № 12,039, Улучшения в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппарате для этого . Полная спецификация была подана 2 марта 1897 года. Это был первоначальный патент Маркони на радио, хотя оно использовало различные более ранние методы различных других экспериментаторов и напоминало прибор, 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 Прису, тогдашнему главному инженеру Британской правительственной телеграфной службы , который в течение предыдущих двенадцати лет интересовался развитием беспроводной телеграфии индуктивно-кондуктивным методом. 4 июня 1897 года он представил «Передачу сигналов через пространство без проводов». [103] Прис посвятил значительное время демонстрации и объяснению аппарата Маркони в Королевском институте в Лондоне, заявив, что Маркони изобрел новое реле, которое обладало высокой чувствительностью и точностью. [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. Беспроводная телеграфия Маркони была проверена властями почтового отделения телеграфа; они провели серию экспериментов с системой телеграфии Маркони без соединительных проводов в Бристольском заливе . Октябрьские беспроводные сигналы 1897 года были отправлены из Солсбери-Плейн в Бат , на расстояние 34 мили (55 км). [107] Около 1900 года Маркони разработал эмпирический закон, согласно которому для простых вертикальных передающих и принимающих антенн одинаковой высоты максимальное рабочее телеграфное расстояние изменялось как квадрат высоты антенны. [108] Это стало известно как закон Маркони .
Другие экспериментальные станции были установлены в Лавернок-Пойнт , около Пенарта ; на Флэт-Холмс , острове в середине пролива, и в Брин-Дауне , мысе на стороне Сомерсета . Сигналы были получены между первой и последней названными точками, на расстоянии примерно 8 миль (13 км). В качестве приемного прибора использовался чернильный пишущий аппарат Морзе [109] образца почтового отделения. [110] [111] В 1898 году Маркони открыл радиозавод на Холл-стрит, Челмсфорд, Англия , наняв около 50 человек. В 1899 году Маркони объявил о своем изобретении «железно-ртутно-железного когерера с телефонным детектором» в докладе, представленном в Королевском обществе в Лондоне. [ требуется ссылка ]
В мае 1898 года была установлена связь для корпорации Ллойда между Балликаслом и маяком на острове Ратлин на севере Ирландии. В июле 1898 года телеграф Маркони использовался для сообщения результатов гонок яхт на регате в Кингстауне для газеты Dublin Express . Набор инструментов был установлен в комнате в Кингстауне, а другой — на борту парохода Flying Huntress. Воздушный проводник на берегу представлял собой полосу проволочной сетки, прикрепленную к мачте высотой 40 футов (12 м), и несколько сотен сообщений были отправлены и правильно получены во время гонок. [ необходима цитата ]
В это время принц Уэльский , впоследствии король Эдуард VII , имел несчастье поранить колено и был заключен на борту королевской яхты Osborne , базировавшейся в заливе Коус. Маркони установил свой аппарат на борту королевской яхты по просьбе, а также в Ladywood Cottage, на территории Osborne House , остров Уайт, где остановилась его мать королева Виктория . За 16 дней выздоровления принца было отправлено более 150 сообщений. [112] Пройденные расстояния были небольшими; но по мере того, как яхта двигалась, в некоторых случаях высокие холмы были вставлены так, что воздушные провода были выше на сотни футов, однако это не было препятствием для связи. Эти демонстрации побудили корпорацию Trinity House предоставить возможность для испытания системы на практике между маяком South Foreland , недалеко от Дувра, и маяком East Goodwin на песках Goodwin . Эта установка была введена в эксплуатацию 24 декабря 1898 года и доказала свою ценность. Было показано, что после того, как аппарат был установлен, им могли управлять обычные моряки с очень небольшой подготовкой. [ необходима цитата ]
В конце 1898 года электроволновая телеграфия, созданная Маркони, продемонстрировала свою полезность, особенно для связи между судном и судном и берегом. [113]
Станция Haven Hotel и Wireless Telegraph Mast были тем местом, где Маркони проводил большую часть своих исследовательских работ по беспроводной телеграфии после 1898 года. [114] В 1899 году он передавал сообщения через Ла-Манш . Также в 1899 году Маркони представил « Беспроводную телеграфию » Институту инженеров-электриков . [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 вступали в коммерческую стадию. [115] Прис, продолжая лекцию, подробно описывает работу Маркони и других британских изобретателей. В апреле 1899 года эксперименты Маркони были впервые повторены в Соединенных Штатах Джеромом Грином в Университете Нотр-Дам . [116] [117] В октябре 1899 года ход яхт в международной гонке между Columbia и Shamrock был успешно передан по воздушной телеграфии, причем около 4000 слов были (как говорят) отправлены с двух судовых станций на береговые станции. Сразу же после этого аппарат был по запросу передан на обслуживание Военно-морского совета Соединенных Штатов, и под личным наблюдением Маркони последовали некоторые весьма интересные эксперименты. [118] В 1900 году компания Marconi была переименована в Marconi's Wireless Telegraph Company. [ требуется цитата ]
В 1901 году Маркони заявил, что принял дневные трансатлантические радиочастотные сигналы на длине волны 366 метров (820 кГц). [120] [121] [122] Маркони установил беспроводную передающую станцию в Marconi House, Rosslare Strand, Co. Wexford в 1901 году, чтобы действовать как связь между Poldhu в Корнуолле и Clifden в графстве Голуэй. Его объявление 12 декабря 1901 года, используя 152,4-метровую (500 футов) антенну, поддерживаемую воздушным змеем, для приема, заявило, что сообщение было получено в Signal Hill в Сент-Джонсе , Ньюфаундленд (ныне часть Канады) с помощью сигналов, переданных новой мощной станцией компании в Poldhu , Корнуолл . Полученное сообщение было заранее подготовлено и было известно Маркони, оно состояло из буквы Морзе «S» — три точки. Брэдфорд недавно оспорил сообщенный успех, однако, основываясь на теоретической работе, а также на реконструкции эксперимента. Теперь хорошо известно, что передача на большие расстояния на длине волны 366 метров невозможна в дневное время, потому что небесная волна сильно поглощается ионосферой. [ необходима цитата ] Возможно, что то, что было услышано, было всего лишь случайным атмосферным шумом, который был ошибочно принят за сигнал, или что Маркони мог услышать коротковолновую гармонику сигнала. [121] [122] Расстояние между двумя точками составляло около 3500 километров (2200 миль). [ необходима цитата ]
Заявление о передаче из Полдху в Ньюфаундленд подверглось критике. [123] Существуют различные историки науки, такие как Белроуз и Брэдфорд, которые подвергают сомнению тот факт, что Атлантика была соединена мостом в 1901 году, но другие историки науки заняли позицию, что это была первая трансатлантическая радиопередача. Критики утверждали, что более вероятно, что Маркони получил случайный атмосферный шум от атмосферного электричества в этом эксперименте. [124] Передающая станция в Полдху, Корнуолл, использовала передатчик с искровым разрядником, который мог производить сигнал в диапазоне средних частот и с высокими уровнями мощности. [ необходима цитата ]
Маркони передавал данные из Англии в Канаду и США. [125] В этот период особый электромагнитный приемник, называемый магнитным детектором Маркони [126] или гистерезисным магнитным детектором [127] , был усовершенствован Маркони и успешно использовался в его ранней трансатлантической работе (1902) и на многих более мелких станциях в течение ряда лет. [128] [129] В 1902 году в деревне Крукхейвен , графство Корк , Ирландия , была основана станция Маркони для обеспечения морской радиосвязи с судами, прибывающими из Америки. Капитан судна мог связаться с агентами судоходной линии на берегу, чтобы узнать, в каком порту должен быть получен их груз, без необходимости сходить на берег в том, что было первым портом высадки. [130] Ирландия также, благодаря своему западному расположению, сыграла ключевую роль в ранних попытках отправки трансатлантических сообщений. Маркони передавал со своей станции в Глейс-Бей , Новая Шотландия, Канада, через Атлантику, и 18 января 1903 года станция Маркони передала приветственное сообщение от Теодора Рузвельта , президента Соединенных Штатов, королю Соединенного Королевства, что стало первой трансатлантической радиопередачей, исходящей из Соединенных Штатов. [ необходима цитата ]
В 1904 году Маркони основал океанскую ежедневную газету Cunard Daily Bulletin на RMS Campania . Вначале проходящие события печатались в небольшой брошюре из четырех страниц под названием Cunard Bulletin . Название гласило Cunard Daily Bulletin с подзаголовками « Маркониграммы прямо на судно ». [131] Все пассажирские суда компании Cunard были оснащены системой беспроводного телеграфа Маркони, с помощью которой поддерживалась постоянная связь как с другими судами, так и с наземными станциями в восточном или западном полушарии. RMS Lucania в октябре 1903 года с Маркони на борту стало первым судном, поддерживавшим связь с обеими сторонами Атлантики. Cunard Daily Bulletin , 32-страничная иллюстрированная газета, издававшаяся на борту этих судов, записывала новости, полученные по беспроводному телеграфу, и была первой океанской газетой. В августе 1903 года было заключено соглашение с британским правительством, по которому Cunard Co. должна была построить два парохода , которые, как и все другие суда Cunard, должны были быть в распоряжении британского Адмиралтейства для аренды или покупки, когда бы они ни потребовались, правительство предоставило компании ссуду в размере 2 600 000 фунтов стерлингов на строительство кораблей и субсидию в размере 150 000 фунтов стерлингов в год. Один из них был RMS Lusitania , а другой — 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 судов спасательными беспроводными средствами связи, [133] создание первой трансатлантической радиослужбы, [125] и строительство первых станций для британской службы коротких волн, отметили его место в истории. [ необходима цитата ]
В июне и июле 1923 года Маркони осуществлял короткие передачи на волнах в 97 метров ночью с радиостанции Poldhu в Корнуолле на свою яхту Elettra на островах Зеленого Мыса . В сентябре 1924 года Маркони осуществлял передачи днем и ночью на волнах в 32 метра с Poldhu на свою яхту в Бейруте . В июле 1924 года Маркони заключил контракты с британским Главным почтамтом (GPO) на установку телеграфных цепей из Лондона в Австралию, Индию, Южную Африку и Канаду в качестве основного элемента Имперской беспроводной цепи . Коротковолновая « Beam Wireless Service » из Великобритании в Канаду была введена в коммерческую эксплуатацию 25 октября 1926 года. Beam Wireless Services из Великобритании в Австралию, Южную Африку и Индию были введены в эксплуатацию в 1927 году. Электронные компоненты для системы были изготовлены на заводе по производству радиотехники Маркони на Новой улице в Челмсфорде . [134]
Основным вкладом Фердинанда Брауна было введение замкнутого настроенного контура в генерирующую часть передатчика и его отделение от излучающей части (антенны) посредством индуктивной связи, [135] : стр. 90, 358–359 и позднее использование кристаллов для приемных целей. [135] Браун сначала экспериментировал в Страсбургском университете. Браун много писал о беспроводных предметах и был хорошо известен благодаря своим многочисленным вкладам в Electrician и другие научные журналы. [136] В 1899 году он подал заявку на патенты, Электротелеграфия с помощью конденсаторов и индукционных катушек и Беспроводная электропередача сигналов по поверхностям . [137]
Пионеры, работающие над беспроводными устройствами, в конечном итоге достигли предела расстояния, которое они могли покрыть. Подключение антенны непосредственно к искровому промежутку производило только сильно затухающую последовательность импульсов. Было всего несколько циклов, прежде чем колебания прекращались. Схема Брауна обеспечивала гораздо более длительные устойчивые колебания, поскольку энергия испытывала меньшие потери при колебаниях между катушкой и лейденскими банками. [135] : стр. 358 Кроме того, с помощью индуктивной связи антенны [138] излучатель был согласован с генератором. [ необходима 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 года 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.
К 1904 году замкнутая система беспроводной телеграфии, связанная с именем Брауна, была хорошо известна и в принципе общепринята. Результаты экспериментов Брауна, опубликованные в Electrician, [ требуется ссылка ] представляют интерес, помимо используемого метода. Браун показал, как эта проблема может быть решена удовлетворительно и экономично. Генератор замкнутой цепи имеет преимущество, как было известно, в том, что он может черпать кинетическую энергию в контуре генератора, и, таким образом, поскольку такой контур может быть наделен гораздо большей емкостью, чем может быть получено с помощью одной только излучающей антенны, гораздо больше энергии может быть накоплено и излучено с его использованием. Эмиссия также является продолжительной, оба результата стремятся к достижению столь желаемой последовательности незатухающих волн. Доступная энергия, хотя и больше, чем в открытой системе, все еще была незначительной, если не использовались очень высокие потенциалы с сопутствующими недостатками. [139] Браун избегал использования чрезвычайно высоких потенциалов для зарядки зазора, а также использовал менее расточительный зазор, подразделяя его. [140] [ необходима цитата ] Однако главным моментом в его новой компоновке является не просто подразделение зазора, а их расположение, при котором они заряжаются параллельно, при низком напряжении, и разряжаются последовательно. Нобелевская премия , присужденная Брауну в 1909 году, описывает эту конструкцию. [141] Браун также открыл принцип, лежащий в основе фазированной антенной решетки , [142] что привело к разработке интеллектуальных антенн и MIMO в 1905 году.
Джон Стоун Стоун работал как инженер-телефонист и оказал влияние на разработку технологии беспроводной связи , а также получил десятки ключевых патентов в области «космической телеграфии». Патенты Стоуна на радио вместе с их эквивалентами в других странах составляют весьма объемный вклад в патентную литературу по предмету. Более семидесяти патентов США были выданы только этому патентообладателю. Во многих случаях эти спецификации являются научными вкладами в литературу по предмету, наполненными ценными ссылками на другие источники информации. [143]
Стоун выдал ему большое количество патентов, охватывающих метод создания колебаний в системе излучателя и излучения энергии в форме волн предопределенной длины, какими бы ни были электрические размеры осциллятора. [144] 8 февраля 1900 года он подал заявку на селективную систему в патенте США 714,756 . В этой системе две простые цепи связаны индуктивно, каждая из которых имеет независимую степень свободы, и в которой при восстановлении электрических колебаний до нулевого потенциала токи накладываются, вызывая сложные гармонические токи, которые позволяют системе резонатора быть точно синхронизированной с осциллятором. [144] Система Стоуна, как указано в патенте США 714,831 , развивала свободные или неуправляемые простые гармонические электромагнитные сигнальные волны определенной частоты, исключая энергию сигнальных волн других частот, а также приподнятый проводник и средства для создания в нем вынужденных простых электрических колебаний соответствующей частоты. [145] В этих патентах Стоун разработал многократную индуктивную колебательную цепь с целью навязывания антенной цепи одного колебания определенной частоты. В системе для приема энергии свободных или неуправляемых простых гармонических электромагнитных сигнальных волн определенной частоты для исключения энергии сигнальных волн других частот он заявил о приподнятом проводнике и резонансном контуре, связанном с указанным проводником и настроенном на частоту волн, энергия которых должна быть получена. [145] Когерер, изготовленный по так называемой системе Стоуна [146], использовался в некоторых портативных беспроводных комплектах армии Соединенных Штатов . Когерер Стоуна имеет две небольшие стальные заглушки, между которыми свободно размещены углеродные гранулы. Это самодекогерирующее устройство; хотя оно и не такое чувствительное, как другие формы детекторов, оно хорошо подходит для грубого использования портативных комплектов. [146]
В 1897 году недавно повышенный в звании капитан Королевского флота Генри Джексон стал первым человеком, который добился беспроводной связи между кораблями и продемонстрировал непрерывную связь с другим судном на расстоянии до трех миль. [147] HMS Hector стал первым британским военным кораблем, на котором была установлена беспроводная телеграфия , когда он провел первые испытания нового оборудования для Королевского флота . [148] [149] Начиная с декабря 1899 года, HMS Hector и HMS Jaseur были оснащены беспроводным оборудованием. [150] 25 января 1901 года HMS Jaseur принял сигналы с передатчика Маркони на острове Уайт и с HMS Hector (25 января). [151]
В 1899 году Военно-морской совет США опубликовал отчет о результатах исследований системы беспроводной телеграфии Маркони. [152] В отчете отмечалось, что система хорошо подходит для использования в эскадрильной сигнализации в условиях дождя, тумана, темноты и движения скорости, хотя сырость влияла на производительность. [153] Они также отметили, что когда две станции передавали одновременно, обе были приняты, и что система могла повлиять на компас. Они сообщили о диапазонах от 85 миль (137 км) для больших кораблей с высокими мачтами (43 метра, 141 фут) до 7 миль (11 км) для более мелких судов. Совет рекомендовал, чтобы система была испытана Военно-морским флотом США. [ необходима цитата ]
В конце 1886 года Реджинальд Фессенден начал работать непосредственно на Томаса Эдисона в новой лаборатории изобретателя в Вест-Оранж, штат Нью-Джерси . Фессенден быстро добился значительных успехов, особенно в разработке приемников, поскольку он работал над разработкой аудиоприема сигналов. Бюро погоды США начало в начале 1900 года систематический курс экспериментов в области беспроводной телеграфии, наняв его в качестве специалиста. [154] Фессенден разработал здесь принцип гетеродина , где два сигнала объединялись для получения третьего сигнала.
В 1900 году началось строительство большого радиопередающего генератора. 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 аудиорадиопередачей . В начале 1901 года Бюро погоды официально установило Фессендена в Вирс-Пойнт, остров Роанок , Северная Каролина , и он провел экспериментальные передачи по воде на станцию, расположенную примерно в 5 милях (8,0 км) к западу от мыса Гаттерас , расстояние между двумя станциями составляло примерно 50 миль (80 км). [154] Генератор переменного тока мощностью 1 кВт при частоте 10 килогерц был построен в 1902 году. Заслуга в разработке этой машины принадлежит Чарльзу Протеусу Штейнмецу , Кэрил Д. Хаскинс, Эрнсту Александерсону , Джону Т. Х. Демпстеру, Генри Гейзенхонеру, Адаму Штейну-младшему и Ф. П. Мансбенделю. [31]
В статье, написанной Фессенденом в 1902 году, утверждалось, что были достигнуты важные успехи, одним из которых было преодоление в значительной степени потерь энергии, испытываемых в других системах. В интервью корреспонденту New York Journal Фессенден заявил, что в своем раннем аппарате он не использовал воздушный трансформатор на передающем конце, ни концентрический цилиндр для излучателей и антенн, [154] [155] и использовал емкость, но организовал ее 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. [154] 12 августа 1902 года Фессендену было выдано 13 патентов, охватывающих различные методы, устройства и системы для передачи сигналов без проводов. [154] Эти патенты включали много новых принципов, шедевром которых был метод распределения емкости и индуктивности вместо локализации этих коэффициентов осциллятора, как в предыдущих системах. [144]
К лету 1906 года на станции Брант Рок была установлена машина, производящая 50 килогерц , а осенью 1906 года то, что называлось электрическим переменным динамо , работало регулярно на частоте 75 килогерц с выходной мощностью 0,5 кВт. [31] Фессенден [156] использовал это для беспроводной телефонной связи с Плимутом, штат Массачусетс , на расстояние примерно 11 миль (18 км). [31] В следующем году были построены машины, имеющие частоту 96 килогерц [157] и выходную мощность 1 кВт и 2 кВт. Фессенден считал, что система затухающего волнового когерера по сути и в принципе неспособна к развитию в практическую систему. [31] Он использовал метод двухфазного высокочастотного генератора [158] и непрерывное производство волн [159] с изменяющимися константами передающего контура. [31] [160] Фессенден также использовал дуплексные и мультиплексные методы коммутатора . [161] 11 декабря 1906 года началась эксплуатация беспроводной передачи в сочетании с проводными линиями. [162] [31] В июле 1907 года диапазон был значительно расширен, и речь успешно передавалась между Брэнт Рок и Ямайкой , на Лонг-Айленде , на расстояние почти 200 миль (320 км), при дневном свете и в основном по суше, [163] мачта на Ямайке была высотой приблизительно 180 футов (55 м). [31]
В ноябре 1904 года английский физик Джон Амброуз Флеминг изобрел двухэлектродный выпрямитель на вакуумной лампе, который он назвал осцилляционным клапаном Флеминга . [164] На него он получил патент Великобритании 24850 и патент США 803,684 . [165] Этот «клапан Флеминга» был чувствительным и надежным, поэтому он заменил кристаллический диод, используемый в приемниках для дальней беспроводной связи. Он имел преимущество в том, что его нельзя было повредить или вывести из строя каким-либо исключительно сильным паразитным сигналом, например, вызванным атмосферным электричеством. [166] Флеминг получил медаль Хьюза в 1910 году за свои достижения в области электроники. Маркони использовал это устройство в качестве радиодетектора. [ когда? ]
Верховный суд США в конечном итоге признал патент США недействительным из-за неправильного отказа от ответственности и, кроме того, утверждал, что технология, описанная в патенте, была известным искусством на момент подачи заявки. [167] Это изобретение было первой электронной лампой . Диод Флеминга использовался в радиоприемниках в течение многих десятилетий после этого, пока его не заменила усовершенствованная твердотельная электронная технология более чем 50 лет спустя.
Ли Де Форест [168] [169] [170] интересовался беспроводной телеграфией и изобрел Аудион , изначально диодную трубку, в 1906 году, а затем триодную версию в 1908 году. Он был президентом и секретарем компании De Forest Radio Telephone and Telegraph Company (1913). [171] [172] Система Де Фореста была принята правительством Соединенных Штатов и была продемонстрирована другим правительствам, включая правительства Великобритании, Дании, Германии, России и Британской Индии, все из которых приобрели аппарат Де Фореста до Первой мировой войны. Де Форест является одним из отцов «электронного века», поскольку Аудион помог начать широкое использование электроники . [173]
Де Форест сделал аудионную трубку из вакуумной лампы . Он также сделал « Осциллион », незатухающий волновой передатчик. Он разработал метод Де Фореста беспроводной телеграфии и основал американскую компанию De Forest Wireless Telegraph Company. Де Форест был выдающимся инженером-электриком и выдающимся американским деятелем в развитии беспроводной телеграфии и телефонии. Элементы его устройства принимают относительно слабые электрические сигналы и усиливают их. Аудионный детектор , аудионный усилитель и передатчик « Осциллион » продвинули радиоискусство и передачу письменной или звуковой речи. Во время Первой мировой войны система Де Фореста была фактором эффективности Службы связи США и также была установлена правительством США на Аляске. [173]
Ниже приведен краткий перечень важных событий и личностей, связанных с развитием радио с 1860 по 1910 год. [174]
{{cite encyclopedia}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )стр. 158–59