Німецький фізик Генріх Герц, як відомо, експериментально довів, що електричний розряд, іскра або блискавка створюють в навколишньому просторі електромагнітні хвилі, а ось що блискавка має електричну природу було переконливо доведено набагато раніше, також експериментально, видатним американським політиком і вченим любителем Бенджамином Франкліном. З одного боку дивовижного, що людина, що займалася великою політикою, зуміла залишити помітний слід в науці про електрику і стати крупним ученим. З другого ж боку, це показує, як допитливість, підкріплена фінансами у поєднанні з працьовитістю може розширити пізнання про природу різних явищ.
Це ще раз підтверджує тезу видатного російського генетика Н. П. Дубініна, що обдарованість - це ефективний розвиток людської суті якостей, при поєднанні нормального генотипу із сприятливими умовами його розвитку. За цю точку зору, а також публікації у відкритому друці на цю тему, Н. П. Дубинин був підданий різкій критиці на спеціально скликаних Загальних зборах АН СРСР 27 листопада 1980 р., присвяченому тільки цьому питанню. Час розставив всі крапки над "i", автор теорії опинився правий і його пам'ятають, а що виступали давно вже забули.
Політик Би. Франклін, будучи в м. Бостон в 174Б р. (за іншими джерелами, 1743 р. ), став свідком циркового представлення доктора Спенсера, що приїхав з Шотландії. У фокусах заїжджого доктора використовувалися ефекти, пов'язані із статичною електрикою. Побачене справило на американського політика велике враження і викликало у нього бажання знайти наукове пояснення побаченим експериментам. Б. Франклину було 40 років, коли він зайнявся питаннями електрики. І, що важливо, до всього іншого, у цей момент часу, він був спроможною людиною і мав в своєму розпорядженні достатній час для занять науковою роботою.
Про своє прагнення зайнятися наукою Бенджамин повідомив в листі свого друга, англійського ботаніка і купця, і до того ж ще членові Лондонського королівського суспільства Пітеру Коллінсону (1694-1765). У відповідь П. Коллинсон прислав спеціальну скляну трубку для отримання електрики за допомогою тертя і інструкцію як користуватися пристроєм. Досліди, проведені Б. Франкліном, з присланим пристроєм, стали тією відправною крапкою, з якою він почав дослідження процесу електричного розряду поблизу загострених металевих стрижнів.
Бенджам ін Франклін (17.01.1706-17.04.1790)
Б. Франклину було відоме, що раніше питання про зв'язок між електричними явищами і блискавкою знаходилося в крузі наукових інтересів фізиків різних країн, зокрема, в Англії - І. Ньютона, Франції - Ж. Полле і Німеччині - Вінклера. У цьому питанні, на момент коли їм зайнявся вчений любитель з Нового Світла, найбільш істотні результати були у німецького фізика Вінклера. Він прийшов до висновку, що небесна блискавка і іскра, отримана людиною, відрізняються один від одного тільки енергетичною потужністю. Іншими, словами іскра - це мікроскопічна штучна блискавка.
Згідно його науковим переконанням, блискавка є результатом тертя повітряних частинок об водяну пару, яка піднімається з великих водних поверхонь.
Досвід Би. Франкліна, що показує здатність загострених предметів витягувати спускати “електричний вогонь”. 1750 р.
Перші кроки Б. Франклина в науці виявилися на рідкість плідними. У листі відправленому до Лондона 11 липня 1747 р. П. Коллинсону він повідомляє, що "довелося спостерігати ряд тих, що представляються нам новими явищ. . . Перше з них полягає в чудовій здатності загострених предметів витягувати і випускати електричний вогонь". Слід зазначити, що листи наукового вмісту в 18-м столітті представляли одну з форм спілкування між ученими. Спостерігаючи електричний розряд кондуктора при знаходженні біля нього загостреного металевого стрижня, Франклін прийшов до винаходу громовідводу.
(Кондуктор - електричний провідник або металева частина, способностио, що володіє, сприймати і підсумовувати певну кількість електрики, наприклад, металеві кулі електричний (електростатичною) машини). У листах до П. Коллинсону він неодноразово піднімав питання про схожість блискавки і електричної іскри. Так в листі, датованому 1750 роком, він писав. "Якщо грозові хмари дійсно наелектризовані, то чи не можна у такому разі захистити від удару блискавки будинку, церкви, кораблі і ін. пристроєм високих загострених залізних жердин? Від підстави, такої залізної жердини, повинна була б йти по зовнішній стіні будинку в землю або по борту корабля у воду металевий дріт.
Ці загострені залізні жердини, ймовірно, безшумно відводили б електрику з хмари перш, ніж останнє наблизилося б настільки, щоб можна було побоюватися удару блискавки, цим способом можна було б захиститися від цього жахливого нещастя!" Вивчаючи електричні іскри, що утворюються при роботі електростатичної машини власної конструкції, Б. Франклин встановив 12 загальних властивостей, властивій іскрі і блискавці. Для підтвердження своїх теоретичних передумов він вирішив експериментально з'ясувати, чи "наелектрірізовани грозові хмари, що несуть блискавку". Учений, не знайшовши будівлі необхідної висоти в своєму місті, вирішив запустити під час грози в небо повітряний змій.
От як описує знаменитий експеримент, знайомий американського ученого, Джозеф Прістлі. "Приготувавши велику шовкову хустку і хрестовину з двох палиць достатньої довжини, щоб розтягнути на них хустку, Франклін став чекати грози. . . (У описі конструкції змія не відмічена одна важлива деталь. До верхнього кінця вертикальної планки хрестовини був прикріплений шматок проволікай з дуже гострим кінцем, який виступав за край планки не менше ніж на фунт. Прим автора. Змій піднявся в повітря. Пройшов немало часу, а яких-небудь ознак електризації змія не було.
Нарешті, коли надія на успіх досвіду, здавалося, вже зникла, Франклін у бачив, що ворсинки на прядивній линві, до якої був прив'язаний змій, встали дибки, немов вони знаходяться на провіднику. Обрадуваний цим явищем, він негайно наблизив палець до ключа (він звисав з линви, яка закінчувалася ізолюючою шовковою стрічкою), - і з ключа потекли електричні іскри!. . Надамо ж читачі самому судити про те, яке відчуття випробував Франклін, коли зрозумів, що зробив відкриття. . . Це відбулося в червні 1752 року, через місяць після того, як у Франції його теорія була підтверджена, про що він у той час ще не знав".
Через два місяці після цієї події Б. Франклин встановив на даху свого будинку у Філадельфії стрижень, кінець якого був сполучений із залізним насосом ізольованим дротом, що спускається по стіні, яка була ні що інше, як заземлення. Оригінально їм було вирішено питання сигналізації грозового фронту, що насувався, тобто проходження над громовідводом грозової хмари.
"Проти дверей, ведучої в мою кімнату, - писав він, - дріт роздвоювався, на кінцях її, сантиметрів, що розходилися, на п'ятнадцять, були укріплені дзвіночки, а між ними на шовковій нитці підвішена бронзова кулька, яка повинна була розгойдуватися і ударяти по дзвіночках, коли над будинком проходили заряджені електрикою хмари". По суті це був електричний дзвінок, але що працює не від джерела постійного або змінного струму, а від статичної електрики.
Слід відмітити, що спроби захищатися від блискавки, були відомі ще задовго до початку нашої ери. Під час археологічних розкопок в Єгипті були знайдені написи на стінах зруйнованих храмів, з яких виходить, що встановлені навколо храмів щогли служили для захисту "від небесного вогню". Прикладом, може служити храм Едфу. Що дійшли до нас інші єгипетські написи свідчать про те, що за багато століть до нашої ери, під час правління Рамзеса III використовувалися загострені зверху і позолочені по велінню фараона сорокаметрові щогли для відведення від храму грози і вогню.
Давньоримський письменник і учений Пліній Старший в своїй відомій енциклопедичній праці "Природна історія в 37 книгах" повідомляє, що, по переказах, жерці під час обрядів переводили блискавку в землю, користуючись високою металевою жердиною. У історії четвертого і п'ятого століть також знаходяться сліди використання деяких пристроїв, подібних до громовідводів.
Наукове ж пояснення роботи громовідводів, неправильно званих в повсякденному побуті громовідводами, і їх широка популяризація почалися вже набагато пізніше, лише в середині XVIII століття, завдяки працям Франкліна в Америці, Ломоносова і Ріхмана в Росії, Долібара у Франції, Дівіша в Моравії, а також інших учених.
Б. Франклин був багатогранним ученим, його цікавили в рівній мірі гуманітарні і технічні науки. Він встановив закон збереження зарядів і ввів у фізику електрики багато термінів, якими користуються до цих пір. батарея, заряд електрики, конденсатор, провідник, електричний удар, електрик, наелектризоване (тіло), Лейденська банка, мінус, негативний заряд, непровідник (ізолятор), плюс, грозовий розряд.
В Росії були добре відомі роботи Б. Франкліна. У 1757 р. газеті "Санкт-петербурзькі відомості" було поміщено повідомлення про винахід "громовідводу". Б. Франклин з'явився першим американським ученим, вибраним 2 листопада 1779 р. іноземним членом Петербурзької академії наук. Не без допомоги Б. Франклина були встановлені добрі відносини між США і Росією. Російська декларація від 28 березня 1780 р. про озброєний нейтралітет у війні США проти Великобританії надала дієву допомогу молодій державі і була високо оцінена Б. Франкліном.
Дослідження природи блискавки зіграли велику роль в зародженні радіотехніки. Важливим виявився той факт, що грозовий розряд діє як могутній радіопередавач. Будь-яка різка зміна електричного струму, як відомо, супроводжується електромагнітним випромінюванням, яке розповсюджується в просторі по всіх напрямах від породжувача його джерела. Аналогічні зміни струму відбуваються і на різних стадіях розвитку грозового розряду.
Інтенсивність випромінювання грозового розряду, подібна до інтенсивності інших електромагнітних хвиль, і також зменшується при видаленні від джерела, приймач здатний "зловити" це випромінювання за тисячі кілометрів від грози, що породила їх, і навіть в протилежній точці земної кулі.
Коливальний характер електричного розряду був доведений ще до експериментальних робіт з електромагнітними хвилями Р. Герца. Французький фізик Фелікс Саварі (Savary F., 1791-1841) в 1826 році відзначив коливальний характер електричного розряду, після того, як відмітив, що якщо за допомогою струму лейденської банки намагнітити сталеву спицю, то її намагнічення іноді відбувається в одному напрямі, а іноді в іншому, при тих же знаках заряду. У 1842 р. Д. Генри (1797-1878) і в 1847 р. Р.
Гельмгольц (1821-1894) пришли до висновку, “що розряд лейденської банки складається не з одного переходу електрики з одного обкладання на іншу, а з цілої серії швидко затухаючих електричних коливань". Теорія коливального характеру електричного розряду була дана Вільямом Томсоном (лорд Кельвін, 1824-1907), який в 1853 р. запропонував формулу залежності періоду коливань Т електричного розряду від ємності З і індуктивності L системи.
Важливим внеском у вивчення іскрового розряду з'явилися роботи німецького фізика Вільгельма Феддерсена (Feddeisen V., 1832-1918), який в період 1858-1862 г.г. досліджував розрядну іскру за допомогою дзеркал, що оберталися. Він встановив, що кожен розряд складається з цілої серії розрядів, а час між розрядами пропорційно кореню квадратному з твору місткості і самоіндукції ланцюга, в якому це відбувається. Це підтвердило теорію В. Томсона і переконливо довело, що електричний розряд має коливальний характер.
Вид іскри в дзеркалах, що обертаються, отриманий в експерименті В. Феддерсена, для підтвердження коливального характеру іскрового розряду. 1862 р.
Першим передавачем радіохвиль в дослідженнях піонерів бездротової телеграфії на початку був природний передавач - блискавка. Російський учений А. С. Попов в ході експериментів на початку квітня 1895 року приймав на сконструйований ним когерентний радіоприймач з релейним посиленням електромагнітні сигнали атмосферного походження, тобто розряди блискавок. Це було всього за декілька тижнів до офіційної демонстрації першої в світі системи радіозв'язку. З приводу "грозовідмітника" А. С. Попова один французький історик бездротового телеграфу сказав. "Вже в 1895 р.
коли ніхто ще не міг виступити з пропозицією бездротового телеграфу, був хтось, хто телеграфував за допомогою електрики. Цей "хтось" - була блискавка, яка телеграфувала А. С. Попову в його лабораторію "я тут" і давала йому точні вказівки свого капризного пути"'.
Принципова схема іскрової радіотелеграфної системи радіозв'язку А.С. Попова, квітень-травень 1895 р.
До - ключ, КР - котушка Румкорфа, П - переривник Вагнера, З - блокувальний конденсатор, В - хвилевий вібратор (антена передавача), Би - гальванічна батарея, А - антена приймача. Кг - когерер, L - котушка індуктивності, Р - реле, З - електричний дзвінок.
Вперше штучні електромагнітні хвилі, створені людиною, отримав Г. Герц під час проведення експериментів в 1888-1889 г.г. Він використовував іскровий генератор (котушка Румкорфа з лінійним вібратором), який завдяки коливальному характеру іскрового розряду дозволяв отримати швидко затухаючі електромагнітні хвилі. Для прийому електромагнітних хвиль, що з'явилися в просторі, Г. Герц використовував резонатор, який розташовував на деякій відстані від антени генератора. У момент уловлювання резонатором електромагнітних хвиль, в його іскровому проміжку з'являлися ледве помітні іскорки, які можна було побачити в лупу.
Перший в світі радіозв'язок був проведений А.С. Поповим 25 квітня (7 травня) 1895 року за допомогою іскрової пріємопередающей радіосистеми. Ця система радіозв'язку стала прототипом систем бездротової телеграфії першого покоління.
Під час існування штучної іскри встигає відбутися декілька десятків затухаючих коливань, поки із-за втрат енергії на активному опорі і за рахунок випромінювання різниця потенціалів не впаде до значення, при якому вже неможливий іскровий розряд. Після цього наступає порівняно великий період часу, коли вібратор не випромінює, а заряджає до пробійної напруги. Час "зарядки" звичайний в десятки і сотні разів перевищує час "роботи" (випромінювання) вібратора. Це є одна з основних причин малої середньої потужності іскрових генераторів радіохвиль.
Крім того, в станціях з безпосереднім збудженням антени спектр випромінюваних сигналів, унаслідок сильного загасання, був непомірно широкий, що створювало значні труднощі при організації радіоприйому.
Для зниження загасання в антенному ланцюзі іскрового передавача на початку 1900 р. німецький радіотехнік Фердинанд Браун запропонував винести розрядник з антенного ланцюга і пов'язати його антеною за допомогою одного або декількох зв'язаних контурів. Іскрові передавачі такого типу називали "відправниками Брауна". У схемі Брауна антенний ланцюг через котушку зв'язку зв'язувався із замкнутим коливальним контуром, в якому до електродів розрядника підводилася висока напруга, наприклад, від котушки Румкорфа. Місткість конденсаторів контура вибиралася чималою, щоб мати можливість накопичити в конденсаторах якомога більше енергії.
У атом випадку після пробою іскрового проміжку з'являлася можливість під час коливального розряду переходу енергії в антенний контур і збудження його на власній частоті. При збігу власних частот контура і антени, виходила зв'язана система двох контурів. При атом замкнутий контур з іскровим проміжком володів великим загасанням, а антенний контур мав порівняно мале загасання. При сильному зв'язку контурів, накопичена в замкнутому контурі енергія, після розряду передавалася в антену. Після загасання основних коливань в замкнутому контурі, частина енергії залишилася в антенному контурі поверталася в замкнутий контур і вибувала новий спалах в розряднику і т.д.
В результаті виникав коливальний процес в замкнутому і антенному контурі, і замість одноразового спаду струму виникало биття. При атом в замкнутому контурі значна частина енергії витрачалася даремно. Іскровий передавач по схемі Брауна мав дальність дії понад 10000 км. і завдяки слабкому загасань хвиль дозволяв проводити точне настроювання приймача на сигнал, що передавався.
Прінципіапьная схема іскрового радіопередавача Ф. Брауна (так званий “відправник Браунам). Позначення на схемі: Q1 - ключ, КР - котушка Румкорфа, ІР - іскровий розрядник.
Іскрові передавачі передавали інформації в телеграфному режимі за допомогою азбуки Морее. Осінню 1903 р. А. С. Попов і його учень С. Я. Лифшиц побудували першу іскрову радіотелефонну систему зв'язку. У системі використовувався іскровий передавач, в якому замість ключа був приєднаний мікрофон. У січні 1904 р. А. С. Попов продемонстрував роботу цієї системи перед учасниками 3-го Всеросійського електротехнічного з'їзду. Услід за цією роботою в 1904 р. з'явилися повідомлення про аналогічні експерименти по радіотелефонуванню за допомогою затухаючих коливань проведених італійським фізиком До. Майораной.
Технічні труднощі по модуляції затухаючих електромагнітних коливань так і не дозволили розробникам створити промисловий зразок іскрової системи зв'язку, здатного передавати мову.
Принципова схема іскрової радіотелефонної системи радіозв'язку А.С.Попова, осінь 1903 р.
Позначення на схемі: КР - котушка Румкорфа, ІР - іскровий розрядник.
Для досягнення слабкого загасання радіохвиль німецький фізик Макс Він (Wien Max) в 1902 році запропонував розділити іскровий розрядник на декілька автономних послідовно включених іскрових проміжків. Після досягнення напруги на розряднику певної величини відбувався послідовний пробій всіх іскрових проміжків. Провідність такого розрядника різко і швидко зменшувалася після закінчення першого ряду затухаючих коливань в замкнутому контурі, і він вже не пробивався знов, а енергія з антени взагалі не поверталася в коливальний контур. Система Вина отримала назву "Методу ударного збудження коливань".
Особливо добрі результати вона давала при живленні первинного контура передавача від генераторів струму підвищеної частоти (200-1000 Гц) через трансформатор, що підвищував. Сигнали, що в цьому випадку приймаються, після детектування в приймачі мали музичний тон, що полегшувало їх прийом в умовах перешкод від сигналів інших радіостанцій або атмосферних розрядів. Радіостанції з розрядником Вина називали радіостанціями із звучною іскрою. Сигнал іскрової радіостанції прослуховувався в навушниках радіоприймача у вигляді музичного тону певної висоти за умови, що швидкість появи іскр складала 500. . . 2000 іскр в секунду.
Були запропоновані і інші швидкі способи гасіння іскрового розряду. Найбільшого поширення набув механічний спосіб. Гасіння іскрового розряду відбувалося в результаті швидкого збільшення іскрового проміжку між нерухомими контактами, і контактами, що знаходяться на металевому диску, що обертається. У найбільш простому варіанті до двох нерухомих електродів розрядника підводилася висока напруга, між якими обертався електродвигуном металевий диску парним числом виступів. Контакти розташовувалися на діаметрально протилежних крапках щодо зубів диска. Відстань між електродом і зубом диска складала 0,5-1 мм.
Напруга до електродів підбиралася таким, щоб у момент знаходження зубів під електродами відбувався іскровий розряд. Якщо диск обертався із швидкістю n оборотів в секунду, і на нім було р виступів, то утворювалося nр іскр в секунду, і стільки ж комплектів радіохвиль випромінювалося антенною. Системи зв'язку з розрядниками, що обертаються, використовувалися на початку XX століття на могутніх радіостанціях Росії. Ходинськой, Царськосельською і Миколаївською.
Ходинськая іскрова радіостанція мала потужність близько 100 кВт і працювала на хвилі 7000-9000 м. Схема радіостанції містила послідовний LC контур, який заряджав від джерела живлення через дросель Др, а потім замикався накоротко у момент пробою іскрового розрядника Р. Индуктивность, що обертався, контура L була пов'язана з антенною котушкою LA, за допомогою якої затухаючі коливання високої частоти передавалися в антену. Іскровий розрядник був виконаний у вигляді мідного диска діаметром 0,7 м з масивними мідними зубцями. Цей диск важив 500 кг і обертався із швидкістю 1200 об/мин.
Живлення станції здійснювалося від 12 машин постійного струму МП, сполучених послідовно і що давали сумарну напругу близько 12 000 В. Параллельно машинам були включені буферні акумулятори місткістю 54 А-ч кожен. Вся система електроживлення була надійно ізольована від землі. Маніпуляція передавача проводилася за допомогою особливого автоматичного ключового пристрою До, високої напруги, що одночасно розривала ланцюг, в чотирьох місцях. Дуга, що виникала на контактах у момент їх розриву, гасилася стислим повітрям. Радіостанції цього типу дозволяли підтримувати зв'язок Російському Генеральному штабу з своїми союзниками, що входили до складу Антанти.
Принципова схема Ходинськой іскрової радіостанції. 1924 р.
Експлуатація передавачів із затухаючими коливаннями показала, що вони мають ряд недоліків, які дуже праця але усунути при використанні для збудження радіохвиль іскрового розряду. Головний з них полягав в тому, що іскрові передавачі випромінювали дуже широкий спектр частот унаслідок не синусоїдально і форми коливань і не когерентності від ділових затухаючих посилок. Дві іскрові станції з різними частотами, що несуть, настільки заважали один одному, що одночасна їх робота практично виключалася. Із-за дуже великого рівня створюваних перешкод іскровими генераторами їх робота була повністю заборонена з 1940 р.
Та все ж використання розряду електричної іскри для збудження радіохвиль не тільки зіграло важливу роль на початковому етапі розвитку радіозв'язку, але і стимулювало розробників на створення нових типів генераторів радіохвиль. Передавачі із затухаючими коливаннями з часом були витиснені більш довершеними генеруючими пристроями незгасаючих електромагнітних коливань.