4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Начав с самых обыденных предметов: кристаллов поваренной соли, котлов и зеркал, в этой главе мы расскажем о явлениях таинственных и необыкновенных: электромагнитной индукции, звездной аберрации, опытах по возбуждению и приему невидимых и неслышимых излучений. Расскажем об ионосфере Земли и трансокеанских связях, федингах, антиподах, свистящих атмосфериках и в заключение всего — о сигналах из далеких внеземных миров.

Поля и волны

Чего-то не хватает в этом заголовке? Может быть, лучше: «поля, леса и волны»? Тогда все было бы ясно, поговорили бы о просторных полях пшеницы, бескрайнем море лесов и белогривых пенящихся волнах в самом настоящем бескрайнем морском просторе! Но разговор предстоит о других полях и других волнах. Они невидимы, неслышимы и неосязаемы. Нет у человека органов чувств, способных улавливать электрические или магнитные поля, но, как мы видим, человека это не остановило. Он исследовал электромагнитные поля и волны, научился их создавать и улавливать, придумал для этого различные приборы. Приборы явились как бы дополнением к тем органам чувств, которые даны человеку природой, причем дополнением настолько совершенным, что мы теперь видим и слышим на расстояния в миллионы километров.

Мы много рассказали о передаче сигналов в эфир, по радио, но еще ничего не сказали о том, как это делается и какие физические процессы с этим связаны. Когда говорят о передаче в эфир, явно грешат против истины. Человеческий язык консервативен и долго хранит давно отживите слова. Говорим же мы до сих пор: «Слава богу», хотя прекрасно знаем, что никакого бога нет. Точно так же нет и никакого эфира. Бог нужен был для объяснения таинственных и непонятных явлений. Точно так же и эфир нужен был физикам для объяснения реально наблюдаемых явлений например, распространения света. Но развитие науки показывает, что существуют и другие объяснения. Оказалось, что свет есть электромагнитная волна, которая может распространяться и в вакууме.

Строение атома.

В нашей Вселенной есть две материальные субстанции: вещество и поле. Вещество все мы ясно себе представляем, а вот поле… В понимании физиков поле проявляется благодаря действию каких-либо сил. Силы могут иметь самую разную физическую природу и самое разное происхождение. Почему все тела притягиваются к Земле? Почему мы постоянно чувствуем собственный вес? И откуда он взялся, этот вес? Вес всех предметов обусловлен гравитационным полем Земли. Находясь в поле сил тяжести, все предметы испытывают силу притяжения она и есть вес.

Кроме гравитационных существуют и другие поля, в частности электрические. Их роль в мире мы явно недооцениваем. Атом составляет единое целое только потому, что легкие отрицательно заряженные электроны находятся в электрическом поле положительно заряженного ядра. Противоположные заряда притягиваются, поэтому электрон не так-то легко «оторвать» от ядра. Процесс удаления электрона из «родного» атома называется ионизацией. Она возможна при сильном нагреве, облучении квантами энергии, «обстреле» вещества элементарными частицами высоких энергий. Во всяком случае сообщаемая атомам энергия должна быть больше энергии ионизации атома, которая равна работе, совершаемой против сил поля ядра при «отрывании» электрона.

Атомы объединяются в молекулы электрическими связями. Вот, например, как устроена молекула обычной поваренной соли NaCl. Натрий легко отдает один электрон, находящийся на самой дальней от ядра орбите. Хлор «с удовольствием» захватывает этот электрон. В результате атом натрия становится положительным ионом, а атом хлора отрицательным. Они притягиваются друг к другу как заряды с противоположными знаками. Так получается молекула. Крупинка поваренной соли представляет собой одну большую «молекулу» — ионный кристалл, состоящий из великого множества ионов Na⁺ и Cl^-. Положительные и отрицательные ионы располагаются строго попеременно, вследствие электрических связей они объединяются в кристаллическую решетку, образуя твердое тело. Все окружающие нас предметы оказываются прочными и твердыми только благодаря межатомным электрическим полям.

Молекула поваренной соли.

Расположение ионов в кристалле поваренной соли.

Все мы знаем, что ядро атома очень мало по сравнению с самим атомом, но в то же время оно содержит почти всю массу атома, примерно 99,95 %. Если точка в конце этого предложения условно изображает ядро, то для того, чтобы нарисовать весь атом, понадобится трехметровый лист бумаги! Вот как мало ядро по сравнению с самим атомом. Что же находится в огромном пустом пространстве в атоме? Не воздух же, так как воздух и сам состоит из атомов, объединенных в еще более крупные молекулы. Электрическое поле! Вот насколько важны электрические поля в мироздании!

Электрические поля создаются зарядами. Но если заряд движется, он создает электрический ток. Обычный ток в проводнике, от которого светится, например, лампочка карманного фонаря, — это направленное движение множества электронов. Такое движение порождает поле иного вида — магнитное. Оно действует на другие движущиеся заряды, т. е. на другие токи. Ну а как же постоянный магнит, спросите вы? На первый взгляд в нем нет никаких токов, а магнитное поле он создает! На самом деле токи есть. Это электроны атомов, движущиеся по орбитам вокруг ядра и вращающиеся вокруг собственной оси. Каждый вращающийся электрон — это маленький кольцевой ток. Он и создает свое маленькое магнитное поле. Пока постоянный магнит не намагничен, все элементарные магнитные поля электронов направлены в разные стороны и их общее, усредненное магнитное поле равно нулю. Чтобы намагнитить кусок железа, надо поместить его в сильное внешнее магнитное поле. Тогда все электроны повернутся так, что их магнитные поля будут направлены в одну и ту же сторону, в сторону внешнего магнитного поля. Теперь уберем внешнее поле. Элементарные магнитные поля сохранят прежнее направление. Кусок железа стал постоянным магнитом.

Намагничивание вещества.

Не все вещества можно намагнитить, а только определенные. К ним относятся сплавы железа, никеля и др., а также искусственно созданные ферриты. Вое они называются ферромагнетиками.

Постоянные электрические и магнитные поля не могут существовать без своих источников, зарядов или токов. Но есть особый и, кстати, самый распространенный вид поля — электромагнитное. Оно может существовать и само по себе, в отрыве от источников. Но только электрическое и магнитное поля в нем должны быть переменными, быстро изменяющимися во времени. А само электромагнитное поле будет представлять собой волны, движущиеся (распространяющиеся) в пространстве.

Только волны

Итак, волны. Так емко, многообразно и содержательно это понятие, выражаемое простым словом, содержащим в лучших традициях телеграфистов, только пять букв (дело в том, что «усредненное» телеграфное слово содержит пять знаков). Волны расходятся и от брошенного в пруд камня, и от говорящего человека, и от звезды, затерявшейся в просторах Галактики, и от самой Галактики, представляющейся булавочной головкой в громадных, бездонных, непостижимых человеческому воображению глубинах открытого космоса. Посредством волн мы получаем практически всю (более 99 %) информацию об окружающем нам мире. Почему-то мы считаем реальными только твердые и осязаемые предметы, а волны представляются нам чем-то эфемерным, зыбким и неустойчивым. Однако волны не менее реальны, чем любые твердые и тяжелые предметы.

Электромагнитные волны переносят энергию. Вся жизнь на Земле существует только благодаря энергии Солнца, переносимой к нам электромагнитными волнами инфракрасного, оптического и ультрафиолетового диапазонов. Каждый квадратный метр земной поверхности получает около 600 Вт солнечной энергии. Если бы мы научились всю ее использовать, то на каждом квадратном метре можно было бы включить по электроплитке! А ведь между Землей и Солнцем нет никаких проводов или других материальных «энергетических мостиков» — только космическое пространство!

Возможность направленной передачи энергии с помощью электромагнитных волн давно интересует специалистов. Главная проблема заключается в том, чтобы энергия не рассеивалась в пространстве бесполезно, а по возможности вся поступала к потребителю. Следовательно, энергию электромагнитных волн необходимо сконцентрировать в очень узкий луч. Сделать это можно только при использовании очень коротких волн длиной в несколько миллиметров или еще меньше. Дело в том, что хорошо концентрируют энергию только излучатели (антенны) достаточно больших по сравнению с длиной волны размеров. Один из проектов предусматривает строительство в космосе электростанции, превращающей с помощью полупроводниковых солнечных элементов световую энергию Солнца в электрический ток. Этим током должны питаться мощные генераторы сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, снабженные большими антеннами, направленными на Землю. На Земле размещается мозаика из огромного числа приемных антенн с полупроводниковыми СВЧ детекторами, преобразующими энергию сверхвысокочастотных колебаний в постоянный электрический ток. Необходимость в большом числе приемников обусловлена тем, что каждый полупроводниковый приемник может работать лишь при сравнительно небольшой мощности. Но это пока всего лишь проект.

Как преобразовать энергии электромагнитного излучения Солнца в электрическую здесь, на Земле? Проще всего подвесить черный котел с водой в фокусе большого параболического рефлектора-зеркала. Вода в котле нагревается до высокой температуры и превращается в пар, который может вращать небольшую паровую турбину, или использоваться для обогрева теплиц и помещений. Подобные солнечные энергетические установки уже изготавливаются и устанавливаются в южных районах страны, где много солнечных дней в году, но в то же время трудно пользоваться обычными источниками энергии ввиду удаленности от промышленных и энергетических центров. Недостаток подобного способа использования солнечной энергии, переносимой электромагнитными волнами, очевиден: коэффициент полезного действия (КПД) паровой машины, так же как и старого паровоза, не превосходит 10.. 20 %. Желательно было найти преобразователи энергии с более высоким КПД. И в этом вопросе бурно развивающаяся полупроводниковая электроника не могла не сказать своего веского слова. Были созданы солнечные элементы — устройства, непосредственно преобразующие энергию световых волы в электрический ток. Если р-n переход полупроводникового диода осветить, на выводах диода появится небольшая разность потенциалов. Она вызвана так называемым вентильным фотоэффектом. Энергия квантов света, сообщаемая электронам полупроводника, помогает им преодолеть потенциальный барьер, существующий в области р-n перехода, в результате чего и возникает разность потенциалов. Подробнее о р-n переходе будет сказано в следующей главе, а пока лишь отметим, что инженерам удалось решить главную задачу сделать р-n переход достаточно большой площади, чтобы можно было собирать больше световой энергии. Один солнечный элемент с размерами 1 х 3 см развивает ЭДС до 0,5 В. Элементы соединяют в батареи площадью до нескольких квадратных метров. Подобная батарея может генерировать уже несколько киловатт электроэнергии, ведь КПД солнечных элементов очень высок и достигает 70.. 90 %. Солнечные батареи пока еще очень дороги, и поэтому их широко используют лишь для питания электронной аппаратуры искусственных спутников Земли, тем более, что погода вне атмосферы Земли всегда солнечная.

Солнечные батареи на космическом корабле.

Немало технических новинок с солнечными батареями создано и для земных условий. Сделаны радиоприемники и портативные радиостанции с солнечным питанием. Если первые служат в основном для развлечения, то вторые могут оказаться незаменимыми для геологов, туристов и прочего таежно-бродячего люда. Выпускаются микрокалькуляторы с питанием от солнечных элементов, причем для работы их даже не обязательно выносить на солнце, вполне достаточно света настольной лампы.

Предпринимаются попытки создать и более мощные конструкции — электромобили, яхты с электропитанием от солнечных батарей, однако ясно, что для успешной работы таких систем нужна ясная солнечная погода.

Электромобиль с солнечными батареями.

Энергия, переносимая электромагнитными волнами, зависит от мощности источника и расстояния до него. Солнце — чрезвычайно мощный источник электромагнитной энергии. И хотя расстояние от Земли до Солнца очень велико — оно составляет 149 млн. км, солнечной энергии хватает и для обогрева Земли, и для поддержания на ней жизни. Иное положение на далеких планетах Солнечной системы — там поток энергии значительно меньше. Чтобы установить зависимость потока энергии, переносимой электромагнитными волнами, от расстояния, окружим Солнце воображаемой сферой радиуса R. Через поверхность этой сферы пройдет весь поток энергии, излучаемой Солнцем, а площадь поверхности сферы составит 4?·R².

Увеличив радиус сферы вдвое, мы увеличим ее поверхность в четыре раза. Следовательно, поток энергии, проходящей через один квадратный метр нашей воображаемой поверхности, уменьшится также в четыре раза. Таким образом, поток энергии, переносимой электромагнитными волнами, обратно пропорционален квадрату расстояния от источника. Именно поэтому свет далеких звезд так слаб и его невозможно увидеть днем при ярком сиянии Солнца. И уж конечно, нельзя говорить об энергии света звезд в плане ее практического использования. Но звездный свет нам нужен, без него мы не представляем ясных летних ночей, без него мир был бы намного беднее. Информация, которую несет нам звездный свет, используют навигаторы, ученые, а уж о влюбленных и говорить нечего! Значит, и очень слабый поток электромагнитной энергии может быть чрезвычайно полезен — он может нести информацию!

Об информации, передаваемой световыми сигналами, мы уже говорили во второй главе, в частности о кострах на башнях. Для приема этой информации служил один из самых совершенных приемников электромагнитных волн, созданный природой, — человеческий глаз. Но распространение световых сигналов зависит от атмосферных условий в пасмурную, дождливую и туманную погоду электромагнитные волны светового диапазона сильно поглощаются. Этого недостатка нет у более длинных волн — радиоволн.

История их применения и использования очень коротка, она не насчитывает еще и века, но столь насыщена событиями, необычна и интересна, что о ней стоит поговорить подробнее.

Великие теоретики и великие практики

Путь к познанию и изучению электромагнитных волн был нелегок. Связь магнитного поля с порождающим его током установил X. Эрстед в 1820 году. Майкл Фарадей, замечательный английский физик-экспериментатор, задался противоположной целью — установить, а не может ли магнитное поле быть причиной возникновения электрического тока. Многочисленные опыты привели к успеху. Сейчас трудно даже представить, что пришлось преодолеть экспериментатору. Любому школьнику ясно, что катушку индуктивности надо наматывать изолированным проводом. Но в 20-х годах прошлого столетия это было совсем не очевидно! Где было взять изолированный провод, ведь промышленность его не выпускала? Да и электротехнической промышленности как таковой еще не было. Неизвестно, выпускалась ли вообще тонкая медная проволока. Поставим себя на место экспериментатора и даже облегчим задачу — допустим, что проволока у нас уже имеется. Для изготовления небольшой катушки ее требуется метров пятьдесят. Значит, нам предстоит обмотать эту проволоку бумагой или полосками ткани, да так, чтобы не осталось неизолированных мест. А теперь проволоку надо намотать на катушку, чтобы не повредить, и не сдвинуть нашу самодельную изоляцию. Не зря великий Т. Эдисон говорил, что научное творчество на 99 % состоит из вовсе не творческого, а рутинного труда.

Опыт по электромагнитной индукции.

Разумеется, опытами с электричеством занимался не один Фарадей. Рассказывают, например, такой курьезный случай. Один из физиков того времени был очень близок к открытию закона электромагнитной индукции. Он разместил рядом две катушки, к одной из которых был подключен гальванометр, а через другую пропускался электрический ток. Вся беда была в том, что, желая обеспечить чистоту эксперимента, источник тока с выключателем физик разместил в другой комнате. Ток выключен стрелка гальванометра на нуле, ток включен — стрелка опять на нуле. Она отклонялась в момент включения и в момент выключения тока, но на гальванометр в это время никто не смотрел физик уходил в другую комнату включать и выключать рубильник.

Кто знает, может быть, теснота лаборатории (не было другой комнаты) помогла Майклу Фарадею открыть и сформулировать закон электромагнитной индукции, носящий теперь его имя. Если магнитное поле, пронизывающее какой-либо контур (проволочный виток, рамку, катушку) изменяется, то в этом контуре возникает ЭДС, а следовательно, и электрический ток. Закон электромагнитной индукции позволил создать динамомашину — генератор электрического тока. Конструкция динамомашины мало изменилась до наших дней, увеличились лишь ее размеры и мощность. Огромные динамомашины — генераторы установлены и на тепловых, и на атомных, и на гидроэлектростанциях. Тем, что теперь в каждой квартире пользуются электроэнергией, что улицы больших и малых городов ярко залиты электрическим светом, ходят электропоезда, трамваи и троллейбусы, — почти всей современной энергетикой мы обязаны Фарадею и многочисленным физикам и электротехникам, работавшим посте него.

Что же главное в законе электромагнитной индукции? То, что ЭДС индукции пропорциональна не величине магнитного поля (постоянное поле ЭДС не создает), а скорости его изменения. Ну а что если проволочный виток — контур или катушку убрать, а переменное магнитное поле оставить? Тогда вокруг силовых линий магнитного поля Н тока не будет, но останется кольцевое электрическое поле Е. Оно как бы порождается изменениями магнитного поля.

Обратный эффект также существует. Если изменяется электрическое поле Е = Е(t), то вокруг его силовых линий возникает кольцевое магнитное поле Н. Эти явления были предсказаны великим физиком-теоретиком Джеймсом Кларком Максвеллом в середине прошлого столетия. Максвелл вывел стройную систему уравнений, описывающих взаимосвязь переменных электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла и сейчас используются в электродинамике при расчетах антенн, волноводов, условий распространения радиоволн над земной поверхностью и решении многих других прикладных задач. Из этих уравнений Максвелла следует, в частности, существование электромагнитных волн, свободно распространяющихся в пространстве. Уравнения дают и скорость распространения этих волн, которая, как оказалось, совпадает со скоростью света.

Здесь просто необходимо сделать небольшое отступление. Скорость света к описываемому времени была известна уже достаточно точно. Впервые ее измерил датский астроном О. Ремер еще в 1675 году. Предвижу недоуменный вопрос читателей: а как ему это удалось в столь древние времена? Ремер наблюдал за затмениями спутников Юпитера. Еще непонятнее? Причем тут спутники Юпитера?

Мне хочется описать эти наблюдения подробнее, чтобы читатель мог оценить остроту мысли и тонкость эксперимента ученых. Допустим, в какой-то момент Земля и Юпитер находятся по одну сторону от Солнца, т. е. максимально близко друг от друга. Астроном определяет момент, когда спутник Юпитера скрывается за планетой, а затем и период обращения спутника вокруг Юпитера.

Небесные «часы» очень точны, а законы механики неизменны. Теперь можно рассчитать моменты заходов спутника за планету на много месяцев вперед. Сделаем эти расчеты и подождем. Через несколько месяцев Земля окажется в другом положении относительно Солнца, а Юпитер, обращающийся вокруг Солнца значительно медленнее, сдвинется от прежнего положения незначительно. Опять наблюдаем спутник и убеждаемся, что он «заходит» позже, чем было рассчитано! Чем это объяснить? Только тем, что Земля теперь дальше от Юпитера и свету требуется некоторое время, чтобы преодолеть это дополнительное расстояние. Измерив запаздывание заходов спутника и оценив, насколько увеличилось расстояние, мы можем вычислить скорость света! Ремер получил значение 215000 км/с.

Полвека спустя английский астроном Брэдли заметил, что видимое положение звезд на небесной сфере подвержено сезонным изменениям. Изменение невелико и может достигать 41 угловой секунды за полгода. Еще через полгода звезды возвращаются на прежнее место. Это явление называется звездной аберрацией. Разумно предположить, что звезды здесь ни при чем, а эффект имеет причиной вращение Земли вокруг Солнца.

Вам случалось ехать в трамвае или автобусе в дождь? Замечали, что капли дождя оставляют на стекле не вертикальные, а наклонные дорожки? Простая векторная диаграмма объясняет почему так происходит. Чтобы найти угол наклона траектории капли на стекле, надо знать лишь скорость падения капли и скорость трамвая.

Абберация дождевых капель.

То же и со светом. Падающая на Землю со скоростью с световая волна будет восприниматься с иного направления, если Земля движется со скоростью v. Знак отклонения изменяется на обратный через полгода, когда направление скорости Земли изменится на обратное. Скорость Земли на орбите хорошо известна из других астрономических наблюдений. Она составляет около 30 км/с. После продолжительных и тщательных наблюдений (обратите внимание, что работа должна была продолжаться несколько лет) Брэдли нашел скорость света, весьма близкую к истинной, — 303 000 км/с.

Как видим, все ранние попытки определения скорости света связаны с астрономическими наблюдениями. И эту информацию нам принес очень слабый, мерцающий и таинственный звездный свет! Но было интересно измерить скорость света и в наших, земных условиях. Впервые это сделал французский физик Л. Физо в 1849 году. Его экспериментальную установку можно было бы назвать, пользуясь современной терминологией, светодальномером с механической модуляцией светового потока. Вкратце суть опыта состояла в следующем. Свет лампы проходил сквозь зубья быстро вращающегося колеса и направлялся на удаленное зеркало. Расстояние до зеркала достигало 8,6 км! Отраженный от зеркала свет проходил сквозь те же зубья и наблюдался с помощью зрительной трубы. Мы не зря употребили термин «модуляция светового потока». Ведь зубчатое колесо превращало излучаемый световой поток в последовательность коротких световых импульсов. Если отраженный импульс приходил в тот момент, когда перед глазом наблюдателя располагался «зуб» вращающегося колеса, света не было видно. Стоило изменить скорость вращения колеса, и отраженные световые импульсы, проходя в промежутки между зубьями колеса, становились видимыми. Несложный расчет позволяет связать скорость света с числом зубьев колеса, скоростью его вращения и расстоянием до зеркала-отражателя. Физо получил значение скорости света 313000 км/с.

Преемником Физо стал замечательный американский экспериментатор А. Майкельсон. Собственно, почти всю свою научную и практическую деятельность он посвятил одной цели — точному определению скорости света в различных условиях.

Майкельсон существенно усовершенствовал установку Физо и предложил много новых оригинальных приборов. С помощью оптического прибора — интерферометра, носящего теперь его имя, он сумел на коротких дистанциях измерить линейные перемещения с точностью до десятых долей микрометра. Опыты Майкельсона помогли решить многие фундаментальные вопросы физики. Было показано, например, что скорость света не зависит от скоростей источника или наблюдателя. Она всегда постоянна. Этот экспериментальный факт лег в основу теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном.

Опыт Майкельсона.

Эксперименты А. Майкельсона в 1881–1887 годах произвели подлинную революцию в мышлении физиков. До того времени многие верили в существование некоего «эфира», колебания которого и являются световыми волнами. Ведь морские волны распространяются по поверхности воды, звуковые — в воздухе, жидких и твердых средах. Казалось бы, и свет должен распространяться в какой-то среде. Но если это так, то Земля, вращаясь вокруг Солнца, должна двигаться сквозь эфир, на Земле должен дуть «эфирный ветер». Идея опыта Майкельсона была проста. Если одно плечо интерферометра расположить вдоль направления движения Земли, а другое поперек, то скорость света в плечах окажется разной. Повернув интерферометр на 90°, т. е. поменяв плечи местами по отношению к движению Земли, мы должны увидеть смещение интерференционных полос. Для повышения точности эксперимента была построена уникальная установка. На кирпичном фундаменте расположили кольцевой чугунный желоб, наполненный ртутью. В ртуть погружался кольцевой поплавок, повторяющий форму желоба, но не соприкасающийся с его стенками. На поплавок положили массивную каменную плиту, а на ней установили зеркала интерферометра. В каждом плече свет переотражался несколькими зеркалами, чтобы увеличить действующую длину плеч (примерно до 11 м). Установка позволяла очень плавно, без толчков и вибраций поворачивать интерферометр. Чувствительность прибора в 40 раз превосходила требуемую для обнаружения «эфирного ветра». И что же?

Как бы ни поворачивали интерферометр, в какое бы время суток или года ни проводили измерения, никакого смещения интерференционных полос обнаружено не было. Значит… значит, нет и «мирового эфира», а скорость света не зависит от движения самой установки.

В 1932 году для точного измерения скорости света в вакууме Майкельсон произвел еще один уникальный опыт. Свет заставили распространяться в трубе длиной 1,6 км, из которой откачали воздух. Измерения проводили с помощью вращающейся призмы, осуществлявшей механическую модуляцию светового потока. Точность измерения скорости света в опытах Майкельсона достигла 1 км/с. Великие экспериментаторы уходят, но проблемы остаются. Совсем недавно, в 60-х годах нашего столетия на Луну с помощью ракеты был доставлен зеркальный лазерный отражатель. С Земли навели на него лазерный светодальномер, уже не с механической, а с электронной модуляцией светового потока. Светодальномер обеспечил поразительную точность измерения запаздывания отраженного светового сигнала (как известно, расстояние от Земли до Луны составляет 380000 км, а запаздывание отраженного сигнала достигает 2,5 с). Этот совместный советско-французский эксперимент нужен был для особо точного измерения астрономических расстояний. И что же? Возможности прибора полностью реализованы не были. Оказалось, что мы недостаточно точно знаем скорость света, чтобы вычислить искомое расстояние!

Срочно несколько научных лабораторий мира взялись за решение проблемы. Было предложено использовать независимые измерения частоты и длины волны лазерного излучения, а затем вычислить скорость света по известной формуле с = ?·f. В Новосибирском институте физики полупроводников придумали способ стабилизации частоты газового лазера с точностью до 10^-12. В лабораториях Национального бюро стандартов и Массачусетеского технологического института США с помощью ряда хитроумных преобразований частоту излучения лазера измерили электронным цифровым частотомером. Длина волны измерялась прецизионным оптическим интерферометром. В результате теперь мы знаем скорость света с точностью до 3·10^-9. Она составляет 299 792 458 ± 1 м/с. Хорошо, что за время этих исследований уголковому отражателю на Луне ровным счетом ничего не сделалось — ведь он представляет собой конструкцию из металлических зеркал.

Но вернемся к великим теоретикам и практикам прошлого века. Убедившись, что скорость электромагнитных волн близка к скорости света, в 1864 году Максвелл высказал смелое и блестяще подтвердившееся предположение, что свет есть электромагнитная волна. С помощью интерферометров определили и длины световых волн, лежащие от 0,4 мкм (синий свет) до 0,7 мкм (красный свет). Но кроме световых должны существовать и другие электромагнитные волны. Известно было о существовании более коротких, ультрафиолетовых волн. Еще в начале XIX века открыли инфракрасные волны. Предстояло экспериментально обнаружить еще более длинные электромагнитные волны, которые теперь называют радиоволнами. Их обнаружили опытным путем через 20 лет после предсказания Максвелла.

В 1886 -1889-х годах Генрих Герц построил искровой генератор электромагнитных волн и исследовал их свойства. Устройство искрового генератора заслуживает более подробного описания. Основа его колебательный контур, известный нам из предыдущей главы. Но колебания в реальном контуре быстро затухают, и, чтобы поддерживать серию колебаний, надо снова и снова заряжать конденсатор и переключать его от источника напряжения к катушке. Этим быстродействующим коммутатором и служит искровой промежуток между двумя металлическими шариками. Искру дает индукционная катушка, или катушка Румкорфа. Сейчас мало кто знает, что это такое, и тем более плохо представляет себе устройство индукционной катушки. А ведь более полувека она была одним из наиболее распространенных устройств в электротехнике. (Разновидность индукционной катушки и до сих пор используется в системах зажигания автомобилей.) Ток батареи G, проходя через первичную обмотку индукционной катушки, намагничивает ее железный сердечник, который притягивает подвижный контакт, и цепь разрывается. Магнитное поле исчезает, и контакт замыкается снова. Частота прерываний тока невелика и составляет 10²… 10³ раз в секунду. Но самое интересное происходит в момент размыкания цепи. В обмотках индукционной катушки возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока. Эта скорость очень велика, ведь контакты размыкаются практически мгновенно. В результате в момент размыкания на выводах первичной обмотки возникает импульс напряжения, в несколько десятков раз превышающий напряжение батареи! Например, при напряжении батареи 12 В несложно получить импульс напряжения 300…400 В.

Вторичная обмотка содержит гораздо больше витков, и импульс напряжения на ее выводах может достигать нескольких тысяч вольт или даже десятков киловольт. До такого же напряжения заряжается и конденсатор контура С. Искровой промежуток S регулируют так, чтобы он пробивался при напряжении, близком к максимальному, развиваемому индукционной катушкой. Проскочившая искра замыкает цепь колебательного LC-контура, и в нем возникает серия затухающих колебаний.

Возбуждение колебаний индукционной катушкой.

Итак, индукционная катушка позволила возбуждать серии затухающих колебаний высокой частоты. Но как же излучить их в пространство в виде волн? Генрих Герц полагал, как это и следует из уравнений Максвелла, что чем быстрее изменяются электрические и магнитные поля, тем эффективнее излучаются волны. Стремясь повысить частоту колебаний контура, Герц оставил в катушке контура всего один виток, а площадь пластин конденсатора уменьшил до предела. В результате получился вибратор, состоящий из двух стерженьков с искровым промежутком между ними. Оказалось, что вибратор Герца эффективно излучает волны с длиной, равной удвоенной длине вибратора. Теперь-то мы знаем, что вибратор Герца представляет собой обычный полуволновый диполь. Посмотрите на любую крышу, и вы увидите телевизионные антенны, представляющие собой систему диполей.

Приемником колебаний служил другой диполь с очень близко расположенными шариками разрядника. Когда искра проскакивала в передающем диполе, крошечную искру можно было наблюдать и в приемном! Так экспериментально была осуществлена передача электромагнитных волн радиодиапазона на расстояние в несколько метров. Оказалось, что прием наиболее эффективен, когда приемный вибратор настроен в резонанс с передающим. Длины вибраторов при этом одинаковы.

Опыты Герца, выполненные в 1887-1888-х годах, вызвали огромный интерес у физиков и инженеров. Многие стали их повторять, видоизменять и совершенствовать. П. Н. Лебедев, замечательный русский физик, открывший, в частности, давление света, сконструировал вибратор на длины волн до трех сантиметров (в опытах Герца длина волны составляла около трех метров). Это были совсем крошечные вибраторы! Были исследованы явления отражения и преломления электромагнитных волн на границе раздела различных сред. Наблюдали отражение волн от металлического листа, преломление волн призмой, изготовленной из диэлектрика. Значительно более мощные электромaгнитные колебания, но меньшей частоты позволил получить трансформатор Тесла, вторичная обмотка которого L₂ была настроена в резонанс с первичной L₁. Поскольку конденсатор во вторичной обмотке отсутствовал, число витков ее было значительно больше, чем в первичной, что обеспечиваю на вибраторе напряжения до миллиона вольт!

Опыт Герца.

Искровой радиопередатчик с трансформатором Тесла.

Наконец мы вплотную подошли в нашем рассказе к моменту изобретения радио. Разумеется, вы знаете, кто это сделал. Наш соотечественник, преподаватель физики минных офицерских классов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Ему удалось сконструировать приемник электромагнитных волн, обладающий достаточной для практических целей чувствительностью. Вспомним приемный вибратор Герца. Для того чтобы в его разряднике проскочила искра, необходимо, чтобы электромагнитная волна развила в нем напряжение в несколько сотен вольт. А это значит, что напряженность поля электромагнитной волны должна быть также около сотен вольт на метр (ведь длина вибратора была близка к 1 м).

Напряжение в вибраторе рассчитать очень просто: надо напряженность электрического поля волны помножить на эффективную (действующую) длину вибратора. Обычно она составляет приблизительно 0,7 геометрической длины вибратора. Столь сильные поля создают лишь близкие разряды молнии.

Колебания в вибраторе Герца.

Излучение волн вибратором Герца (показана конфигурация силовых линий электрического поля в моменты 1–3, следующие через четверть периода).

Однажды я неторопливо отсоединял от своего любительского передатчика фидер антенны, любуясь в окно красивой грозовой тучей. В туче сверкнула молния, и в тот же миг между выводами антенны и заземления, находившимися у меня в руках, проскочила с сухим треском голубоватая искра длиной в несколько сантиметров! Хорошо, что выводы были с толстой изоляцией. Дрожащими руками я все-таки соединил эти выводы, заземлив антенну, и стал вспоминать Г. В. Рихмана, сподвижника М. В. Ломоносова, погибшего во время грозы при опытах с металлическим стержнем на крыше (впоследствии этот стержень, только заземленный, стали называть громоотводом). С тех пор я всегда отключаю антенну задолго до приближения грозы, хотя все конструкции моих антенн имеют надежную грозозащиту.

Антенна радиостанции, выполненная в виде вертикальной мачты длиной в четверть волны (электрические силовые линии замыкаются на землю, магнитные — образуют кольца вокруг мачты).

Но вернемся к приемнику А. С. Попова. Вместо искрового промежутка в приемном вибраторе Попов использовал когерер, прибор, изобретенный незадолго до этого французом Э. Браили. Когерер представлял собой стеклянную трубку с двумя выводами, между которыми были насыпаны железные опилки. Из-за тончайшего слоя окиси на поверхности опилок сопротивление когерера велико, но лишь до тех пор, пока на его выводах отсутствует напряжение, безразлично, переменного или постоянного тока. Как только прикладывается напряжение, наведенное электромагнитной волной, сопротивление когерера резко падает. Это объясняется действием мельчайших искр, пробивающих слой окиси между опилками и как бы сваривающих опилки между собой. Чтобы разрушить образовавшиеся мостики для электрического тока, когерер достаточно было встряхнуть. К когереру подводились колебания, наведенные принимаемой волной в приемном вибраторе. Следующий важный элемент приемника А. С. Попова релейный усилитель постоянного тока. Относительно слабый ток через когерер приводил в действие чувствительное реле, контакты которого замыкали цепь электрического звонка. Устройство звонка во многом было аналогично устройству катушки Румкорфа, отсутствовала лишь вторичная обмотка. Молоточек звонка в приемнике Попова ударял не только по колокольчику, но, отскочив, еще и по когереру. Таким образом, когерер автоматически встряхивался после приема каждого электромагнитного импульса и был готов к приему следующего.

Еще одно важное усовершенствование приемника Попова заключалось в использовании приемной антенны. Ведь чем длиннее провод антенны, тем большее напряжение наводит в нем электромагнитная волна. Проволочная антенна, протянутая к ближайшему дереву или на крышу дома, представляет собой как бы одну половину вибратора Герца. Но нужна и вторая половинка противовес. Роль противовеса с успехом выполняет заземление. Токи, которые должны были бы течь в противовес, могут просто растекаться по поверхности и в толще земли, ведь обычная, достаточно влажная почва неплохо проводит электрический ток.

Наконец приемник был готов. Но еще не было передатчика! Можно было принимать лишь радиосигналы естественного происхождения. Они генерируются при каждом разряде молнии, ведь молния представляет собой гигантскую искру, а канал ионизированного газа, образующийся при разряде, прекрасно проводит электрический ток и служит передающим вибратором. А. С. Попов назвал свой приемник грозоотметчиком. С подключенной наружной антенной удавалось регистрировать грозы на расстояниях до 30 км. Каждый разряд молнии сопровождался коротким треньканьем звонка в приемнике! Это устройство А. С. Попов продемонстрировал 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества.

Начиная с 1945 года ежегодно 7 мая отмечается как день рождения радио.

Опыты продолжались. Интересно было принимать искусственно создаваемые сигналы. Искровой передатчик тоже совершенствовался: к нему присоединили антенну, что значительно увеличило длину вибратора. Передачи стали осуществляться на более длинных волнах. К радиоприемнику был присоединен телеграфный аппарат.

И вот 24 марта 1896 года были продемонстрированы передача и прием сигналов азбуки Морзе с записью на ленту телеграфного аппарата. Адмирал С. О. Макаров заинтересовался опытами А. С. Попова и оказал изобретателю большую помощь. В результате весной 1897 года была передана первая радиограмма с корабля на берег, уже на расстояние 640 м.

Первый радиоприемник А. С. Попова.

Успешные опыты по радиосвязи проводились и за границей. Здесь надо упомянуть прежде всего талантливого итальянского инженера Г. Маркони, с огромной энергией внедрявшего достижения радиосвязи в практику. В 1897 году он получил в Великобритании патент на «способ сигнализации на расстоянии» и организовал компанию, в настоящее время носящую его имя. Обладая миллионными капиталами, компания развернула широкое производство радиотелеграфных аппаратов и приступила к осуществлению проекта трансокеанской связи между Европой и Америкой. В то же время на прошение А. С. Попова о выделении трехсот рублей на опыты царский морской министр наложил резолюцию: «На такую химеру денег отпускать не разрешаю!»

В процессе экспериментов была открыта возможность слухового приема на «телефонные трубки», как тогда называли обычные наушники. Дальность связи резко возросла, и все большее число людей проникались мыслью о широком практическом использовании нового изобретения.

«Не было бы счастья, да несчастье помогло», — говорит русская пословица. Ноябрьской ночью 1899 года в кромешной темноте, во время снежного шторма, не имея ни малейшей возможности определить свое местонахождение (радионавигационных приборов, разумеется, еще не было), новый, только что построенный броненосец «Генерал-адмирал Апраксин» оказался на камнях у пустынного острова Готланд в Финском заливе. Надо было срочно организовать спасательные работы, а для этого нужна связь. И А. С. Попов со своим постоянным помощником П. Н. Рыбкиным решили эту проблему. Одна станция была установлена на острове, другая — на материке, вблизи финского города Котка. Длина линии связи достигла 44 км! Связь бесперебойно действовала по апрель 1900 года, пока велись спасательные работы. А 6 февраля этого же года радио спасло жизнь 27 рыбакам, которые оказались в открытом море на льдине, оторвавшейся от берегового припая. Сейчас бы, как это случилось в январе 1987 года на Рижском заливе, вызвали спасательные вертолеты. В 1900 году их не было, но зато было радио! «Командиру «Ермака». Около Лавенсаари оторвало льдину с рыбаками. Окажите помощь» — вот текст радиограммы, принятой П. Н. Рыбкиным на острове Готланд. Ледокол «Ермак» немедленно вышел в море, разыскал льдину с рыбаками и спас людей. Так описывают первый случай, когда радио сохранило жизнь людям. С тех пор подобных случаев было множество. Спустя двенадцать лет только благодаря радио была спасена часть пассажиров печально известного океанского лайнера «Титаник».

Но пожалуй, пора отвлечься от истории радиотехники — она столь обширна и увлекательна, что ей следовало бы посвятить отдельную книгу, и пойдем дальше.

Распространение радиоволн над земной поверхностью

Рассмотрим, как же распространяются радиоволны электромагнитные волны длиной более долей миллиметра. В пустоте, в открытом космосе электромагнитная волна распространяется прямолинейно, причем направление вектора напряженности электрического поля E^? перпендикулярно направлению распространения c^?. Вектор магнитного поля Н^? также перпендикулярен вектору с^? и одновременно вектору Е^?. Все три вектора образуют правовинтовую систему. Если излучатель воли изотропный, т. с. всенаправленный, то и волны распространяются во все стороны от него. Бросьте камень в пруд. И вы увидите волны, расходящиеся правильными концентричными окружностями. Объяснить это явление можно тем, что скорость распространения волн на поверхности воды, так же как и радиоволн в открытом пространстве, одинакова во всех направлениях.

Структура электромагнитной волны.

Как обстоит дело в земных условиях? Здесь даже аналогию придумать трудно, ведь Земля имеет форму шара. Согласитесь, нелегко представить себе шарообразный пруд. Если бы не было атмосферы, радиоволны из любой точки распространялись бы по касательной к поверхности. Связь можно было бы осуществить только в пределах прямой видимости между мачтами антенн. Это расстояние не так уж и мало. Читатели, достаточно сведущие в геометрии, легко решат задачу о дальности прямой видимости между двумя возвышенными точками. Мы же просто приведем готовую формулу

где R_з — радиус Земли; h₁ и h₂ - высоты мачт антенн.

Как видим, дальность пропорциональна корню квадратному из высоты мачты антенны. Например, два человека среднего роста на идеальной сферической Земле видят друг друга на расстоянии 8 км.

Определение дальности прямой видимости.

Заметим, что они видят только головы друг друга, а туловище и ноги надежно скрыты за горизонтом! Идеальную сферическую поверхность можно найти только в море, и моряки отлично знают этот эффект: сначала из-за горизонта показываются только верхушки мачт встречного корабля, видимая их часть все увеличивается по мере сближения кораблей, и уже в последнюю очередь видны корпус и палубы.

Так появляется корабль из-за горизонта.

Мы сейчас упомянули о распространении электромагнитных волн оптического диапазона световых волнах. Ведь только благодаря световым волнам мы видим то, что мы видим. Почти так же, как световые, распространяются и более длинные инфракрасные волны и еще более длинные миллиметровые и сантиметровые волны. Но здесь необходимо сделать ряд оговорок. Атмосфера может сильно поглощать некоторые волны с определенными длинами. Действует уже знакомое нам явление резонанса. Молекулы газов атмосферы ведут себя в поле электромагнитной волны как электрические диполи. А если диполь настроен в резонанс с частотой воздействующей на него волны, то он начинает интенсивно возбуждаться. Атомы в молекуле приходят в колебательное движение, а энергия волны, естественно, расходуется на возбуждение этих колебаний. Кислород интенсивно поглощает излучение с длинами волн около 0,5 см, а водяной пар — 1,35 см. На более коротких, субмиллиметровых волнах находятся линии поглощения большинства атмосферных газов, и условия распространения этих волн весьма неблагоприятны. Зато для более длинных волн, сантиметровых, дециметровых и метровых, атмосфера практически прозрачна. Все эти диапазоны относят к ультракоротким волнам (УКВ). Даже сильный дождь поглощает лишь самые короткие сантиметровые волны, тогда как более длинные волны УКВ диапазона хорошо распространяются в любую погоду.

Поглощение сантиметровых и миллиметровых волн в атмосфере.

На Останкинской башне размещены антенны Московского телецентра. Ведь УКВ распространяются прямолинейно, а с высокой башни телевизионный передатчик, работающий в диапазоне УКВ, освещает большую территорию. Были проекты размещения телевизионных антенн и на аэростатах, и на самолетах. Вот на создание каких проектов вынуждает нас кривизна поверхности Земли. В последние годы проблему предлагают решить еще радикальнее — установить телевизионные передатчики на искусственных спутниках Земли. Собственно, передачи со спутников уже давно ведутся. Только для их приема нужны достаточно большие антенны и специальные приемники. Но теперь наступает новая эра — эра прямого телевизионного вещания со спутников, когда каждый телезритель, направив антенну в небо, сможет принимать телепередачи в любой точке страны. Здесь не лишне заметить, что впервые подняли антенну на воздушном шаре А.С. Попов и П.Н. Рыбкин!