От первых электрических звонков до «звонкового» реле в радиоприемнике А. С. Попова

Хасапов Борис , Ян Шнейберг

Ямская почта «делегирует» термины электросвязи

Широко известно сочинение А.Н. Радищева «Путешествие из Петербурга в Москву», изданное в 1790 г. По своим названиям главы произведения соответствуют поселкам и городам, расположенным на этом тракте (раньше – большая почтовая дорога). Если посмотреть на карту, то многие поселки (Тосна, Любань, Чудово и др.) отстоят друг от друга на расстоянии 20–30 верст. В России всегда были плохие дороги, поэтому скорость передвижения почтовых кибиток была небольшой. Лошади быстро уставали, им нужно было дать отдохнуть, накормить и напоить. Для этого на трактах через определенное расстояние устраивались так называемые станции, оборудованные конюшнями, постоялыми дворами, трактирами.

Прибывая на станцию, экипаж менял лошадей и отправлялся в путь в той же самой кибитке. Таким способом можно было преодолевать расстояния в 5–6 раз быстрее, чем путешествуя с одной упряжкой.

Интересно, что в первых линиях электрического телеграфа приблизительно такие же способы были применены для создания дальней электросвязи, а «осколки» терминологии путешественников того времени сохранились в названиях суперсовременных устройств связи: тракт связи, радиостанция, станция космической связи.

Далеко не всем известно, возможно даже специалистам-релейщикам, что слово реле происходит от французского relayer — сменить, заменить. Так во Франции назывались промежуточные станции конного транспорта, обеспечивавшие поставку свежих лошадей. Позднее реле, использовавшиеся для изменения режимов электрических цепей (включение, выключение), стали одним из основных устройств систем связи, управления и автоматики.

Первый электрический сигнализатор

Как известно, электросвязь играет важнейшую роль в жизни современного общества. Потребовались усилия тысяч людей, изобретателей, инженеров и ученых, чтобы достичь успехов электросвязи, свидетелями которых мы являемся.

Потребность в средствах связи возникла задолго до нашей эры. Еще в VI в. до н.э. в Персии сообщения от одного к другому передавали звучными голосами рабы, а для усиления звука чуть позднее стали применять рупоры. Гонги в Китае, барабаны в Африке, сигнальные костры и факелы, телескопы и подзорные трубы — все это широко использовалось для передачи особо важных сообщений. Значительным достижением явилось создание в XVIII в. оптического семафорного телеграфа; в частности, блестящие победы Наполеона во многом обязаны этому телеграфу. В России линия оптического телеграфа между Петербургом и Варшавой (1839) была самой длинной в Европе: на расстоянии 1200 км было установлено 149 башен, их обслуживали почти 2000 человек, сигнал доходил за 15 минут, а депеша, состоявшая из 100 сигналов, за 35 минут.

Изучение электростатических явлений в середине XVIII в. показало возможность эффективной передачи сигналов посредством электричества. В качестве сигнализаторов использовались разнообразные конструкции электриепременным атрибутом первых электроавтоматических устройств и средств связи.

В некоторых публикациях можно встретить утверждение, будто электрический звонок стал впервые применяться в конструкциях телеграфного аппарата в середине XIX в. На самом деле электрические звонки появились на столетие раньше. История их создания весьма поучительна с точки зрения попыток практического использования знаний об электричестве.

Нередко изобретения электрических «колокольчиков» приписывают американскому ученому Б. Франклину. Сообщения об его опытах относятся к 1747 г. Но уже в 1745 г. в России М.В. Ломоносов писал о своих наблюдениях «электрического звона»: «колокольчики звонить скоро перестают, ежели тот, который наэлектрен, не имеет сообщения с такими телами, по которым электрическая сила скоро простирается. Звонить не скоро перестают, ежели с оными совокуплены». Очевидно, ученый с помощью электрического звонка делал какие-то наблюдения, хотя точно известно, что он не является его изобретателем.

Родоначальник учения об электричестве в России

Г. В. Рихман, приступая к своим первым экспериментам, указал список литературы с именами авторов, опыты которых с колокольчиками он повторял. Но имени изобретателя звукового сигнализатора им не указывается, может быть, оно и не было известно.

Рихман описывает несколько созданных им «колокольчиков», действовавших на основе электростатической индукции. В одной из них «железный молоточек» весом 12 граммов подвешивался на проводящей нити, соединенной с кондуктором электростатической машины. Возле него на стеклянной подставке устанавливался металлический колокольчик весом 300 граммов. При включении электростатической машины подобно тому, как натертая расческа притягивает листочки бумаги, молоточек будет притягиваться к колокольчику, который «издаст звон», а молоточек разрядится, но, получив еще порцию заряда от машины, повторит цикл снова. Все это будет происходить, до тех пор пока «... колокольчик не зарядится до такой степени, что звонки прекратятся».

Далее Рихман писал: «Молоточек, «передвигаясь в сторону колокола и ударяя в него частыми ударами, производил пронзительный звук, а вместе с тем порождал свет, видимый в темноте и даже в сумерках». Очевидно, это были искры, возникавшие при контакте молоточка с колокольчиком. Ученым был предложен также электростатический звонок с пятью колокольчиками. По-видимому, издаваемые звуки были весьма разнообразны, так как каждый колокольчик мог иметь свой тон. Рихман обратил внимание и на такой факт: «Повторяя опыты неоднократно в присутствии многих коллег, я приметил не без удовольствия, что звук колокола может служить хорошим указателем на присутствие более сильного электричества». Возможно, этим свойством пользовались ученые во время экспериментов, ведь никаких измерительных приборов тогда не существовало.

«Електрическая колокольная игра» описана в книге «Електрические опыты любопытства и удивления достойные, сочиненные англинским королевским мехаенной с немецкого и изданной в Москве в 1793 г. Медные шарики, висящие на шелковых нитках, притягиваются, а затем отталкиваются «маленькими колокольчиками», соединенными с электростатической машиной. «Начни вертеть машину; то колокольчики будут беспрестанно звенеть, доколе електричество продолжаться будет».

В списке физических приборов Московского университета в начале XIX в. было несколько колокольчиков для «электрического звона». Приведем дословно весьма любопытное и очень понятное описание одного из приборов, данное профессором Иваном Двигубским в его учебнике «Физика», изданном в Москве в 1825 г. в университетской типографии (рис. 1).

«К медному пруту AB, имеющему посредине крючок, привесь на шелковых ниточках два металлических шарика и три колокольчика, из которых средний D повесь на шелковой нитке и сообщи его с землею посредством медной цепочки IH, а другие два G и F на металлических проволоках.

Сей снаряд повесь на кондуктор, и когда боковые колокольчики G и F будут наэлектризованы, то они притянут к себе висящие на шелковинках медные шарики, сообщат им часть электричества, отчего шарики назад отскочат и будут привлечены средним колокольчиком D, который отнимет у них часть электричества и сообщит его земле посредством цепочки IH. Поелику шарики, коснувшись среднего колокольчика, потеряют свое электричество и будут находиться в естественном состоянии, то снова будут притягиваемы колокольчиками G и F и снова отталкиваемы, почему и будет слышен от колокольчиков звон, до тех пор пока будет в действии электрическая машина».

Электростатический, электрохимический, электромагнитный телеграфы

Способность электрического сигнала быстро распространяться показала возможность его применения в системах сигнализации.

В 1775 г. испанский врач Ф. Сальва попытался создать электростатический телеграф. Для передачи буквы предлагалось использовать отдельную пару проволок, изолированных друг от друга бумажной лентой, пропитанной смолой. Изолированные жилы укладывались параллельно и скручивались в пучок, напоминая современный кабель; это тоже одна из заслуг Сальвы. Он даже предвидел, что кабель после специальной обработки будет непроницаем для воды и его можно прокладывать «на дне морей». Есть сведения, что известный военный инженер А. Бетанкур, используя разряды лейденских банок, в 1786 г. соорудил по проекту Сальвы телеграфную линию между Мадридом и Аранхуэсом длиной 42 км. Но достоверных подтверждений практического использования телеграфа Сальвы нет.

После изобретения вольтова столба (1800) и открытия явления электролиза воды мюнхенский анатом С. Земмеринг в 1809 г. создал электролитический (электрохимический) телеграф. На приемном пункте в большой сосуд с водой опускались позолоченные концы 25 проводов, каждый из которых означал определенную букву. При включении на передающем пункте вольтова столба вокруг одной из проволок выделялись пузырьки водорода и кислорода. Длина линии телеграфа составляла около 60 ненадежный в эксплуатации, поэтому практического применения не получил.

Открытие Эрстедом в 1819 г. действия электрического тока на магнитную стрелку положило начало использованию нового явления для передачи сигнала. Первым идею электромагнитного телеграфа высказал А. М. Ампер в 1820 г. Но он предполагал, что количество проводов и магнитных стрелок должно быть равно числу букв в алфавите. Естественно, такое сложное устройство не имело перспектив для практического использования, тем более что сам Ампер не занимался проблемами телеграфа.

Однако было очевидно, что электромагнитный телеграф выгодно отличается от предшествовавших ему электростатического и электрохимического.

После изобретения в 1820 г. немецким физиком И. Швейггером первого электромагнитного индикатора электрического тока — «мультипликатора», а в 1825 г. англичанином В. Стердженом – электромагнита появились уже более реальные предпосылки для создания электромагнитного телеграфа.

Первый практически пригодный электромагнитный телеграф был разработан в 1828–1832 годах русским ученым П. Л. Шиллингом. Этот телеграф был основан на визуальном приеме кодовых знаков и стал исходной конструкцией для последующих электромагнитных телеграфов, в частности пишущих, буквопечатающих, стрелочных.

Выдающийся вклад в развитие электромагнитной телеграфии был сделан в середине XIX в. известными учеными — петербургским академиком Б. С. Якоби и американским академиком Дж. Генри. Именно они впервые предложили оригинальные схемы дистанционного управления электромагнитными устройствами вдоль линий телеграфа.

Реле на службе электросвязи

Одним из первых устройств автоматического контроля и автоматической сигнализации исследователи считают так называемую подводную «телеграфическую мину»

Б. С. Якоби, созданную им в 1842–1843 годах. Эта мина не имела порохового заряда и использовалась для сигнализации о прохождении вражеских судов через линии минного заграждения.

На берегу устанавливался специальный телеграфный аппарат, включенный последовательно в цепь с источником тока, ртутным соединителем и электрическим запалом. Ртутный соединитель представлял собой две стеклянные трубки, изогнутые под углом и наполненные ртутью, в которую были вплавлены платиновые проволочки. При соприкосновении с кораблем прибор наклонялся в ту или другую сторону, при этом происходило замыкание цепи, и срабатывал электрический запал. Тогда включенный телеграфный аппарат с помощью установленных «телеграфических знаков» сигнализировал соответствующему наблюдательному посту о столкновении с судном.

В 1835 г. Дж. Генри изобрел устройство, положившее начало технике телеуправления. Еще в 1831–1832 годах он экспериментально доказал, что созданный им мощный электромагнит, питаемый от одного гальванического элемента, удерживал груз до 800 кг и мог срабатывать при длине провода (от источника питания) до 1600 м.

На схеме (рис. 2) дистанционного управления электромагнитом с орь притягивается к магниту A, цепь разрывается, силовой «уплотненный магнит»1 Б отпускает груз и при его падении происходит «... сильный механический эффект, который можно использовать, например, для того, чтобы на расстоянии в сотни миль и больше звонить в церковные колокола». Генри также отмечал, что «с помощью этого способа можно обеспечить передачу сигналов. Я считаю теперь, что электромагнитный телеграф может найти практическое применение» (Курсив наш. – Авт.).

Генри по праву можно считать создателем электромагнитного вызывного устройства со звуковым сигналом и изобретателем электромеханического реле и схемы с местной батареей2. Ученый обратил внимание на то, что для передачи электрического сигнала на большое расстояние целесообразно на всем протяжении линии равномерно расположить гальванические источники питания с электромагнитами его конструкции. Телеграфист, подавая сигнал ключом, посылал электромагнитный импульс до первого промежуточного источника питания, где такой же электромагнит срабатывал и создавал цепь для следующего магнита. Лишь в самом конце цепи ставилось приемное устройство, которое питалось от своей местной батареи. Все это очень напоминало работу почтовых станций со сменой лошадей.

В 1837 г. при прокладке телеграфной линии Петербург — Царское Село длиной 25 км Б. С. Якоби столкнулся с проблемой потери напряжения и утечки тока, что нарушало стабильность работы телеграфа. Изучив работы Дж. Генри по дистанционному управлению гальванической цепью, он предложил схему включения в телеграфную линию контрбатареи, чтобы облегчить работу линейного электромагнита, принимающего сигнал с линии. Электромагнит должен был только замкнуть контакты рабочего электромагнита, питаемого от дополнительной местной батареи. При этом даже утечка тока в линии не могла резко отразиться на работе линейного электромагнита, для включения которого требовался относительно небольшой ток.

По утверждению биографа, Якоби впервые сформулировал и реализовал принцип ретрансляции телеграфных сигналов при помощи реле, отделив телеграфную линию от схемы телеграфного аппарата. Как известно, принцип ретрансляции лежит в основе современных дальних линий связи, в том числе в радиорелейных линиях и спутниковой связи.

Представляет интерес «поплавковое реле», которое устанавливалось русскими гальваническими командами при прокладке подземных галерей для размещения взрывных устройств. Нередко минерам угрожали подземные воды. Поэтому они устанавливали специальный сосуд с поплавком, который при поступлении в галерею воды поднимался, замыкал электрическую цепь, включавшую электрический звонок, предупреждавший минеров об опасности затопления.

Два реле в одном приборе

Одним из наиболее совершенных электромагнитных автоматических устройств, пригодных для осуществления беспроводной связи на значительные расстояния, был радиоприемник А. С. Попова, созданный им в 1895 г.

Еще в 1891 г. французский физик Бранли создал индикатор элетрубку, наполненную металлическими опилками и названную им когерером. Под воздействием электромагнитной волны опилки слипались, и трубка становилась проводником электричества. Для восстановления чувствительности когерера Бранли встряхивал его руками, а известный английский физик О. Лодж придумал специальный часовой механизм, встряхивавший когерер через определенные интервалы времени.

Но как автоматизировать работу когерера, чтобы приходящая электромагнитная волна сама же и восстанавливала его чувствительность? Огромной заслугой А. С. Попова является успешное решение этой сложной для того времени задачи. В результате многочисленных экспериментов он изобрел «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», явившийся первым практически пригодным радиоприемником. На схеме (рис. 3) когерер AB горизонтально подвешен на легкой пружине, над ним помещен электрический звонок. При воздействии электромагнитной волны срабатывал когерер и замыкал цепь нижнего электромагнитного реле. При замыкании контактов реле в цепь той же батареи посредством провода CD включалось второе верхнее «звонковое» реле. Якорь звонка притягивался, и молоточек ударял по чашечке звонка. Но при этом (вот где проявился изобретательский талант А. С. Попова!) размыкалась электрическая цепь звонка, молоточек опускался вниз, восстанавливая чувствительность когерера. Прибор снова был готов к приему новой электромагнитной волны.

Как позднее писал О. Лодж, «... Попов первый заставил сам сигнал вызывать обратное действие, и ... этим нововведением мы обязаны Попову». После некоторого усовершенствования прибора и установления антенны А. С. Попов осуществил радиосвязь между двумя морскими судами на расстоянии 5 км.

Итальянец Г. Маркони, создав в 1896 г. радиоприемник, в принципе аналогичный прибору Попова, сумел заинтересовать деловые круги Великобритании, организовал крупное акционерное общество и в 1897-м провел передачу на расстоянии 16 км. В 1901 г., построив мощный радиопередатчик и сложную антенну, Маркони впервые передал радиосигналы через Атлантический океан. Началась новая эпоха дальней беспроводной электросвязи.

Список литературы

1. Електрические опыты, любопытства и удивления достойные, сочиненные англинским королевским механиком Георгом Адамсом. С немецкого на российский язык переложенные, многими другими сведениями дополненные... Ефимом Войтяховским. – М., 1793.

2. Физика, изданная Императорского Московского Университета Профессором физики Иваном Двигубским. – Изд. 3. – М., 1825.

3. Рихман Г. В. Труды по физике. – М.: АН СССР, 1956.

4. Родионов В. М. Зарождение радиотехники. – М.: Наука, 1985.

5. Цверава Г. К. Джозеф Генри. – Л.: Наука, 1983.

6. Яроцкий А. В. Борис Семенович Якоби. – М.: Наука, 1988.

7. Веселовский О. Н., Шнейберг Я. А. Очерки по истории электротехники. – М.: Изд. МЭИ, 1993.

8. Шарле Д. Л. Хет-трик в матче с Атлантикой: Серия изданий «История радиосвязи и радиотехники». Вып. 2. Междуна 2002.