Текст книги "Путеводитель в мир электроники. Книга 2"

Автор книги: И. Шелестов

Соавторы: Борис Семенов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 23 страниц)

Преподаватель солидного учебного заведения не мог знать об опытах итальянского юноши в фермерском сарае – это бесспорно. А вот цепкий юноша такой информацией обладать мог. Как бы то ни было, но исторический приоритет остается за Поповым!

Собственно, радиоприемник конструкции Г. Маркони мало чем отличается от приемника Попова: в приемнике Маркони количество гальванических батарей увеличено до двух – электрический звонок питала отдельная батарея, продлевая общий срок службы устройства. Более того, и приемник, и передатчик Маркони имели штыревую антенну. Единственное принципиальное отличие имел когерер, из которого был выкачан воздух. Такая конструкция позволяла повысить чувствительность когерера, а значит, и дальность приема.

Как утверждает русская пословица, «не было бы счастья, да несчастье помогло». Италия не заинтересовалась изобретением, и опыты Маркони так и могли бы остаться опытами. Изобретатель отправляется в Англию, где неожиданная болезнь одной царственной особы – принца Уэльского – заставила Маркони передавать пять раз в день о состоянии здоровья принца королеве Виктории. Кстати, при переезде Маркони из Италии в Англию произошел забавный случай. Английские таможенники, увидев аппаратуру радиосвязи, стали подозревать в ней хитроумную бомбу. Мать Гульельмо нашлась что ответить: «Да, это бомба. Но она разрушает не города, а стены».

Поддержка «сильных мира сего» позволила Г. Маркони в 1897 г. основать свою коммерческую фирму «Wireless Telegraph and Signal Company Ltd», переименованную затем в «Marconi Wireless Telegraph Company», рис. 10.5.

Рис. 10.5. Фирменный знак «Marconi Company» и его фабрика в Chelmsford (1920). Видны две 450-футовые (137 м) антенные мачты

Налаживается стремительное производство коммерческой аппаратуры связи для транспортных компаний, благосостояние фирмы растет как на дрожжах. Появились военные заказы из США, Англии, Франции, Германии, Италии. В 1899 г. Маркони присутствовал на испытаниях системы радиотелеграфной связи между крейсером «Нью-Йорк» и линкором «Массачусетс», находившимися друг от друга на расстоянии 65 км.

Теперь Маркони целиком поглощен новой идеей – максимально увеличить дальность радиосвязи. И ему это удастся! Построив станции беспроводного телеграфа в противоположных точках земного шара – одну в Англии, на полуострове Корнуолл, а другую в Канаде, на острове Ньюфаундленд, он, находясь в Канаде, 16 декабря 1901 г. принял первый трансатлантический радиосигнал с расстояния почти в 2100 миль. Газетные заголовки того времени пестрели сообщениями об опровержении Маркони законов физики, а Т. Эдисон воскликнул: «Я поражен! Я хотел бы встретиться с этим молодым человеком, у которого хватило дерзости на пересечение Атлантики электрической волной».

Сохранилось свидетельство о единственной встрече, состоявшейся между Поповым и Маркони в 1902 г., когда в Россию с визитом на военном корабле прибыл итальянский король Виктор Эммануил. Короля сопровождал Маркони, испытывавший в этом плавании свою аппаратуру. Пока царственные особы проводили встречи на высшем уровне, крейсер был открыт для посещения, и этой возможностью воспользовался Попов. Он беседовал со своим коллегой несколько часов.

Дальнейшая жизнь Маркони отмечена благополучием, коммерческим процветанием и поразительной работоспособностью до самой кончины. В 1907 г. он открывает первую трансатлантическую радиотелеграфную службу, в 1909 г. удостаивается Нобелевской премии. В 1921 г., переоборудовав в лабораторию личную яхту «Электра», Маркони приступил к исследованиям в области коротковолновой телеграфии, и к 1927 г. его компания развернула международную сеть коммерческих коротковолновых телеграфных станций. «Результаты опытов на яхте, – констатировал Маркони, – убедили меня, что с передатчиком мощностью в 1 кВт надежная коммерческая радиосвязь возможна на расстоянии по меньшей мере 2300 морских миль». В 30-х гг. XX в. Маркони занимается микроволнами, использует их в навигации. Он умер 20 июля 1937 г. В этот день по всему миру на две минуты замолчали все радиостанции.

Наш соотечественник, Александр Степанович Попов ушел из жизни совсем по-другому. Мы уже говорили, что незадолго до смерти Попов исполнял обязанности ректора Электротехнического института. Времена были сложные – 1905 г., революция, всеобщая неразбериха. Студенческая масса бурлит революционными идеями, администрация требует усиления репрессивных мер. Попов, совестливый, скромный и честный человек, настоящий патриот Отечества, переживает за своих талантливых юных воспитанников, которым грозит исключение, и за преподавателей, которым предназначены незаслуженные взыскания. Следуют постоянные вызовы ректора к министру народного просвещения, к градоначальнику, и выговоры, унижающие достоинство ученого. После одного из таких вызовов, состоявшегося 31 декабря 1905 г., Попов скоропостижно скончался…

* * *

Настало время рассказать о том, какие типы передатчиков радиоволн сменяли друг друга и какие сегодня используются в технике радиовещания и радиосвязи. Их имеется несколько видов: искровые, дуговые, электромашинные, ламповые, транзисторные. Они появлялись именно в такой последовательности.

Искровой передатчик нам уже знаком – это вибратор Герца. Мощный искровой разряд порождает электромагнитные колебания. Снабдив передатчик элементарным дополнительным устройством автоматической генерации разрядов при замыкании какого-либо контакта, возможно передавать информацию посредством кода Морзе, с помощью точек и тире. Такими были первый передатчик Попова и первый передатчик Маркони.

Этому методу свойственно множество существенных недостатков, один из которых – широкая полоса частот, занимаемых в эфире. Например, лучший образец радиопередатчика, относящийся к 1906 г., спроектированный для работы на частоте 750 кГц, занимал полосу частот от 540 кГц до 1200 кГц! Сравнить такой передатчик можно разве что с электродрелью или пылесосом. Ситуация знакомая: достаточно вблизи современного радиовещательного приемника «запустить» двигатель бытовой техники, как из динамика раздастся сильный треск, вызываемый искровыми разрядами у контактно-щеточного устройства.

Тем не менее в начале XX в. искровые системы связи использовались широко. Появлением искровых радиостанций в сухопутных войсках Россия обязана все тому же Александру Степановичу Попову. В 1900 г. он сам разыскал ненужные армейские конные повозки и разместил на них им же разработанные радиостанции. Связь устойчиво работала на расстоянии до 10 км, но в силу разный причин внедрение отечественной техники связи не пошло дальше испытаний на маневрах. Только после поражения в войне с Японией в 1904 г. началось распространение связных станций. Однако оснащение велось главным образом станциями фирм «Marconi» и «Telefunken» (Сименс и Гальске), которые даже открыли свои представительства-на территории России.

К 1914 г. все корабли ведущих западных держав имели на своем борту радиоустановки. Россия к этому времени обладала 72 полевыми и 6 стационарными искровыми радиостанциями. Для связи с командованием Франции и Англии в Петрограде и Москве построили станции мощностью 100 кВт. В дальнейшем мощные станции были построены военным ведомством также в Николаеве, Ташкенте, Чите, Кушке, Владивостоке, Хабаровске и Харбине. Эти радиостанции, построенные по одной схеме, питались от аккумуляторных батарей напряжением до 12 кВ. Передача сообщений сопровождалась оглушительным «стрельбовым» грохотом разрядников, слышимым на расстоянии до 2 км!

Дуговой передатчик предложил в 1900 г. английский инженер-электрик Вальдемар Дуддель. Горящая дуга как вид электрического разряда также порождала мощные, незатухающие электромагнитные колебания. В 1902 г. датский инженер Вальдемар Поульсен построил первый дуговой телеграфный генератор электромагнитных волн, оказавшийся способным создавать меньшее количество помех. Германия ведет работы над созданием дуговых генераторов, не афишируя результатов. Преимущество дуговых генераторов по сравнению с искровыми в полной мере проявилось во время Первой мировой войны, когда корабли немецкого флота вдруг стали излучать непрерывный треск, за которым невозможно было различить передаваемые сообщения. Дуговые передатчики могли транслировать сигнал на расстояние до 12000 км и работали в диапазоне длинных волн.

Однако дуговые передатчики не избавились от недостатков искровых, таких, как помехи, нестабильность, низкий коэффициент полезного действия.

В поиске источников формирования мощных незатухающих колебаний был изобретен электромашинный передатчик. Идея этого передатчика тоже весьма проста – электромеханический генератор, создающий ток высокой частоты, подключается к антенне и излучает электромагнитную волну. Генератор может обладать высокой стабильностью и эффективностью, создавать мало помех. Впервые электромашинный способ передачи радиосигнала использовал Реджинальд Обри Фессенден (1866–1932), канадец, профессор Питсбургского университета, консультант метеорологического бюро. В 1900 г. Фессенден пытался передать человеческую речь с помощью искрового радиопередатчика, разработав метод «наложения вибрирующих волн звуковой частоты на радиочастоту». Попытки использовать искровой передатчик окончились неудачей, но метод пригодился для реализации фундаментального принципа радиотехники, называемого сегодня амплитудной модуляцией. Начав работу в 1902 г. в компании NESCO, финансировавшей разработку его идей, Фессенден вместе с инженером компании «General Electric» шведом Эрнстом Александерсоном (1878–1975) создал генератор переменного тока частотой 50 кГц. Этот генератор в 1906 г., в рождественский сочельник, Фессенден впервые применил для передачи голоса.

Передатчик и сложная антенная система с несколькими мачтами высотой 131 м располагались в Брант-Роке, небольшой деревушке на берегу Атлантического океана. Сам ученый так описывал это грандиозное историческое событие: «Судам американского флота было передано сообщение, что в канун Рождества, на сочельник, мы будем проводить экспериментальные радиопередачи речи, музыки, песен. Программа передачи была следующая: вначале моя краткая речь о том, что мы собираемся делать, затем немного музыки фонографа. Далее моя сольная игра на скрипке и песня «Почитание и смирение», из которой я спел один куплет под аккомпанемент скрипки. Затем шел текст из Библии: «Слава Богу на небесах и людям доброй воли на земле», и на этом мы закончили радиопередачу, желая всем счастливого Рождества».

В истории радиотехники Фессендена называют «отцом радиовещания». К концу жизни на счету ученого имелось более 500 изобретений, среди которых – генератор тока высокой частоты, фазометр, звуковой глубиномер, радиокомпас, устройства подводной сигнализации, гетеродинный приемник.

Несколько слов о коллеге Фессендена, Э. Александерсоне, разработчике электромашинных генераторов тока высокой частоты. В 1902 г., когда самые лучшие генераторы обеспечивали скорость вращения до 60 оборотов в минуту, создание генератора с частотой до 100 тысяч (!) оборотов казалось невозможным, фантастическим. Но с поставленной задачей Александерсон справился, причем настолько удачно, что знаменитый Маркони, посетивший конструктора в 1915 г. признал преимущество электромашинных генераторов перед искровыми и тут же предложил купить право на производство их у себя. Но ему удалось добиться только покупки готовых генераторов.

В 1925 г. Александерсон построил радиостанцию в Гриметоне, на западном побережье Швеции. В течение Второй мировой войны станция Осуществляла прямую связь с США. В настоящее время эта станция – единственная сохранившаяся в рабочем состоянии с оборудованием на основе электромашинных генераторов переменного тока.

Производство электромашинных передающих станций было налажено и в России. Наиболее значимыми считаются разработки российского инженера В. П. Вологдина (1881–1953), который в 1912 г. создал первый электромашинный преобразователь энергии мощностью 2 кВт, в 1925 г. осуществил связь между Москвой и Нью-Йорком. Позже Вологдин разрабатывал системы связи на сверхдлинных волнах (СДВ). Интересно отметить, что Э. Александерсон был очень высокого мнения о разработках Вологдина и даже признавался, что они превосходят по техническому уровню его собственные!

И все же… И все же следует признать, что настоящий расцвет радиотехники пришел с изобретением ламповых передатчиков. Это случилось 10 апреля 1913 г., когда инженер немецкой фирмы «Tеlefunken» Александр Мейснер получил в немецком патентном бюро свидетельство об изобретении генератора переменного тока на основе триода Либена. Через два месяца Мейснер разработал радиопередатчик и осуществил с его помощью связь на расстоянии 36 км.

В результате выяснилось, что ламповая схема передатчика по всем параметрам превосходит другие известные схемы. В 1915 г. американский инженер Леон Хартли разработал другую схему генератора, которая до настоящего времени известна под названием индуктивная трехточечная схема, или генератор Хартли. Другой американский инженер, Эдвин Колпитц, предложил вариант емкостной трехточки, или генератор Колпитца. «Трехточки», реализованные на современных транзисторах, популярны у нынешних радиолюбителей, конструирующих аппаратуру связи, измерительную аппаратуру.

После окончания Первой мировой войны, когда проблемы военной радиосвязи отошли на второй, план – налаживалась мирная жизнь, – некоторые коммерсанты решили извлечь выгоду не только из производства средств связи. Решено было открыть массовые радиостанции, чтобы люди имели желание покупать радиовещательные приемники. Один из таких предпринимателей, Д. Вестингауз, вместе со своим давним знакомым, радиолюбителем Ф. Конрадом, основал в США первую коммерческую радиостанцию KDKA, которая начала регулярное вещание в 1920 г. В тот год в США проходили президентские выборы и сотрудники радиостанции сообщали о результатах голосования намного раньше газет, привлекая внимание слушателей. В 1924 г. в мире насчитывалось уже более 500 коммерческих радиостанций, люди активно покупали радиоприемники.

А что в России? В это время в России сменилась власть, к руководству пришли большевики, которые, надо отдать им должное, отнеслись к достижениям радиотехники более серьезно, чем царские чиновники. Лидер большевиков В. И. Ленин сразу же оценил могучую силу радио, подписав 21 июля 1918 г. декрет «О централизации радиотехнического дела». По его инициативе в декабре того же года создается первое научное радиотехническое учреждение – «Нижегородская радиолаборатория». Здесь работали в числе прочих известные читателю М. А. Бонч-Бруевич и В. П. Вологдин.

Первая радиовещательная станция, построенная на отечественных электронных лампах, начала работать в Москве в конце 1922 г. Вначале она называлась «Центральная радиотелефонная станция им. Коминтерна», позже ее назвали РВ-1. Излучаемая мощность станции в самом начале вещания не превышала 12 кВт, однако в то время она считалась самой мощной. Для сравнения: станция KDKA излучала тогда мощность 1,5 кВт. В 1933 г. мощность станции РВ-1 доводится до 500 кВт! Серийно выпускается станция «Малый Коминтерн» для установки в небольших городах страны, вводится в строй еще одна станция «Новый Коминтерн» мощностью 40 кВт…

Как ни странно, но произведения искусства – картины, скульптуры, украшения – сохраняются в веках лучше,» чем предметы технической мысли. Многое из того, что было разработано на заре радиотехники, сохранилось лишь в фотографиях, рисунках, формулах, графиках. Многое, к сожалению, утрачено. Но многое хранится до сих пор, составляя фонд достижений нашей истории. Один из таких экспонатов до сих пор стоит в Москве под открытым небом, поскольку ни в один павильон ему не поместиться. Это – знаменитая Шуховская башня, спроектированная инженеромВладимиром Григорьевичем Шуховым (1853–1939) для размещения антенны станции РВ-1 (рис. 10.6).

В то время (1922) Шуховская башня имела статус самого высокого в стране сооружения – ее высота и сейчас составляет 148 м. Первоначальный проект предполагал строительство трех таких башен высотой по 350 м и двух – по 275 м. Антенна, размещенная на такой конструкции, беспрепятственно обеспечивала бы связь с Нью-Йорком. Но… удалось построить только эту башню, значительно сократив ее размеры. Шуховская башня считается очень смелым проектом: ее конструкция с виду кажется неустойчивой, а на самом деле являет образец «ажурного монолита». Сегодня Шуховская башня продолжает работу, неся на себе антенны УКВ радиопередатчиков коммерческих радиостанций.

Дальнейшая история радиотехники – это история электрических схем, комплектующих элементов, история математического осмысления получаемых результатов, история уменьшения габаритов, повышения эффективности, снижения стоимости. Новую историю, однако, рассказывать очень сложно – она пестрит обилием интересных фактов, потрясающих идей, обилием имен и названий фирм. Следы этой истории есть в доме и у вас – это ламповые или транзисторные телевизоры и радиоприемники, это беспроводные и сотовые телефоны, это спутниковые телевизионные системы. Возможно, когда-нибудь вы, уважаемые читатели, внесете вклад в развитие этой области человеческой деятельности.

Особенности распространения радиоволн

Глядя на мир, нельзя не удивляться

Козьма Прутков

Историю открытия электромагнитных волн вы теперь знаете хорошо. Но что собой представляет электромагнитная волна, радиоволна, как она распространяется в пространстве, что влияет на распространение, какие волны и почему используются в радиотехнике – об этом предстоит узнать сейчас.

Как устроена электромагнитная волна? Очень просто – взгляните на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Распространение электромагнитной волны

Мы уже знаем, что переменное электрическое поле рождает переменное магнитное поле и наоборот. Вспомните также детскую игру «хождение по болоту», когда участникам дают два маленьких коврика, на которые они должны наступать. Поэтому, чтобы совершать движение, нужно постоянно эти коврики передвигать – то один, то другой. Так и электромагнитная волна. Она напоминает отрезок цепи, в котором имеется два колечка, причем заднее колечко всегда норовит встать вперед. Колечко «Н» – магнитного поля, «Е» – электрического. Возникнув в пространстве, например «уйдя» с антенны, кольцо «Е» выдвинет вперед себя кольцо «Н», затем кольцо «Е» исчезнет. А кольцо «Н» выдвинет вперед себя кольцо «Е». Вот так электромагнитная волна распространяется в пространстве. Поскольку электромагнитную волну рождают только переменные поля, графическое представление волны несколько изменяют, переходя от «колец» к синусоидам (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Физическая сущность электромагнитной волны

Вертикальное поле в данном случае – поле электрическое, горизонтальное – магнитное. Впрочем, положения полей могут быть и другими – например, электрическое поле может быть горизонтальным или наклонным. Это свойство называется поляризацией электромагнитной волны.

Конечно, амплитуда электрической и магнитной составляющих волны, распространяющейся в какой-нибудь среде, например в воздухе или в кирпичной кладке домов, постепенно уменьшается. Говорят, что в веществе электромагнитная волна постепенно затухает. Но в вакууме волна может распространяться без затухания неограниченно долго. Интересный пример в данном случае являет нам космическое реликтовое излучение, открытое совсем недавно. Как известно, появившаяся в 20-х гг. XX в. теория возникновения Вселенной в результате большого взрыва предполагала обнаружение в пространстве остатков этого процесса – электромагнитных волн. Сегодня реликтовое излучение обнаружено. Реликтовые электромагнитные волны прошли путь, равный миллиардам световых лет (!). Это – слепки молодой Вселенной, ее следы.

Но вернемся к делам земным. Чуть выше мы упоминали о том, что разработчики радиостанций постоянно стремились повысить излучаемую мощность. Эта мощность переносится электромагнитной волной. Как видно из рис. 10.8, компоненты электромагнитной волны – магнитная и электрическая – имеют колебательный характер, значит, в качестве характеристики волны можно ввести ее частоту. Однако, поскольку волна распространяется в пространстве, точки А и В, в которых колебания имеют одинаковую фазу, отстоят друг от друга на определенном расстоянии, очевидно, связанном с частотой. Понятно также, что скорость волны не равна бесконечности, а ограничена. Чем быстрее распространяется волна, чем больше будет ее скорость, тем дальше будут отстоять друг от друга точки А и В, тем меньше будет ее частота и больше длина. Очевидно, что частота, длина и скорость волны связаны между собой! Помните, еще в опытах Герца было выяснено, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Чуть позже установили – в среде, отличной от вакуума, волна распространяется немного медленнее. Если обозначить скорость буквой с, частоту – f, а длину — λ, то получим простое соотношение для связи перечисленных характеристик:

λ = c/f

Точное значение скорости распространения электромагнитной волны в вакууме:

с = 2,997925·10⁸ м/с.

Электромагнитные волны имеют очень широкий диапазон длин. Для того чтобы классифицировать волны по отличительным признакам и характерным особенностям, введена так называемая шкала электромагнитных излучений.

Изучая эту таблицу, можно сделать вывод, что видимый человеческим глазом свет тоже представляет собой электромагнитную волну, правда, имеющую частоту намного выше частоты радиоволн. Радиотехника никогда не «заползает» дальше диапазона радиоволн и очень редко пользуется низкочастотными волнами. Поэтому рассмотрим деление радиочастот согласно международному регламенту радиосвязи, которое приведено в табл. 10.2.

Наиболее широко в средствах связи и вещания используются диапазоны начиная от НЧ и заканчивая УВЧ. В диапазонах НЧ, СЧ, ВЧ и ОВЧ работают трансляционные передатчики, средства радиолюбительской и профессиональной связи, средства военной связи. Диапазон УВЧ используется для работы домашних мобильных телефонов, сотовой связи. Диапазон СВЧ отдан средствам космической связи, спутниковым системам телевещания, трансляции, передаче цифровых данных. Диапазон КВЧ – это диапазон работы радарных систем.

Диапазоны СНЧ, ИНЧ и ОНЧ использовать очень сложно, так как для эффективного излучения электромагнитных волн и их дальнего приема необходимы антенны, приближающиеся в своих размерах к длинам этих волн, то есть в десятки, сотни и даже тысячи километров. Мы знаем об этом из ответа Герца инженеру Губеру.

Однако люди научились использовать и эти диапазоны волн, причем совершенно неожиданно. Как вы думаете, насколько хорошо распространяются электромагнитные волны в морской воде, являющейся проводником электрического тока? Распространяются, но очень плохо. Чем выше частота волны, тем сильнее она поглощается морской водой, тем быстрее она затухает. По этой причине конструкторы подводных лодок были вынуждены отказаться от радиосвязи на глубине и придумывать разные хитрые способы с выбрасыванием на поверхность радиобуев. Но когда обнаружили, что электромагнитные волны очень низких частот слабо поглощаются морской водой, то разработали связь, впрочем, одностороннюю с лодкой в подводном положении. Для того чтобы принять сигнал, лодка разматывает буксируемую антенну длиной в десятки километров и принимает информацию, а затем антенну сматывает.

Радиопередающие средства этой системы связи могут впечатлить любого. По некоторым сведениям, американская антенна связи с подводными лодками занимает площадь целого штата. Она представляет собой сетку с размером ячеек около километра, закопанную в землю. Есть ли такая система связи в России, авторам неизвестно.

Радиовещательные диапазоны также имеют четкое деление, приведенное в табл. 10.3.

Поговорим теперь о распространении радиоволн в пространстве. Красноречивый пример, относящийся к 1930 г., позволит задать множество вопросов.

Эрнст Теодорович Кренкель (1903–1971), российский полярник, радист советских полярных станций и арктических экспедиций, а впоследствии – член редколлегии популярной серии книг «Массовая радиобиблиотека», находясь на Земле Франца-Иосифа, впервые установил на коротких волнах прямую двустороннюю связь с американской экспедицией Р. Бэрда, зимовавшей на шельфовом леднике Росса (Антарктида). Связь на 20 000 км долго оставалась мировым рекордом дальности. Как удалось Кренкелю связаться с противоположной точкой земного шара, излучая микроскопическую мощность в единицы ватт?

Еще один пример из жизни Кренкеля, о котором рассказывает Б. А. Кремер, относится к гибели теплохода «Челюскин» в арктических льдах и последующей зимовке на льду: «Аварийную станцию Кренкель монтировал в брезентовой палатке. В палатке было так же холодно, как и на улице, и работать было мучительно тяжело, Холодные плоскогубцы, нож, провода обжигали голые руки – не будешь же вести монтаж в рукавицах, и время от времени он вынужден был отрываться от дела, чтобы хоть немного отогреть закоченевшие пальцы в рукавах своей куртки. Первые попытки вступить в связь с какой-либо береговой радиостанцией не принесли успеха. Кренкель отчетливо слышал переговоры между радистами Уэлена и мыса Северного, но никто из них, несмотря на самое тщательное наблюдение за эфиром, маломощный рейдовый передатчик Кренкеля не слышал. Лишь наутро состоялась первая связь с Уэленом».

А вот пример необычного характера распространения электромагнитных волн, который приводит известный радиолюбитель-популяризатор Владимир Тимофеевич Поляков: «Интересный случай произошел с моим хорошим другом, радиолюбителем и полярником, на дрейфующей станции «Северный полюс». Как-то он захватил на зимовку портативный батарейный приемник «Океан» и, включив УКВ-диапазон, стал слушать передачу радиостанции «Маяк». Лишь спустя некоторое время он сообразил, что на Северном полюсе это невозможно! Тем не менее случай был, и, чем его объяснить, я не знаю».

Чтобы ответить на этот и другие вопросы, давайте познакомимся с основами науки с названием «Распространение радиоволн», рассмотрим строение атмосферы Земли и ее влияние на радиоволны разных диапазонов.

Впервые разницу в дневном и ночном приемах радиосигналов обнаружил Г. Маркони в 1902 г. В этом же году английский физик Оливер Хевисайд (1850–1925) сделал предположение, позже получившее полное экспериментальное подтверждение. Предположение заключалось в следующем: над поверхностью Земли, на высоте 60…2000 км атмосфера находится в особом состоянии. Газы на этой высоте под действием ионизирующего излучения Солнца переходят в ионизированное состояние. Поэтому описываемый слой, названный ионосферой, оказывает большое влияние на распространение радиоволн: она может поглощать радиоволны, может их отражать, а может пропускать беспрепятственно. Иногда ионосферу называют слоем Хевисайда.

Долгое время проводить исследования ионосферы представлялось затруднительным, и только в начале 1960-х гг., благодаря искусственным спутникам Земли, удалось досконально изучить механизмы ионизации. Оказывается, основным источником ионизации выступают ультрафиолетовые лучи Солнца и солнечная радиация. На ионосферу оказывает также влияние излучение удаленных звезд – это 0,1 % – не так много, но если учесть их удаленность…

Ионизирует атмосферу Земли и космическая пыль. К нерегулярным источникам ионизации относятся мощные корпускулярные потоки, которые возникают в периоды солнечной активности, и метеорные потоки.

Впервые серьезные исследования ионосферы провел в 20-х гг. XX в. англичанин Эдуард Виктор Эплтон. Занимаясь вопросами снижения электромагнитных помех во время приема, Эплтон заинтересовался различием ночных и дневных сеансов связи. Причину явления Эплтон назвал замираниями эфира.

Он доказал, что ночью радиоприемник принимает только волны, распространяющиеся вдоль земной поверхности, а ночью добавляются волны, отраженные от ионосферы. Также он впервые показал, что ионосфера не однородна, а состоит из слоев. Один из таких слоев, обозначаемых буквой F, носит название слоя Эплтона.

Каковы наши сегодняшние знания об ионосфере? Взгляните на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Строение ионосферы

Сегодня мы абсолютно достоверно знаем, что ионосфера состоит из четырех слоев.

Слой D – самый низкий, он расположен на высоте 60…80 км и существует только в дневные часы. Ночью под действием механизма ионной рекомбинации слой D исчезает. Слой Е, расположенный на высоте 100… 150 км, имеет низкую концентрацию ионов и ночью также практически полностью исчезает. Самый верхний слой, обозначаемый, как F, в дневные часы распадается на два слоя – F1 и F2. Слой F, характеризуемый наибольшей ионной концентрацией, располагается на высоте 300…450 км в летнее время и 250…350 км в зимнее время. Основное влияние на распространение радиоволн оказывает слой F2.

Существует также слой E_s, условно называемый спорадическим. Вообще это образование сложно назвать слоем, так как возникает спорадический слой нерегулярно. Он представляет собой скопление сильно ионизированных облаков, разделенных промежутками слабо ионизированного газа. Чаще всего этот слой возникает летом.

Радиоволны имеют интересную особенность – в неоднородных средах они распространяются не прямолинейно, а несколько изгибаются. Чем больше неоднородность среды, тем и изгибание их больше. Постоянно. преломляясь в ионосфере, электромагнитная волна может занять положение, параллельное земной поверхности, и даже вернуться на Землю. Если же отражающей способности ионосферы недостаточно, волна уходит в космическое пространство.

Чем больше длина волны, тем меньшая степень ионизации требуется для обеспечения нормального отражения радиоволны. И наоборот чем выше частота, тем труднее ионосфере преломлять волну. Свойство электромагнитной волны изгибаться под действием неоднородностей называется рефракцией. Есть еще одно свойство электромагнитной волны, которое называется почти так же – дифракцией, – но имеет совершенно другой физический смысл. Дифракция – это способность волн огибать препятствия (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Дифракция радиоволн

Исследования показывают, что дифракционные свойства присущи радиоволнам любой длины, хотя по мере укорочения волны способность к дифракции резко падает.

Итак, в реальных условиях любая электромагнитная волна может попадать из точки излучения в точку приема двумя путями: огибая земную поверхность вследствие неоднородности атмосферы (поверхностная волна) и вследствие отражения от ионосферы (объемная волна), что показано на рис. 10.11.