Физика

Содержание раздела

Механика

Рождение науки

С чего началась радиофизика? Она началась с уравнений, сформулированных в 1873 г. Максвеллом. Хотите на них посмотреть? Вот они:

Разобраться в уравнениях Максвелла и научиться их применять без знания высшей математики невозможно. Но даже вид этих уравнений говорит о связи между величинами электрических (Е) и магнитных (Н) полей, электрических токов (Q) и зарядов (р); отражает влияние изменений во времени одних величин на другие. Ведь за математическими символами rot и div скрываются распределения соответствующих величин (Н или Е) в пространстве, а символ д/дt означает скорость изменения во времени.

Рождение теории Максвелла было подготовлено длительным процессом постепенного накопления результатов многочисленных экспериментов. Вспомним наиболее важные из этих результатов (см. ст. «Электричество и магнетизм»). В 1820 г. Эрстед открыл действие электрического тока на магнитную стрелку, показал, что токи в проводах создают магнитное поле. Эксперименты Био и Савара и Ампера доказали, что и магнитное поле действует на провода с током, и определили силу этого воздействия. Майкл Фарадей открыл в 1831 г. закон электромагнитной индукции, т. е. возникновение электрического поля при всяком изменении магнитного.

Но второе уравнение Максвелла и есть математическая формулировка закона электромагнитной индукции! Оно говорит о том, что изменение во времени магнитного поля

создает в окружающем пространстве электрическое поле, причем в разных точках пространства напряженность этого поля различна (rot E). А вот обратное явление — возникновение магнитного поля при всяком изменении электрического — было предсказано Максвеллом. До Максвелла первое уравнение выглядело так: rot Н = j, т. е. было известно, что ток (j) создает в пространстве вокруг себя магнитное поле (rot H). Максвелл ввел в это уравнение изменение во времени электрического поля

Эта небольшая на первый взгляд добавка, которую Максвелл назвал током смещения (подробнее о токе смещения см. ст. «Электричество и магнетизм»), вначале была не очень понятна другим ученым из-за отсутствия подтверждающих ее существование экспериментов. Но она содержала в себе много нового и важного. Она предсказала, что всякое изменение электрического поля сопровождается возникновением магнитного поля. К еще более важным выводам приводит совместное рассмотрение двух первых уравнений. Возникнув, магнитное поле не может исчезнуть. Ведь чтобы исчезнуть, оно должно уменьшиться до нуля, т. е. измениться

А из второго уравнения Максвелла следует, что при этом должно возникнуть электрическое поле. Это поле тоже не может исчезнуть, так как, согласно первому уравнению, при изменении электрического поля

вновь возникнет магнитное поле, и т. д.

Значит, переменные электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, они поддерживают друг друга и могут существовать независимо от создавшего их источника, распространяясь в пространстве в виде электромагнитной волны. В уравнения Максвелла входит и скорость, с которой должна распространяться эта волна. Оказалось, что она равна скорости света! Вот как сказал об этом сам Максвелл: «Едва ли мы можем избежать заключения, что свет — это поперечное волнообразное движение той же самой природы, которая вызывает электрические и магнитные явления».

Ценность научной теории определяется глубиной ее проникновения в сущность явлений, способностью теории объяснить множество уже известных фактов и предсказать множество неизвестных. До Максвелла были известны свет, электричество, магнетизм. Уравнения Максвелла установили тесную связь между этими явлениями, которые раньше казались независимыми, помогли сформулировать такое важнейшее понятие физики, как «электромагнитное поле». Значение их можно сравнить со значением закона всемирного тяготения Ньютона, теории относительности Эйнштейна или модели атома Нильса Бора.

Триумфом теории Максвелла стали в 1886 — 1889 гг. знаменитые эксперименты Герца. Герц впервые получил электромагнитные волны и осуществил с ними все опыты, характерные для световых волн: отражение от металлического листа, образование «тени» позади этого листа, образование стоячих волн между двумя листами.

А несколько лет спустя, 7 мая 1895 г., выдающийся русский физик А. С. Попов в докладе на заседании Физического отделейия Русского физико-химического общества продемонстрировал опыты по передаче и приему электромагнитных волн и впервые в мире обосновал возможность передачи сигналов на расстояние, т. е. возможность радиосвязи. К 1895 г. многие составные элементы, которые впоследствии вошли в систему связи без проводов, были уже известны. Но нужны были глубокие научные знания и ясное понимание возможности и необходимости беспроводной связи, для того чтобы сделать решающий шаг. Этот решающий шаг сделал А. С. Попов: он тщательно изучил все известные приборы, объединил их в единую систему, создал недостающие элементы этой системы, и прежде всего чувствительный и надежно действующий приемник радиоволн, который Попов назвал "прибором для обнаружения и регистрирования электрических колебаний".

А когда радиофизика начала применяться для решения практических задач?

Поздней осенью 1899 г. во время снежной метели броненосец береговой охраны "Генерал-адмирал Апраксин" сел на камни у острова Гогланд в Финском заливе. Для организации спасательных работ необходима была постоянная связь с Гогландом, но от места аварии до ближайшего пункта, имевшего телеграфную связь с Петербургом, было больше 40 км. Проложить кабель мешали льды.

В Морском министерстве были хорошо известны работы А. С. Попова благодаря испытаниям его аппаратуры в 1897 и 1898 гг. на кораблях Балтийского флота и в 1899 г. на Черноморском флоте. Поэтому Попову было поручено установить связь с островом Гогланд и ледоколом "Ермак", подошедшим к острову для оказания помощи "Апраксину". В суровые зимние дни сооружались первые в мире радиостанции и антенны (рис. 1). Одна станция была построена на скалистом утесе на Гогланде, неподалеку от потерпевшего аварию броненосца, другая - на острове Кутсало. Расстояние между станциями составляло 45 км. Станция на Кутсало была связана телефонной линией с поселком Котка, где находилась почтово-телеграфная контора.

5 февраля 1900 г. в Котку пришла телеграмма начальника Главного морского штаба: "Котка Гогланд командиру Ермака около Лавенсаари оторвало льдину с 50 рыбаками окажите немедленно содействие снятию этих людей". Хотя работы по наладке радиостанций еще не были завершены, А. С. Попов приказал немедленно передать текст телеграммы на Гогланд. "Ермак" вышел на помощь. Все рыбаки, унесенные льдиной в море, были спасены.

Первая в мире радиограмма была сигналом бедствия, призывом о помощи. В этот день радио впервые пришло на помощь людям. На следующий день, 6 февраля 1900 г., начался обмен радиограммами, была установлена устойчивая двусторонняя связь. Радиолиния успешно работала до апреля 1900 г., когда "Апраксин" с помощью "Ермака" был снят с камней

перейти к началу страницы