Радиоволны | ТМ 1939-06

Инж. Г. ГАРТМАН, Рисунки А. КАТКОВСКОГО

Джеймс Максвелл, выдающийся английский учёный прошлого столетия, блестящий математик и физик, публикуя свои труды об электричестве и магнетизме, едва ли подозревал, к каким изумительным следствиям они приведут.

На основании чисто математических выкладок и теоретических построений Максвелл утверждал, что в природе существуют электромагнитные волны, необычайно разнообразные по своим свойствам, и что ощущение света и всего богатства красок создаётся лишь небольшой частью этих волн.

Все это опрокидывало старые научные представления и открывало новую эру в учении об электричестве.

Учёный мир отнёсся к электромагнитной теории Максвелла с большим недоверием. Это недоверие было столь велико, что когда американский профессор Томсон, исследуя в 1875 г. искровые электрические разряды, случайно обнаружил проявление электромагнитных волн, он не придал этому факту никакого значения и вскоре забыл о нем. А обнаружил Томсон следующее: когда между двумя металлическими проводниками происходил электрический разряд в виде искры, то на расстоянии нескольких метров от этого разряда между острием графитового карандаша и находившимся рядом металлическим предметом также проскакивала маленькая искра.

Об этом явлении Томсон вспомнил двенадцать лет спустя, когда электромагнитные волны были открыты другим исследователем. Нашёлся горячий сторонник теории Максвелла, который задался целью доказать опытным путём её справедливость. Это был тридцатилетний мюнхенский профессор Генрих Герц. В течение трех лет он упорно занимался опытами по получению электромагнитных волн, пока его работа не увенчалась успехом.

Один из опытов Герца заключался в следующем: при помощи гальванической батареи и катушки Румкорфа производились искровые разряды между двумя небольшими металлическими шарами, насаженными на концы двух стержней; под влиянием этих разрядов искры проскакивали также и в месте разрыва проволочного прямоугольника (резонатора), помещённого на расстоянии нескольких метров от разрядника (вибратора). Какие-то невидимые волны, порождаемые вибратором, доходили без проводов до резонатора и вызывали искровой разряд в месте его разрыва. Это и были электромагнитные волны. Герцу удалось определить их длину и скорость.

Так Генрих Герц подкрепил практикой гениальную теорию Максвелла.

*

Когда правильность теории Максвелла была доказана и всякие сомнения рассеялись, учёные стали усиленно исследовать вновь открытые электромагнитные волны.

В 1892 г. английский физик Крукс высказал мысль, что электромагнитные волны могут найти применение для связи без проводов. Эту же идею выдвинул в 1895 г. русский физик Александр Степанович Попов, преподаватель минного класса в Кронштадте, единственного в то время электротехнического учебного заведения в России. Демонстрируя на заседании Русского физико-химического общества изобретённый им прибор для обнаружения электромагнитных волн, создаваемых вибратором Герца, Попов заявил, что этот прибор «при дальнейшем усовершенствовании может быть применён к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний». И действительно, спустя год, 24 марта 1896 г., Попов первый в мире осуществил с помощью электромагнитных волн передачу сигналов без проводов на расстояние в 200 метров. Текст первой в мире радиограммы, переданной знаками Морзе, состоял всего из двух слов: «Генрих Герц».

Так было положено начало электрической связи без проводов — радиосвязи, величайшему открытию конца прошлого столетия.

С тех пор радиотехника прошла огромный путь усовершенствования и развития. Сейчас нет на нашей планете ни одной точки, где нельзя было бы обнаружить электромагнитные волны, посылаемые в пространство десятками тысяч радиостанций.

*

Что же представляют собой радиоволны, каковы их свойства, как распространяются они в атмосфере? И прежде всего — что такое волна, длина волны?

Так выглядели бы радиоволны, излучаемые антенной передающей станции, если бы с них можно было произвести моментальный фотоснимок.

Волнообразное движение весьма распространено в природе. Например, волнообразно распространяется звук, порождаемый механическими колебаниями какого-либо тела. Если бы звуковые волны были видимы, то можно было бы наблюдать как бы непрерывно чередующиеся сгущённые и разреженные слои воздуха. Одно сгущение и одно разрежение представляют длину звуковой волны. А радиоволна состоит из одного сгущения и одного разрежения электромагнитного поля. Сгущение — положительная часть волны — нарастает от нуля до какого-то максимального значения, после чего снова падает до нуля. Разрежение — отрицательная часть волны — также нарастает до какого-то наибольшего значения, но в обратную, отрицательную сторону, а затем доходит до нуля.

Расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами равно длине волны.

Таким образом, радиоволны представляют непрерывно изменяющийся поток электромагнитной энергии, излучаемый антенной передающей станции. Эти волны идут от антенны не по одной линии, а разбегаются сплошными пучками во все стороны, по всем направлениям. Они не направлены лишь вверх и вниз по антенне.

Радиоволны распространяются со скоростью 300 тыс. километров в секунду. Это самая высокая скорость, которая вообще существует в природе. Если бы передатчик радиостанции производил одно колебание в секунду, то длина волны равнялась бы 300 тыс. километров. Частота колебаний, обычно применяемых на радиостанциях, находится в пределах от 60 тыс. килогерц до 10 килогерц (1 килогерц = 1000 колебаний в секунду). Чем больше частота, тем меньше длина волны. А свойства радиоволн, поведение их в эфире во многом зависят от длины этих волн.

Радиоволны в зависимости от их длины делятся на несколько групп, или диапазонов. Наиболее известны волны длинные, средние и короткие.

Складки листа бумаги, сложенного гармошкой, образуют как бы ряд волн. Сжимая этот лист, можно получить короткие волны, а растягивая его — длинные волны.

В первые двадцать лет развития радиотехники для дальней связи применялись волны длиной свыше 3 тыс. метров, т. е. длинные волны. Считалось твёрдо установленным, что волны короче 200 метров (короткие) для связи на далёкие расстояния непригодны. Этот диапазон волн был предоставлен в распоряжение радиолюбителей.

В странах Европы и Америки широко развернулось строительство сверхмощных радиостанций для связи через океан. Чем большее расстояние нужно было перекрыть радиоволнам, тем большей мощности строили станцию.

В самый разгар строительства мощных радиостанций поползли слухи, что радиолюбители-коротковолновики улавливают коротковолновую радиопередачу из-за океана. Слухи эти казались явно фантастическими: ведь передатчики любителей имели мощность всего в несколько ватт, мощность, достаточную разве только для накаливания одной осветительной лампочки.

Однако 27 ноября 1923 г. французский радиолюбитель Леон Делои, работая на передатчике мощностью в несколько десятков ватт, установил двустороннюю связь с радиолюбителями Америки.

Это событие, опровергавшее, казалось, твёрдо установленные законы действия радиоволн, вызвало переполох среди учёных. Начались новые исследования, новые опыты, в результате которых коротковолновые радиостанции для дальней связи прочно завоевали своё место. В настоящее время все дальние радиолинии работают на коротких волнах.

*

По каким же путям распространяются радиоволны в эфире?

Если взять, например, звуковые волны, то скорость и направление их зависят от температуры воздуха, плотности и влажности его, скорости и направления ветра, т. е. от погоды.

Природа электромагнитных волн иная, чем звуковых. Скорость радиоволн постоянна; направления же, по которым они распространяются, зависят от состояния «электрической погоды» в эфире. Что это значит?

Мы живём на дне воздушного океана, который тянется ввысь на сотни километров. В нем происходят разнообразные электрические явления.

В обычном состоянии атмосферный воздух не проводит электричества. Под воздействием же катодных, ультрафиолетовых или других лучей газы, из которых состоит воздух, начинают проводить электричество, особенно если эти газы разрежены.

В солнечном свете очень много ультрафиолетовых лучей и электронных потоков. Под их воздействием молекулы воздуха ионизируются, т. е. или теряют один из своих электронов и заряжаются положительно, или же приобретают электрон сверх нормы и в этом случае заряжаются отрицательно. Кроме того, в воздухе появляются свободные электроны. Чем сильнее ионизирован воздушный слой, тем лучше проводит он электричество.

У земной поверхности ионизация воздуха незначительна. С высотой она усиливается и на расстоянии 100 километров от земли достигает некоторого максимального значения. Выше этого слоя ионизация идёт на убыль, затем снова начинает возрастать, и на высоте примерно 250 километров ионизация воздуха снова достигает максимальной величины. Эти два слоя сильно ионизированного воздуха известны в науке как слои Кеннеди—Хэвисайда, по имени учёных, впервые высказавших предположение о их существовании.

Однако степень ионизации различных слоёв воздушной атмосферы не есть нечто постоянное и неизменное. Так как ионизация воздуха зависит от солнечного освещения, то естественно, что в течение суток происходят известные колебания в электрическом состоянии атмосферы, т. е. меняется «электрическая погода». Ночью, например, когда происходит усиленное обратное восстановление нейтральных атомов и молекул, степень ионизации падает, и ионизированные слои воздуха поднимаются выше. Наоборот, днём, особенно летом, они опускаются.

Над той частью земного шара, которая не освещена солнцем, слои Кеннеди—Хэвисайда расположены более высоко, чем над солнечной стороной.

Таким образом, радиоволны совершают своё молниеносное продвижение в слоях воздуха различной степени ионизации. И это в значительной мере определяет их путь.

От антенны радиоволны направляются частично вдоль земной поверхности, частично вверх, в пространство. Если бы электрическое состояние атмосферы было однородно, то радиоволны распространялись бы прямолинейно и поэтому уходили бы в межпланетное пространство. Но, как мы видели, атмосфера в электрическом отношении неоднородна. И радиоволны, уходящие в пространство, встречают на своём пути различные ионизированные слои воздуха. При переходе из одного слоя в другой радиоволны, преломляясь, отклоняются от своего прямолинейного пути и возвращаются на землю, так же как, например, преломляются световые волны при переходе из одной среды в другую.

*

Радиосвязь на длинных волнах отличается сравнительно большим постоянством. Эти радиоволны не проникают в верхние слои атмосферы, а распространяются главным образом вдоль земной поверхности, следуя за её кривизной. Их путь проходит между землёй и нижним слоем Кеннеди—Хэвисайда. Пробегая над поверхностью земли, длинные радиоволны теряют часть своей энергии в почве. Поэтому, чем больше расстояние, которое они должны перекрыть, тем большей мощности должна быть радиостанция. Над морем радиоволны распространяются дальше, чем над сушей, так как здесь потери энергии меньше.

Приём длинных волн протекает почти без резких ослаблений, искажений или перерывов.

Несколько иначе ведут себя в пути средние волны (длиной от 3 тыс. до 200 метров), которые применяются особенно широко в радиовещании. От антенны некоторая часть этих волн излучается в пространство под тем или иным углом к земной поверхности, а часть распространяется над поверхностью земли, и радиоантенна улавливает не только поверхностные, но и пространственные волны. При сложении двух волн, прошедших разные расстояния, может произойти либо усиление их общего действия, либо ослабление его. Первое происходит в том случае, когда положительная часть одной волны совпадает с положительной частью другой волны, а следовательно, совпадают и их отрицательные части. Если же, например, положительная часть пространственной волны совпадает целиком с отрицательной частью поверхностной волны, то они взаимно уничтожаются, и радиоприём вообще пропадает.

Если радиоволны, пришедшие к приемнику разными путями, совпадают своими положительными и отрицательными частями, происходит усиление приема...

...Если же положительная часть одной волны совпадает с отрицательной частью другой, то они взаимно уничтожаются, и прием пропадает.

Ослабление слышимости, т. е. замирание её, наблюдается обычно вдали от передающих станций, где поверхностная волна вследствие потери энергии в пути уже слаба. Пространственная же волна благодаря тому, что её путь лежит в верхних, ионизированных слоях атмосферы, теряет мало энергии, хотя она и проходит гораздо большее расстояние, чем поверхностная волна.

Замирание приёма может продолжаться несколько минут. Затем слышимость снова появляется и возрастает до нормальной величины. Невдалеке от передающих станций замирания приёма не наблюдается; здесь приём протекает устойчиво и ровно, изменяясь постепенно лишь в течение суток: днём приём слабее, ночью сильнее.

Для устранения мешающих радиоприёму замираний, вызванных совпадением поверхностных и пространственных волн, антенны радиовещательных станций стали строить в последнее время таким образом, чтобы по возможности устранить излучение пространственных волн.

*

Наиболее сильно электрическое состояние атмосферы сказывается на распространении коротких волн (длиною от 50 до 10 метров). Этот диапазон волн богат самыми разнообразными и удивительными явлениями; многие из них до сих пор полностью ещё не изучены.

Чем короче поверхностная волна, тем больше энергии теряет она в почве, поэтому короткие волны, распространяющиеся над поверхностью земли, можно улавливать на расстоянии только нескольких десятков километров от передатчика.

Зато беспредельно далеко распространяются пространственные короткие волны, так как, проходя в верхних, ионизированных слоях воздуха, они теряют мало энергии. По этой причине почти всю энергию, излучаемую коротковолновой радиостанцией, стремятся направить вверх, в пространство. В этом заключается огромное преимущество коротких волн перед длинными, благодаря которому можно строить для дальней радиосвязи станции небольшой мощности.

Другим крупным преимуществом коротких волн является то, что их можно посылать только в одном определенном направлении. Это очень важно для радиотелеграфных линий. В зависимости от угла направления вверх и размеров коротких волн они возвращаются на землю ближе или дальше от передающей станции. Но высота и электрическое состояние ионизированных слоёв непрерывно изменяются; тем самым непрерывно меняются и условия распространения пространственных коротких волн. Поэтому в одно время суток они возвращаются на землю в одном месте, в другое время суток — в другом месте. Для поддержания круглосуточной коротковолновой связи между двумя пунктами приходится применять ночью волны одной длины, днём — другой (обычно вдвое короче, чем ночью). На очень длинных радиолиниях пользуются в течение суток даже пятью волнами разной длины, что, конечно, усложняет работу станции.

Длинные радиоволны распространяются главным образом вдоль земной поверхности.

Короткие волны, идущие вдоль земной поверхности, распространяются от передатчика на небольшие расстояния. Беспредельно далеко распространяются короткие волны — пространственные.

Недостатком коротковолновой передачи являются частые замирания. Слышимость резко колеблется, иногда совсем пропадает. Любопытно, что в двух или трех точках приёма, расположенных друг от друга на расстоянии всего 200—300 метров, замирание передачи наблюдается не в одно и то же время. На крупных приёмных радиостанциях ставят в разных точках две или три антенны и присоединяют их к одному приёмнику, что значительно улучшает приём.

Другое интересное явление, связанное с распространением коротких волн, заключается в существовании так называемых зон молчания, т. е. таких мест, где коротковолновая передача не принимается вовсе. Они начинаются сравнительно недалеко от передающей станции. Ширина их колеблется от сотен до нескольких тысяч километров, в зависимости от времени суток и длины волны. За пределами этой зоны приём получается громкий и сравнительно регулярный. Наличие зон молчания объясняется тем, что поверхностные волны до них не доходят, а волны пространственные возвращаются на землю за пределами их.

Принимая коротковолновую передачу, можно иной раз наблюдать и такое любопытное явление, как радиоэхо, т. е. многократное повторение одного и того же сигнала. Получается это потому, что короткие волны доходят до приёмника разными путями, длины которых значительно отличаются друг от друга. Если интервал между приёмом двух одинаковых сигналов составляет 0,001 секунды, это значит, что вторая волна прошла на 300 километров больше первой. Но бывают случаи, когда сигналы запаздывают примерно на 0,1 секунды. Эти сигналы совершили кругосветное путешествие, проделав путь на 25— 30 тыс. километров больший, чем волна основного сигнала.

Принимая коротковолновую передачу, можно иной раз слышать многократное повторение одного и того же сигнала —  «радиоэхо». Это явление объясняется тем, что радиоволны, одновременно покинувшие антенну, доходят до приемника разными путями, длина которых значительно отличается друг от друга.

Особый интерес представляет так называемое дальнее эхо, при котором запоздание повторного сигнала доходит до нескольких секунд. Такие волны прошли путь в сотни тысяч километров. Происхождение дальнего эха пока ещё не установлено; можно лишь предположить, что, проникнув сквозь земную атмосферу в межпланетное пространство, радиоволны встретили там какие-то ионизированные слои и от них отразились обратно к земле.

Радиолюбителям широко известны перерывы в коротковолновой связи, повторяющиеся периодически, примерно через 27 суток, когда внезапно прекращается приём всех коротковолновых станций. Такие перерывы продолжаются от нескольких минут до одного часа. Это явление получило название эффекта Делинджера. Оно происходит в периоды образования солнечных пятен и наблюдается в тех случаях, когда короткие волны распространяются по путям, освещённым солнцем. Эффект Делинджера объясняется проникновением в земную атмосферу неизвестного ионизатора.

Ослабляется и совсем пропадает коротковолновый приём при магнитных бурях и сильных северных сияниях. Эти нарушения связи длятся иногда несколько дней. Они сказываются главным образом на волнах, пересекающих арктические области. Когда, например, вследствие магнитной бури прекратилась радиосвязь между Нью-Йорком и Лондоном, которая проходила через северные районы, эту связь пришлось установить через Буэнос-Айрес (Аргентина) Вместо обычного расстояния в 4800 километров радиоволны перекрывали 8 тыс. километров от Нью-Йорка до Буэнос-Айреса и 11300 километров дальше — до Лондона, т. е. всего почти 20 тыс. километров. И несмотря на это, обходная связь работала хорошо.

Таковы удивительные свойства коротких волн.

*

Загадочную, ещё не изученную область представляют ультракороткие волны (длиною меньше 10 метров). Они считаются волнами будущего. Пока ультракороткие волны применяются для связи, радиовещания и телевидения в пределах прямой видимости. Этот диапазон волн может принести в будущем не меньшие сюрпризы, чем принесли короткие волны в дни торжества длинных радиоволн.

Особенно многообещающи волны короче одного метра, так называемые дециметровые волны. Они ещё не вышли из стен лабораторий, свойства их пока не разгаданы. Раскрыть тайну этих волн и поставить их на службу человеку — над этой заманчивой для науки задачей упорно работают советские радиотехники.