История в именах: Слагаемые прогресса

    Главная -> История радио -> История в именах -> История в именах: Слагаемые прогресса

---

«Эффект Эдисона» или тайна лампы накаливания

Джон Амброуз Флеминг (John Ambrose Fleming), 1849–1945

Английский инженер Джон Флеминг внес значительный вклад в развитие электроники, фотометрии, электрические измерения и радиотелеграфную связь. Наиболее известно его изобретение радио детектора (выпрямителя) с двумя электродами, которое он назвал термоэлектронной лампой, также известной как вакуумный диод, кенотрон, электронная лампа и лампа или диод Флеминга.

Это устройство, запатентованное в 1904, стало первым электронным детектором радиоволн, преобразующим радиосигналы переменного тока в постоянный ток. Открытие Флеминга было первым шагом в эпоху ламповой электронной техники. Эпохи, которая продлилась без малого до конца XX века.

Флеминг обучался в Университетском Колледже в Лондоне и в Кембридже у великого Максвелла, многие годы работал консультантом в лондонских компаниях Эдисона и Маркони.

Был весьма популярным преподавателем в Университетском колледже и первым, кто удостоился титула профессора электротехники. Был автором более сотни научных статей и книг, включая такие популярные: «Принципы электрической волновой телеграфной связи» (1906) и «Распространение электрических токов в телефонных и телеграфных проводах» (1911), которые много лет были ведущими книгами по данной теме. В 1881, когда электричество стало привлекать всеобщее внимание, Флеминг поступил на службу в компанию Эдисона в Лондоне на должность инженера-электрика, которую занимал почти десять лет.

Знания в области электротехники и большой практический опыт обеспечили ему высокий авторитет в научной среде. К его услугам прибегали многие компании в решении проблем электроосвещения и электричества.

Сорокалетняя трудовая деятельность Флеминга на должности профессора электротехники в Университетском Колледже, благодаря великолепным лекторским способностям, обеспечила ему большую популярность как преподавателя, и множество приглашений от различных учебных заведений.

Было естественным, что работы Флеминга по электричеству и телефонии должны были рано или поздно привести его в зарождающуюся радиотехнику. В течение более двадцати пяти лет он занимал должность научного советника в компании Маркони и даже принимал участие в создании первой трансатлантической станции в Полду.

Долгое время не стихали споры по поводу длины волны, на которой велась первая трансатлантическая передача. В 1935 году, в своих воспоминаниях, Флеминг так прокомментировал этот факт:

В 1901 длина волны электромагнитного излучения не измерялась, потому что я к тому времени еще не изобрел волномер (изобретен в октябре 1904). Высота подвеса антенны в первом варианте составляла 200 футов (61 м). Последовательно с антенной мы подключали трансформаторную катушку или «jiggeroo» (трансформатор затухающих колебаний). По моим оценкам первоначальная длина волны должна была быть не менее 3 000 футов (915 м), но позднее она была гораздо выше.

В то время я знал, что дифракция, изгиб волн вокруг земли, будет увеличиваться с увеличением длины волны и после первого успеха постоянно убеждал Маркони увеличить длину волны, что и было сделано, когда начались коммерческие передачи. Я помню, что разработал специальные волномеры, чтобы измерять волны длиной около 20 000 футов (6096 м).

Триумф Полду принадлежал Маркони, а известность Флемингу принесла «маленькая электрическая лампа накаливания» – диод Флеминга. Сам он так описывал это изобретение:

В 1882 в качестве советника компании Эдисона («Edison Electric Light Company of London») по электричеству, я решал многочисленные проблемы с лампами накаливания и начал изучать физические явления, происходящие в них всеми техническими средствами, имеющимися в моем распоряжении. Подобно многим другим я заметил, что нити накаливания легко ломались при небольших ударах и после перегорания ламп их стеклянные колбы меняли цвет. Это изменение стекла было настолько привычным, что принималось всеми как данность. Казалось пустяком обращать на это внимание. Но в науке должны приниматься во внимание все мелочи. Мелочи сегодня, завтра могут иметь огромное значение.

Задаваясь вопросом, почему колба лампы накаливания темнела, я начал исследовать этот факт и обнаружил, что во многих перегоревших лампах имелась полоска стекла, которая не изменила цвет. Было похоже, что кто-то брал закопченную колбу и стирал налет, оставляя чистой узкую полоску. Я установил, что лампы с этими странными, резко очерченными чистыми участками были в других местах покрыты осажденным углеродом или металлом. А чистая полоска была непременно U-образной формы, повторяющая форму угольной нити, и как раз на противоположной от перегоревшей нити стороне колбы.

Для меня стало очевидным, что ненарушенная часть нити действовала как экран, оставляющий ту самую характерную полоску чистого стекла, и что заряды из разогретой нити накаливания бомбардировали стенки лампы молекулами углерода или выпаренного металла. Мои эксперименты в конце 1882 и начале 1883 доказали, что я был прав.

Эдисон также заметил это явление, кстати, называемое «эффектом Эдисона», но не смог объяснять его природу.

В октябре 1884 исследованиями «эффекта Эдисона» занимался Вильям Прис. Он решил, что это было связано с испусканием угольных молекул от нити накаливания в прямолинейных направлениях, подтверждая, таким образом, мое первоначальное открытие. Но Прис, как и Эдисон, также не стал доискиваться до истины. Он не объяснил явление и не стремился его применить. «Эффект Эдисона» остался тайной лампы накаливания.

В 1888 Флеминг получил несколько специальных углеродных ламп накаливания, сделанных в Англии Эдисоном и Джозефом Сваном и продолжил эксперименты. Он приложил к угольной нити накаливания отрицательное напряжение и заметил, что бомбардировка заряженных частиц прекратилась.

При изменении положения металлической пластины, изменялась интенсивность бомбардировки. Когда же вместо пластины в колбу был помещен металлический цилиндр, расположенный вокруг отрицательного контакта нити без соприкосновения с ней, то гальванометр зафиксировал наибольший ток.

Флемингу стало очевидным, что металлический цилиндр «захватывал» заряженные частицы, которые испускала нить. Основательно изучив свойства эффекта, он обнаружил, что комбинация нити и пластины, названной анодом, могла использоваться как выпрямитель переменных токов не только промышленной, но и высокой частоты используемой в радио.

Работа Флеминга в компании Маркони, позволила ему тщательно ознакомиться с капризным когерером, использовавшимся в качестве датчика волн. В поисках лучшего датчика, он пытался разрабатывать химические детекторы, но в какое то время ему пришла мысль: «А почему бы ни попробовать лампу?».

Сначала он собрал колебательный контур, с двумя лейденскими банками в деревянном корпусе и с индукционной катушкой. Затем другую схему, которая включала электронную лампу и гальванометр. Обе схемы были настроены на одинаковую частоту.

Флеминг так описал свой эксперимент:

Было приблизительно 5 часов вечера, когда аппарат был закончен. Мне, конечно, очень хотелось проверить его в действии. В лаборатории мы установили две эти схемы на некотором расстоянии друг от друга, и я запустил колебания в основной цепи. К моему восхищению я увидел, что стрелка гальванометра показала стабильный постоянный ток. Я понял, что мы получили в этом специфическом виде электрической лампы, решение проблемы выпрямления высокочастотных токов. «Недостающая деталь» в радио была найдена и это была электрическая лампа!

Сначала он собрал колебательный контур, с двумя лейденскими банками в деревянном корпусе и с индукционной катушкой. Затем другую схему, которая включала электронную лампу и гальванометр. Обе схемы были настроены на одинаковую частоту.

Я сразу понял, что металлическая пластина должна быть заменена металлическим цилиндром, закрывающим всю нить, чтобы «собрать» все испускаемые электроны.

У меня в наличии имелось множество угольных ламп накаливания с металлическими цилиндрами, и я начал использовать их в качестве высокочастотных выпрямителей для радиотелеграфной связи.

Этот прибор я назвал колебательной лампой. Ей было сразу же найдено применение. Гальванометр заменили обычным телефоном. Замена, которая могла быть сделана в то время с учетом развития технологии, когда повсеместно использовались искровые системы связи. В таком виде моя лампа широко использовалась компанией Маркони в качестве датчика волн. 16 ноября 1904 я подал заявку на патент в Великобритании.

За изобретение вакуумного диода Флеминг был удостоен множества почестей и наград. В марте 1929 он был посвящен в рыцари за «неоценимый вклад в науку и промышленность».

«Поющая дуга» и «датский Эдисон»

Вильям Ду Боис Дуддель (William Du Bois Duddell), 1869–1942

Вальдемар Поулсен (Valdemar Poulsen), 1869–1942

В 1900 уличные фонари в Лондоне, как и повсюду в Европе, были уже электрическими, но источниками света в них были далеко не лампы накаливания, так хорошо известные и привычные в наши дни. Хотя знаменитое изобретение Эдисона было уже сделано, но его лампы пока еще не обеспечивали достаточно количества света и, кроме того, были довольно дороги и недолговечны. Это было время электродуговых угольных ламп (непрерывной электрической искры), но у них имелся неприятный недостаток – раздражающий, свистящий звук, издаваемый при горении. (Оказывается проблеме шума осветительных приборов уже более 100 лет. В частности, «свист» ламп дневного света в наше время также не доставляет радости.)

Английский физик Вильям Дуддель, в поисках пути устранения звука, нашел способ… управлять его тоном (частотой). Продемонстрированный им в 1899 в Лондоне прибор управлялся клавиатурой, благодаря которой можно было изменять подаваемое на лампы напряжение и, таким образом, менять тон «пения» дуги. Это позволяло воспроизводить музыкальные композиции. Устройство оказалось довольно забавным развлечением. Дуддель не особо верил в перспективность изобретения, из-за чего даже не пытался запатентовать устройство.

Трудно сказать в какой области оказало большее значение изобретение Дудделя – в радио или в музыке, но остается бесспорным фактом, что оно добавило еще один, пускай небольшой вклад в развитие науки.

Вероятней всего изобретение так и осталось бы занятной вещицей, если бы в 1903 году датский ученый Поулсен не развил идею «поющей дуги» Дудделя в своем генераторе – дуге Поулсена. 

Поулсен обнаружил, что если «поющую дугу» поместить в атмосферу водорода, то частота колебаний увеличивается почти до 500 000 Гц, кроме того, водород позволял более эффективно отводить тепло. Следующей особенностью дуги Поулсена было поперечное магнитное поле, прикладываемое в месте ее горения. Это позволяло использовать более высокие напряжения и, таким образом, повысить мощность излучения.

За свой вклад в развитие радиотехники репортеры окрестили Вальдемара Поулсена «датским Эдисоном». В течение первых десятилетий XX века его дуговая система передачи была основой большинства устройств радиосвязи. Кроме дуги, Поулсен первым разработал (1899) принципы магнитной записи, используемые и в настоящее время (телеграфон Поулсена).

Трудно выделить из изобретений Поулсена более значимое: магнитная запись или дуговой передатчик. По-видимому, в контексте истории радио большую роль сыграла именно дуга. Кроме обеспечения более мощной и чистой передачи телеграфных сигналов она впервые в истории радио позволила всерьез задуматься о возможности передачи голоса.

В 1903 Поулсен запатентовал «улучшенный дуговой генератор колебаний, использующий углеводородную атмосферу и магнитное поле» и первым предложил последовательное соединение дуговых ламп. В частности, улучшенная модификация генератора использовалась компанией «Telefunken». Построенная ею система в 1906 охватила 25 миль: «дуговые передатчики подключались последовательно по 6 генераторов при питании 220 В постоянного тока, по 12 при 440 В или по 24 при 880 В».

Когда дуговой передатчик был представлен в Америке, то сразу получил там широкое распространение и составил серьезную конкуренцию передатчикам Фессендена. Дуговые передатчики мощностью до 500 кВт были испытаны американским флотом и получили очень высокую оценку. Хотя у них тоже было немало недостатков: большое количество побочных гармоник и шумов. Кроме того, они выделяли так много тепла, что требовалась водяная система охлаждения. Несмотря на это, в течение Первой Мировой войны на многих военных кораблях были установлены именно передатчики Поулсена.

Первые телеграфные радиосистемы обходились искровыми передатчиками, для передачи же голоса требовались незатухающие колебания. Дуга Поулсена обеспечивала именно незатухающие колебания.

 

При работе телеграфом дуга полностью удовлетворяла поставленным целям, но при экспериментах с передачей голоса разработчики сталкивались с проблемой выбора микрофона. Для передачи голоса в дуговых системах Поулсена требовался микрофон, способный пропускать большой ток. Наиболее подходящим из имеющихся в то время, был угольный микрофон с водяным охлаждением.

В 1906 итальянец Каунт Мажорана предложил свой вариант передатчика на дуге Поулсена с использованием собственного изобретения – «гидравлического микрофона». Решение Мажораны было основано на гидродинамическом принципе: «вода становилась проводником при добавлении кислоты или соли и обеспечивала изменение тока и, кроме того, отводила тепло».

Большой заслугой Поулсена стало то, что он представил первую беспроводную систему, которая кроме телеграфии позволяла передавать еще и голос, обеспечивая достаточно высокое его качество.

До изобретения генераторной электронной лампы оставалось еще более десяти лет, так что дуга Поулсена была действительно единственно реальным устройством для экспериментов с радиотелефонией и радиовещанием в период 20–30-х годов XX века. Затем появится более эффективный генератор переменного тока Александерсона и дуговые передатчики, также как когда-то искровые, станут историей. А еще через несколько лет настанет эпоха ламповой техники.

---