Радиотехника – я тебя люблю! (эссе)

   Радио (от латинского – излучать, испускать лучи) способ беспроводной перeдачи данных используя электромагнитные волны (радиоволны). 
  Радиоволны свободно распространяются в пространстве. Всё природное пространство пронизано волнами разных частот. Природные волны формируются хаотично. Примером электромагнитных волн является свет от звёзд. В солнечной системе такая звезда - это Солнце.  
  Атмосфера Земли блокирует жесткое (вредное для всего живого) излучение Солнца. Оставшаяся часть - это свет и тепло. Звук, свет и тепло это волны тех частот, которые воспринимаются живыми существами и человеком. Однако есть и другие электромагнитные волны, которые не воспринимает человек своими органами чувств. Рассмотрим какие электромагнитные волны известны нам сейчас. Частоту электромагнитных волн измеряют в герцах. Один герц (Гц) - это одно колебание волны в секунду.

                                Рис.1 Диапазоны радиоволн, применяемых человеком:
  1.Усреднённое значение частот, воспринимаемых человеческим ухом, лежит в диапазоне 20Гц - 20 кГц.
  2.Радиодиапазон  3.Частоты колебаний электромагнитного поля, воспринимаемого человеком, как видимое излучение (свет), лежат в диапазоне от 3,9·10 до 7,9·10 Гц.
  4.СВЧ Сверхвысокие частот


   Давайте последовательно рассмотрим диапазоны с первого по четвертый. Именно в такой последовательности человечество начало освоение радиоволн. Мы сможем, в основном перечислять радиоустройства, работающие в этих диапазонах,  раскрывая их принцип действия только для некоторых, т.к. рассказ может оказаться слишком велик.
   Для истории радиотехники важным этапом послужило открытие электрического тока в XIX ст. 

Во́льтов сто́лб — устройство применявшееся на заре электротехники  для получения электричества. 

   В 1800 году итальянский учёный Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и показал, что по проволоке протекает электрический ток. 

Закон Ома — эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрического напряжения с силой тока и сопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.

   В 1881 году Люсьен Голар (Франция) и Джон Гиббс (Великобритания) демонстрируют первый трансформатор, пригодный для работы на высоких мощностях. В 1885 г. Вестингауз покупает несколько трансформаторов Голара-Гиббса и генератор переменного тока производства Siemens & Halske и начинает эксперименты. Через год начинает работу первая 500-вольтовая ГЭС переменного тока в Грейт-Баррингтоне (штат Массачусетс).

   Распространению переменного тока мешало и отсутствие моторов и счётчиков. В 1882 году Тесла изобретает многофазный электромотор, патент на который был получен в 1888 году. В 1884 году Тесла появляется в США. После года успешной работы Эдисон отказывает Тесле в повышении зарплаты и Тесла уходит к Вестингаузу. В 1888 году появляется первый счётчик переменного тока.

  В 1891 году трёхфазная система переменного тока была представлена консорциумом во главе с AEG на выставке, проходившей во Франкфурте-на-Майне. В 1893 году Вестингауз выиграл тендер на строительство электростанции на Ниагарском водопаде. По словам Теслы, «мощности водопада хватит на все США». Чтобы примирить Вестингауза и Эдисона, последнему досталось строительство линии электропередачи, ведущей от электростанции в Буффало — ближайший крупный город.

  В конце концов General Electric купила компанию «Томсон-Хьюстон», производившую машины переменного тока, и сама начала их производство. Тем не менее, антиреклама переменного тока продолжалась.

   В последствии в передаче електричества на расстоянии победил переменный ток. 
   Локальные потребители тока используют преобразователи переменного в постаянный ток для питания радиотехнических и электрических устройств.

  И так первый диапазон. 

  Примеры устройств:
  Наушники, громкоговорители, проигрыватели, устройства записи звука, сирены.
Это первый диапазон радиоволн, который освоил человек для записи и хранения звуковой информации.
  Звуковые устройства. Запись воспроизведение звука. 
   Александер Грэм Белл запатентовал первую электродинамическую головку (капсюль), как одну из составных частей своего телефона, в 1876 г. В 1878 г. конструкция была усовершенствована Вернером фон Сименсом. Никола Тесла в 1881 г. также заявил об изобретении подобного устройства, но не патентовал его.
   25 марта 1857 года французское правительство выдало Леону Скотту патент на изобретённое им устройство под названием «фоноавтограф» (phonoautograph). Устройство состояло из акустического конуса и вибрирующей мембраны, соединённой с иглой. Игла соприкасалась с поверхностью вращаемого вручную стеклянного цилиндра, покрытого копотью или бумагой. Звуковые колебания, проходя через конус, заставляли мембрану вибрировать, передавая колебания игле, которая прочерчивала на копоти отметки. Устройство позволяло отображать звуковые колебания, однако не предлагало способа их воспроизведения.



  Далее идет второй диапазон. 
  Примеры устройств:
  Радиоприемники, передатчики, рации, сотовые телефоны, радары и устройства работающие с Bluetooth и WiFi.
  Упоминания о радиоволнах впервые встречаются в работах Джеймса Максвелла (1868 г.). Он предложил уравнение, которое описывает световые и радиоволны, как волны электромагнетизма. 

  Первый патент на беспроводную связь получил в 1872 г. Малон Лумис (Mahlon Loomis), заявивший в 1896 г. о том, что он открыл способ беспроволочной связи; в Германии создателем радио считают Генриха Герца, 1888 г., в США — Дэвида Хьюза 1878 г., а также Томаса Эдисона, 1875 г., патент 1885 г., в США и ряде балканских стран — Николу Тесла, 1891 г., в Беларуссии — Якова (Сармат-Яков-Сигизмунд) Оттоновича Наркевича-Иодку (белор. Якуб Наркевіч-Ёдка) 1890 г., во Франции — Эдуарда Бранли 1890 г., в Индии — Джагадиша Чандра Боше 1894 г. (или 1895 г.), в Англии — Оливера Джозефа Лоджа, 1894 г., в Бразилии — Ланделя де Муру, 1893—1894 гг..

  Создателем первой успешной системы обмена информацией с помощью радиоволн (радиотелеграфии) считается итальянский инженер Гульельмо Маркони (1895).

   В России изобретателем радиотелеграфии традиционно считают А.С.Попова, однако и то, и другое не совсем верно. Маркони, по сути, соединил передатчик Генриха Герца и приёмник А.С.Попова, в одно устройство. В первых опытах по радиосвязи, проведённых в физическом кабинете, а затем в саду Минного офицерского класса, приёмник обнаруживал излучение радиосигналов, посылаемых передатчиком, на расстоянии до 60 м.

  В США изобретателем радио считается Никола Тесла, запатентовавший в 1893 году радиопередатчик, а в 1895 г. приёмник. Конструкция устройств Теслы позволяла модулировать акустическим сигналом колебательный контур передатчика, осуществлять радиопередачу сигнала на расстояние и принимать его приёмником, который преобразовывал сигнал в акустический звук. Такую же конструкцию имеют все современные радиоустройства, в основе которых лежит колебательный контур. В то время конструкции Маркони и Попова были примитивны и позволяли осуществлять только сигнальную функцию, используя в том числе азбуку Морзе. 

  Принцип передачи информации по радио прост.
  Передача происходит следующим образом: на передающей стороне (в радиопередатчике) формируются высокочастотные колебания (несущий сигнал) определенной частоты. На него накладывается сигнал, который нужно передать (звука, изображения и т. д.) — происходит модуляция несущей полезным сигналом. Сформированный таким образом высокочастотный сигнал излучается антенной в пространство в виде радиоволн. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в приемной антенне, он поступает в радиоприёмник. Здесь система фильтров выделяет из множества наведенных в антенне токов от разных передатчиков сигнал с нужной несущей частотой, а детектор выделяет из него модулирующий полезный сигнал. 

  Распространение радио и дешевизна этой технологии позволило использовать это устройство абсолютно во всех сферах человеческой жизнедеятельности. Любители используют радио в целях простого удаленного общения, ищут все новых и новых друзей на различных частотах радиосигнала.

  Очень серьезно радио применяется в военном деле. Отсутствие проводов позволяет получать и передавать информацию на огромные расстояния, что как нельзя лучше подходит при ходе военных действий. «Сыновья Марса» начали применять радио в первую мировую войну, но ввиду того, что эта технология тогда еще была на самой первой ступеньке своего развития, удовлетворить нужды армии полностью она не смогла. Но с течением времени и прогресса в сфере высоких технологий радио стало носить в себе огромный потенциал и осуществлять не только функции связи, применяя в одном аппарате другие устройства. Так же просто невозможно вообразить себе современных путешественников, которые решаются покорять самые удаленные уголки нашей планеты, без радиопередатчиков. Ведь в походе может произойти любая ситуация и радио на этот случай является самым лучшим способом связи с внешним миром.
  Очень широко этот вид связи используется социальными службами, такими как милиция, скорая помощь, такси и пр. Ведь главная задача их работы - это оперативно отзываться на поступающую информацию. А использование радио является лучшим способом ее передачи в режиме реального времени.
  Также радиовещание является средством массовой информации, ведь именно такая форма данных, как звук способен восприниматься человеком абсолютно в любых условиях. Да и вообще радио считается одним из первых СМИ в современном мире. Его публика на сегодняшний день составляет несколько десятков миллионов пользователей, что подтверждает огромную популярность радио.
  Новым явлением стало возникновение Интернет-радио. Функции, которые оно выполняет, полностью соответствуют тем, что выполняет обыкновенное радио.
Современные компьютеры, смартфоны и планшеты интегрируют в себе беспроводные модули для доступа к сети Интернет. Скорость доступа к сети постоянно возрастает, заставляя эволюционизировать всю отрасль. GPRS, EDGE, EVDO, LTE – технологии не стоят на месте! Мировая индустрия радиоэлектроники производит все новые и новые стандарты, увеличивая скорость доступа к информации.



Третий диапазон. 
Примеры устройств:
  Лампы дневного света, лампы накаливания, вакуумные лампы
усилительные и индикаторные, вакуумные регистраторы рентгеновского излучения, лазерная техника приминяемая в медицине и шоубизнесе, инфракрасные пульты дистанционного управления домашней техникой.
  С первых моментов применения ламп накаливания для освещения стало возможным изобретение вакуумных ламп, широкоприменяемых по сей день.
  Первым предком лампы дневного света были газоразрядные лампы. Впервые свечение газов под воздействием электрического тока наблюдал Михаил Ломоносов, пропуская ток через заполненный водородом стеклянный шар. Считается что первая газоразрядная лампа изобретена в 1856 году. Генрих Гайсслер получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. 23 июня 1891 года Никола Тесла запатентовал систему электрического освещения газоразрядными лампами (патент № 454,622), которая состояла из источника высокого напряжения высокой частоты и газоразрядных аргоновых ламп запатентованных им ранее (патент № 335,787 от 9 февраля 1886 г. выдан United States Patent Office).

  В 1883 году Эдисон пытался увеличить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания в вакууммированной стеклянной колбе. С этой целью в одном из опытов он ввёл в вакуумное пространство лампы металлическую пластину с проводником, выведенным наружу. При экспериментах он заметил, что вакуум проводит ток, причём только в направлении от электрода к накалённой нити и только тогда, когда нить накалена. Это было неожиданно для того времени — считалось, что вакуум не может проводить ток, так как в нём нет носителей заряда. Изобретатель не понял тогда значение этого открытия, но на всякий случай запатентовал.

  Благодаря этим экспериментам Эдисон стал автором фундаментального научного открытия, которое является основой работы всех электронных ламп и всей электроники до создания полупроводниковых приборов. В последствии это явление получило название термоэлектронная эмиссия.

  В 1905 году этот «эффект Эдисона» стал основой британского патента Джона Флеминга на «прибор для преобразования переменного тока в постоянный» — первую электронную лампу, открывшую век электроники.

  1941 год — Конрад Цузе создаёт первую вычислительную машину Z3, обладающую всеми свойствами современного компьютера.

  1942 год — в Университете штата Айова Джон Атанасов и его аспирант Клиффорд Берри (англ. Clifford Berry) создали (а точнее — разработали и начали монтировать) первый в США электронный цифровой компьютер ABC. Хотя эта машина так и не была завершена (Атанасов ушёл в действующую армию), она, как пишут историки, оказала большое влияние на Джона Мокли, создавшего двумя годами позже ЭВМЭНИАК.

  В 1956 году за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике. С этого момента на смену вакуумным приборам приходят полупроводники.

7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер (англ. Geoffrey Dummer) впервые выдвинул идею интеграции множества стандартных электронных компонентов.

  В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв.

  27 сентября 1960 года группа Джея Ласта (англ. Jay Last) создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни.

  С этого момента началась эра микроэлектроники. Не за горами был выход человека в космос.

  12 апреля 1961 года Юрий Гагарин стал первым человеком в мировой истории, совершившим полёт в космическое пространство. 

  Четвертый диапазон и примеры устройств:
  Системы связи с космическими кораблями, станциями, спутниками, микроволновые печи, спутниковое телевидение, медицинское оборудование, военные космические технологии.
  

  За последнии 50-60 лет, когда человек заинтересовался космосом стал осваиваться диапазон сверхвысоких частот. В начале диапазон использовался для связи с объектам на орбите Земли, а затем эти наработки применялись в разработках бытовой техники.

  Так, первая телевизионная трансляция из Владивостока в Москву стала возможна благодаря эксплуатации первого в мире спутника связи «Молния», который был выведен на орбиту 23 апреля 1965 года. 

  GPS:
  Идея создания спутниковой навигации родилась ещё в 50-е годы. В тот момент, когда в СССР был запущен первый исскуственный спутник Земли, американские учёные во главе с Ричардом Кершнером наблюдали сигнал, исходящий от советского спутника и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Суть открытия заключалась в том, что если точно знать свои координаты на Земле, то становится возможным измерить положение и скорость спутника, и наоборот, точно зная положение спутника, можно определить собственную скорость и координаты.



Личности, значительно повлиявшие на ход развития радиотехники: 

  1826 — Георг Симон Ом формулирует свой знаменитый закон.

 1831 — английский физико-химик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. 1845 — он же ввел понятие электромагнитного поля.  

  1831 — американский ученый Джозеф Генри, открыл явление самоиндукции, в его честь названа единица измерения индуктивности Гн (генри).

 1860—1865 — английский физик Джеймс Кларк Максвелл создал теорию электромагнитного поля.

  1861 —  итальянский физик, химик , один из основоположников учения об электричестве Алесса́ндро Джузе́ппе Анто́нио Анаста́сио Вольта , в его честь была введена  комитетом электрических эталонов единица измерения электрического напряжения Вольт

  1881 — французский  физик, математик Андре Ампер, в его честь названа единица измерения силы электрического тока, принятая на 1-м Международном конгрессе электриков  (Париж)

  1885 — американский изобретатель Томас Алва Эдисон 23 мая подал патентную заявку № 166455 (утверждена 29 декабря 1891 г. , патент США № 465971) на «Способ передачи электрических сигналов».

  1886—1888 — немецкий физик Г.Герц доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом математическим путем (опыты при различных взаимных положениях генератора и приёмника).

  1891 — Никола Тесла (Сент-Луис, штат Миссури, США) в ходе лекций публично описал принципы передачи радиосигнала на большие расстояния.

  1893 — Тесла патентует радиопередатчик и изобретает мачтовую антенну, с помощью которой в 1895 г. передаёт радиосигналы на расстояние 30 миль.

  7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества в Санкт-Петербурге Александр Степанович Попов читает лекцию «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям», на которой, воспроизводя опыты Лоджа c электромагнитными сигналами, продемонстрировал прибор, схожий в общих чертах с тем, который ранее использовался Лоджем. При этом Попов внёс в конструкцию усовершенствования.

  1909 — Присуждение Маркони и Ф.Брауну Нобелевской премии по физике «в знак признания их заслуг в развитии беспроволочной телеграфии»

  Выводы
  Мы не сможем в рамках данного реферата рассмотреть все интересные примеры радиотехнических устройств. Их огромное количество не позволяет нам сделать это. Но их история развития говорит о том, что появление новых достижений невозможно без огромного количества предыдущих разработок. Этот слитный процес во времени не прерывается!
  Ну и конечно, мы не смогли упомянуть всех исследователей в этой области. Однако нельзя обойти неоднократно упоминавшееся имя известного инженера Николы Тесла, заслуги которого заслуживают отдельного и даже многих исследований его наследия.  Не нужно забывать, что на пути развития радиотехники происходит интересное ее экологическое перерождение. Это можно наблюдать на примере развития беспроводных технологий мобильных сетей. Первые варианты мобильных телефонов излучали опасный уровень электромагнитных волн. Уже сейчас в современных сетях GSM норма излучения опустилась до восьми Ватт. Но технологии не стоят на месте. И следующее поколение GSM под названием WCDMA уже сегодня не первый год успешно работает имея норму излучения до полуватта. На ряду с этим сети CDMA имели этот показатель уже давно. Современный человек постоянно при себе имеет от одного до нескольких устройств такого класса. И понятно, что суммарный уровень излучения от них должен быть как можно меньше. Передовые радиотехнические индустриальные разработки учитывают это. И сети GSM постепенно во всем мире вытесняются CDMA/WCDMA/LTE сетями!
  Радиотехника тесно связана с многими аспектами нашей жизни и мы не могли бы представить нашу повседневную жизнь без нее.
  Невозможно представить себе дом современного человека без радиотехнических устройств. Телевизоры, телефоны, планшеты, радиоприемники, проигрыватели аудио и мультимедия, и так далее. Досуг, работа, учеба и почти все виды деятельности современного человека окружены электронными помощниками. Как скучна и непродуктивна была бы жизнь современного человека без них! Современные гаджеты становятся все интереснее, легче и продуктивнее. Будущее человечества без сомнения будет связано с еще более итересными проявлениям радиотехники. Можно сказать точно, что освоение более высокочастотных диапазонов продолжится. 
  Компютерная техника явилась детищем радиотехники и без нее дальнейшее развитие человечества невозможно! Комуникационные и вычислительные возможности сети Интернет доказывают это. 
  В будущем нас ждут другие революционные радиотехнические изобретения человека, которые изменят его жизнь, как это сделал Интернет, спутниковое телевидение и мобильные технологии. И поэтому будущее человечества мне представляется прекрасным!