Основные этапы развития радиотехники и связи. Предыстория (1600-1894 гг.). Лекция 3 презентация

Предистория (1600-1894г.);
Первые шаги (1895-1920г.);
Завоевание пространства (1921-1956г.);
Радиоэлектронная вселенная (1957-1995г.);
Современный этап (1996 и до настоящего времени).
В данной лекции рассматривается этап «Предистория»
Историю развития радиотехники и связи можно условно разделить этапы:

1. Изучение электрических и магнитных явлений. Первопроходцы науки об электричестве Гильберт, Герике
2. Работы Кулона, Максвелла, Кирхгофа, Герца и других ученых и их значение для развития радиотехники и связи.
Просмотр видеофильма
Контрольные вопросы по пройденному материалу
Основные даты истории радиотехники периода «Предистория»
План лекции 3

Уильям Гильберт
(1544-1603)
Уильям Гильберт — английский физик, придворный врач Елизаветы I и Якова I. Изучал магнитные и электрические явления, первым ввёл термин «электрический».
В 1600 году издал книгу «De magnete, magneticisque corparibus etc», в которой описаны его опыты над магнитами и электрическими свойствами тел, разделил тела на электризующиеся трением и не электризующиеся, подметив тем самым влияние влажности воздуха на электрическое притяжение легких тел.
Гильберт создал первую теорию магнитных явлений. Он установил, что любые магниты имеют по два полюса, при этом разноименные полюсы притягиваются, а одноименные отталкиваются. Проводя опыт с железным шаром, который взаимодействовал с магнитной стрелкой, впервые выдвинул предположение о том, что Земля является гигантским магнитом. Также он предположил идею о том, что магнитные полюсы Земли могут совпадать с географическими полюсами планеты.
Гильберт также исследовал электрические явления, впервые применив этот термин. Он заметил, что многие тела так же как и янтарь после натирания могут притягивать маленькие предметы, и в честь этого вещества назвал подобные явления электрическими.
3.1. Изучение электрических и магнитных явлений. Первопроходцы науки об электричестве Гильберт, Герике

Наибольшая сила каждого стержневого магнита сосредоточена на его полюсах, обладающих разными видами магнетизма южным и северным, причем сколько ни разламывай магнит, каждый вновь полученный кусочек будет иметь два полюса.
Силу естественного магнита можно увеличить, если к нему приложить стальной брусок, либо опоясать стальной лентой, проходящей через 2 полюса.
При нагревании до определенной температуры магнит теряет свои свойства.
Ученый пришел к гениальному предположению: «Вся Земля- гигантский магнит, а полюсы земного шара- полюса магнита. То есть, он первым указал на наличие магнитного поля земли.
Ученый первым исследовал электрические явления, выяснил, что притягивает не только натертый янтарь, но и драгоценные камни, стекло, сера, сургуч. Он определил список веществ способных и неспособных электрилизоваться.
Исследуя электрические и магнитные явления в течении 18 лет, он поставил более 600 опытов и это в свободное от основной работы время.
В 1600 г. в Лондоне вышел труд «О магните, магнитных телах и большом магните».
Гильберт обобщил и доказал следующие свойства магнитов и предложил области их применения:

Отто фон Ге́рике (1602 —1686) — немецкий физик, инженер и философ. Учился правоведению, математике и механике в Лейпциге, Йене и Лейдене.
В 1650 изобрёл вакуумную откачку и применил своё изобретение для изучения свойств вакуума и роли воздуха в процессе горения и для дыхания человека. В 1654 году провёл известный эксперимент с Магдебургскими полушариями, который доказал наличие давления воздуха; установил упругость и весомость воздуха, способность поддерживать горение, проводить звук.
Две упряжки по восемь лошадей каждая не смогли растащить два небольших (диаметром около 40 см) примыкающих одно к другому медных полушария с выкачанным воздухом.
Так было доказано наличие воздушного давления.
Знаменитый публичный эксперимент Отто фон Герике
В 1657 году изобрел водяной барометр, с помощью которого в 1660 году предсказал надвигающуюся бурю за 2 часа до её появления, таким образом, войдя в историю как один из первых метеорологов.
В 1663 изобрёл один из первых электростатических генераторов, производящих электричество трением — шар из серы, натираемый руками. В 1672 году обнаружил, что заряженный шар потрескивает и светится в темноте (первым наблюдал электролюминесценцию). Кроме того, им было обнаружено свойство электрического отталкивания однополярно заряженных предметов.

Иллюстрация опыта Герике

Продолжение опытов Герике
Желая повторить и проверить опыты Гильберта, Герике изобрел прибор для получения электрического состояния, который если и не может быть назван электрической машиной в настоящем значении этого слова, потому что в нём недоставало конденсатора для собирания электричества, развиваемого трением, то все же послужил прототипом для всех поздних устраиваемых электрических открытий. Сюда прежде всего следует отнести открытие электрического отталкивания, которое было неизвестно Гильберту.
Для развития электрического состояния Герике приготовил довольно большой шар из серы, который при посредстве продетой насквозь оси приводился во вращение и натирался попросту сухой рукой. Наэлектризовав этот шар, Герике заметил, что притягиваемые шаром тела после прикосновения отталкиваются; затем он подметил ещё, что свободно носящаяся в воздухе пушинка, притянутая и вслед затем оттолкнутая от шара, притягивается другими телами.
Герике доказал также, что электрическое состояние передается по нитке (льняной); но при этом, не зная ещё ничего об изоляторах, длину нитки он брал только в один локоть и мог придавать ей лишь вертикальное расположение. Он первый наблюдал на своем серном шаре электрическое свечение в темноте, но искры не получил; он слышал также «в серном шаре» слабый треск, когда подносил его близко к уху, но не знал, чему это приписать.

Это был шар из серы (около 15 см в диаметре), электризуемый при натирании сухой ладонью.
В ходе опытов Герике обнаружил, что электрические заряды могут распространяться по полуметровой льняной нитке,
Натирая шар в темноте он обнаружил легкое свечение.
Ранее считалось, что наэлектризованное тело способно только притягивать предметы, Герике обнаружил явление взаимного отталкивания двух наэлектризованных тел.
Шар Герике явился прообразом электростатического генератора, посредством которого были открыты новые электрические явления.
С этого времени конструирование электростатических машин составило новое направление в экспериментальной физике. К середине 18 века относится создание электростатической машины со стеклянным вращающимся диском.
Вывод: именно XIIV век дал мощный импульс к разнообразным исследованиям электрических явлений следующего столетия.
Электростатическая машина была создана в 1650г.

3.2. Работы Кулона, Максвелла, Кирхгофа, Герца и других ученых и их значение для развития радиотехники
Шарль Огюсте́н де Куло́н (14 июня 1736 — 23 августа 1806) — французский военный инженер и учёный-физик, исследователь электромагнитных и механических явлений; член Парижской Академии наук. Его именем названы единица электрического заряда и закон взаимодействия электрических зарядов.
Ещё в начале 1770-х годов, вернувшись с Мартиники, Кулон активно занялся научными исследованиями. Публиковал работы по технической механике (статика сооружений, теория ветряных мельниц, механические аспекты кручения нитей и т. п.). Кулон сформулировал законы кручения; изобрёл крутильные весы, которые сам же применил для измерения электрических и магнитных сил взаимодействия.
В 1781 году описал опыты по трению скольжения и качения и сформулировал законы сухого трения. В том же году стал членом Парижской Академии наук. С 1785 по 1789 год опубликовал семь мемуаров, где сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (закон Кулона), а также закономерность распределения электрических зарядов на поверхности проводника. Ввёл понятия магнитного момента и поляризации зарядов. В 1789 году у него вышел труд по теории трения скольжения (Théorie des machines simples, en ayant égard au frottement de leurs parties et à la roideur des cordages).

Джеймс Клерк Ма́ксвелл(13 июня 1831— 5 ноября 1879) —британский физик, математик и механик. Шотландец по происхождению. Член Лондонского королевского общества (1861). Максвелл заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие).
Один из основателей кинетической теории газов (установил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввёл в физику статистические представления, показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»), получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость — газ и другие). Пионер количественной теории цветов; автор принципа цветной фотографии. Среди других работ Максвелла — исследования по механике (фотоупругость, теорема Максвелла в теории упругости, работы в области теории устойчивости движения, анализ устойчивости колец Сатурна), оптике, математике. Он подготовил к публикации рукописи работ Генри Кавендиша, много внимания уделял популяризации науки, сконструировал ряд научных приборов.

Густав Роберт Кирхгоф(12 марта 1824 — 17 октября 1887) — один из великих физиков XIX века.
Кирхгоф, будучи прекрасным знатоком математики, обладал в то же время редким умением плодотворно прилагать эти знания к труднейшим вопросам математической физики, в области которой преимущественно работал. Уже первые его работы о распространении электричества по пластинкам (1845—1847) послужили исходным пунктом для множества работ других учёных.
Целый ряд последующих работ по электричеству был посвящён вопросам о распределении электричества на проводниках, о разряде конденсаторов, о течении электричества по подводным кабелям и т. д.; особенно важна работа об индукции токов (1849), содержащая описание способа определения электрического сопротивления проводников в абсолютной мере, и два больших мемуара об индуктированном магнетизме (1853 и 1876).
Одновременно Кирхгоф обнародовал ряд замечательных работ по механике, относящихся главным образом к теории деформации, равновесия и движения упругих тел.

Свои взгляды на основные принципы механики Кирхгоф изложил в весьма известных лекциях по механике, содержащих и решение множества трудных вопросов теорий упругости и течения жидкости; в этом сочинении Кирхгоф старался отрешиться от необходимости введения в основу механики понятий о массе и силе в причинной связи с движением.
Наибольшей известностью пользуются работы Кирхгофа над излучением; ряд опытных (совместно со знаменитым химиком Бунзеном) и теоретических работ над этим вопросом (1858—1860) привели к блестящему открытию обращения линий спектра, к объяснению Фраунгоферовых линий и к созданию целого метода, чрезвычайно важного по своим приложениям в физике, химии и астрономии, — спектрального анализа.
Затем следовал целый ряд работ по термодинамике паров и растворов и по оптике. Последние исследования Кирхгофа касались изменений формы тел под влиянием магнитных и электрических сил (1884—1885).

Первое правило
Первое правило Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой
цепи равна нулю. При этом втекающий в узел ток принято считать положительным, а
вытекающий — отрицательным: Сумма втекающих токов равна сумме вытекающих.
Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Это правило следует из фундаментального закона сохранения заряда.
Второе правило
Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая
сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру
цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников
ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений
равно нулю:
для постоянных напряжений
для переменных напряжений

Ге́нрих Ру́дольф Герц (22 февраля 1857— 1 января 1894) — немецкий физик.
Окончил Берлинский университет, где его учителями были Герман фон Гельмгольц и Густав Кирхгоф. С 1885 по 1889 гг. был профессором физики Университета в Карлсруэ. С 1889 года — профессор физики университета в Бонне.
Основное достижение — экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Герц доказал существование электромагнитных волн. Он подробно исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что скорость их распространения совпадает со скоростью распространения света, и что свет представляет собой не что иное, как разновидность электромагнитных волн. Он построил электродинамику движущихся тел, исходя из гипотезы о том, что эфир увлекается движущимися телами. Однако его теория электродинамики не подтвердилась опытами и позднее уступила место электронной теории Хендрика Лоренца. Результаты, полученные Герцем, легли в основу создания радио.

В 1886—87 гг. Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта. Герц разрабатывал теорию резонансного контура, изучал свойства катодных лучей, исследовал влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд. В ряде работ по механике дал теорию удара упругих шаров, рассчитал время соударения и т. д. В книге «Принципы механики» (1894) дал вывод общих теорем механики и её математического аппарата, исходя из единого принципа (принцип Герца).
В 1930 году Международная Электротехническая Комиссия в честь Герца установила новую единицу измерения — Герц (Гц), применяемую как мера количества повторяющихся событий в единицу времени (её также называют «количество циклов в секунду»). Она была принята Международным бюро мер и весов в 1964 году как единица частоты в системе СИ.

Ни́кола Те́сла (10 июля 1856 — 7 января 1943) — изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. В 1891 году получил американское гражданство.
Широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе, многофазных систем и электродвигателя, позволивших совершить так называемый второй этап промышленной революции.
Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, имевшие целью показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике.
Именем Н. Теслы названа единица измерения плотности магнитного потока (магнитной индукции). Среди многих наград учёного — медали Э. Крессона, Дж. Скотта, Т. Эдисона.
Современники-биографы считали Тесла «человеком, который изобрёл XX век» и «святым заступником» современного электричества. После демонстрации радио и победы в «Войне токов» Тесла получил повсеместное признание как выдающийся инженер-электротехник и изобретатель.
Ранние работы Тесла проложили путь современной электротехнике, его открытия раннего периода имели инновационное значение. В США по известности Тесла мог конкурировать с любым изобретателем или учёным в истории или популярной культуре.

То́мас А́льва Э́дисон (11 февраля 1847 — 18 октября 1931) — всемирно известный американский изобретатель и предприниматель. Эдисон получил в США 1093 патента и около 3 тысяч в других странах мира. Он усовершенствовал телеграф, телефон, киноаппаратуру, разработал один из первых коммерчески успешных вариантов электрической лампы накаливания, изобрёл фонограф. Именно он предложил использовать в начале телефонного разговора слово «алло».
В 1928 году награждён высшей наградой США Золотой медалью Конгресса. В 1930 году стал иностранным почётным членом АН СССР.

Майкл Фараде́й (22 сентября 1791— 25 августа 1867) — английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830).
Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя.
Среди других его открытий — первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др.
Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля — непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.

Бори́с Семёнович (Мориц Герман фон) Яко́би (21 сентября 1801 — 27 февраля (11 марта) 1874) —немецкий и русский физик, академик Императорской Санкт-Петербургской Академии Наук. Прославился открытием гальванопластики. Построил первый электродвигатель, телеграфный аппарат, печатающие буквы. Родной старший брат выдающегося немецкого математика Карла Якоби (старше на 3 года).

Сэ́мюэл Фи́нли Бриз Мо́рзе (27 апреля 1791— 2 апреля 1872) —американский изобретатель и художник. Наиболее известные изобретения — электромагнитный пишущий телеграф («Аппарат Морзе», 1836) и код Морзе.
24 мая 1844 года была послана первая депеша между Вашингтоном и Балтимором по способу Морзе с текстом «Дивны дела Твои, Господи».
В 1837 году он развил систему передачи букв точками и тире, ставшей известной во всём мире как Код Морзе. Он не находил поддержки ни дома, ни в Англии, ни во Франции, ни в России, встречая везде отказ. Друзья восхищались его упорством перед бедностью и разочарованиями от неудач. При очередной попытке заинтересовать Конгресс США созданием телеграфных линий, он приобрёл конгрессмена в партнёры. Поэтому в 1843 году Морзе получил субсидию в 30 000 долларов для строительства первой телеграфной линии от Балтимора до Вашингтона. В ходе работ оказалось, что на этом расстоянии около 40 километров электрический сигнал слишком сильно затухал и прямая связь невозможна. Положение спас компаньон Альфред Вэйл, предложивший использовать реле как усилитель. Наконец, 24 мая 1844 года линия была закончена, но Морзе был тотчас же вовлечён в юридические распри и с партнёрами, и с конкурентами. Он отчаянно боролся, и Верховный Суд в 1854 году признал его авторские права на телеграф.

Васи́лий Влади́мирович Петро́в
(8 (19) июля 1761 года, Обоянь, Белгородская губерния — 22 июля (3 августа) 1834 года, Санкт-Петербург) — русский физик-экспериментатор, электротехник-самоучка, академик Петербургской академии наук (с 1809 года; член-корреспондент с 1802 года).
Одним из выдающихся успехов ученого стало открытие в 1802 году явления электрической дуги и доказательство возможности ее практического применения для целей плавки, сварки металлов и восстановления их из руд и освещения.
Создал гальваническую батарею.

Гео́рг Си́мон Ом (16 марта 1789, Эрланген, — 6 июля 1854, Мюнхен) — знаменитый немецкий физик. Он вывел теоретически и подтвердил на опыте закон, выражающий связь между сила тока в цепи, напряжением и сопротивлением.
Открытие Ома, давшее впервые возможность количественно рассмотреть явления электрического тока, имело и имеет огромное значение для науки; все теоретические (Гельмгольц) и опытные (Бетц, Кольрауш, комиссия британской ассоциации) проверки показали полную его точность; закон Ома есть истинный закон природы.
Дальнейшие работы Ома по электричеству касались вопросов униполярной проводимости (1830) и нагревания проводов током (1829). В 1839 г. последовал ряд работ по акустике, приведших к результатам большой важности. В статье «Über die Definition des Tones nebst daran geknüpfter Theorie der Sirene und ähnlicher tonbildender Vorrichtungen» (1843) высказан закон (тоже называемый «законом Ома»), что человеческое ухо познаёт лишь простые гармонические колебания, и что всякий сложный тон разлагается ухом на составные (по закону Фурье) и познается лишь как сумма их. И этот закон не был принят современниками Ома, и лишь Гельмгольц, через восемь лет после смерти Ома, доказал его полную справедливость.

Об исследованиях Николо Тесла - Тесла-13
Предлагаем вам посмотреть видеофильм по теме лекции:

Контрольные вопросы
Перечислите основные этапы развития радиотехники и связи
Какова роль работ Гильберта и Герике в истории радиотехники?
Какое значение сыграли работы Максвелла для дальнейшего развития радиотехники?
Труды какого ученого мы используем для выполнения расчетов радиотехнических цепей?
Кто экспериментально подтвердил электромагнитную теорию Джеймса Максвелла

В данной лекции мы рассматривали работы, труды, научные достижения великих ученых, относящихся к периоду «Предыстория» (Кулон, Максвелл, Кирхгоф, Тесла, Герц и др). Каждый из них вложил свою лепту в развитие радиотехники и связи. В этот период были проведены экспериментальные и теоретические исследования, появилась возможность выполнения расчетов радиотехнических цепей, доказана возможность осуществления связи без проводов.
Заключение

Основные даты развития радиотехники
Предыстория (1600-1894гг.)