Początki badań fal radiowych

Człowiekiem, który przeniósł fale radiowe z obszaru matematycznej teorii do realnego świata, był Heinrich Hertz. Był on wybitnie zdolnym uczniem sławnego niemieckiego uczonego Hermanna von Helmholtza. Mistrz przyszłego odkrywcy fal radiowych był z wykształcenia lekarzem i wniósł znaczący wkład do fizjologii, zwłaszcza w obszarze badań związanych z wytwarzaniem ciepła przez procesy zachodzące w żywych organizmach, a także w związku z badaniami nad impulsami nerwowymi. Jednak największą sławę zyskał jako fizyk. Sformułował fundamentalną zasadę zachowania energii, a także zajmował się mechaniką, akustyką, termodynamiką, światłem, elektrycznością i magnetyzmem. W tym ostatnim obszarze zainteresował się teorią Maxwella i podjął próbę stworzenia własnej teorii, konkurencyjnej dla tej, którą proponował Maxwell. Ale potrzebował empirycznych badań weryfikujących teorię Maxwella i pokładał w tym zakresie nadzieję w swoim najzdolniejszym uczniu, jakim był Heinrich Hertz. W 1879 r. zaproponował, żeby Hertz zajął się badaniem teorii Maxwella w ramach swego doktoratu. Co więcej, Helmholtz, sądząc, że Hertz dokona znaczących odkryć, spowodował, że Pruska Akademia Nauk ogłosiła nagrodę za wynik takich badań. Był przekonany, że to właśnie Hertz tę nagrodę otrzyma.

Tymczasem Hertz odmówił. Uznał, że problem jest zbyt trudny dla niego i przedstawił pracę doktorską na temat indukcji elektromagnetycznej, którą w 1880 r. z wyróżnieniem obronił na Uniwersytecie w Berlinie.

Hertz buduje pierwszy nadajnik i odbiornik radiowy

Może dobrze się stało, że podczas pracy pod kierunkiem Helmholtza Hertz nie badał fal radiowych, bo wynik tych badań (przeprowadzonych później na uniwersytecie w Karlsruhe) byłby dla Helmholtza niekorzystny: okazało się, że jego teoria jest błędna, a poprawny jest model zaproponowany przez Maxwella.

Odkrycie przyszło niespodziewanie. W 1886 r. Hertz badał działanie tak zwanych spiral Reissa (cewek indukcyjnych) i zauważył przeskok iskry w znajdującej się w pobliżu butelce lejdejskiej. Pomiędzy spiralą Reissa a butelką nie było połączenia elektrycznego, zatem energię potrzebną do przeskoku iskry musiały wywołać fale elektromagnetyczne.

Hertz zaczął systematyczne badania. Dla zwiększenia energii wysyłanej fali zbudował urządzenie złożone z cewki Ruhmkorffa (generatora impulsów wysokiego napięcia) oraz z iskrownika, w którym pod wpływem wysokiego napięcia powstawały wyładowania elektryczne będące źródłem fal elektromagnetycznych.

O tym, że wyładowania elektryczne są źródłem fal radiowych mogą się przekonać osobiście ci z państwa, którzy posiadają odbiornik radiowy z zakresem fal długich (oznaczanych czasem AM, w odróżnieniu od FM – fal ultrakrótkich, powszechnie dziś używanych). Jeśli słuchamy takiego radia w czasie burzy, nawet dość odległej, to każdej błyskawicy (będącej ogromnym wyładowaniem elektrycznym) towarzyszy wyraźnie słyszalny trzask w odbiorniku.

Żeby otrzymać fale elektromagnetyczne o ustalonej długości, Hertz zbudował dipolowy rezonator złożony z dwóch długich na 12 metrów przewodów elektrycznych z przerwą iskrową między nimi (tam powstawały generujące fale wyładowania). Przerwa miała długość 7,5 mm, a wolne końce przewodów dipola Hertz połączył z cynkowymi kulami o średnicy 30 cm. Ta intuicyjnie zbudowana aparatura okazała się skutecznym nadajnikiem wysyłającym fale radiowe o częstotliwości ok. 50 MHz, co odpowiada parametrom dzisiejszych nadajników telewizyjnych.

W ostatnim zdaniu trzeba zwrócić uwagę na zapis „50 MHz". Oznacza on, że generowana fala zmieniała wartość pola elektromagnetycznego 50 mln razy na sekundę. Ale głównie warto odnotować, że jednostką częstotliwości, powszechnie dziś stosowaną, jest Hertz (skracany do Hz lub spolszczany do słowa „Herc"). Jednostkę tę wprowadzono – jak łatwo się domyślić – żeby uczcić dokonania właśnie Heinricha Hertza.

Wytworzone fale radiowe Hertz obserwował za pomocą odbiornika złożonego z kolistej anteny z sygnalizatorem w postaci mikrometrycznej przerwy iskrowej. Przeskok iskry oznaczał, że do anteny dotarła fala radiowa, a odległość (regulowana mikrometrem), na jaką iskra była w stanie przeskoczyć, wskazywała na energię tej fali.

Pionierskie badania fal radiowych

Uzyskawszy w 1886 r. pierwsze – bardzo nowatorskie! – wyniki swoich badań, Hertz zastanawiał się, czy nie ubiegać się o wspomnianą wyżej nagrodę Pruskiej Akademii Nauk, którą (z myślą o nim!) sprokurował w 1879 r. Hermann von Helmholtz. Okazało się, że nagroda ta wygasła w 1882 r.

W latach od 1886 do 1889 r. Hertz przeprowadził mnóstwo badań, ustalając właściwości wytwarzanych przez siebie fal. Wyniki tych badań wysyłał do Helmholtza, który publikował te artykuły w pracach Akademii Berlińskiej. Pierwszy artykuł ukazał się w 1887 r., a potem kolejne prace prezentowały następne odkrycia. Zapewne najtrudniejsza emocjonalnie była praca z 1888 r., w której Hertz dowiódł ponad wszelką wątpliwość, że fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, czym wykazał wyższość teorii Maxwella nad teorią swego mistrza – von Helmholtza.

Hertz zbudował też kierunkowe źródło fal elektromagnetycznych, czyli aparat, który wysyłał te fale tylko w jednym kierunku. Otoczył mianowicie swój generator (zmniejszony do 13 cm) parabolicznym metalowym zwierciadłem o rozmiarach 1,2x2 m. Dziś w podobny sposób działają wszystkie radary. Zbudował też (na podobnej zasadzie) kierunkowy odbiornik fal radiowych. Dzisiaj tak działają widoczne w wielu miejscach okrągłe anteny telewizji satelitarnej, odbierające tylko sygnały nadchodzące z jednego kierunku, mianowicie od satelity. Były to dla Hertza ważne narzędzia, bo mając taką ukierunkowaną wiązkę fal radiowych (skupionych jak światło z reflektora) i kierunkowy odbiornik, mógł prowadzić różne badania.

W trakcie tych badań udowodnił, że fale elektromagnetyczne odbijają się od metalowych przedmiotów, że ulegają załamaniu, tak jak światło (zbudował w tym celu ogromny pryzmat z parafiny, przewidując słusznie, że będzie ona załamywała fale radiowe), wykazał, że fale te są spolaryzowane (drgania pola elektrycznego przebiegają tylko w jednej płaszczyźnie), a także wyznaczył eksperymentalnie długość wytwarzanych fal (wynosiła ona 4 m). Nakładając na siebie falę wysłaną przez aparaturę i falę odbitą od płaskiego arkusza blachy, Hertz wytworzył tak zwaną falę stojącą i zbadał jej właściwości.

Lista dokonań tego genialnego twórcy jest bardzo długa i byłaby zapewne jeszcze dłuższa, gdyby nie fakt, że ciężko zachorował. Od 1892 r. nękały go dokuczliwe migreny i stan jego zdrowia systematycznie się pogarszał, aż 1 stycznia 1894 r. zmarł w wieku 36 lat. Jest takie powiedzenie: „Wybrańcy bogów umierają młodo". W przypadku Hertza potwierdziło się to z tragiczną dokładnością.

Jednak jego myśl żyje do dziś w każdym urządzeniu wykorzystującym fale elektromagnetyczne: w radio, telewizji, radarach, radioastronomii, a także w urządzeniach Wi-Fi. Bez odkrycia Hertza nie mielibyśmy telefonii komórkowej ani kuchenek mikrofalowych. Nie byłoby łączności na morzu ani w powietrzu. Niemożliwe byłyby też loty kosmiczne, bo trudno sobie wyobrazić, żeby lecący na Księżyc lądownik ciągnął za sobą drut telefoniczny.

Co ciekawe – sam Hertz nie zdawał sobie sprawy z potencjału tkwiącego w jego odkryciach. Zapytany kiedyś przez dziennikarza, do czego można by było zastosować odkryte przez niego fale radiowe, odpowiedział z całą stanowczością: „Sądzę, że do niczego!".

Czas praktyków

Hertz bardzo się mylił. Odkryte przez niego fale znalazły bardzo szybko zastosowanie, początkowo głównie w łączności. Pierwszym konstruktorem, który dostrzegł możliwość wykorzystania fal Hertza do komunikacji między ludźmi, był Sir Oliver Joseph Lodge. Prowadził on badania fal elektromagnetycznych niezależnie od Hertza, ale uznawał jego priorytet i po śmierci Hertza w styczniu 1894 r. wygłosił w Royal Institution wykład na temat jego osiągnięć, pokazując równocześnie swój wynalazek: urządzenie do odbioru fal radiowych, tzw. koherer, znacznie doskonalszy od iskrownika, którego używał Hertz. Słuchający tego wykładu konstruktor sprzętu telegraficznego Alexander Muirhead podjął próbę wykorzystania koherera i fal radiowych do transmisji sygnałów telegraficznych. Próba się powiodła i już w sierpniu tego samego roku na odczycie w Oxfordzie prowadzonym dla British Association Lodge i Muirhead wspólnie zademonstrowali pierwszy (w skali światowej) radiowy przekaz sygnałów telegraficznych. Przekaz był na niewielką odległość – z sali wykładowej do sąsiedniego laboratorium – ale była to pierwsza transmisja radiowa. Lodge jednak swojego wynalazku nie opatentował, uważał bowiem, że fale radiowe, jako nośnik informacji, mają za mały zasięg, żeby to mogło mieć znaczenie praktyczne. W ten sposób pierwszy patent na bezprzewodową (radiową) transmisję informacji uzyskał w 1897 r. przybyły do Wielkiej Brytanii Włoch Guglielmo Marconi. O ten patent wybuchła największa (chyba) awantura w dziejach elektrotechniki – ale o tym opowiem już w następnym artykule.

Historia