Особенно большим недостатком является наличие проводов при организации телефонной связи в обстановке военных действий на фронте. Прокладка проводив требует затраты значительного времени, провод может подвести в самый ответственный момент, если он будет оборван неприятельским снарядом или при движении механизированных частей, в провод может включиться неприятельский разведчик...
Поэтому попытки передавать голос без применения проводов имели место уже вскоре после изобретения телефона, еще задолго до изобретения радио Поповым. Это была так называемая световая телефония, которая использовала очень оригинальное (фотоэлектрическое) свойство кристалла селена изменять свое сопротивление электрическому току в соответствии с изменением яркости падающего на него света.
Очень интересно проследить за той серией опытов, которые открыли замечательные свойства селена.
Селен мало распространен в природе в добывается в очень незначительных количествах. Элемент селен был открыт в 1817 г. известным шведским химиком Иоганном Берцелиусом.
Однажды, исследуя в своей лаборатории отложения, образующиеся в свинцовых камерах при добыче серной кислоты, Берцелиус получил на дне колбы странный красноватый осадок. Ученый попытался расплавить его в пламени паяльной лампы и был поражен, почувствовав резкий чесночный запах. Может быть причиной этого запаха является теллур, который должен находиться в осадке?
Берцелиус попытался добыть из осадка этот элемент, но, потерпев неудачу, пришел к заключению, что причиной запаха является не теллур, а какой-то новый элемент. Вскоре это предположение подтвердилось, и Берцелиусу удалось выделить новый элемент, который он, благодаря некоторым характерным чертам, приближающим новый элемент к теллуру (teilus — по-латыни значит «земля»), назвал селеном (селене — по-гречески «луна»).
Расплавив красный порошок, Берцелиус после остывания получил темную сургучеобразную массу. В таком состоянии селен совершению не пропускает электрического тока.
Повторяя опыт Берцелиуса, французский химик Реньо нагрел селен до 200° и получил аспидно-серый кристаллический селен, который уже не являлся полным изолятором для электрического тока. В 1851 г. немецкий физик Гитторф показал, что селен в этом состоянии способен пропускать электрический ток, хотя и представляет для него значительное сопротивление.
Воспользовавшись этими сведениями, английский телеграфный инж. Смит при исследовании кабеля употребил селен в качестве искусственного сопротивления. При этом Смит был удивлен странным поведением селена. Без всякой видимой причины селен вдруг изменял в очень резких границах свое сопротивление электрическому току. Анализируя это явление, ассистент Смита Май нашел причину. Оказалось, что сопротивление селена изменялось в зависимости от яркости падающего на него света: при сильном освещении оно резко уменьшалось и достигало своей первоначальной величины в темноте. По поводу этого открытия Смит писал:
«С помощью микрофона можно слышать бег мухи настолько громко, что он кажется подобным топоту лошади по деревянному мосту, но по моему мнению еще более достойно удивления, что я с помощью телефона слышал падение луча света на селеновую пластинку».
Так кропотливым трудом ученых, работавших в лабораториях различных стран, постепенно были открыты фотоэлектрические свойства селена. Вскоре это замечательное свойство было использовано на практике.
В 1875 г. Вернер Симменс в Германии построил из селена фотометр – прибор для измерения интенсивности света. Несколько позже Корн (Германия) использовал селен в своем первом бильдтелеграфном аппарате. Разработаны были также проекты автоматического зажигания газовый фонарей на улицах при наступлении темноты и сигнальных огней на морских бакенах. Но наибольшее применение селен получил в опытах по созданию беспроволочной световой телефонии.
Первый применимый на практике аппарат для передачи звуков с помощью света был построен в 1880 г. известным изобретателем телефона Беллем. Этот аппарат был назван фотофоном. В фотофоне Белля использовалась световая энергия солнца, прибор состоял из передатчика и приемника. С помощью наклонного зеркала солнечный луч направлялся на высеребренную мембрану разговорной трубы в передатчике. Отраженный от зеркальной поверхности мембраны световой пучок через линзу направляется на приемную станцию. Приемный аппарат состоял из параболического зеркала, в фокусе которого находился селеновый препарат, включенный в цепь с телефоном. При разговоре мембрана трубы колебалась, благодаря чему световые лучи то сходились, то расходились и достигали таким образом фокуса вогнутого зеркала (следовательно, и селена в приемнике) с различной интенсивностью. Интенсивность светового пучка, падающего на селен, изменялась с частотой, равной частоте колебания звука в передатчике. В такой же степени изменялось, следовательно, и сопротивление селенового элемента, т.е. селен в этом случае работал, как обыкновенный микрофон, и в телефоне воспроизводилась речь, произнесенная в трубку передатчика.
Уже при первых практических опытах в 1880 г., произведенных между зданием Франклинской школы в Вашингтоне и находящейся в 213 м от него лаборатории, получилась хорошая передача.
Увеличению дальности передачи препятствовала недостаточная чувствительность селена, и работы над световой телефонией прекратились до того времени, когда проф. Симон открыл явление «говорящей дуги».
В 1897 г. проф. Симон в физическом институте в Эрлангене (Бавария) занимался с электрической дуговой лампой постоянного тока и при этот обнаружил, что каждый раз когда в соседней комнате приводился в действие индуктор, дуговая лампа издавала своеобразный треск.
Исследуя это явление, ученый заметил, что питательный провод лампы на небольшом протяжении шел параллельно с проводником, идущим к индуктору. Следовательно, шум в дуговой лампе мог произойти только вследствие того, что индуктивные токи, возникающие под влиянием разрядов в индукторе, накладывались на постоянный ток световой дуги.
Симон обратил внимание на то, что звук лампы был сравнительно громким, тогда как индуктивные токи были очень слабые. Это навело его на блестящую идею: наводить микрофонные токи на световую дугу. В первичную обмотку трансформатора были включены микрофон и батарея, во вторичную – цепь дуговой лампы. Осветительная дуга громко и четко повторила все то, что произносилось перед микрофоном.
Однако для световой телефонии Симон использовал только свет звучащей дуги. В соответствии с колебаниями тока в микрофоне изменялась и яркость свечения дуги. Направив этот пульсирующий свет на селеновый элемент в приемнике, Симон в сентябре 1901 г. добился хорошей телефонной передачи, вначале на 1200 м, а затем на 2,5-3 км. Продолжая работы Симона, Руммер сконструировал более чувствительный селеновый элемент. На поверхности фарфорового цилиндра имелась двойная винтовая бороздка, в которую укладывается проволока. Затем поверхность цилиндра покрывалась расплавленным селеном. В таком виде этот аппарат помещался в стеклянный баллон, из которого затем выкачивался воздух. Баллон был снабжен цоколем для ввинчивания в нормальный патрон.
Селеновая лампочка Руммера была изолирована от внешних влияний (температуры и влаги) и оказалась чувствительной к более слабым колебаниям света. С ее помощью и применяя сильные электрические прожекторы, Руммер в 1902 г. телефонировал на расстояние 7 км, а в 1903 г. уже на расстояние 17 км, причем ему удалось в одном пучке света и передавать и принимать речь.
***
Но селен имеет ряд существенных недостатков: он реагирует только на более или менее интенсивный свет и, кроме того, обладает некоторой «инерцией». При очень быстрых колебаниях света селен не успевает изменять свое сопротивление с такой же частотой, и поэтому речь получается несколько искаженной.
В 1889 г. Эльстер и Гейтель обнаружили, что фотоэлектрические свойства не являются особенностью только селена. Наоборот, амальгамы некоторых металлов, в частности натрия, обладают значительно большей светочувствительностью, чем селен. В 1890 г. эти исследователи описали процесс изготовления фотоэлектрической камеры с амальгамой натрия. К 1912 г. ими был построен фотоэлемент, способный реагировать даже на незаметные для глаза изменения света.
В простейшем виде такой фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, напоминающий электрическую лампочку. Внутренняя поверхность баллона покрыта светочувствительным слоем калия или натрия. Внутри фотоэлемента впаяно проволочное кольцо. Светочувствительная поверхность через специальный вывод в баллоне соединяется с отрицательным полюсом батареи, а кольцо — с положительным.
Если внутрь фотоэлемента упадет луч света, то с его калиевой поверхности будут выбиты отрицательно заряженные частички — электроны. Под действием электрического поля они будут двигаться на положительно заряженное кольцо, и в цепи фотоэлемента создастся электрический ток. Величина его будет тем большая, чем сильнее световой пучок.
Дальнейшее усовершенствования конструкции фотоэлементов, чувствительных к самым незначительным колебаниям света, и наряду с этим создание электронных ламп с громадным коэффициентом усиления открыли новые возможности в области фототелефонии.
В 1930 г. фирма Цейса (Германия) сконструировала оптический телефон, который состоит из передатчика и приемника. В передатчике звуковые колебания превращаются в электрические, а последние в световые. В приемнике этот процесс происходит в обратном -порядке: световые колебания превращаются в электрические, а последние в звуковые. Действие телефона заключается в следующем.
В месте передачи разговор происходит перед обыкновенным микрофоном. Электрический ток от микрофона усиливается специальным усилителем и направляется в электромагниты телефона. К металлической мембране телефона прикреплена маленькая призмочка, почти прилегающая к одной из граней другой, большой призмы. Источником света служит электрическая лампа, луч от которой направляется на маленькую призмочку через конденсатор. Во время разговора перед микрофоном в соответствии с характером передаваемой речи колеблется мембрана телефона. При этом маленькая призмочка на мембране телефона то приближается, то удаляется от граней большой призмы. В соответствии с этим от граней призмы отражается различное количество света, т. е. создается переменный (модулированный) поток лучей, который с помощью еще одной призмы и линзы направляется очень узким пучком на приемную станцию. На последней пучок света проходит обратный путь через преломляющие призмы (в момент приема маленькая призмочка прижата к граням большой) и направляется на фотоэлемент, который, в зависимости от силы света, падающего на его чувствительный слой, изменяет силу тока в связанной с ним цепи. Пройдя через усилитель, электрический ток направляется в обыкновенный телефон, где и превращается в звуки речи.
Особенно большое применение получает оптический телефон в военной связи. Он имеет ряд преимуществ не только перед средствами проволочной, но и радиосвязи.
Оптический телефон позволяет вести разговор, когда говорящий находится не у аппарата, а где-то в стороне, на командном пункте или в штабе. Передача может производиться телеграфом, телефоном или просто световыми сигналами. Дальность действия телефона днем 6—7 км, а ночью 8—9 км.
Оптический телефон дает возможность достигнуть при светосигнальной связи скорости проволочной и радиосвязи, а использование для передачи невидимой части светового спектра (ультрафиолетовых и инфракрасных лучей) исключает возможность перехватывания сообщений.
Детальное описание иллюстраций
Схема работы фотофона Белля: S — передатчик, Т — телефон, В — батарея, R — параболическое зеркало приемника, Sz — селеновый элемент, L1, и L1 — собирательные линзы.
