Проф. В. К. Лебединский
Мы сказали, что телеграф был первым применением электричества к жизни. Лишь через 30-40 лет мало-по-малу стали вводиться другие применения электричества к жизни. Их КПД1), очевидно, гораздо выше, так как все мы лично, а не в наглядку ездим очень часто на трамвае, пользуемся каждый вечер электрическим освещением у себя дома, окружены предметами домашнего обихода, никкелированными посредством электрического тока. Самая маленькая телеграмма в шесть слов стоит столько, сколько проезд 6-7 станций трамвая, приводящий к сбережению времени и сил, достаточных на 2-3 рабочих часа.
Телеграф, как способ быстрого общения между людьми, становится тем более ценным, чем менее пригодны все другие способы. Телеграф не нужен для жителей одного и того же дома, мало нужен для жителей одного города, нужнее для связи между разными городами а тем благодетельнее и незаменимее его работа, чем больше расстояние, на которое он передает известия.
Но, как и следует ожидать, с увеличением расстояния возрастают трудности, враждебные обстоятельства, которые приходится побороть; из них назовем два: с удлинением линии увеличивается ее сопротивление, ток уменьшается и, наконец становится столь слабым, что не может привести в действие приемный аппарат. До некоторого предела это можно преодолеть увеличением батареи на отправительной станции повышением ее ЭДС2).
Вторым мешающим обстоятельством является "утечка" тока с телеграфного провода в землю через изолятор Ф (рис. 3), на котором подвешен провод, через крюк К и столб С, который поддерживает провод над землей; в этой утечке тока по каждому столбу сказывается стремление электронов использовать все возможные для них пути в землю, а затем по земле, — к тому концу батареи, который соединен с землей. С удлинением линии общее число столбов все увеличивается (напр., до 20 на каждый километр), увеличивается и общее число потерянных для полезной работы электронов, и до приемной станции их доходит так мало, что она не в состоянии привести в действие приемный аппарат. До некоторого предела и это побеждается увеличением ЭДС батареи.
Таким образом, оба препятствия, встающие при удлинении линии, побеждаются увеличением ЭДС, но именно как мы сказали, лишь до известного предела. В общих случаях это увеличение, давая возможность провести черту на ленте, все увеличивает бесполезные потери при прохождении тока за время проведения черты. Поэтому для очень больших дальностей передачи применяется другой способ, нашедший себе большое применение в беспроволочном телеграфе с самых первых его дней.
Если на приемную станцию приходит такой слабый ток, что он не может так сильно прижать стерженек m, чтобы перо n могло начертить явственные знаки, то все же этот ток может произвести хотя бы слабое передвижение рычажка. Пусть требуется лишь продвинуть рычажок m (рис. 4)3, чтобы он лишь коснулся контакта a. Это прикосновение будет сопровождаться совершенно ничтожным надавливанием, но больше ничего и не нужно, если мы хотим таким прикосновением замкнуть цепь так называемой местной батареи Б; ее цепь находится вся на приемной станции, и нетрудно сопротивление этой цепи сделать и большим; тогда ток от батареи Б будет совершенно достаточным, чтобы электромагнит м подействовал на рычажок приемного аппарата (не изображен на рис. 4)3. Черта будет получена не от тока, пришедшего с линии, но действием тока гораздо более сильного (в сто и более раз), который идет, однако, только тогда, когда идет ток в линии, ибо без тока в линии нет контакта в a; как только прекратится ток в линии, рычажок отскочит, цепь местной батареи разомкнется и ее ток прекратится.
Способ этот называется местным усилением; а то приспособление (в нашем простейшем примере — рычажок m), которое пускает его в ход, называется релэ.
Нередко употребляется способ трансляции: длинная линия обрывается в каком-либо городе, лежащем около ее средины, телеграфист этого города, приняв на релэ депешу, прошедшую одну половину линии, немедленно передает ее на другую помощью второй батареи. Трансляция может производиться и автоматически.
Трансляция, соединенная с усилением, представляет собой очень мощное, хотя и сложное средство побеждать расстояния. Но она неприменима как раз к самым большим дальностям на земле, к телеграфным линиям через Атлантический и Великий Океаны, так как в этих случаях трансокеанской телеграфии невозможны промежуточные станции.
Кроме того, для этих линий невозможна воздушная проводка на столбах; океанский (и вообще подводный) провод имеет вид кабеля, т.-е. медной жилы, покрытой гуттаперчевой изоляцией, защищенной снаружи железной оболочкой и положенной на дно. самая прокладка такого кабеля в несколько тысяч километров представляет собой серьезную техническую задачу. Первые кабели разрывались, необходимы были удивительное упорство и помощь лучших специалистов, чтобы, наконец, в 1858 г., через двадцать лет после изобретения телеграфа, стал действовать первый трансатлантический кабель.
Но трудности трансокеанского телеграфирования не заканчиваются с прокладкой кабеля. Само явление кратковременного электрического тока по медной жиле кабеля очень сложно. Об'яснение его потребовало совместных усилий нескольких гениальных физиков, принимавших участие в знаменитой кабельной комиссии 1858 г.
Комиссия была созвана потому, что к этому времени ⅘ всех проложенных кабелей перестали подавать сигналы; крушение грозило самой идее трансокеанской телеграфии. Мысль о том, что не нужно, в конце-концов, никакого кабеля, что не нужны и провода для надземного телеграфа, эта мысль не могла еще появиться; 67 лет тому назад физики еще не были готовы к провозглашению принципа радиотелеграфа и настояли на полной технической возможности пользования кабелем.
Однако, именно в работах этой комиссии, как мы теперь понимаем, впервые проглядывала та мысль, которая служит основанием радиотехники.
Кабель, особенно если он длинный, сильно отличается от воздушного провода, протянутого на столбах. Кабель лежит на земле. Расстояние между землей и его медною жилою невелико (несколько сантиметров). Пусть на рис. 5 — м обозначает медный провод кабеля, з-з поверхность земли, Б — батарею, К — ключ. При замыкании ключа мы не должны ожидать сейчас же тока по всему кабелю до того конца его, где находится приемный аппарат. Провод слишком длинен для этого и, кроме того, он слишком близок ко второму проводу — к земле. Для первого мгновения его нужно рассматривать как бы разомкнутым и ждать, лишь того, что батарея, приключенная теперь через K, будет заряжать этот провод. А вследствие близости провода к земле потребуется много электронов для заряжения каждого участка кабеля. Вспомним, что, относясь к рис. 1 (стр. 79). мы говорили о зарядах лишь точек а и б; это потому, что они близки друг к другу; в остальных местах воздушной линии провода далеки друг от друга, и о необходимости заряжения их не стоит говорить, — оно требует сравнительно слишком мало электронов; в этих местах слишком мала емкость, особенно для короткой линии. В кабеле она велика, а в длинном кабеле она громадна, и поэтому на его заряжение и потребуется много электронов.
Сначала они будут собираться в том месте, которое ближе всего к K, и заряжать его, в то же время пробивая себе пути дальше.
Именно, "пробивая путь", так как вокруг того участка провода, по которому уже идет ток, все пространство должно быть намагничено, как мы говорили выше и пока происходит это намагничивание, ток еще только собирается пройти.
Таким образом, электроны скопляются сначала в левом конце кабеля (на рис. 5), производя там соответственный заряд: затем новые идут дальше, образуя намагничивание, или, как говорят, "поборов самоиндункцию" и заряжая следующий участок, за ними идут еще новые электроны и т. д.
Это об'яснил Вилльям Томсон (1824-1907). Но старший его современник, великий исследователь электрических явлений Михаил Фарадей (1791-1867), лет за 20 до этого прибавил к представлению об электрических зарядах вообще еще нечто, для нас особенно важное. Мы должны представлять себе, что каждый электрон окружен фарадеевскими силовыми линиями (рис. 6), электрическим полем; все действие электронов и представляет собою действие этих силовых линий; ими он притягивает к себе предметы с недостатком электронов (положительно заряженные). Поэтому мы должны дополнить наш рисунок 5. На рис. 7 опять представлена жила кабеля и поверхность земли; для ясности между ними изображено большое расстояние; но на рис. 7 прибавлены еще фарадеевские силовые линии, которые тянутся к электронам, заряжающим жилу кабеля, от тех мест земли, из которых электроны взяты. Эти силовые линии гуще расположены в левой части чертежа, так как в ней, как мы предположили, заряд к моменту, изображенному на рисунке, больше всего успел образоваться.
Теперь мы можем даже разомкнуть ключ K, расползание заряда по кабелю направо будет продолжаться, и силовые линии будут продолжать свое движение.
И эта инерция лежит именно в том намагничивании кругом проводника в магнитном поле, о котором мы говорили. Когда образовалось магнитное поле, т.-е. в данном элементе провода прошел ток, то потом, когда уже ток перестает итти, магнитное поле подталкивает силовые линии вперед.
Можно отделить группу силовых линий от начала кабеля и заставить ее самостоятельно продвигаться вперед, как бы отвязавшись от того места, где она начала образовываться. Для этого достаточно переключить батарею, т. е. соединить теперь провод (замыканием ключа K) с тем концом батареи, с которого сходят электроны; тогда сначала излишние электроны уйдут с левого конца провода в землю (в это время первая образовавшаяся группа силовых линий продолжает двигаться направо); затем, при дальнейшем уходе электронов этот конец окажется заряженным положительно, т-е. между жилой и землей образуются силовые линии, направленные книзу, которые образуют новую группу, передвигающуюся за первою (рис. 8).
Такое движение двух групп силовых линий, противоположно направленных, называется электрическою волною. В ней есть два места с наиболее густо расположенными силовыми линиями.
Мы можем за первою волною послать вторую, опять соединив кабель на короткое время сначала с (—) батареи, а затем с (+) ее и т.д. И чем чаще будем делать эти замыкания, чем чаще будем посылать волны, тем ближе будут следовать одно за другим места с наиболее густо расположенными силовыми линиями (рис. 9).
Говорят, "чем больше частота, тем короче волны".
По мере продвижения в гуттаперче кабеля волны эти будут становиться все слабее, так как электроны будут терять свою энергию в сопротивлении медной жилы и земной поверхности. Волновые группы силовых линий подойдут к другому берегу океана, на приемную станцию, очень ослабленными; это представляет собой дальнейшее затруднение трансокеанской телеграфии; но построены такие чувствительные приборы (гальванометры), которые приводятся в действие даже и ослабленными электрическими кабельными волнами. Так осуществляется трансокеанская проволочная телеграфия.
1) Коэффициент полезного действия.
2) Электродвижущей силы.
3) В тексте журнала, вероятно ошибочно, указан рис. 3. (примечание составителя).