Когерер

Когерер — это электронный прибор, работающий на принципе изменения электрического сопротивления металлического порошка или оксидной плёнки под воздействием электромагнитных колебаний (радиоволн). Когерер является одним из первых детекторов радиосигналов, применявшихся в конце XIX — начале XX века в радиоприёмниках. Основное назначение когерера — преобразование слабых высокочастотных электромагнитных колебаний в электрический сигнал, способный управлять исполнительным механизмом (например, электрическим звонком или телеграфным аппаратом). Принцип действия основан на свойстве рыхлого металлического порошка резко уменьшать своё сопротивление (когерировать — сцепляться) под действием искрового разряда или электромагнитного поля.

История

Предпосылки изобретения

В середине XIX века были известны явления, связанные с изменением проводимости порошкообразных материалов. Французский физик Эдуард Бранли в 1890 году обнаружил, что металлические опилки, помещённые в стеклянную трубку, резко меняют своё сопротивление при воздействии электрической искры, возникающей на расстоянии. Это явление получило название «эффект Бранли». Однако сам Бранли не создал практического устройства для детектирования радиоволн, ограничившись демонстрацией лабораторного опыта.

Разработка Оливера Лоджа

Английский физик Оливер Лодж в 1894 году усовершенствовал устройство Бранли, назвав его «когерером». Лодж использовал трубку с металлическими опилками, включённую в электрическую цепь с гальваническим элементом и электромагнитным реле. При воздействии радиоволн опилки «сцеплялись», сопротивление падало, реле замыкало цепь звонка. Для возврата опилок в исходное состояние (декогерерация) Лодж применял встряхивание трубки вручную или с помощью молоточка звонка. В 1894 году Лодж публично продемонстрировал передачу сигнала на расстояние 40 метров, используя когерер в качестве детектора.

Вклад Александра Попова

Русский физик и электротехник Александр Степанович Попов независимо от Лоджа в 1895 году создал прибор для регистрации грозовых разрядов — «грозоотметчик», в основе которого также лежал когерер. 7 мая 1895 года (по старому стилю 25 апреля) Попов продемонстрировал работу своего прибора на заседании Русского физико-химического общества. В отличие от Лоджа, Попов ввёл в конструкцию автоматическую декогерерацию: молоточек электрического звонка, замыкавшего цепь при приёме сигнала, одновременно встряхивал трубку с опилками, возвращая её в исходное состояние. Это позволило регистрировать последовательные сигналы без ручного вмешательства. В марте 1896 года Попов передал первую в мире радиограмму на расстояние 250 метров, содержащую слова «Генрих Герц».

Коммерциализация Гульельмо Маркони

Итальянский изобретатель Гульельмо Маркони, получивший патент на систему беспроводной телеграфии в 1896 году, также использовал когерер в своих первых передатчиках и приёмниках. Маркони усовершенствовал конструкцию: он применял трубки с никелевыми и серебряными опилками, а также добавил в цепь когерера последовательно включённый конденсатор для повышения чувствительности. В 1899 году Маркони осуществил радиосвязь через Ла-Манш, а в 1901 году — через Атлантический океан, используя когереры в приёмных устройствах.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Типичный когерер представляет собой стеклянную или эбонитовую трубку длиной 2–5 см и диаметром 0,5–1 см. Внутрь трубки помещены два металлических электрода (обычно серебряных или латунных), между которыми находится рыхлая смесь металлических опилок (железо, никель, серебро) с добавлением небольшого количества оксида металла (например, оксида кобальта) для стабилизации работы. Опилки занимают объём трубки не полностью, обеспечивая воздушный зазор. Трубка герметизируется с обоих концов.

Принцип работы

В исходном состоянии сопротивление когерера составляет от нескольких десятков до нескольких сотен килоом (10⁴–10⁵ Ом). При воздействии электромагнитного поля высокой частоты (радиоволны) между частицами опилок возникают микроскопические искровые разряды. Под действием этих разрядов опилки спекаются (когерируют) в проводящие мостики, сопротивление резко падает до единиц или десятков ом (10–100 Ом). Это изменение сопротивления регистрируется включённой последовательно электрической цепью: через когерер начинает протекать ток, достаточный для срабатывания электромагнитного реле или звонка.

Для восстановления исходного состояния (декогерерации) необходимо механически встряхнуть трубку, разрушив проводящие мостики. В автоматических приёмниках это осуществлялось молоточком электромагнитного реле или специальным вибратором.

Характеристики

• Чувствительность: Когерер способен регистрировать сигналы мощностью от 10⁻⁶ до 10⁻⁴ Вт. Чувствительность зависит от состава опилок, степени их измельчения и влажности.
• Инерционность: Время срабатывания (когерации) составляет 0,1–0,5 мс. Время восстановления (декогерации) — 1–5 мс.
• Надёжность: Когереры были склонны к самопроизвольному срабатыванию (ложным срабатываниям) под воздействием атмосферных помех, вибраций или статического электричества. Для повышения надёжности применяли экранирование и специальные схемы включения.

Классификация

По типу используемого материала

• Металлические когереры: наиболее распространённые, использовали опилки железа, никеля, серебра, платины. Серебряные опилки обеспечивали наилучшую чувствительность.
• Оксидные когереры: вместо металлических опилок применяли оксиды металлов (например, оксид кобальта), которые обладали более стабильными характеристиками, но меньшей чувствительностью.
• Жидкостные когереры: использовали каплю ртути или электролита между электродами. Такие устройства были менее распространены из-за сложности герметизации и токсичности ртути.

По способу декогерерации

• Ручные: встряхивание трубки производилось вручную после каждого принятого сигнала. Использовались в первых экспериментальных установках.
• Автоматические: декогерерация осуществлялась молоточком, приводимым в действие тем же электромагнитным реле, которое регистрировало сигнал. Такие когереры применялись в приёмниках Попова и Маркони.
• Пневматические: для встряхивания использовался сжатый воздух или поток газа. Применялись в стационарных станциях.

Применение

Радиотелеграфия

Когерер был основным детектирующим элементом в первых системах беспроводной телеграфии (радиосвязи) в период 1895–1907 годов. Он позволял принимать сигналы, передаваемые с помощью искровых передатчиков, на расстояния до нескольких сотен километров. Приёмники на когерерах использовались на кораблях, в береговых станциях и в военных целях.

Метеорология

Александр Попов использовал когерер в своём «грозоотметчике» для регистрации атмосферных разрядов на расстоянии до 30 км. Это устройство стало прообразом современных грозопеленгаторов.

Научные исследования

Когереры применялись в лабораторных условиях для изучения свойств электромагнитных волн, измерения их длины и интенсивности. Они использовались в экспериментах по отражению и преломлению радиоволн.

Устаревание и замена

К 1907–1910 годам когерер был вытеснен более совершенными детекторами: электролитическими детекторами (изобретены в 1903 году), магнитными детекторами (1902 год) и, главное, кристаллическими детекторами (1906 год, Гринлиф Пикард). Кристаллические детекторы на основе карбида кремния и других полупроводников обладали большей чувствительностью, стабильностью и не требовали механической декогерерации. С появлением вакуумных ламп (диодов и триодов) в 1910-х годах когереры окончательно вышли из употребления в радиоприёмных устройствах.

Интересные факты

• Термин «когерер» происходит от латинского cohaerere — «сцепляться», «быть связанным».
• В 1897 году русский физик Пётр Николаевич Лебедев, используя когерер собственной конструкции, впервые измерил давление света на твёрдые тела.
• В некоторых современных экспериментальных установках (например, в устройствах для изучения эффекта памяти формы) используются аналоги когереров на основе порошковых материалов.

Источники

• Лодж О. «Работы по беспроволочной телеграфии», 1894–1896.
• Попов А. С. «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», 1895.
• Маркони Г. «Патент на усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов», 1896.
• Бранли Э. «О проводимости металлических порошков под действием электрических разрядов», 1890.
• Кудрявцев П. С. «История физики», т. 3, 1971.
• Радовский М. И. «Александр Степанович Попов», 1958.