51. Телефон

С изобретением телеграфа была решена задача передачи сообщений на большие расстояния. Однако телеграф мог переслать только письменные депеши. Между тем многие изобретатели мечтали о более совершенном и коммуникабельном способе связи, с помощью которого можно было бы передавать на любые расстояния живой звук человеческой речи или музыку. Первые эксперименты в этом направлении предпринял в 1837 году американский физик Пейдж. Суть опытов Пейджа была очень проста. Он собрал электрическую цепь, в которую входили камертон, электромагнит и гальванические элементы. Во время своих колебаний камертон быстро размыкал и замыкал цепь. Этот прерывистый ток передавался на электромагнит, который так же быстро притягивал и отпускал тонкий стальной стержень. В результате этих колебаний стержень производил поющий звук, подобный тому, который издавал камертон. Таким образом, Пейдж показал, что передавать звук с помощью электрического тока в принципе возможно, надо только создать более совершенные передающее и принимающее устройства.

Следующий важный этап в развитии телефонии связан с именем английского изобретателя Рейса. Еще в студенческие годы Рейс заинтересовался проблемой передачи звука на расстояние при помощи электрического тока. К 1860 году он сконструировал до десятка различных устройств. Наиболее совершенное из них имело следующий вид.

Передатчик представлял собой полый ящик, снабженный спереди звуковым отверстием A и имевший в своей верхней части отверстие, закрытое тонкой, туго натянутой перепонкой. На этой перепонке лежала тонкая платиновая пластина p, а сверху находилось острие упругой платиновой иглы n, которая была приспособлена таким образом, что касалась пластины p, когда перепонка находилась в покое. Касание это прерывалось при колебании перепонки. Вследствие этих поперечных касаний замыкался и размыкался ток, идущий от батареи B через зажим a в платиновую пластинку p и через иглу n во второй зажим, от последнего провод шел к приемнику, проходил через спираль CC и возвращался в батарею через зажим d и соединенную с ним проволоку e. Внутри спирали помещалась тонкая железная спица, которая двумя своими концами прикреплялась к двум покоившимся на резонаторной доске gg стойкам ff. Части hi и ki образовывали на обеих станциях приспособления, имевшие целью дать знать отдаленному слушателю о начале переговоров. Воспроизведение звука, спетого в раструбе A, было основано на том, что железная спица, намагничиваясь и размагничиваясь проходящим по спирали электрическим током, начинала совершать колебательные движения; они ощущались как звук, соответствовавший тому звуку, который воспринимался приемником и колебаниями которого приводилась в движение перепонка. Резонансная доска служила для усиления звука.

С помощью телефона Рейса уже можно было передавать не только отдельные звуки, но и сложные музыкальные фразы и даже отчасти человеческую речь. Но качество передачи оставалось настолько низким, что часто было совершенно невозможно что‑нибудь разобрать. Побочные шумы, производимые замыканием и размыканием цепи, заглушали передачу, а звуки, воспроизводимые стальной иглой, были очень далеки от модуляций человеческого голоса. Для отчетливой передачи звука необходимо было добиться того, чтобы пластинки как отправителя, так и приемника выводились из своего положения покоя в крайнее положение током, сила которого нарастала бы постепенно, и чтобы при убывании ток опять проходил через первоначальное положение покоя. Все эти плавные колебания тембра звука, составляющие богатство человеческой речи, были совершенно недоступны телефону Рейса — притяжение здесь наступало стремительно и оставалось неизменным в течение некоторого времени, а затем совсем прекращалось.

Решить проблему передачи звука только замыканием и размыканием цепи оказалось невозможно. Прошло еще 15 лет, прежде чем шотландский изобретатель Александр Белл нашел более совершенный способ преобразования звуков в электрические сигналы. По профессии Белл был учителем глухонемых детей. С детства он много занимался акустикой, учением о звуке, и мечтал изобрести телефон. В 1870 году Белл переехал в Канаду, а в 1872 году — в США. Поселившись в Бостоне, он ввел в тамошней школе для глухонемых детей разработанную им систему «видимой речи». Она имела большой успех, и вскоре Белл сделался профессором Бостонского университета. Теперь у него была лаборатория и достаточно средств для того, чтобы посвятить себя работе над изобретением телефона. Забывая о сне, Белл целыми ночами просиживал над своими опытами. Первые его эксперименты повторяли работы Пейджа.

Летом 1875 года Белл и его помощник Томас Ватсон сделали установку, состоявшую из магнитов с подвижными язычками, которые приводились в действие колебаниями тока. В цепь с магнитами включались различные устройства. Ватсон и Белл находились в соседних комнатах. Ватсон передавал, а Белл принимал. Однажды, когда Ватсон нажал на кнопку в конце провода, чтобы привести в действие звонок, испортился контакт, и электромагнит притянул к себе молоточек звонка. Ватсон попытался оттянуть его, вследствие чего вокруг магнита возникли колебания. Движение пружины, произведенной Ватсоном, изменило интенсивность тока и вызвало колебательные движения в пружине противоположной станции в комнате Белла, и провод передал совсем слабый звук первого телефона. Так, совершенно случайно, Белл обнаружил, что магнит с легким якорем может быть и передатчиком и приемником сигнала. После этого осуществить передачу и воспроизведение звука с помощью электрического тока уже не представляло большого труда.

Чтобы понять как это происходит, представим себе постоянный магнит и поблизости от него гибкую железную пластину, которая колеблется под действием звуковых волн. Приближаясь к полюсу магнита, она будет усиливать его магнитное поле, а удаляясь от него — ослаблять. (Не вдаваясь в подробности, заметим, что причиной этому будет то же явление электромагнитной индукции, о котором говорилось в предыдущей главе: понятно, что в пластине, которая движется в магнитном поле, будет возникать электрический ток; этот ток будет создавать вокруг пластины собственное магнитное поле, которое и будет налагаться на магнитное поле магнита, то усиливая, то ослабляя его.) Теперь поместим на наш воображаемый магнит катушку с проволокой. При колебаниях магнитного поля в катушке будет возникать переменный электрический ток, причем то в одну, то в другую сторону. Пропуская полученный ток через обмотки другого магнита, мы будем влиять на его магнитное поле, которое тоже будет то возрастать, то убывать, причем в точности повторяя все изменения, происходящие в магнитном поле первого магнита. Если у полюса этого второго, принимающего магнита поместить железную пластинку, она будет то притягиваться к этому магниту под действием усиливающегося магнитного поля, то удаляться от него под влиянием своей упругости и при этом порождать звуковые волны, во всем подобные тем, что привели в колебание первую пластинку. Собственно, это и произошло при описанных выше обстоятельствах. Роль железной пластины здесь сыграл гибкий якорь магнита. Но это было слишком грубое приспособление, не способное передать многих нюансов звука. Белл стал искать, чем можно его заменить.

Один знакомый врач предложил ему воспользоваться для экспериментов человеческим ухом и раздобыл ему ухо от трупа. Внимательно изучая его строение, Белл установил, что звуковые волны приводят в колебание барабанную перепонку, от которой они передаются на слуховые косточки. Это навело его на мысль сделать тонкую металлическую мембрану, поместить ее рядом с постоянным магнитом и, таким образом, превратить звуковые колебания в электрические. Прошло несколько месяцев напряженного труда, прежде чем телефон заговорил. Только 10 марта 1876 года Ватсон отчетливо услышал на приемной станции слова Белла: «Мистер Ватсон, пожалуйста, придите сюда, мне нужно с вами поговорить». Еще раньше, 14 февраля, Белл сделал патентную заявку на свое изобретение. Всего через два часа после него такую же заявку на идентичный аппарат подал другой изобретатель — Илайша Грей. Однако патент был выдан в марте Беллу, поскольку он первый заявил о своем открытии. (Позже Беллу пришлось вести несколько судебных процессов с Греем и другими изобретателями, отстаивая свое первенство. В конце концов Белл купил у Грея право на эксплуатацию телефона.) На выставке в Филадельфии, проходившей в том же году, телефон Белла сделался главным экспонатом. С этого времени, несмотря на то что первые аппараты были еще очень несовершенны, телефоны стали быстро распространятся. В августе того же 1876 года в употреблении было уже около 800 телефонов, и спрос на них все увеличивался.

Устройство первых аппаратов было очень примитивным. Постоянный магнит A в форме стержня был окружен на одном полюсе короткой индукционной спиралью B из тонкой медной проволоки, оканчивавшейся двумя более толстыми проволоками CC, которые с помощью зажимов DD были соединены с проволоками LL. У одного полюса магнита помещалась зажатая по краям пластинка EE из мягкого листового железа. Все было вставлено в деревянную оправу, которая в части GG имела над пластинкой EE воронкообразное отверстие, служившее звуковым конусом. Снизу деревянная оправа суживалась, так как здесь она заключала в себе только магнитный стержень, закрепленный в своем положении винтом, и два провода CC. Этот аппарат мог служить одновременно и передатчиком, и приемником. На станции отправителя и на приемной станции имелось по такому телефону. Их индукционные спирали соединялись между собой посредством проводов LL и зажимов DD. Когда конусом GG пользовались как трубкой и говорили в него, пластинка EE перед полюсом магнита приходит в колебания; вследствие этого в спирали B возникали индукционные токи, изменение которых соответствовало действующим на пластинку звуковым колебаниям. Эти токи поступали через провода LL в спираль приемного телефона и вызывали колебание мембраны. Прижав конус к уху, можно было услышать голос говорившего на другом конце провода абонента. Индукционные токи, порождаемые движением мембраны, были очень слабы, поэтому устойчивое общение можно было наладить лишь на расстоянии нескольких сот метров. Далее голоса говоривших становились настолько тихими, что тонули в гуле помех. Потребовался труд многих и многих изобретателей, прежде чем телефон превратился в надежное средство связи.

Вообще телефонный аппарат Белла оказался более приспособлен для преобразования волн тока в звуковые волны, чем обратно. Поэтому очень важным в истории телефонии было открытие в 1877 году английским изобретателем Юзом микрофонного эффекта. В своем первоначальном виде микрофон имел следующее устройство.

Между двумя кусками угля C и C', укрепленных на пластине B, устанавливался угольный стержень с заостренными концами. Ток от элемента E проходил через этот угольный стержень и через обмотку телефона T. При встряхивании горизонтальной пластинки A, игравшей роль резонатора, угольный стержень смещался. В этот момент уменьшалось его сопротивление току в местах контактов, а это, в свою очередь, производило заметное усиление силы тока в телефоне. Мембрана начинала колебаться с большей амплитудой, отчего первоначальный звук усиливался в несколько раз. Слабое тиканье часов, положенных на подставку, воспринималось в телефоне как очень громкое. Даже ползанье мухи по пластине воспроизводилось в виде вполне заметного шума.

Через несколько лет после изобретения Юза появилось множество различных конструкций микрофонов. Широкое распространение получили микрофоны, в которых вместо стержней использовался угольный порошок. Колебания мембраны вызывали в этом случае то уплотнение порошка, то его разрыхление, вследствие чего постоянно менялось его сопротивление. Соединенный с микрофоном телефон стал работать намного надежнее, но он по‑прежнему оставался несовершенным. Слабые индукционные токи были не в состоянии преодолевать сопротивление передающих проводов. Необходимо было каким‑то образом усилить их напряжение, не меняя при этом характера их колебаний. Остроумный выход из положения нашел знаменитый американский изобретатель Эдисон, который предложил использовать для усиления напряжения индукционную катушку. Так телефонный аппарат был дополнен трансформатором.

О трансформаторах более подробно будет говориться в одной из последующих глав. Сейчас только поясним принцип его работы. Если насадить две катушки на один и тот же железный сердечник и пропускать через одну из них переменный ток, то во второй катушке тоже индуцируется переменный ток. Рассмотрим подробнее это явление. Созданное первой катушкой изменяющееся магнитное поле индуцирует в каждом витке второй катушки ток определенного напряжения. Витки катушки, как это уже было показано в предыдущей главе, можно рассматривать как последовательно соединенные источники тока. Тогда общее напряжение на обмотке второй катушки будет равно сумме напряжений всех ее витков. Если мы хотим увеличить напряжение, снимаемое со второй катушки, мы должны увеличить число витков. Таким образом, меняя число витков на второй катушке, мы можем получить на ней напряжение меньшее, равное или большее, чем на первой. Однако, во сколько раз возрастает напряжение, во столько же раз уменьшается сила тока, так что их произведение в первой и второй катушке остается равным (в действительности, из‑за неизбежных потерь во вторичной катушке это произведение даже несколько меньше). Трансформаторный эффект был открыт одновременно с явлением электромагнитной индукции, но поскольку в технике долгое время использовался только постоянный ток, он сначала не находил применения. Телефон оказался одним из первых устройств, где трансформатор (в виде индукционной катушки) получил некоторое распространение.

В созданном Эдисоном аппарате телефон и микрофон включались в две отдельные цепи. Источник тока, микрофон и первичная обмотка трансформатора соединены здесь в одну цепь, другая катушка и телефон‑приемник — в другую. Принцип работы этого телефона понятен: вследствие колебания мембраны сопротивление в микрофоне постоянно менялось, отчего постоянный ток батареи преобразовывался в пульсирующий. Этот ток подавался на первичную обмотку трансформатора. Во вторичной обмотке индуцировались такие же по форме токи, но более высокого напряжения. Они без труда преодолевали сопротивление проводов и могли передаваться на значительные расстояния. Усовершенствованный таким образом телефон вскоре получил широкое распространение.

В первое время аппараты связывались между собой попарно. Они не имели коммутаторов и звонков. Для вызова абонента к аппарату просто стучали карандашом по мембране. Впоследствии Эдисоном были введены электрические звонки. В 1877 году появилась первая центральная телефонная станция в Нью‑Хейвене (США). Порядок соединения здесь был таков. Абонент, желавший говорить с каким‑либо лицом или учреждением, в абонентной книжке разыскивал нужный номер и звонил на центральную станцию. Когда последняя отвечала, он сообщал нужный ему номер, и, если этот номер был не занят, оператор соединял его с требуемым лицом с помощью специальных штекеров и сообщал ему, что соединение готово. После этого абонент обращался уже к соединенному с ним лицу. По окончании разговора их разъединяли.

Современники очень быстро оценили удобства, которые давал телефон. Вскоре телефонные станции были построены во всех крупных городах. Одновременно рос спрос на телефонные аппараты. В 1879 году Белл создал свою фирму по производству телефонов, превратившуюся вскоре в мощный концерн. В течение десяти лет только в США было установлено свыше 100 тысяч телефонных аппаратов, а через 25 лет их уже насчитывалось более миллиона. Затем эта цифра увеличилась еще на порядок. Белл прожил долгую жизнь и мог наблюдать за распространением телефонии по всему свету. Он умер в 1922 году, и память его почтили своеобразной минутой молчания: когда гроб с телом изобретателя опускали в могилу, все телефонные разговоры прекратились. Пишут, что в США в эту минуту молчало более 13 миллионов телефонов.