[Matvey Petrovich Bronstein]

43

Người phát minh ra máy điện báo vô tuyến
(Các chương trong sách)

M. P. BRONSHTEIN

Ai và khi nào?
Ai đã phát minh ra đài phát thanh và khi nào?

Một số người trả lời câu hỏi này: Aleksandr Stepanovich Popov đã phát minh ra nó, và đó là chuyện cách đây bốn mươi năm. Những người khác nói: đài phát thanh được phát minh bởi Pultanian Guglielmo Marconi.

Và thực sự: bốn mươi năm trước, cả Popov và Marconi đều đồng thời xây dựng các đài phát thanh đầu tiên trên thế giới và bắt đầu gửi những bức điện tín vô tuyến đầu tiên trên thế giới.

Nhưng lịch sử của đài phát thanh đã bắt đầu sớm hơn nhiều so với bức điện tín qua đài phát thanh cuối cùng. Các nhà khoa học bắt đầu lịch sử vô tuyến bằng những khám phá và thí nghiệm của họ đã không gửi hoặc nhận bất kỳ bức điện tín vô tuyến nào. Họ không cố gắng truyền tải bất kỳ tín hiệu, âm nhạc hay âm thanh nào của con người qua một khoảng cách xa. Những nhà phát minh ra máy điện báo vô tuyến đầu tiên này sẽ ngạc nhiên biết bao nếu có ai đó nói với họ rằng họ đang phát minh ra máy điện báo vô tuyến!

Việc truyền tải âm thanh, tín hiệu, hình ảnh không hề chiếm giữ chúng. Họ quan tâm đến một cái gì đó khác.

Bạn đã bao giờ nhìn thấy tia lửa điện bay ra từ các vật nhiễm điện chưa? Những tia lửa điện chói lóa lóe lên trong chốc lát rồi lại tắt ngay?

Chính từ những tia lửa này mà lịch sử của đài phát thanh đã bắt đầu.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã quan sát tia lửa điện, thực hiện các thí nghiệm với nó và nghiên cứu các tính chất của nó. Cuối cùng, họ muốn biết: từ khi một tia lửa sinh ra cho đến khi nó tắt mất bao lâu? Tia lửa điện tồn tại bao lâu?

Câu hỏi thật khó. Họ thường trả lời nó như thế này: nó bùng lên rồi liền biến mất, nó chỉ sống trong một khoảnh khắc. Nhưng khoảnh khắc là gì? Một phần trăm giây hay một phần nghìn hay một phần triệu? Làm thế nào để tìm ra, làm thế nào để đo lường?

Mỗi người đều cảm nhận được thời gian trôi qua. Tất cả chúng ta đều phân biệt một phút với hai phút, giây với hai giây và thậm chí mười giờ với tổng số giây.

44

giây dài. Nhưng tất cả những gì nhỏ hơn một phần mười, một phần mười giây - tất cả những điều này đã không thể phân biệt được đối với chúng ta, tất cả những điều này - một phần trăm, một phần nghìn và một phần triệu giây - mỗi thứ đều hoàn toàn giống nhau đối với chúng ta. Các cơ quan cảm giác của chúng ta không nhanh, chính xác hoặc phức tạp như vậy. Trong bất kỳ khoảng thời gian nào nhỏ hơn một phần mười lăm giây, chúng ta không cảm nhận được bất kỳ khoảng thời gian nào. Vì vậy, trong thính giác của chúng ta có một phần nghìn với một phần nghìn, một phần nghìn với một phần triệu. Một lát - và thế là xong.

Vâng, còn đồng hồ thì sao? Rốt cuộc, chúng được tạo ra để thay đổi thời gian. Đồng hồ không thể thay đổi thời lượng của một khoảnh khắc sao?

Hãy đến một nhà máy sản xuất dụng cụ chính xác. Chúng ta sẽ thấy có đồng hồ treo tường, đồng hồ đế và đồng hồ bỏ túi. Chúng ta sẽ tìm thấy ở đó những chiếc đồng hồ bấm giờ mà các thủy thủ mang theo khi thực hiện những chuyến đi dài và những chiếc đồng hồ cực kỳ chính xác để quan sát thiên văn, đồng hồ bấm giờ điện và đồng hồ bấm giờ. Nhưng chúng ta sẽ không tìm thấy những chiếc đồng hồ đo được một phần triệu giây trong nhà máy.

Tuy nhiên, những chiếc đồng hồ như vậy vẫn tồn tại. Bảy mươi lăm năm trước, nó được phát minh và chế tạo bởi nhà vật lý người Đức Wilhelm Federsen. Ông đã phát minh ra chúng đặc biệt để thay đổi thời gian tồn tại của tia lửa điện.

Anh ấy không hề biết rằng khi tạo ra chiếc đồng hồ này, anh ấy đã bắt đầu một câu chuyện vì nó.

đồng hồ Federsen

Những chiếc đồng hồ do Federsen chế tạo vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay. Chúng được lưu giữ trong một bảo tàng ở thành phố Munich của Đức.

Chúng không giống những chiếc đồng hồ thông thường của chúng ta. Họ không có kim giờ, kim phút hay thậm chí là kim giây. Chúng ta có thể nói về loại mũi tên nào khi cần đo một phần triệu giây? Tôi có thể tìm mũi tên có thể thực hiện một triệu bước hiển thị mỗi giây ở đâu? Và những bước này cần được chú ý - xét cho cùng, đây chính là mục đích mà bài toán của Federsen được thiết kế để thực hiện.

Và vì vậy, sau nhiều suy nghĩ, Federsen đã thông báo chiếc đồng hồ của mình cần đeo kim nào. Anh ấy làm nó không phải từ broンズ, không phải từ thép, mà từ những vật liệu mà trước đây chưa có thợ đồng hồ nào sử dụng.

Ông đã xây dựng nó từ những tia sáng.

Chúng ta hãy lấy một chiếc gương bỏ túi nhỏ và mang nó ra ngoài nắng. Những tia nắng được phản chiếu từ gương và sẽ bật ra khỏi gương như một chú thỏ sáng bóng.

Hãy lật gương lại. Con thỏ chạy nhanh làm sao, nó bắt đầu và nhảy như thế nào, phản chiếu từ chiếc gương trên tay tôi! Vừa rồi anh ấy đã ở rất gần, nhưng sau đó gương hơi quay lại, chú thỏ đã chạy qua bên kia đường và nhảy lên tường, mái hiên, ban công các ngôi nhà.

Con thỏ di chuyển rất nhanh - nhanh hơn kim giây của đồng hồ một trăm, một nghìn lần. Có thể bằng cách nào đó làm cho nó quay nhanh hơn không phải một trăm mà là một triệu lần?

Có thể. Anh chỉ rên rỉ và xoay gương chặt hơn. Tốt hơn hết là bạn nên xoay nó không phải bằng tay mà bằng máy - xét cho cùng, máy có tính dẫn điện cao hơn tay người và hơn nữa, nó chính xác hơn: bạn yêu cầu tốc độ nào thì nó sẽ hoạt động ở tốc độ đó.

Trong cỗ máy do Federsen chế tạo, một vật nặng nặng nhiều pound khi hạ xuống sẽ kéo một sợi dây phía sau. Sợi dây làm quay trục nơi gắn bánh răng. Bánh xe này, quay, dùng răng bám vào một bánh răng khác, bánh xe khác bám vào bánh răng thứ ba, và bánh xe thứ ba bám vào một bánh răng thép lớn. Dần dần chuyển từ bánh này sang bánh khác, chuyển động ngày càng nhanh hơn: bánh thứ nhất quay không nhanh lắm - nó chỉ quay vài vòng mỗi giây, bánh thứ hai quay nhanh hơn, bánh thứ ba thậm chí còn nhanh hơn. Và thứ nhanh nhất là một cánh quạt bằng thép: mỗi giây nó có thể thực hiện tới một trăm vòng quay quanh trục của mình.

Để toàn bộ thiết bị này khi tăng tốc không đạt hoặc

45

run rẩy, Federsen quyết định gắn nó lên một giá đỡ chắc chắn. Anh ta dựng hai thanh xà sắt vào bức tường chính của căn phòng và ghép lên chúng một chiếc hộp sắt đồ sộ, mở ở phía trước và hai bên. Anh ta luồn con vít xoay của thiết bị qua đáy và nắp hộp.

Bây giờ tất cả những gì còn lại là gắn một chiếc gương vào vít, từ đó những chú thỏ sẽ nảy lên. Federsen đã mua hai chiếc kính - loại kính thông thường mà người cận thị đeo. Federsen đã che những lỗ thoát nước này bằng mái tóc màu xám - chỉ ở một bên. Kết quả là hai tấm gương sáng bóng, dễ bay hơi. Federsen cố định chúng trên vít của mình để một cái nhìn về một hướng, cái kia nhìn về hướng khác. Khi trọng lượng rơi xuống và con vít bắt đầu chuyển động, cả hai gương gắn vào con vít đều quay nhanh và đều theo nó.

Cơ chế của chiếc đồng hồ mới được phát minh đã sẵn sàng. Nhưng đó không phải là tất cả. Xét cho cùng, một chiếc đồng hồ không chỉ cần một cơ chế đồng hồ làm cho kim quay mà nó còn cần một mặt số để thay đổi đường di chuyển của kim.

Nếu kim được làm bằng ánh sáng thì mặt số được làm bằng gì?

Federsen suy nghĩ rất lâu, ông đã tìm kiếm rất lâu những tài liệu phù hợp cho vấn đề này. Cuối cùng, tôi đã tìm ra nó: một tấm ảnh, một tấm ảnh nhạy cảm với ánh sáng, sẽ là mặt số của một chiếc đồng hồ đặc biệt. Trên mặt số này, chính tia lửa điện, với những tia sáng riêng của nó, sẽ đánh dấu sự bắt đầu và kết thúc vòng đời ngắn ngủi của nó. Những tia lửa sẽ chiếu vào chiếc gương đang quay, chú thỏ nhanh nhẹn sẽ trượt qua tấm ảnh và để lại dấu ấn trên đó. Tia lửa cháy càng lâu thì dấu vết của chú thỏ sẽ càng dài. Và dựa vào độ dài của con đường, biết được tốc độ của chú thỏ, sẽ không khó để tính ra chú thỏ đã chạy dọc theo tấm nhựa trong bao lâu - tia lửa điện đã cháy trong bao lâu.

Thiết bị của Federsen đã được hoàn thiện. Vít thép đã được lắp vào khung, gương xoay hoạt động bình thường và tấm ảnh đã sẵn sàng. Một chiếc lọ Lezhensky, một nguồn tia lửa điện tử, cũng đã sẵn sàng. Chiếc lọ này bao gồm ba chiếc cốc được đặt lồng vào nhau: chiếc ngoài là kim loại, chiếc giữa là thủy tinh và bên trong lại là kim loại.

Federsen đã sạc bình: cốc kim loại bên ngoài là cực dương và cốc điện là âm. Sau đó, ông nối chiếc bình bằng dây với hai quả bóng kim loại đặt đối diện nhau. Những quả bóng này được gọi là khoảng trống tia lửa. Federsen nối chiếc cốc bên trong của lọ với một quả bóng có khe hở tia lửa, và chiếc cốc bên ngoài với chiếc kia. Bây giờ tất cả những gì còn lại là nhấn nút đóng và mở mạch điện, để một dòng điện chạy ra khỏi lon qua dây dẫn. Điện tích dương sẽ chạy về phía điện tích âm và một tia lửa điện mỏng sẽ bùng lên giữa các quả bóng của khe hở tia lửa.

Lịch sử nghệ thuật

Federsen bắt đầu thử nghiệm với chiếc đồng hồ đặc biệt của mình. Anh ta thả bớt trọng lượng để làm cho các bánh răng và trục vít chuyển động. Lúc này con ốc và chiếc gương bắt đầu quay nhanh đến nỗi mắt Federsen bắt đầu lóe sáng. Bánh xe tối đa gắn vào trục vít quay với một tiếng còi mỏng. Nghe tiếng còi này, Federsen tin chắc rằng thiết bị của mình đang hoạt động bình thường: âm thanh luôn có cùng một cao độ, nghĩa là trục quay đều, không thay thế hay tăng tốc chuyển động của nó.

Sau đó Federsen tắt đèn và mở nhẹ cuộn băng cassette đựng tấm ảnh đã chuẩn bị sẵn, rồi nhấn nút đóng mạch điện. Và bây giờ, trong bóng tối, một tia lửa rò rỉ giữa các quả bóng phóng điện: điện tích này lao từ cốc kim loại này sang cốc kim loại huyền thoại khác. Trong giây lát

46

anh ta chạy dọc theo dây điện và đi từ quả bóng này sang quả bóng khác bằng một tia lửa điện sáng rực.

Tia lửa chỉ cháy trong giây lát, nhưng trong thế giới khó nắm bắt này, một hình ảnh phản chiếu nhanh chóng từ gương đã rơi xuống tấm ảnh. Anh ta chạy qua đĩa với tốc độ của một quả đạn pháo và vạch đường đi của mình trên đó.

Ngay tại chỗ, không cần rời khỏi thiết bị, Federaren đã phát triển tấm và in thẻ SIM chụp ảnh. Một đường sọc hẹp hiện rõ trên thẻ SIM - dấu vết do một chú thỏ để lại.

Federaren đã đo chiều dài của dải - một cm rưỡi. Anh ta biết tốc độ của con thỏ - 60.000 cm mỗi giây. Mất bao lâu để ai đó nhấp vào một bản ghi? Độ dài của dải - 1,5 phải chia cho tốc độ của chú thỏ - 60.000, hóa ra là 0,000025. Vì vậy, điều đó có nghĩa là hai mươi lăm phần triệu giây - đó là khoảng thời gian để bản ghi nhấp nháy không dấu vết và đó là khoảng thời gian mà tia lửa điện tồn tại.

Đồng hồ Federaren đã thực hiện nhiệm vụ được giao một cách hoàn hảo. Đo tia lửa điện liên tục. Nhiệm vụ mà Federaren đặt ra cho mình đã được giải quyết.

Tuy nhiên, khi nhìn vào cái bẫy đi lên của mình, Federaren tin chắc rằng chiếc đồng hồ của ông đã có một khám phá khác. Họ không chỉ đo lường độ dài cuộc đời của tia lửa mà còn tìm ra mục đích của cuộc đời ngắn ngủi này là gì và biên soạn tiểu sử chi tiết về tia lửa.

Dấu vết do chú thỏ vẽ trên thẻ SIM hóa ra không liên tục mà không liên tục. Nó bao gồm một số điểm sáng cách nhau bởi không gian tối.

Điều này có nghĩa là tia lửa điện rò rỉ giữa các quả bóng của khe hở tia lửa không cháy với độ sáng đồng đều. Trong suốt cuộc đời chỉ kéo dài 25 phần triệu giây, nó bùng lên và tắt đi nhiều lần. Những tia sáng ngắn lần lượt xuất hiện nhanh đến mức mắt người không thể theo dõi được - mắt của một người dường như có nhiều tia sáng. Và chỉ có chiếc đồng hồ Federaren tuyệt vời mới có thể mổ xẻ khoảnh khắc, phân tách tia lửa thành nhiều tia sáng riêng biệt.

Federaren đếm số tháp trên biểu tượng của mình. Có tám người trong số họ, và mỗi người sau đó yếu hơn người trước một chút. Tám tia sáng trong hai mươi lăm phần triệu giây! Điều này có nghĩa là tia lửa bao gồm các tia lửa riêng lẻ phát sáng và tắt sau mỗi ba phần triệu giây.

Vì vậy, từ tờ ghi chú của chú thỏ, Federaren đã đọc được câu chuyện về tia lửa điện, một câu chuyện chỉ kéo dài một khoảnh khắc từ đầu đến cuối.

Thí nghiệm tiếp tục

Federaren đã nhiều lần lặp lại trải nghiệm của mình. Anh ta lấy một lọ Leyden hoặc cả một cục pin gồm mười, mười lăm và thậm chí hai mươi lọ Leyden. Khi tôi nhìn thấy những quả bóng gần như gần hơn, tôi di chuyển chúng ra xa nhau cả centimet hoặc một rưỡi. Tôi thay và rửa các quả bóng - tôi lấy sắt, rồi đồng, rồi chì, rồi vàng. Trong một thí nghiệm, cả hai quả bóng đều được làm từ cùng một kim loại, trong những thí nghiệm khác, chúng được làm bằng những kim loại khác nhau. Federaren lấy những sợi dây đi từ lọ Leyden đến các quả bóng có khe hở tia lửa, ngắn và dày hoặc dài và mỏng. Và mỗi lần như vậy anh đều chụp lại hình ảnh phản chiếu của tia lửa trong chiếc gương đang quay.

Bằng cách sử dụng thẻ SIM chụp ảnh, anh đo được thời gian tia lửa tồn tại, biết được nó nhấp nháy, cháy và tắt như thế nào.

Những tia lửa phát ra từ những cơn giận dữ khác nhau, độ dài khác nhau, thời lượng khác nhau, nhưng mỗi trạng thái không chỉ từ một tia sáng mà từ nhiều tia sáng. Các tia sáng nối tiếp nhau cứ sau vài phần triệu giây và ngày càng yếu đi cho đến khi tia lửa tắt.

Tại sao điện tích lại di chuyển giữa các quả bóng có khe hở tia lửa trong nhiều lần nhảy?

47

và một vài bước nhảy vọt?

Trong khi suy nghĩ về điều này, Federsen nhớ lại một bài báo ông đã từng đọc về vụ phóng điện ở bình Leyden. Bài viết này được viết vào năm 1853 bởi nhà khoa học người Anh William Thomson. Thomson đã không thực hiện bất kỳ thí nghiệm nào với bình Leyden, và ông cũng không thực hiện bất kỳ thí nghiệm nào cả. Nhưng ông ấy là một nhà toán học rất giỏi. Ông biết các định luật vật lý chi phối dòng điện và biết cách rút ra các hệ quả toán học từ các định luật này. Vì vậy, Thomson đã cố gắng sử dụng các phép tính để xác định điều gì thực sự xảy ra với điện tích khi một bình Leyden được tích điện.

Các tính toán của Thomson cho thấy: một điện tích, được thêm dọc theo dây dẫn từ cốc của bình Leyden đến khe phóng điện, nhảy từ quả bóng này sang quả bóng khác và lại lao dọc theo dây vào bình, nhưng vào một chiếc cốc khác. Do đó, cả hai điện tích dương và âm đều thay đổi vị trí.

Ví dụ, điện tích âm ban đầu ở cốc bên trong của bình sẽ bay từ lỗ mở ra bên ngoài, và điện tích dương từ bên ngoài vào bên trong bình. Như vậy, bình điện sẽ không được phóng điện mà chỉ được sạc lại, và dòng điện sẽ lại lao tới khe hở tia lửa điện nhưng theo hướng ngược lại. Điện tích sẽ chạy tới chạy lui, nhảy từ quả bóng này sang quả bóng khác, từ quả bóng thứ hai sang quả bóng thứ nhất và lại từ quả bóng thứ nhất sang quả bóng thứ hai.

“Vậy ra mọi chuyện là thế này!” Federsen nghĩ. Đó là lý do tại sao thiết bị ghi nhận không phải một tia sáng trong ảnh mà là tám tia lửa. Điều này có nghĩa là dòng điện truyền từ quả bóng này sang quả bóng khác tám lần, đầu tiên theo một hướng, sau đó theo hướng khác. Và mỗi khi một tia sáng rực rỡ xuất hiện trong khe hở tia lửa. Tia chớp kết thúc, và ngay lập tức một tia khác xuất hiện - đây lại là dòng điện chạy qua, nhưng theo hướng ngược lại. Từng tia sáng nối tiếp nhau lấp lánh trong khoảng không gian hẹp giữa các quả bóng trong khi tuổi thọ của tia lửa vẫn tiếp tục, và với mỗi tia sáng, hướng của dòng điện sẽ thay đổi. Dòng điện chạy theo một hướng - chớp nhoáng, chạy ngược lại - chớp nhoáng mới.

Gương quay của Federsen đã xác nhận sự đồng ý của Thomson: tia lửa điện là một dòng điện xoay chiều nhỏ. Sau những khoảng thời gian vài phút, cứ sau vài phần triệu giây, dòng điện lại thay đổi hướng.

Vì vậy chiếc gương quay đã giúp Federsen nghiên cứu bản chất của tia lửa điện.

(Để bắt đầu, xem trang 42)

Biểu thức $\frac{5-y}{10-3y}$ dương cho $y < \frac{10}{3}$ và $y > 5$; kể từ $1 \leq y \leq 9$, chúng ta cần kiểm tra các giá trị nguyên của $y = 1, 2, 3, 6, 7, 8, 9$. Thay thế các giá trị này một cách tuần tự vào biểu thức $\frac{5-y}{10-3y}$, chúng ta thu được một giá trị nguyên duy nhất $x = 2$ cho $y = 3$. Do đó, điều kiện thứ hai bài toán 1 được thỏa mãn bởi số có một chữ số và hai chữ số 23. Số đó không mâu thuẫn với điều kiện đầu tiên bài toán 1, do đó không cần thiết.

Trong bài toán 2, điều kiện đầu tiên cho $10x + y = 3xy + 9$, $1 \leq x < 9$, $1 \leq y \leq 9$. Do đó $x = \frac{9-y}{10-3y}$ và sau một lần tìm kiếm giá trị khác $y = 1, 2, 3$, số 63 được tìm thấy. Nó không mâu thuẫn với điều kiện thứ hai của điều kiện bài toán.

R. Yu. Vinokur