Факультативное занятие: "От азбуки Морзе до сотовой связи"

Эпиграф к занятию:

“Самые совершенные радиоприёмники и самая сложная аппаратура для сигнализации, автоматики и телеуправления будут иметь ничтожные габариты и во много раз дешевле”

А.Ф.Иоффе /

Сегодня у нас необычное занятие.

Рассмотрим, как изобретения конца ХIХ – ХХ века буквально “перевернули” нашу жизнь! В каждый дом ворвались мобильные телефоны.

I часть

1). Особенно много добавил к знаниям человечества ХIХ век, так БЛЕСТАТЕЛЬНО НАЧИНАВШИЙСЯ С ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫХ ОТКРЫТИЙ В ОБЛАСТИ ОПТИКИ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВА.

Учёным ХIХ века всё так же не давала покоя одна нерешённая техническая проблема: не было быстрой и надёжной связи между людьми, живущими в разных городах и странах. Иногда можно спокойно дожидаться новостей, неторопливо путешествуя в почтовой карете, но бывают обстоятельства, например во время войны, когда связь должна быть молниеносной, ведь во время боевых действий, как известно, “промедление смерти подобно”.

Первые попытки построить линии дальней связи били фактически подражанием нашим далёким предкам, разводившим костры на вершинах гор, чтобы сообщить о грозящей опасности своим соплеменника. Во времена Великой французской революции между Парижем и Лиллем на расстоянии 225 км был построен ряд сигнальных башен. Из нескольких деревянных брусьев, соединённых верёвками, на крышах башен выкладывались слова военных сообщений, хорошо заметных в бинокль из соседней башни. 15 августа 1794 г. по этой Лии было за час передано сообщение о важной победе революционных войск.

Физики не могли придумать в те годы лучшего способа связи, и сигнальные башни стали строиться в разных странах. Самая длинная линия такого оптического телеграфа (протяжённостью 1200 км) была построена в 1839 году между Петербургом и Варшавой.

Открытия Гальвани, Вольты, Ампера, Фарадея направили мысль изобретений по новому пути: надо заставить электрический ток передавать необходимые сигналы, переносить слова срочных сообщений на большие расстояния.

Среди изобретения новых способов связи история науки выделяет одно имя особенным шрифтом: МОРЗЕ, и делает это вполне заслуженно.

В 1832году на палубе корабля “Сэлли” возвращаясь из Франции, домой, американский художник Самюэл Морзе внезапно представил себе новую конструкцию телеграфа.

Капитану корабля он сказал: “ Если вы услышите когда-нибудь о магнитном телефоне, знайте, что он изобретён на вашем корабле”.

В 1835 году Морзе занял место профессора живописи и рисования в Нью – Йоркском университете, а через год ему удалось довести идею до работающего состояния.

2)Уcтройство…/электромагнитного телеграфа/

Добавить: Прибор, с помощью которого можно получить “точку-тире” перед вами, только он излучает звуковой сигнал /демонстрируем сигнал SOS/. Электронный ключ.

SOS (…---…)

3). Наступление эры технических чудес только начиналось…

Газеты быстро печатали поступающие сообщения, и люди впервые стали ощущать, что наша планета не такая большая, как им казалось до сих пор.

Новость облетела Америку: 6 октября 1877 г .в известном научно- популярном журнале “Научный американец” появилась большая статья с подробными рисунками. В ней рассказывалось о новом изобретении – телефоне, которое сделал преподаватель Бостонской школы глухонемых Александр Белл.

Телефон Белла демонстрировался ещё летом 1876 г. на выставке в честь столетнего юбилея со дня образования Соединённых Штатов Америки и Филадельфии, а в январе 1877 г.на заседании философского общества в Вашингтоне перед публикой в Бостоне, в Нью – Йорке. Изобретение было столь необычным, что без особой тщательной проверки такие издания, как “Научный американец” не хотели о нём писать. Изобрел телефон американец профессор физиологии речи Александр Белл в 1876 году.

Работая над созданием многоканального телеграфа, Белл, хорошо знакомый с акустикой, обратил внимание на возникновение звука в телеграфном аппарате при появлении электрического сигнала. Это и натолкнуло его на мысль о создании дистанционного переговорного устройства, которое он назвал телефоном. Говоря современным языком, Белл сумел преобразовать звуковой сигнал — речь — в аналоговый электрический сигнал, передать его на расстояние и снова преобразовать в звуковой сигнал — речь.

Преобразователем звуковых колебаний в колебания электрического тока стал микрофон, созданный английским изобретателем Д. Юзом в 1877 году, а обратным преобразователем электрических колебаний в звуковые колебания стал телефон Белла. телефонном аппарате микрофон и телефон объединены в единую конструкцию — микротелефонную трубку, которую абонент при разговоре держит в руке. Телефонный аппарат служит одновременно и передающим, и приемным аппаратом. Обычный аппарат соединен с микротелефонной трубкой телефонным шнуром.

Когда один абонент говорит, в катушке электромагнита его микрофона под влиянием звуковых колебаний мембраны создается переменный ток, который по электрической линии связи передается в катушку электромагнита телефона другого — слушающего абонента. При этом мембрана телефона притягивается к своему электромагниту то сильнее, то слабее, и вызывает звуковые колебания воздуха, повторяющие речь говорящего абонента.

Александр Белл получил патент на изобретение телефона, основал фирму, которая занялась изготовлением телефонных аппаратов.

На снимке: изобретатель телефона Александр Белл демонстрирует собравшимся чудо: передачу человеческого голоса на большое расстояние.

Но чем заменить электрические провода? Этого изобретатели не знали. Ведь звук человеческого голоса быстро гаснет.

4). Изобретение радио.

В 1886 году выдающийся немецкий физик Генрих Герц впервые экспериментально доказал существование электромагнитных волн

В качестве “ловца” электромагнитных волн Герц использовал разомкнутый проволочный круг, в разрезе которого и проскакивала искра. Он был очень слаб, что рассматривать приходилось через лупу.

Один колебательный контур радиосхемы улавливает колебания, посылаемые другим контуром.

Прежде всего А. С. Попов поставил задачу найти высокочувствительный индикатор волн. Он сконструировал когерер стеклянную трубку, заполненную металлическими опилками. При прохождении по нему импульса тока опилки “сваривались” и сопротивление резко уменьшалось. Последовательно с когерером включались электромагнитное реле, источник постоянного тока, звонок, антенну и заземление. Молоточек электрического звонка, ударяя по когереру, встряхивал опилки и возвращал его к прежнему положению – приёмник снова был готов к регистрации электромагнитных волн.

7 мая 1895 года на заседании русского физико-химического общества А. С. Попов продемонстрировал своё изобретение. Этот день считается днём рождения радио.

В 1896 году Попов построил передатчик электромагнитных волн. На расстоянии 250 метров была передана первая в мире радиограмма из двух слов “Генрих Герц”. В 1899 г была установлена радиосвязь на расстоянии 50 км.

Большой вклад в развитие радиотехники и её практическое применение внёс Г. Маркони, работающий независимо от А.С.Попова. В 1901 г. он впервые осуществил радиосвязь через Атлантический океан.

Знаменитыми сделали его, А. С. Попова, открытия в области беспроволочной телеграфии, принесли мировую славу учёному.

“Как счастлив я, что не за рубежом, а в России открыто новое средство связи…”– А. С. Попов

“Он не последовал примеру Яблочкова и не продал своего изобретения за границу, он любил Россию и работал для неё” газета “Петербургские новости”, 3 января 1906 г.

Хронология развития радио:

Максвелл доказал существование электромагнитных волн.

1887 – Генрих герц обнаружил э/м волны.

1895 – А. С. Попов изобрел первый р/приемник ( демонстрация на 250 м).

1896 – Г. Маркони изобрел р/приемник.

1897 – Г. Маркони получает английский патент на изобретение радио.

1899 – А. С. Попов ( демонстрация работы радио на 20 км – маневры на Черноморском флоте.

1899 – Переход на слуховой прием телеграфного сигнала.

1901 – А. С. Попов ( демонстрация на 150 км).

1901 – Г. Маркони через Атлантический океан передает букву “S”.

1906 – изобретен детекторный р/приемник.

1913 – изобретен генератор незатухающих колебаний.

1914 – Папалекси налаживает радиосвязь между Царским селом и Петроградом.

5). Электровакуумные приборы.

В 1904 г. английский учёный Дж.Флёминг создал первую электронную лампу – диод.

Из герметичного стеклянного корпуса лампы выкачан воздух, внутри находятся два электрода – анод и катод. Анодом служит металлическая пластина, а катодом – вольфрамовая нить, нагреваемая электрическим током.

При включении лампы в сеть электроны движутся от катода к аноду. Основное свойство диода - проводить ток только в одном направлении используется для выпрямления тока.

Вольт - амперная характеристика диода:

 

В 1906 г. английский учёный Ли Форест разработал трёхэлектродную электронную лампу – триод. В триоде между катодом и анодом помещается ещё один электрод – управляющая сетка. Если на сетку подать положительный потенциал, она ускоряет движение электронов к аноду. Ламповый триод служит для усиления сигнала.

Электронно – лучевая трубка – стеклянный болон, внутри которого выкачан воздух. Она состоит из катода, двух анодов, двух пар параллельных пластин ( вертикальные и горизонтальные) и флюоресцирующий экран.

Электронно – лучевая трубка является составной частью кинескопов и осциллографов.

Для увеличения изображения перед экраном использовали линзу, наполненную водой

Ламповые диоды и триоды используются в довольно громоздких радиоприёмниках и телевизорах.

6) Электрический ток в полупроводниках.

Полупроводниковые приборы малогабаритны.

Полупроводники – это обширный класс материалов, проводимость которых на много больше, чем у изоляторов и на много меньше, чем у проводников.

Основными полупроводниковыми материалами, получившими широкое практическое применение, являются германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру.

Эти химические элементы на внешней оболочке имеют 4- валентных электрона, которые образуют попарно электронные ковалентные связи.

При нагревании разрушаются некоторые ковалентные связи, Сопротивление полупроводника уменьшается.( проводимость увеличивается). Проводимость чистых полупроводников очень мала. При внесении в кристалл полупроводников других химических элементов резко возрастает.

Существуют: собственная и примесная проводимость п/п

Cобственная проводимость полупроводника - проводимость полупроводника без наличия примеси.

Примесная проводимость полупроводника - с наличием примеси.

В полупроводнике n-типа основными носителями являются электроны, а в полупроводнике p- типа дырки.

Полупроводниковый диод получают путём введения в полупроводнике n-типа полупроводник p- типа.

Существуют германиевыё и кремниевые диоды.

П/П диод служит для выпрямлении тока.

Из вольт – амперной характеристики видно, что в   прямом направлении ток значительно больше, чем  в обратном, т.к. в прямом направлении участвуют основные носители заряда, а в обратном – неосновные, образуется запирающий слой и ток очень мал.

Большой вклад в развитие физики твёрдого тел , физики полупроводников внесла советская школа академика А.Ф. Иоффе.

В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из окиси меди; а позднее появились из селена и окиси меди.

Приимущество п/п диода по отношению к ламповому: 1. более миниатюрный, 2.компактен, 3.надёжен, 4. больше срок службы, но у него ограничена температура использования ( от-70 до +125⁰С).

В практической работе используют светоизлучающий диод, который при прохождении прямого тока становится источником света. Светоизлучающие диоды или просто светодиоды служат индикаторами. С их помощью можно определить, на сколько велика мощность источника тока.

Транзистор / Американские учёные Бардин и Браттейн в 1948г. создали германиевый триод - транзистор/, пригодный для усиления и генерации электрических колебаний.

Он служит для усиления сигнала. В нём происходит сопротивления под действием управляющего сигнала.

Полупроводниковые приборы быстро распространились за 50-60 годы вовсе области народного хозяйства.

7). Применение /из распечатки/

8). Микроэлектроника. /из распечатки/

9). Опто – волоконная оптика -. В 1926 году академик Сергей Иванович Вавилов открыл явление полного отражения света, что легло в основу нелинейной оптики. Ярко горят торцы тончайших стеклянных волокон, освещённых с противоположных сторон. Световые волокна могут быть проложены высоко в горах, использованы для передачи информации в связи, на железной дороге.

Современные телефонные аппараты имеют целый ряд дополнительных возможностей. Так, широко используются радиотелефоны, в которых трубка соединена с базовым телефонным аппаратом с помощью радиоканала. При этом и аппарат, и трубка снабжены радиоантеннами. Это дает возможность абоненту с трубкой в руке свободно перемещаться по квартире во время телефонного разговора. Зачастую такая трубка снабжена кнопочным номеронабирателем, позволяющим абоненту набирать номер, не подходя к базовому телефонному аппарату. Некоторые аппараты снабжают динамиком для осуществления “громкой” связи, при которой телефонный разговор слышен в комнате, где установлен аппарат. Существует еще целый ряд полезных функций: память последнего набранного номера, автоматический “дозвон” с помощью нажатия только одной кнопки после однократного набора номера; функция “записная книжка”, в которой по желанию абонента кодируются наиболее часто используемые номера телефонов (после этого их можно набрать нажатием только одной кнопки) и т. д. Все эти функции обеспечивает встроенный в аппарат микропроцессор.

СОВРЕМЕННАЯ ТЕЛЕФ?ОННАЯ СВЯЗЬ, передача на расстояние речевой информации, осуществляемая электрическими сигналами, распространяющимися по проводам, или радиосигналами; как вид электросвязи. Телефонная связь обеспечивает ведение устных переговоров между абонентами, удаленными друг от друга практически на любое расстояние.

С начала 1980-х гг. успешно внедряются системы на основе волоконно-оптических кабелей связи. Создаются сети коллективных приемопередатчиков (т. н. сотовые сети), обеспечивающих связь между абонентами по радиотелефону. Для дальней связи все шире используются искусственные спутники Земли.

10). Лазер В 1940 году Советский физик Фабрикант указал на возможность усиления электромагнитных волн. В1954 году советские учёные Н.Г. Басов , А.М.Прохоров и независимо от них американский физик Н. Таунс разработали генератор усиления колебаний, за что в 1963 году были удостоены Нобелевской премии. В 1960 году в США был создан первый лазер.

На вопрос о том, что такое лазер академик Н.Г. Басов отвечает: “Лазерный луч является самым ёмким носителем информации в этой роли новым средством её передачи и обработки”.

Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков. Лазеры применяются для записи и хранении информации ( Видеоролик : “лазерные диски”).

Огромная мощность лазерного луча используется для испарения материалов в вакууме, для сварки даже в открытом космосе.

11). Пожалуй, самым удивительным открытием является изобретение гетероструктур. Оно принадлежит Российскому академику Жоресу Ивановичу АЛФЁРОВУ.

АЛФЁРОВ Жорес Иванович (р. 15 марта 1930, Витебск), российский физик, академик РАН (1991; член-корреспондент, 1972, академик АН СССР, 1979), вице-президент РАН (с 1991; вице-президент АН СССР с 1990). Председатель Президиума Ленинградского (Санкт-Петербургского) научного центра РАН с 1989 г.

Окончил Ленинградский электротехнический институт (1952). Основные труды в области физики полупроводников, полупроводниковой и квантовой электроники, технической физики. Участвовал в создании отечественных транзисторов, фотодиодов, германиевых выпрямителей высокой мощности.

“ Едва ли не каждый житель планеты ежедневно и повседневно пользуется научными разработками Жореса Ивановича, - отмечает М. Зубов. Во всех мобильных телефонах есть гетероструктурные полупроводники, созданные Алфёровым. Вся оптико-волоконная связь работает на полупроводниках и “лазере Алфёрова”. Без “лазера Алфёрова” были невозможны проигрыватели компакт – дисков и дисководы современных компьютеров. Открытия Жореса Алфёрова используются и в фарах автомобилей, и в светофорах, и в оборудовании супермаркетов – декодерах товарных ярлыков…”

ВСЁ НАЧИНАЛОСЬ с открытий ленинградского учёного, которые он проделал в1962-74 годах и которые привели к качественным изменениям во все электронной техники. Получены сверхбыстрые суперкомпьютеры. Обнаружил явление сверхинжекции в гетероструктурах. Создал “идеальные” полупроводниковые гетероструктуры. Положил начало новому направлению — гетеропереходам в полупроводниках. Жорес Иванович АЛФЕРОВ является лауреатом Ленинской премии (1972), Государственной премии СССР (1984) и Нобелевской премии (2000 г.)

12). Благодаря его открытиям появилась возможность развития телекоммуникаций и информации на железной дороге. Эффективность работы Российских железных дорог опирается на внедрение новых принципов и методов управления с применением современных информационных технологий и создание единого инфокоммуникационного пространства отрасли.

Для этого необходимо строительство единой магистральной цифровой сети связи. Общая протяжённость волоконно-оптических линий связи составляет более 52 тыс. км.

Целью проекта является внедрение перспективных технологий во все сферы деятельности федерального железнодорожного транспорта.

На магистральную цифровую сеть связи накладывается глобальная сеть передачи данных, и на её основе осуществляется введение телекоммуникационных технологий. Это позволяет управлять подвижным составом на больших перегонах из создаваемых центров диспетчерского управления перевозками. Наиболее эффективными являются автоматизированные системы учёта и управления вагонным, локомотивным, контейнерным парками, управления пассажирскими перевозками, оформление и ведения перевозочных документов.

13). Управление тормозами тяжеловесных поездов.

Отличительной особенностью технологии вождения поездов весом 9000 (9 тысяч) тонн на полигоне Кузбасс – Северо-запад является контроль и управление торможением поезда по цифровому радиоканалу с разрядкой тормозной магистрали и с локомотива и с хвостового вагона поезда, что повышает безопасность ведения поезда. Обмен служебной информацией и командами управления между локомотивом и хвостовым вагоном по цифровому радиоканалу диапазона 160 Мгц /мегагерц/ осуществляется посредством спутниковой связи.

Видеоклип “Космос”

С. И. Вавилов “В поисках истины человек безгранично расширяет области своего владения природой. А ни в этом ли подлинная задача науки?”

Литература:

1. Кокин С.М., Селезнёв В.А. “Физика на ж/д транспорте” (учебное пособие), Москва, 1995 г.
2. Марк Колтун “Мир физики” Москва, 1987 г.
3. Большая иллюстрированная энциклопедия “Наука и техника” Москва, 2002 г.
4. Железнодорожный транспорт /журнал издаётся с 1826 года/ № 5.05г., № 7.05г
5. Экспресс – инфо / журнал издаётся с 1997 года/ № 9.05г
6. Компьютер – пресс /журнал издаётся с 1826 года/ № 1.05г, № 5,2006г.
7. Б.И. Багрянцев, П.И. Решетов “Учись морскому делу”
8. “ От махин до роботов”, книга 2., Москва, Современник, 1990 г.

Приложение 1

Приложение 2