Телефония. Содержание.
1) Телефон Рейса. — 2) Т. Белля. — 3) Т. с изогнутыми, подковообразными магнитами. Приборы Сименса, Адера, д’Арсонваля и др. — 4) Угольные телефоны с батареями или микрофоны. — 5) Приемники других систем, заменяющие обыкновенные телефоны. Конденсатор Варлея. Термофон Приса. Приемник Эдисона. Радиофон. — 6) Телефонные линии. — 7) Совместное телеграфирование и телефонирование. — 8) Телефонные станции. — 9) Телеграфон Поульсена. — 10) Литература.
1) Телефоны имеют много общего с телеграфами. Назначение их — передавать на дальние расстояния звуки и в особенности речь. И в обыкновенных электрических телеграфах Морзе депеши часто принимаются на слух. Разные попытки передачи звука (еще с XVII ст., со времен Гука) помощью прутьев, шнуров, проволок не имели большого практического значения. Так же как в телеграфии, серьезного практического значения достигла и Т. только с применением к ней электрических токов. Первое такое применение было сделано Рейсом (Philipp Reis) в 1860 г. Изобретенный Рейсом электрический прибор, названный им впервые телефоном, основан был на том явлении (замеченном еще в 1839 г. Педжем, Page), что посредством прерывистого тока в спирали, обусловливающего быстрое намагничивание и размагничивание железного прута, помещенного внутри спирали, можно вызвать звучание этого прута. На этом основании устроена была приемная часть телефона Рейса. Передаточную же часть аппарата составлял ящик с раструбом, перед которым воспроизводится звук, и с горизонтальной перепонкой в прорезе его крышки; на перепонке наклеен платиновый кружок, сообщающийся проволокой с одним полюсом гальванической батареи, другой полюс которой соединен с острием, находящимся в очень близком расстоянии над кружком. При дрожании перепонки происходят периодические соприкосновения острия и диска, а, следовательно, и прерывистый ток в цепи; приемник издает при этом звук, соответствующий тому, который воспроизводится перед передатчиком. С помощью прибора Рейса возможно передавать только различной высоты тоны, но не речь.
2) Белль (Graham Bell) в Америке устроил в 1876 г. телефон, с помощью которого возможным оказалось передавать не только высоту, но и тембр или оттенок звука, а следовательно, и речь. Этот прибор, замечательный как по простоте его устройства, так и по совершенству его действия, изображен на таблице (фиг. 1) в разрезе. Его главнейшие части составляют прямой стальной магнит и надетая на один его конец небольшая катушка с тонкой проволокой, концы которой присоединены к зажимным винтам, а также железный тонкий диск, помещенный перед тем же концом магнита перпендикулярно к нему. Все эти части заключены в деревянную или эбонитовую оболочку, снабженную со стороны диска раструбом; с другой же стороны имеются два зажимных винта и винт для регулировки расстояния между магнитом и диском. Два таких прибора, соединенных между собою проводами, дают возможность двум лицам разговаривать друг с другом на большом расстоянии, причем каждый телефон попеременно может служить передатчиком и приемником. Звуковые волны, воспроизводимые вблизи раструба передаточного телефона, приводят в колебание железный диск, который своим движением изменяет периодически распределение силовых линий в магнитном поле и тем возбуждает индукционные токи в катушке и во всей телефонной цепи. Эти периодические переменные токи, проходя через катушку второго, приемного телефона, изменяют соответственным образом напряженность магнитного поля и вызывают звуковые дрожания как в самом магните, так и в диске. Звук получается соответственный по высоте и тембру, но более слабый тому, который воспроизводится перед первым аппаратом. Условия для возможно лучшей телефонной передачи заключаются в том, между прочим, чтобы основной собственный тон вибрирующего диска был выше самого высокого тона человеческого голоса (ut3), иначе к передаваемым звукам может присоединиться и собственный тон диска; размеры диска поэтому должны быть подобраны надлежащим образом, напр. диаметр 10 стм, а толщина 1 мм или же диаметр 3 стм, а толщина 0, 1 мм. Кроме того, диск должен быть вставлен в рамку плотно, чтобы избежать дребезжания. Затем, оболочка должна быть устроена таким образом, чтобы внутри нее было по возможности меньше простора, с целью избежать резонанса воздушного столба. Наконец, надо стараться при устройстве прибора, чтобы линии сил магнитного поля по возможности все сосредоточивались в пространстве, заключающем диск и катушку.
3) Телефоны с изогнутыми, подковообразными магнитами. Приборы Сименса, Адера, д’Арсонваля и др. С целью сосредоточения и усиления магнитного поля в дальнейших устройствах телефонов стали применять вместо прямых магнитов, как это было у Белля, изогнутые подковообразные магниты, действующие на вибрирующий диск обоими своими полюсами. Из таких приборов с подковообразными магнитами более известны телефоны Сименса, Адера, д’Арсонваля, Голубицкого и др. В приборе Сименса магнит имеет форму камертона; общий его вид таков же, как Т. Белля, но больших размеров; это способствует силе передачи, но зато также и резонансу, мешающему ясности. В приборе Адера магнит имеет форму кольца, почему он вместе с тем служит ручкой для держания и подвешивания (см. табл. фиг. 7). Д’Арсонваль устроил Т. с кольцевым магнитным полем; один полюс его магнита заканчивается железным кольцом, а другой стержнем, окруженным катушкой и помещающимися в середине кольца. Имеются и другие Т. самых разнообразных конструкций, с несколькими магнитами в виде короны или плоские, в виде карманных часов (Говер), и т. д.
4) Угольные телефоны с батареями, или микрофоны. Описанные индукционные телефоны в настоящее время, в особенности для больших расстояний, применяются почти исключительно только как приемники. Лучшим передатчиком звука оказался микрофон, в котором звуковыми колебаниями вызываются не слабые индукционные токи, как в обыкновенных телефонах, а изменения в силе тока, доставляемые гальванической батареей. Такие приборы под названием универсального телефона были устроены (январь 1878 г.) в Берлине Людтге (Lüdtge) и немного позже в том же году известным изобретателем печатающего телеграфа Юзом (Hughes) под названием микрофона. На том же основании был почти в то же время устроен телефон Эдисона. Действие таких приборов состоит в следующем. Представим себе угольный стерженек (Юз, Людтге, Блек), или целый ряд таких стерженьков (Адер, Дежонг), или угольный порошок (Эдисон), или угольные зерна (Гюннигс), зажатые слегка между угольными или металлическими пластинками и включенные в цепь гальванической батареи вместе с обыкновенным индукционным телефоном. Если под влиянием звука, например, человеческого голоса, угольки придут в дрожание, то вследствие большего или меньшего надавливания их в местах закрепления или прикосновения сопротивление, а следовательно, и сила тока станут периодически изменяться; в приемном телефоне поэтому будет таким же образом меняться магнитное поле и будет слышен звук. Один из лучших и более употребительных микрофонов устроен Блеком. В нем дрожание металлического диска под влиянием звука обусловливает периодические изменения давления, а следовательно, и сопротивления, в соприкасающихся с ним платиновом шарике и угольном столбике, подвешенных на пружинах и служащих электродами. С помощью особого винта можно регулировать давление, а вместе с тем и чувствительность прибора (фиг. см. в соотв. ст.). Средняя величина сопротивления микрофона равняется примерно 5 омам, но меняться оно в местах соприкосновений может в очень значительных пределах. Для микрофонов берутся обыкновенно элементы (два или три) Лекланше или Гасснера. Большие батареи не применяются на том основании, что они могут вызвать искры при случайных размыканиях цепи. В сложных микрофонах с целью избежать таких размыканий угольки располагаются поэтому в параллельных ветвях. При увеличении расстояния воспринимаемые звуки должны быстро ослабевать, потому что микрофонные изменения сопротивления становится все более ничтожными сравнительно с общим сопротивлением цепи. Это затруднение Эдисону удалось в значительной степени устранить применением индукционной катушки; первичная обмотка толстой проволоки включается при этом в общую цепь с микрофоном и батареей, а вторичная обмотка катушки присоединяется к линии. При таком условии микрофонные изменения сопротивления будут оказывать значительное влияние независимо от длины линии; для того же, чтобы преодолеть большое сопротивление длинной линии, нужно соответственным образом увеличить число оборотов вторичной обмотки индукционной катушки, вследствие чего увеличится и электродвижущая сила развиваемого в ней индукционного тока. В каждом телефонном или микрофонном передаточном аппарате должны иметься приспособления для вызова с целью предупредить приемную станцию, что с нею желают переговариваться. Если передатчиком служит обыкновенный индукционный телефон, в особенности больших размеров, как, напр., Сименса, то к нему наставляется особая дудка, посредством которой можно вызвать в приемнике достаточно сильный звук, слышимый и вдали от него. Чаще же применяют для вызовов звонки, которые приводятся в действие или гальванической батареей, или индукционным током небольшой магнитоэлектрической машины, приводимой во вращение с помощью рукоятки.
5) Упомянем здесь кстати, что кроме телефона придуманы и другие звуковые приемные аппараты, не применяющиеся, впрочем, на практике. Сюда относится, между прочим, приемник — конденсатор Варлея (1870); оказалось, что можно вызвать звучание конденсатора, изменяя периодически потенциалы его обкладок (открытие это пытались применить к Т. Герц и Дольбер). Термофон Приса состоит из металлического, закрепленного на окружности диска, середина которого слегка оттянута посредством платиновой проволоки. Проходящие через эту проволоку телефонные токи периодически изменяют ее температуру и, следовательно, и длину и приводят вместе с тем в соответственные колебания и самый диск. Действие прибора очень слабо. Химический приемник Эдисона основан на изменении трения между платиновым острием и бумагой, пропитанной гидратом извести и поташа, когда действием тока изменяется химически поверхность бумаги. Платиновое острие прикреплено проволокой к середине слюдяного диска, а бумажный лист навернут на вращающийся цилиндр. Под влиянием микрофонных токов коэффициент трения периодически меняется, вследствие чего слюдяная пластинка приходит в колебания. Такой приемник громко воспроизводит музыкальные тоны, но не речь. Радиофон Белля основан на известном свойстве кристаллического селена менять свое сопротивление при действии на него света. Передатчиком служит тонкое параболическое зеркало, которое под влиянием звука приходит в колебательное движение. Сила отражаемого им светового пучка при таком условии будет периодически меняться, а вместе с тем и сила тока в цепи приемного аппарата, части которого составляют селеновые пластинки, гальваническая батарея и телефон. Беллю удавалось передавать таким образом звуки на расстоянии двух км.
6) Телефонные линии представляют некоторые особенности сравнительно с линиями телеграфными как относительно устройства и проводки, так и по условиям передачи. Одна из особенностей в устройстве заключается в том, что приходится проводить к главной станции в большом городе множество проволок, которые должны быть хорошо друг от друга изолированы и надлежащим образом распределены. Но главное обстоятельство, которое должно быть принято во внимание при проводке, состоит в том, что по телефонным проволокам пробегают быстро колеблющиеся, волнообразные токи с очень малыми периодами колебаний. В случае же таких периодических токов проявляет уже значительное действие самоиндукция проводника, вызывающая как бы особое (кажущееся) сопротивление, а следовательно, и уменьшение силы тока и вместе с тем запаздывание фазы колебаний тока, притом тем бо́льшие, чем периоды колебаний меньше. Отсюда прямо следует, что высокие тоны должны более ослабляться, чем низкие, и притом должны также и больше запаздывать или отставать, вследствие чего будет изменяться тембр (или оттенок) звука. Так, некоторые буквы, сопровождающиеся высокими гармоническими тонами, напр. с и з, передаются хуже, чем другие, в особенности на длинных линиях. Надо стараться поэтому всякими мерами по возможности уменьшить самоиндукцию проводов. Средствами для этого, между прочим, могут служить возможное сокращение электромагнитов в цепи и употребление немагнитных проводов, именно медных или бронзовых проволок, а не железных. Так, опыты показали, что при прочих равных условиях удавалось передавать речь по бронзовой проволоке более чем на 3000 км, тогда как по железной только на 600 км. Можно отчасти ослабить влияние самоиндукции посредством включения в цепь конденсатора, действие которого обратно самоиндукции; но вполне устранить такое влияние можно бы было только для токов некоторого определенного периода. Электроемкость же самих линий действует поглощающим образом, задерживая передачу, в особенности в подземных и подводных кабелях и преимущественно относительно высоких тонов. Кроме самоиндукции и электроемкости проводов влияют еще на ясность передачи и другие обстоятельства. Напр. при недостаточно хорошем соединении проволок слышится в приемниках иногда особое шипение, когда проволоки колеблются ветром; это происходит, между прочим, от переменных контактов, как в микрофонах при прохождении по проводам теллурических (земных) тонов; шипение обусловливается также и индукционными токами, образующимися в цепи вследствие того, что качаемые ветром провода находятся в магнитном поле земли. Задерживающее влияние могут оказывать иногда ответвления тока или сообщения между собою различных проводов вследствие плохой изоляции в сырую погоду. Наконец, на неясность передачи может влиять индукция одной проволоки на другую. Вследствие этой причины иногда возможно бывает слышать на одной линии то, что говорится на другой. Самое действительное средство для устранения этого неудобства заключается в двойных проводах, так чтобы обратный ток шел по второй проволоке, а не через землю. В кабелях обе изолированные проволоки скручиваются одна с другой. В воздушных же линиях обе проволоки обыкновенно перекрещиваются на столбах, так чтобы на них влияли соседние провода одинаковым образом, а след., чтобы влияния эти взаимно уничтожались. Для городских телефонных линий берется обыкновенно бронзовая проволока толщиною в 1,3—1,4 мм (проводимость бронзы составляет 30 или 40% относительно чистой меди). Проволоки эти протягиваются большею частью поверх крыши и укрепляются на железных столбах, от которых уединяются с помощью двойных изоляторов. На больших линиях, соединяющих между собою отдельные города, берется более толстая бронзовая проволока, до 3 мм. Эти линии проводятся по столбам, на которых имеются уже другие провода, а потому для избежания их индуктивного действия берется для них двойной провод, как было уже сказано, перекрещивающийся несколько раз на всем пути. В городских же двойных проводах нет надобности их перекрещивать, так как при большом их числе взаимодействия всех индукционных токов почти уравновешиваются. Вместо того, чтобы проводить отдельно огромное число проволок в городах, парные проволоки эти соединяют вместе по 25—100 пар в один кабель; кабели делаются как воздушные, так и подземные. Для исключения влияния взаимной индукции лучше всего парные проволоки скручивать одна около другой. Применяются также и подводные кабели. Так, напр., между Кале и Дувром на протяжении около 38 км проложен подводный кабель, составляющий часть телефонных линий между Парижем и Лондоном. В кабеле этом проходят две телефонные цепи сплетенных попарно медных проволок.
7) Совместное телеграфирование и телефонирование. Чтобы избежать прокладки особой, дорого стоющей телефонной линии там, где уже имеется телеграфная линия, Фан-Риссельберг (Van Rysselbeghe) придумал некоторые простые приспособления, позволяющие пользоваться одним и тем же проводом как для одной, так и для другой цели. Задача сводится к тому, чтобы устранить действие тех или других токов (постоянных или колеблющихся) на не соответствующие им приемные аппараты. Достигается это включением в цепь электромагнитов и конденсаторов. В таком случае при нажатии ключа телеграфный ток не сразу пойдет вдоль линии, а будет в ней нарастать постепенно, так же как и постепенно убывать при размыкании цепи вследствие развивающейся самоиндукции в электромагните и поглощения в конденсаторе; поэтому токи эти на телефон действовать не будут. В свою очередь телефонные токи по своему характеру и малой силе не могут влиять на телеграфные приборы. Телефоны нельзя включать, однако, прямо в телеграфную цепь, так как значительная самоиндукция электромагнитов препятствовала бы ясности передачи. Поэтому телефонные приборы присоединяются отдельно к линии посредством конденсаторов, которые задерживают постоянные токи, но не препятствуют распространению переменных колебательных токов. Такие токи направятся в линию, а не в ближайшие телеграфные приборы, обладающие большим кажущимся сопротивлением вследствие развиваемой ими самоиндукции в случае переменных токов. Можно и другим способом решить ту же практическую задачу (система Пикара, применяемая во Франции). Излагать этот способ, так же как и дальнейшие подробности, касающиеся рассматриваемого вопроса, здесь не место; это дело подробных специальных курсов. 8) Телефонные станции. Все телефонные городские линии соединяют частные станции абонентов с главною, центральною станцией, назначение которой заключается в том, чтобы по сделанному вызову сообщать между собою для переговоров те или другие две частные станции. Каждая отдельная станция абонента заключает в себе микрофон, телефон. сигнальный аппарат (индукционный звонок), громоотвод и батарею. Приборы эти располагаются в особом ящике таким образом, чтобы батарея, микрофон и телефон включались бы в линию только на время разговора, когда напротив выключается сигнальный аппарат. Это достигается тем, что телефон, висящий на конце рычага, своим весом приподнимает другой конец рычага и устанавливает таким образом сообщение линии с звонком; когда же телефон снимается с крючка, то рычаг действием пружины оттягивается в другую сторону и замыкает в цепь другие три названых прибора. Об общем виде вертикального ящика с приборами, прикрепляемого к стене и составляющего одну частную станцию, можно судить по фиг. 6, изображающей собственно небольшой американский коммутаторный аппарат центральной станции. Имеются в продаже домашние телефонные аппараты и другого вида, приспособленные для установки их на письменном столе (фиг. 10 и 12). Устройство вызывательных приборов на центральной станции, так называемых аннунциаторов (на фиг. 6 они расположены посередине), показано на фиг. 5. Действием вызывательного тока элекромагнит Е притягиваете якорь а и опускает крючок h, вследствие чего дощечка k с номером, поддерживавшаяся этим крючком, падает и приводит в действие электр. звонок (на фиг. дощечка показана в этом втором положении).
9) Телеграфон Поульсена (V. Poulsen). Очень интересной и остроумной новинкой поразившей и заинтересовавшей всех видевших ее на Всемирной выставке 1900 г в Париже, был телеграфон Поульсена. Назначение этого нового прибора — закреплять переданное по телефону, так что затем во всякое время можно снова воспроизвести сказанное. Значение такого изобретения однородно со значением устройства пишущих и печатающих телеграфов, в которых переданное по телеграфу может сохраняться сколько угодно времени и служить документом. Телеграфон, который можно бы назвать также магнитным фонографом, основан на явлении остаточного магнетизма. Для уяснения устройства прибора представим себе, что вдоль натянутой стальной проволоки (фортепианной струны) мы будем перемещать полюс электромагнита, через обмотку которого пропускается колебательный (телефонный) ток; понятно, что в разных местах проволока намагнитится при этом различно, смотря по соответствовавшим им силе и направлению тока в катушке, причем вызванное распределение магнетизма сохранится в стальной проволоке на долгое время. Следовательно, если после этого снова провести с прежнею скоростью вдоль проволоки тот же электромагнит, но в который теперь уже не будет пропускаться посторонний ток, то при таком движении в электромагните станут возбуждаться индукционные колебательные токи с такими же периодами, какие были в прежнем, постороннем токе, когда производилось с помощью их намагничивание проволоки. В телефоне, включенном в цепь электромагнита, мы бы услышали поэтому те же звуки, которые воспроизводились перед ним или перед микрофоном в первом опыте. Записанные таким образом на проволоке звуки можно воспроизводить затем много раз (и после тысячного повторения не замечалось ослабления звука). Если бы понадобилось стереть записанное на проволоке, то для этого достаточно бы было провести по проволоке электромагнит, через который проходит постоянный ток. — Что касается частностей устройства основанных на изложенном принципе различного вида приборов Поульсена и его сотрудника Педерсена, то о них достаточно будет сделать только несколько кратких указаний. Во-первых, Поульсеном применялся электромагнит подковообразный, очень небольших размеров, с выступающими полюсными наконечниками, которые при наложении их на проволоку обхватывали ее с двух сторон. Такой электромагнит, как мы видели, выполнял три назначения: записывание, повторение и уничтожение записанного. Во-вторых, стальная проволока не протягивалась прямолинейно, как мы пока предполагали для простоты, а наматывалась винтообразно на цилиндр, который можно было приводить во вращение; в этом своем виде прибор напоминает реостат Якоби. В другом приборе бралась стальная лента, которая наматывалась на катушку, подобно телеграфной ленте, и во время действия прибора перематывалась на другую катушку, продвигаясь таким образом под полюсами неподвижного электромагнита. Третье видоизменение прибора предназначено для передачи телефонного сообщения зараз по разным направлениям. Стальная лента при этом надета на два валика подобно приводному ремню. Над лентою расположено несколько электромагнитов; посредством первого из них производится запись, промежуточными эта запись передается нескольким телефонам, а последним из них, через который проходит постоянный ток, запись уничтожается. Наконец, Гагеманном (Hagemann), вторым сотрудником Поульсена, придуман более сложный прибор с несколькими лентами и электромагнитами с целью усилить передаваемые звуки. При этом запись с одной ленты передается на несколько других; при помощи электромагнитов, соединенных между собою последовательно и расположенных надлежащим образом на этих лентах, звук передается одному общему телефону. Оказалось возможным также устроить (Педерсен) приспособления для одновременной передачи двух речей с помощью одной ленты. Представим себе пару электромагнитов, записывающих речь на ленте и соединенных между собою так, чтобы к ленте были обращены одинаковые полюсы; воспринять затем эту речь в телефоне можно только при помощи другой пары электромагнитов, соединенных друг с другом таким же образом, а не противоположно, так как в последнем случае получились бы обратные, взаимно уничтожающиеся электродвижущие силы. Вторую речь после того можно записать на той же ленте тою же первой парой электромагнитов, но соединенных уже противоположно. Эту речь, следовательно, можно воспроизвести посредством третьей пары, соединенной подобным же образом, как и записывавшая пара во втором опыте. Очевидно, что первая речь не может быть услышана при посредстве третьей пары электромагнитов, а вторая речь при помощи второй пары. Поэтому в два телефона, сообщенных с соответствующими парами электромагнитов, можно будет отдельно слышать и ту, и другую речь. Нужно добавить, что воспроизводимый телеграфоном звук сохраняет хорошо первоначальный свой тембр, но зато очень слаб; приходится слушать при помощи двух телефонов. Есть надежда, что дальнейшее усовершенствование упомянутого выше прибора, предназначенного для усиления воспринимаемых телеграфоном звуков, даст возможность применять этот прибор как приемный аппарат в случаях телефонных сообщений на дальних расстояниях.
10) Литература. Из многочисленных сочинений по Т. мы упомянем только об очень немногих, но из которых можно почерпнуть сведения и о других источниках по данному вопросу. Grawinkel, «Lehrbuch der Telephonie und Microphonie» (1884); Mourlon, «Les téléphones usuels», (1887); Mix und Genest, «Anleitung zum Bau el. Telegraphen, Telephonen und Blitzableiteranlagen» (1891); Maier und Preece, «Das Telephon» (1889; есть русский перевод); Sack, «Der Telephonbetrieb» (1894); Жерар, «Курс электричества» (II, русский перевод); журнал «Электричество», который может служить для справок относительно новых изобретений, касающихся всяких применений электричества. Относительно телеграфона см. оригинальную статью Поульсена в «Annalen der Physik» (Drude; 1900, т. III, № 12). Кроме того, об этом приборе см. доклад К. К. Латынина ("Протоколы собраний Русского электрического общества, состоящего при Электротехническом институте императора Александра III, № 2). Также «Научное обозрение» (1900, № 9). Наконец, подробности о многократной Т. см. статью: «Pedersens «Multiplex-Telephonie» («Physikalische Zeitschrift», 1900, № 2. В этом журнале и вообще можно найти хорошие описания всех новейших изобретений и усовершенствований в области физики и в частности в Т.).
Приложения
править