Фердинанд Браун

Втора част на "За няколко интересни учени и изобретатели в областта на безжичните комуникации"

/Откъси/

          Резонансът заема своето място като основно явление и процес в първите практически системи за безжична телеграфия най-вече в работите на немския учен и изобретател Фердинанд Браун. Известен е и като Карл-Фердинанд или Карл Фердинанд Браун. Електронно-лъчевата тръба и нейното използване за изследване на електрически процеси във времето, пак дължим на неговите изследвания и изобретателност. Това са  наченките на електронния осцилоскоп. Друга негова работа е откриването  на свойството на някои метални съединения (оловен сулфид, т.е. галенит, а също пирит и други) да провеждат електрически ток само в една посока при контакт с метално острие. Той открива свойството им да изправят променливия ток и да детектират сигнали, дължащи се на електромагнитно поле.  Въз основа на това откритие, датиращо от младежките му години (1874 г), в началото на 20 в. се създават практически използваеми полупроводникови детектори и изправители.  И това е основата на днешните големи интегрални схеми и процесори, които пък направиха възможни всички тези малки и все по-малки компютри  и компютърни технологии, смартфони и устройства за определяне на позицията (GPS, GLONAS, GALILEO) и всичко, което можете да си представите като електроника в днешния ни луд свят.  Тогава полупроводниковите елементи  не се наричат така и никой не може да обясни действието им.

Но Браун е и първият, който се занимава много сериозно със свойствата и физиката на антените. По-горе отбелязахме, че Лодж започва такива дейности, но неговите работи са в доста по-ограничен мащаб, сравнени с тези на Браун.

От изброяването дотук е ясно сериозното влияние на този учен-физик, блестящ експериментатор и талантлив инженер, върху развитието на безжичния телеграф (радиото), радиоелектрониката, измерителната електронна техника или по-общо - на цялата електронна техника (той има и други много сериозни приноси във физиката, но те не са обект на тази работа).

За съжаление в много страни, с изключение естествено на Германия, той е или забравен, или дори непознат. А неговите конкретни работи си струва да се припомнят, може би не само в подобни книги, а вероятно и в някои учебници. От такива ретроспекции бъдещите инженери, пък и всички, които се интересуват, ще проследят идеята от нейното зараждане до практическото ù реализиране. Ще могат да направят сравнение с актуалните постижения и да навлязат много дълбоко в същността на конкретните технически решения, физически принципи, развитието и усъвършенстването им. Да свържат всичко в логическа последователност със сегашната технология. И да видят красотата на постройката на електронните и комуникационни технологии в нейната великолепна цялост, с нейните корени и основи.  И това не се отнася само до Браун, а до всички разглеждани в тази и други подобни книги технически решения.

Ще започнем с използването на резонансните системи в безжичния телеграф. Известно е тяхното приложение от Лодж за такива  цели, известно е и обемното творчество на Тесла. Но Браун доразвива идеите и много сполучливо дава тяхното обяснение. Той показва необходимостта от въвеждането на подобни схеми, като се основава на физиката на процесите в току-що родилите се безжични комуникации. Това става през 1898 и последващите години. Всъщност блестящите му обяснения от неговата лекция при награждаване с Нобелова награда са толкова ясни и задълбочени, че е безсмислено да се прави опит за друго обяснение. Неговите тогавашни мисли и изводи са пълноценни и днес. Това се среща твърде рядко. Обикновено с развитие на техниката и науката, която е основа на тази техника, се променят първоначалните обяснения. И тук е така. Но те са допълнени и развити, а основните идеи и тяхната интерпретация от Браун са валидни в пълна сила и досега. И не само за исторически цели, например при разглеждане на искровите предаватели и приемниците с кохерер (тръбичка, пълна с метални стърготини, която под влияние на електромагнитно поле , т.е. радиовълни, си променя съпротивлението и чрез регистриране на тази промяна могат да се приемат първите радиостанции). Много от постановките му са валидни при повечето видове системи за безжична комуникация.

И така Браун, както и Тесла, Лодж, Джон Стоун Стоун, реализира някои от най-важните основни резонансни схеми в първите радиоустройства. Показва изключително им значение, както за настройката, респективно за използване на повече станции на едно и също място и едновременно, така и за рязкото увеличане на дължината на връзката в тези случаи. Използва трансфоматорна (индуктивна, магнитна) връзка между кръга – генератор на електрически трептения, с включен в него основен генератор – разрядник и антенен кръг. Решава подобен въпрос за приемниците, като използва същия вид връзка между антенния кръг и кръга на кохерера.  

Да разгледаме някои негови решения в областта на антените. Най-интересното е, че в работите му се обръща особено внимание на насочеността на антените. Там се дава и диаграма на насочено действие на антена (как се разпространява в пространството електромагнитната енергия, излъчвана  от една радиопредавателна антена)  и то във формата, в която я познаваме. Както Херц и Бозе, така и Браун изхожда от своите изключителни познания в областта на вълновата оптика (науката за разпространение на светлината като лъч) при експериментите с много по-дългите радиовълни, техните източници, излъчватели и приемници и особено при тези в работата с антените и интерпретиране на резултатите. Той стриктно отбелязва, че работите по насочено излъчване на радиовълните не започват от него. Ние знаем, че преди това има такива успешни опити на Тесла, Лодж, Слаби (за него – по-долу). Но такива цялостни експерименти с измервания и теоретична интерпретация никой не е правил до това време. Отнася се основно за периода 1899 – 1905. В своята Нобелова лекция той скицира тези експерименти.   

Браун е известен като създател на електронно-лъчевата тръба през 1897 г. На пръв поглед тя няма особена връзка с радиото, поне в началния му етап. Преди него има и други успешни опити (Крукс и др.) за използване на подобни устройства. Тези опити са в сферата на експериментите във физиката и изучаване на новооткрити явления. И, което е най-съществено, никога не са били с управление на електронния лъч. Подобен уред (с електронен лъч)[i] не е ползван  преди Браун за измервания в областта на електрическите трептения и токове. Той създава истинския първообраз на електронно-лъчевата тръба и по този начин се явява първият във веригата създатели на електронния осцилоскоп. Този уред и днес е съществена и незаменима важна част във всяка сериозна лаборатория в областта на електрическите вълни, сигнали и всякакви физични величини, които са преобразувани в такива сигнали, и навсякъде, където трябва да се изследват те във временната област. Той описва тази тръба под името “cathode-ray tube”, т.е. тръба за “катодни лъчи”. Много често по това време тези лъчи са били синоним основно на термоелектронната емисия[ii]. Трябва обаче да се отбележи, че тръбата на Браун е с така наречения “студен катод”, т.е. електронната емисия (излъчване  на електрони от метал)  не се дължи на енергията, получена от загряване, а от високо напрежение, приложено между катода и анода. Освен това отклонението и управлението на електронния лъч, който изобразява съответния ток или напрежение, се е постигало с пропускане  на ток в намотка около тръбата (вертикално отклонение), а временната ос (хоризонтално отклонение) се е получавала чрез бързо въртене на огледалце в предната част на тръбата, и отразеният лъч се е виждал на фосфоресциращ екран в челната част. Така тази тръба не е била истинска електронно-лъчева тръба с електростатично или магнитно управление на електронния лъч и с катод с термоелектронна емисия, а комбинация от двата вида управление, с приложение и на механично такова и със “студен катод”.

Но важното тук е,че по този начин Браун фактически създава електронния осцилоскоп. И още нещо – той никога не патентова това изобретение. Напротив описва най-подробно как точно се изработва тръбата и я демонстрира многократно пред подготвена публика и това е колосална негова заслуга за науката, която понякога се забравя. Сериозното приложение на електронно-лъчевата тръба в изследване и създаване на основите на радиото и заслугите на Браун в това отношение могат да се видят най-ярко и кратко изразени от самия учен в малък пасаж от неговата Нобелова лекция: “ Before I leave the subject of the coupled system I might perhaps recall an accessory which was of great use to me and other experimenters. I mean the cathode-ray tube, which I described in 1897. It provided a visual picture of current- and voltage-waveforms up to 100 kc/ s, and was the means by which investigations of period, waveform, intensity and thereby damping, as well as relative phases, could be made”. (Преди да свърша с темата за свързаните [резонансни] (б.м., Безжичен) системи може би трябва да припомня едно приспособление, което беше от голяма полза за мен и други експериментатори. Имам предвид електронно-лъчевата тръба, която описах в 1897 г. Тя обезпечи визуална картина на формите (осцилограмите) на тока и напрежението до 100 kc/ s[iii] и беше средството, чрез което изследванията на периода, формата на сигнала, интензитета (има предвид амплитудата и размаха – б.м.,  Безжичен) и следователно затихването (“демпфването”, “дъмпинга” – б.м., Безжичен), а също и относителните фази стана възможно да бъдат направени). От този цитат е ясно, че осцилоскопът в своята примитивна форма, но в ръцете на изключителен учен и експериментатор, е бил използван, за да се навлезе дълбоко в същността на процесите, стоящи в основата на радиото. Дори в сферата и ерата на цифровите телекомуникации тези методи не са загубили своето значение. Разбира се, днес има много по-удобни средства, и то с цифрова обработка на сигнала, но всички те разчитат или на електронно-лъчеви тръби или на техните следовници - дисплеите с течни кристали или флуоресцентни и плазмени такива, а принципите са тези, положени от Фердинанд Браун и другите учени и инженери от неговата епоха – края на 19 и началото на 20 в. и доразвивани през целия 20 век и досега.

Преди да се премине към заключителни  думи нека да отбележим още една съществена част от неговите дейности в редицата на изобретателите на радиото. През 1898 г., той патентова на някои от първите си работи по “свързаните вериги” и то по настояване на негови колеги и основно на негов временен работодател, с когото е работил по обяснение  и увеличаване на дължината на безжичната връзка в подводни системи. Това е необходимо, тъй като в противен случай Маркони наистина би наложил пълен монопол. А работите на Браун в този момент са много съществен напредък в сравнение с тези на Маркони в Англия и Слаби[iv] в Германия. Постига много по-големи разстояния от двамата[v]. Това е било твърде съществено, тъй като за известно време има застой именно тук. Решението на Браун е и съвсем различно от използваното дотогава (разбира се, тук отново ще споменем Тесла, който има подобни решения, но той си остава с неговите предубеждения за връзка с електромагнитна вълна, пък и ги ползва за по-различни цели).

Това решение е  патентнопригодно (ужасен термин) и създава нужните условия за прекъсване на опитите на Маркони за налагане на монопол. И така Браун се нарежда до учените и инженерите, които успешно се противопоставят на монопола, като Оливър Лодж, Адолф Слаби, Александър Попов, Еужен Дюкрете, Джон Стоун и други, но с може би най-съществена заслуга в този смисъл. И за да се реализира всичко това, пък и да се ползват индустриално намерените твърде успешни технически решения, през 1898 г. се създава компанията “Телебраун”. По-късно през 1900 г. тя се слива с “Браун – Сименс”, а още по-късно (1903 г.), основно по настояване на кайзер Вилхелм, се събират двата различни екипа, работещи в Германия по безжичната телеграфия – този на Браун и този на Слаби - Арко (последните с фирмата си “Функен - Телеграф”) и се създава “Телефункен”.

Само за няколко години тази компания сериозно изпреварва компанията на Маркони в продажбите. Оттук започва сериозната конкуренция с предимство на едната или другата компания в началото на 20 в., като в момента и двете не съществуват, но техни следовници има в други известни компании в света. Участието на Браун в “Телефункен” е изключително съществено и може би все още не е достатъчно добре осветено, независимо че съществуват превъзходни книги, издадени основно след 1980 г., като например “Kurylo, Friedrich and Susskind, Charles; “Ferdinand Braun”, The MIT Press, Cambridge, MA, 1981”. Всъщност Браун, Слаби и Арко успяват да консултират и да развиват успешно техническите решения за “Телефункен” и по този начин да противопоставят мощен конкурент, а в много случаи и противник на Маркони, което е само от полза за развитието на радиото в онези първи години. Ето тази заслуга на Браун трябва да се отчита като много съществена, когато се разглеждат техническите решения. Защото последните имат смисъл само, ако са достъпни за максимален брой хора! Разбира се, имало е много политически, военни и комерсиални съображения във всичко това, но в последна сметка са важни резултатите и следствията. А те са такива, че без сериозното противопоставяне на монопола, не биха се ускорили толкова много стъпките в развитие на радиото. А може би дори по-важно е, че с тези действия са насърчени още много други изобретатели и инженери в развитието на тази великолепна технология – радиото, или по-общо, безжичните комуникации.

        Накрая трябва да отбележим, че Фердинанд Браун има една колосална заслуга в областта на безжичните принципи и технологии. И тя е, че именно в неговите ръце, с неговия ум и талант, те започват да се превръщат в част от науката, от физиката, от електроинженерните науки. На практика, макар и Херц, и Лодж да са създали много от предпоставките в това отношение, именно Браун е човекът, който обхваща в цялост и показва значението на безжичната телеграфия и радиото като родоначалници на много близки или създаващи се на тяхна основа науки, а не само като практическо развитие  на известни физически принципи. В подкрепа  на това могат да се посочат клонове на науката, като разпространението на електромагнитните вълни, антените, изследването на спектъра и т.н. Именно той е човекът, който създава началата на науката за антените; започва задълбочени теоретични излследвания и  създава измервателни методи за това. На практика въвежда диаграмите на насочено действие.

          Той е първият учен, който реализира измерване на абсолютната стойност на електромагнитното поле в дадени точки, респективно сегашните измервания за хигиенно-защитните зони при излъчване на генератор на електромагнитни полета. Създава основата на електронните осцилоскопни  и осцилографни методи - една безкрайна област, която е отговорна за прогреса на науката изобщо. Пръв започва работа и изследвания на полупроводниците като приложение в безжичните комуникации и като елементи от измервателните системи, открива едно от най-важните им свойства – несиметричната проводимост, което след развитието в 20 век и последвалите нови безброй открития, стана основа на цялата съвременна електроника. Работи по въвеждане безжичните комуникации във въздухоплаването с дирижабли, като тази дейност е съвместна с граф Цепелин.  Въвежда резонанса като основен технически метод в безжичните комуникации – те стават наистина полезни едва след неговите изобретения. Ненапразно  в своята възпоменателна статия по случай 10 години от смъртта му, неговите асистенти, широкоизвестните руски учени Манделщам и Папалекси пишат, че „системите с индуктивна (магнитна връзка) в областта на радиотелеграфията (един термин, създаден в Германия по времето на Браун и ползващ се дори до днес), т.е. в системите за безжична комуникация, спокойно могат да носят името “системи на Браун” и че от неговото изобретение и досега (1928 г.), те са неизменна част от всяка радиосистема”.

Можем да продължим – от времето на тяхното въвеждане в радиото от Браун (като не забравяме заслугите на Тесла и Лодж също), или по-общо в комуникациите на основата на радиовълни и микровълни, та и до наши дни, в 21 век, те са неотменна част от тези системи. А много от неговите асистенти и студенти са също със сериозни заслуги в развитие на радиото. Това е човек,  учил такива личности  като Зенек (Ценек), който създава първата дифракционна теория на разпространение на радиовълните – изключителна физико-математическа теория, споменатия Манделщам, който разработва електронната развивка по хоризонталната (временната)  ос на осилоскопите, създадени от Браун и още много други учени. 

Ето с тези думи успях, надявам се, да припомня малко от величието на този благороден човек с благ характер, изключителен преподавател, по спомените на неговите ученици и много голям учен, изобретател и инженер. 

         Фердинанд Браун е роден в градчето Фулда,  в сърцето на Германия на 6 юни, 1850 г. Завършва Берлинския университет с докторска дисертация.  След 1874 г. е професор последователно в Маргбург, Страсбург, Карлсруе (където е предшественик на Херц), Тюбинген и пак в Страсбург,  където прави най-големите си изобретения в областта на радиото. Съосновател и дългогодишен научен консултант на “Телефункен”, този учен получава Нобелова награда по физика през 1909  “За принос в развитието на безжичната телеграфия”, заедно с Маркони. Завършва живота си печално на 67 г. в Ню Йорк. Той отива  там (декември 1914 г.), за да свидетелства по дело за  брегова станция на “Телефункен” в Щатите по време на Първата  световна война, но преди САЩ да са страна във войната. По същото дело е призован Маркони, но от противната страна и Браун е бил човекът, който може да се противопостави най-добре. Маркони не се появава на процеса.  Браун прави опити да се завърне в Германия, но те са неуспешни. След 1917 г., с намесата на САЩ във войната, споменатата станция е конфискувана, а Браун става със статут на враг и военопленник, който не може да напусне страната. В същото време е удостоен с титлата “Доктор хонорис кауза” на Виенския университет, но това е малко утешение. Живее при сина си в Бруклин. Лишен е от всякакви възможности за научна и експериментаторска работа. Занимава се с популяризаторска работа, сказки, дълги разходки в парковете на Ню Йорк и започва да пише “Физика за жени”, останала недовършена. Получава съобщения за смъртта на жена си и на приятели, и колеги. В последните месеци на живота си, през пролетта на 1918 г.,  е обезнадежден, разочарован и много тежко болен. Завършва земните си дни на 20 април 1918 г. Прахът му е пренесен през 1921 г. и погребан в гробището на Фулда.

          През 1955 г. местното училище във Фулда има намерение да се именова на негово име. Това става едва през 1965 г., тъй като Фулда е католически град, а Браун е протестант, и то след намесата на споменатия журналист и писател Фридрих Курило. Този журналист  се преборва за споменатато име на училището и пише книга на немски, с която отново популяризира учения в собствената му страна. По-късно той и прочутият  историк на радиото Чарлз Съскайнд[vi]  написват нова книга (вж. по-горе – б.м., Безжичен), на английски език и окончателно извеждат от забвение един от най-заслужилите в създаването на радиото - Фердинанд Браун!

[i] Осцилографите с оптично - механична развивка (огледална) са били известни доста преди изобретението на Браун и са ползвани при изследване на електрическите процеси. Всъшност неговият уред по отношение на хоризонталната развивка е точно такъв.

[ii] Термоелектронната емисия е открита от Едисон много по-рано при неговите опити с лампи с нажежаема жичка. По-късно, точно през 1897 г., Дж. Дж.Томсън я обяснява като създава теорията, че всъщност става въпрос за поток от отрицателно заредени много малки частици, които са част от атома. Тези частици са наречени електрони. Така е открита първата “елементарна” частица. Наименованието “Cathode ray tube” или “CRT” (макар и звучащо много архаично) придоби отново значение с приложението на електронно-лъчевите тръби с магнитно отклонение на лъча (известни в телевизорите като “кинескопи”) като визуални монитори в персоналните компютри за период от около 20 - 30 години, основно под влияние на американската терминология (това е обяснено за по-широката публика, която би проявила интерес – б.м.,  Безжичен).

[iii] kc/s (килоцикъл за секунда) е стара мярка за честота равна на kHz, която продължи да се използва  до преди около 30 – 35 години, основно в британските и американските източници, а в България – в морските служби, основно от търговските кораби, поради използване на много апаратури с такова означение на скалите и описанията – дори до средата на на 70те години на 20 век. В Европа единицата Hz (Херц) и производните ù са приети още преди Втората световна война. В някои  източници c/s , kc/s, Mc/s  е възможно да се срещнат даже и сега.

[iv] В някои случаи обаче Слаби успява да изпревари Браун в далечината на връзката, докато в края на краищата се създава “Телефункен”, където двамата, и да не искат, трябва да са заедно, както е декретирано от кайзер Вилхелм.

[v] В комерсиалната апаратура, която участва в търг на военно-морските сили  на  САЩ през 1902 г. обаче, Слаби постига много по-голямо разстояние от Браун, тъй като преди създаването на „Телефункен” те са конкуренти. Всъщност  Слаби е много силен в технологичните детайли и това му помага в такива случаи, докато Браун в много по-силен в създаване и налагане на нови технически решения.

[vi] В руските източници,  книги, статии, WEB страници може да се срещне като Зюскинд.

Ако е интересно, ще последва продължение... :) !

(c) Bezzhichen (Безжичен), 2005 - 2011