Почти пять лет со времени лекции в Кронштадтском морском собрании А. С. Попов работал над своим изобретением. Несомненно этот срок был бы много короче, если бы изобретателю были предоставлены те исключительно благоприятные условия, в которых работают наши советские учёные и конструкторы. Своему крупнейшему изобретению А. С. Попов мог уделять только очень незначительное время, свободное от повседневной большой педагогической нагрузки. Исследования приходилось вести лишь по вечерам, а нередко и ночью, за счёт отдыха, расходовать на опыты и изготовление приборов свои, более чем скромные средства. Крайняя необходимость улучшить материальное положение, вызванная увеличением семьи, заставила А. С. Попова с 1889 г. в течение 9 лет уезжать с начала весны и до осени в Нижний-Новгород (ныне г. Горький), где он был начальником электростанции, обслуживавшей Нижегородскую ярмарку. Во время этих постоянных летних отлучек Александра Степановича намеченные им исследования и опыты с электромагнитными волнами проводил в Кронштадте П. Н. Рыбкин, ближайший сотрудник изобретателя, регулярно выполнявший намеченную Поповым программу работ, постоянно сообщавший в письмах А. С. Попову результаты опытов и получавший в ответ новые советы и указания.
К 1894 г. А. С. Попов закончил усовершенствование передатчика электромагнитных волн. Он понимал, что этот передатчик еще несовершенен и пригоден для опытов по существу лабораторного характера. Вместе с тем ему было совершенно ясно, что на пути решения поставленной задачи заниматься дальнейшим усовершенствованием только передатчика не имеет смысла, потому что наиболее слабым звеном всей цепи аппаратуры беспроволочного телеграфирования на первоначальном этапе является не передатчик, а приёмное устройство для обнаружения электромагнитных волн.
Проволочный круг-резонатор удовлетворял требованиям, пока опыты проводились в небольшой лаборатории. Однако он оказывался уже неподходящим, как только опыты требовалось показать большой аудитории и, как отчётливо представлял себе А. С. Попов, должен был стать вовсе непригодным (из-за очень низкой чувствительности) при опытах по беспроволочной связи. Поэтому, прежде чем разрабатывать аппаратуру для таких опытов, надо было найти новый способ обнаружения электромагнитных волн, значительно более совершенный, более чувствительный, чем проволочный резонатор. Такую задачу поставил перед собой изобретатель и начал работать над её разрешением.
Из журнальной литературы 1891–1894 гг. А. С. Попов ознакомился с работами, указывавшими на свойства металлических порошков изменять свою проводимость, т. е. менять сопротивление электрическому току, под действием электромагнитных волн. Но этот прибор работал очень ненадёжно. Металлические опилки, насыпанные в стеклянную трубочку, оказывали большое сопротивление прохождению через них электрического тока, но как только вблизи этой трубочки происходило возбуждение электромагнитных волн, опилки слегка спекались и проводили ток значительно лучше. Для того чтобы восстановить высокое сопротивление опилок, трубочку требовалось слегка встряхнуть. С этой целью приспосабливали пружинный часовой механизм из телеграфного аппарата, служивший для протягивания ленты.
А. С. Попов сразу понял, что трубочка с металлическими опилками пригодится, но её нужно значительно усовершенствовать, прежде чем она сможет стать пригодной для уверенного обнаружения электромагнитных волн. Он говорил об этом так: «…я убедился, что постоянство чувствительности трубки… очень мало: причина малого постоянства чувствительности лежит, мне кажется, в непостоянстве контакта между электродами и порошком».
Высказав это соображение, А. С. Попов занялся детальным исследованием свойств порошков различного состава, зернистости, изучением поведения их при прохождении электромагнитных волн, подбором трубочек разной формы, длины, расположением соединительных электродов в них. Эти многочисленные опыты в конечном результате привели к успешному созданию волнообнаружителя оригинальной конструкции А. С. Попова.
Свой прибор Александр Степанович описал следующими словами: «Внутри стеклянной трубки, на ее стенках, приклеены две полоски тонкой листовой платины АВ и CD почти во всю длину трубки (см. чертеж). Одна полоска выведена на внешнюю поверхность с одного конца трубки, другая — с противоположного конца. Полоски платины своими краями лежат на расстоянии около 2 миллиметров при ширине 8 миллиметров; внутренние концы полосок В и С не доходят до пробок, закрывающих трубку, чтобы порошок, в ней помещённый, не мог, набившись под трубку, образовать неразрушаемых сотрясениями проводящих нитей, как то случалось в некоторых моделях».
Волнообнаружитель конструкции А. С. Попова.
Созданный А. С. Поповым волнообнаружитель имел постоянную чувствительность, работал безотказно; все капризы, вызванные несовершенством порошка, недостатками конструкции, были устранены путём тщательного продумывания результатов многочисленных опытов. Но теперь перед изобретателем встала другая, ещё более сложная задача: добиться такой комбинации, чтобы временное сцепление между опилками, вызванное электрическими колебаниями, разрушалось немедленно и притом автоматически. «Автоматизация» встряхивания с помощью часовой пружины из-за ее нерегулярности совершенно не годилась для целей, поставленных Поповым. Начались новые длительные и упорные поиски наиболее простой и удачной конструкции. В одном из вариантов такого решения А. С. Попов для встряхивания опилок применил вращение рамки измерительного прибора — гальванометра, стрелка которого одновременно своим отклонением указывала на прохождение электромагнитных волн. Однако такое встряхивание опилок оказывалось иногда недостаточным для уверенного разрушения временного сцепления между ними.
Напряжённые поиски лучшего решения закончились исключительно простой конструкцией, но эта кажущаяся простота была найдена в результате длительного упорного труда. Для указания на прохождение электромагнитных волн А. С. Попов ввёл в своё приёмное устройство обычный электрический звонок. При сцеплении опилок в волнообнаружителе, вызванном действием электромагнитных волн, звонок срабатывал; молоточек ею был расположен так, что он ударялся о стеклянную трубочку с опилками в том месте, где она была защищена куском резины; таким образом одновременно обеспечивались и сигнализация и автоматическое встряхивание волноуказателя.
Прибор, разработанный Поповым для обнаружения электромагнитных волн, в своём законченном виде представлял собой не что иное как первую в мире приёмную радиостанцию[3]. Трубка с опилками была расположена горизонтально между зажимами М и Н на легкой часовой пружине, слегка согнутой с одной стороны для большей гибкости. Над трубкой был установлен молоточек звонка. Работала приёмная радиостанция следующим образом. К выводу А или В трубки присоединялся отрезок проволоки (приёмная антенна), воспринимавшая электромагнитные волны. По электрической цепи, составленной из батареи напряжением 4–5 вольт, волнообнаружителя и нижнего реле, непрерывно протекал ток от зажима батареи к пластине А, через опилки к пластине В и по обмотке электромагнита обратно к батарее. Из-за большою сопротивления опилок волнообнаружителя величина этого тока в обычном состоянии приёмной станции была очень мала, и поэтому якорь нижнею электромагнита не притягивался.
В момент спекания опилок их сопротивление электрическому току уменьшалось, отчего возрастала сила тока в цепи и якорь нижнего электромагнита притягивался. В это мгновение в точке С происходило замыкание второй электрической цепи, составленной из батареи и звонка, что приводило в действие молоточек. Его удар по чашечке давал сигнал о прохождении волны; на обратном пути молоточек ударял по трубке волнообнаружителя и встряхивал её, нарушая этим спекание опилок и приводя указатель в готовность к приёму следующего сигнала. При этом вновь уменьшался ток через первую электрическую цепь, отпадал якорь нижнего электромагнита, и схема оказывалась готовой к очередному приёму электромагнитных колебаний. На одиночное прохождение электромагнитной волны радиостанция А. С. Попова отзывалась одиночным звонком; непрерывно проходящие электромагнитные волны давали серию звонков.
Схема первого радиоприёмника.
Для того чтобы эта первая в мире радиостанция работала уверенно, было достаточно протекание через электромагнит электрического тока величиной 5 тысячных долей ампера, что свидетельствовало о высокой чувствительности станции к слабым сигналам. Достаточно было присоединить к зажиму А отрезок горизонтальной проволоки длиной 1 метр, чтобы станция уверенно сигнализировала о прохождении электромагнитных волн в большой аудитории, причём вибратор находился в самом дальнем углу этой аудитории. Присоединение вертикального отрезка проволоки длиной 2,5 метра позволяло уже на открытом воздухе принимать сигналы от вибратора, находившегося на расстоянии 12 метров. Окружённая металлическими экранами приёмная радиостанция не отзывалась на электромагнитные сигналы, производимые в самом непосредственном соседстве, но довольно было вывести через отверстие в экране наружу отрезок проволоки длиной 10–15 сантиметров, присоединённый к зажиму А, как станция принимала сигналы от вибратора на расстоянии 4–5 метров; удлинение антенны заметно повышало чувствительность к приёму более слабых сигналов (от более далеко отнесённого вибратора). Перенеся свою приёмную радиостанцию в сад Минной школы и присоединив к ней отрезок проволоки, наброшенный на кусты, А. С. Попов повысил дальность действия станции до 80 метров (вибратор оставался в помещении физического кабинета).
