Фердинанд Браун - лауреат нобелевской премии в области физики

К 150-летию со дня рождения

А. И. Климин, В. А. Урвалов

6 июня 2000 года исполнилось 150 лет со дня рождения крупного немецкого ученого-физика, члена-корреспондента Берлинской Академии наук К. Ф. Брауна, открывшего эффект униполярной проводимости контакта минерала с минералом или с металлом (на котором основано действие полупроводниковых выпрямителей и детекторов), изобретателя электронного осциллографа, ряда других физических и электроизмерительных приборов. Он был удостоен вместе с Г. Маркони

К. Ф. Браун

Нобелевской премии в 1909 г. "за работы по созданию беспроволочного телеграфа". Он был также основателем и главой широко известной школы радиофизиков. Тем не менее, большой вклад его в развитие радиотехники и электросвязи не нашел еще достойного отражения в историко-технической литературе. Порой, о нем пишут даже как о "забытом предшественнике" [1].

Родина Карла Фердинанда Брауна - небольшой немецкий городок Фульда. Он был пятым ребенком в семье мелкого государственного служащего. Уже в школьные годы Фердинанд проявил склонность к научной работе - в 15-летнем возрасте сочинил и оформил рукописную книгу по кристаллографии, снабдив ее двумястами собственноручно выполненными рисунками. Тогда же он опубликовал свою первую статью в журнале для учителей [2]. Поступив в 17-летнем возрасте в университет г. Марбурга (в котором, как свидетельствует мемориальная доска на его фасаде, некогда учился М. В. Ломоносов), Браун изучал физику, химию, математику. После двух семестров он перевелся в Берлинский университет, где с 1869 г. совмещал учебу с работой ассистента у профессора Г. Г. Квинке (1834-1924). В 1872 г. Браун представил к защите работу по акустике, за которую был удостоен докторской степени и похвальной оценки Г. Гельмгольца (1821-1894). В том же году, вместе с Г. Квинке, он перешел в университет г. Вюрцбурга, но, не получив полной ставки ассистента, в 1874 г. обосновался в средней школе г. Лейпцига, не теряя надежды на университетскую карьеру.

Преподавание в школе оставляло время для научной работы, и К. Ф. Браун занялся изучением кристаллов. В конце 1874 г. он публикует первую из четырех статей, посвященных открытому им эффекту односторонней проводимости на границе двух разнородных кристаллов или между кристаллом и металлическим контактом. Четвертая статья вышла из печати в 1883 г. К этому времени Браун уже побывал профессором Марбургского (1876-1880) и Страсбургского (1880-1883) университетов.

Надо сказать, что открытый Брауном эффект вызвал некоторый интерес в научных кругах. Его опыты повторили А. Шустер (1851-1934) в Англии и В. Сименс (1816-1892) в Германии, подтвердив полученный им результат. Между прочим, данное открытие в 1900 г. явилось формальным поводом для отказа в выдаче немецкого патента А. С. Попову на изобретение детекторного "телефонного приемника депеш", успешно запатентованного во Франции и в Англии, хотя кристаллические детекторы Брауна фактически стали применяться только с 1906 г. [1].

В 1883 г. К. Ф. Браун становится профессором Высшей технической школы в г. Карлсруэ, в 1885 г. на десятилетие переходит в Тюбингенский университет,

где основывает и возглавляет Физический институт [3]. Преемником Брауна в Карлсруэ стал Генрих Герц, выполнивший в этом учебном заведении выдающиеся эксперименты по генерированию и изучению свойств электромагнитных волн. Наконец, в 1895 г. Ф. Браун окончательно переезжает в знаменитый Страсбург, где в университете занимает кафедру физики и место директора Физического института. Через два года он выполнил свою вторую значительную работу - изобрел электронный (катодный) осциллограф, незаменимый прибор для исследователей, работающих в области радиотехники, электроники и приборостроения [4, 5].

Осциллография до 1897 г. развивалась чуть больше десятилетия. В последней четверти XIX в. электроэнергетика достигла значительного прогресса. Электрические сети многих городов работали на переменном токе. Возникла необходимость в измерении мгновенных значений электрических параметров и смещения фаз в электрических цепях. Иначе говоря, появилась потребность в приборе визуального наблюдения и контроля электрических процессов. Таким прибором стал электронный осциллограф, созданию которого предшествовали оптико-механические модели, в частности, созданный в 1885 г. казанским физиком Р. А. Колли (1845-1891) осциллометр - прототип современных свето-лучевых (шлейфовых) осциллографов, и магнитоэлектрический осциллоскоп французского физика А. Блонделя (1863-1938), изобретенный в 1893 г. Однако их использование было ограничено низкочастотным диапазоном. В то же время потребность наблюдения формы токов высоких частот после знаменитых опытов Г. Герца 1886-1888 гг. возросла.

Эскиз трубки Брауна

Будучи умелым экспериментатором, К. Ф. Браун охотно занимался конструированием лабораторных приборов для своих опытов и демонстраций. Откликнулся он и на потребность в визуальном контроле электрических процессов. В конце столетия многие физики увлекались опытами с различными излучениями. Браун обратил внимание на катодные лучи и вскоре пришел к убеждению, что, взяв за основу известную физикам трубку У. Крукса (1832-1919), можно создать катодно-лучевой прибор для индикации формы электромагнитной волны, поскольку световое пятно на флуоресцирующем экране трубки, мгновенно реагируя на электромагнитное поле, может синхронно следовать за его изменением [2, 6].

Трубка Брауна (название до 40-х гг. распространялось и на другие электронно-лучевые приборы) монтировалась горизонтально на опоре вместе с отклоняющей луч катушкой. Использовались как отпаянные трубки, так и непрерывно откачиваемые ручным ртутным насосом. Анодное напряжение около 50 кВ обеспечивалось индукционной машиной. Исследуемый ток подводили к катушке электромагнита, расположенной снаружи узкой части стеклянной колбы между диафрагмой и экраном. Катодный пучок, откликаясь на изменения магнитного поля, высвечивал на флуоресцирующем экране линию между двумя точками, соответствующими минимальной и максимальной величинам исследуемого сигнала. Светящаяся линия отбрасывалась на внешний экран с помощью зеркала В. Кёнига, которое позволяло наблюдать изменение сигнала во времени. Скорость сканирования зеркала, превращающего пульсирующую вертикальную линию в двумерную визуально наблюдаемую картину формы тока, подбиралась при настройке. Таким образом, созданная Брауном трубка заметно отличалась от современных осциллографических трубок и тем более от современных кинескопов, изобретение которых иногда безосновательно приписывают К. Ф. Брауну.

"Сложная схема" (подвижный вариант передатчика)

В первых опытах наблюдали за переменным током центральной электростанции Страсбурга напряжением 120 В, частотой 50 Гц. Браун пригласил коллег цоочию убедиться в соответствии осциллограммы промышленного тока строгой синусоиде, в то время как лабораторные источники переменного тока давали искаженную синусоиду. Убедившись в достоверности измерений с помощью своей трубки, ученый исследовал более сложные временные зависимости тока, подаваемого в катушку электромагнита. Кроме того, размещая под горловиной трубки вращающийся намагниченный стержень, он показал, что светящееся пятно может описывать фигуры Лиссажу (1822-1880).

К. Ф. Браун не патентовал свой осциллограф. Он решил сделать его доступным для всех исследователей и лично содействовал его распространению путем публичных демонстраций и публикаций в научной печати. Это был благородный шаг ученого, способствовавшего эффективному применению замечательного прибора и дальнейшему его совершенствованию. Осциллограф стал незаменимым инструментом в различных лабораториях, от академических до производственных.

Трубка Брауна широко применялась в научных исследованиях русскими учеными. Об опытах с нею сообщали в своих публикациях А. Л. Гершун (1868-1915), В. К. Лебединский (1868-1937), А. А. Петровский (1873-1942) и другие, вносившие в методы и прибор Брауна усовершенствования. В 1899 г. ассистент Брауна И. Ценнек (1871-1959) ввел электромагнитную развертку для замены зеркала Кёнига. В 1907 г. другой его ассистент - россиянин Л. И. Мандельштам разработал метод и схему получения пилообразного тока для линейной развертки осциллограммы по оси времени. Суть метода заключалась в том, что для развертки использовалось только начало разрядного процесса конденсатора, когда ток является практически линейной функцией времени. Остальная часть тока (80 %) отбрасывала пятно за край экрана [7]. Эти и другие нововведения существенно расширили возможности осциллографа, сделали его использование более удобным.

Антенная система направленного действия

Сам Браун в это время был занят разработкой устройств беспроволочной телеграфии, которую в Германии назвали радиотелеграфией. Информация о создании подобных устройств поступала на немецкую землю и с Запада (из Англии), и с Востока (из России), что неудивительно, так как во многих немецких университетах постоянно стажировались молодые русские ученые. Например, советник кайзера профессор А. Слаби, присутствовавший на демонстрации Г. Маркони его приемно-передающего устройства в 1897 г., от своего ученика Б. И. Угримова получил полную информацию об аппаратуре, разработанной А. С. Поповым [8, с. 148]. Более того, опубликованные в печати схемы аппаратуры русского ученого не позволили немецким патентным экспертам принять заявку на изобретение от молодого итальянца.

Брауну, начавшему исследования в области радиотелеграфии, чтобы нейтрализовать монополию Г. Маркони, удалось существенно улучшить характеристики передатчика. Его успешную работу связывают с переходом к так называемым "сложным схемам", в которых искровой разрядник в передатчике (рис. 2) и когерер (детектор) в приемнике были вынесены из цепи антенны в разработанные Брауном отдельные колебательные контуры значительной емкости с малым затуханием. Это позволило избавиться от "самоедской" растраты энергии на создание "искры" (что существенно повысило КПД передатчика), эффективно использовать явление резонанса, т. е. радиотелеграфировать в узкой полосе частот и без взаимных помех.

В ряде работ К. Ф. Брауна и его учеников теоретически и экспериментально исследуются способы построения антенных систем для направленного излучения электромагнитных волн и их приема. Один из способов иллюстрирует рисунок. Передатчик нагружен на три вертикальные антенны, причем в антеннах 2 и 3 колебания начинаются одновременно, но с опозданием на четверть периода от начала колебаний антенны 1. Тогда, по расчетам Брауна, максимальное излучение будет происходить в направлении от антенны 1 к середине расстояния между антеннами 2 и 3. При помощи антенного коммутатора можно изменить направление максимального излучения на 120 и на 60 градусов. Опытная проверка на военно-учебном поле вблизи Страсбурга показала достаточно близкое совпадение результатов с теорией.

Диаграмма электромагнитного поля в окружающем пространстве

Достижения К. Ф. Брауна высоко оценила мировая научная общественность и Комитет по присуждению Нобелевских премий, уравнявший его заслуги с заслугами Г. Маркони (по мнению наших ученых, в частности, академика Ю. В. Гуляева [9], "если бы не безвременная кончина А. С. Попова в 1906 г., он, несомненно, разделил бы в 1909 г. славу Нобелевского лауреата вместе с Г. Маркони и К. Ф. Брауном").

В речи, произнесенной при получении Нобелевской премии, К. Ф. Браун подчеркнул свой приоритет в создании сложных схем. Он сказал: "Спустя некоторое время по опубликовании моих патентов, Маркони, убедившись в преимуществах замкнутых контуров, также положил их в основание своей "настроенной" телеграфии" [6, с. 14]. В примечании к опубликованной речи он добавил: "Я привожу сроки, в которые мне были выданы патенты в различных странах: итальянский патент - 7 апреля 1899 г., бельгийский - 15 февраля 1899 г., австрийский - 5 июня 1899 г. Маркони перешел к замкнутому контуру в конце 1899 г. Его патенты, относящиеся к настроенной телеграфии, заявлены 26 апреля 1900 г. и 25 февраля 1901 г., выданы в апреле 1901 г. " [6, с. 53].

Столь же принципиальным был К. Ф. Браун и в оценке приоритета других ученых. Так, проф. Н. Н. Георгиевский (1864-1940) пишет: "Когда всплыл вопрос о приоритете изобретения телеграфирования без проводов, к А. С. Попову обращались с письмами... 20 ноября 1898 г. проф. А. Блондель и 13 июля 1899 г. проф. Ф. Браун из Страсбурга, с целью выяснения приоритета А. С. Попова, с просьбами о присылке его статьи, напечатанной в январском номере 1896 г. "Журнала Русского физико-химического общества". С проф. Блонделем и Брауном А. С. Попов виделся лично при своих поездках за границу в 1899 и 1900 гг. " [8, с. 178]. В результате почтовых и личных контактов Браун пришел к выводу, что "приемные приборы в первых опытах Маркони, произведенных им после профессора Попова, по существу были тождественны с его приборами" [10]. Надо сказать, что А. С. Попов высоко ценил К. Ф. Брауна как ученого и рекомендовал своему аспиранту С. Я. Лифшицу именно Страсбургский университет, когда тот в 1905 г. получил возможность выехать для стажировки за границу [8, с. 265]. О встречах Брауна с А. С. Поповым в этот период рассказывает Н. Д. Папалекси [11].

При участии К. Ф. Брауна в 1898 г. была организована фирма "Телебраун" по производству радиоаппаратуры, которая в 1900 г. стала филиалом компании "Сименс" [2]. В 1903 г. она объединилась с компанией "Функен-телеграф", созданной А. Слаби и Г. Арко (1869-1940). Объединенная компания "Телефункен" стала крупнейшим на Европейском континенте конкурентом Г. Маркони. На ее инвестиции петербургская фирма "Сименс и Гальске" в 1904 г. организовала производство радиостанций "по системе профессора Попова" с выделением ему одной трети чистой прибыли. Так высоко была оценена интеллектуальная собственность русского ученого [12].

В начале 1915 г., когда в Европе уже полыхала первая мировая война, Браун отправился в США через нейтральную Норвегию, чтобы защитить в американском суде право функционирования принадлежавшей компании "Телефункен" радиостанции в Сейвиле на Лонг-Айленде, ставшей единственным средством передачи информации из Германии в Америку, после того как на Британских островах была перерезана кабельная линия, связывавшая Германию и США. В 1917 г. США вступили в войну на стороне Антанты, и радиостанция была реквизирована в пользу американского ВМФ.

Брауну в то время исполнилось 67 лет, его здоровье оставляло желать лучшего. 20 апреля 1918 г. он умер в Нью-Йорке, за полгода до окончания войны. Его желание быть похороненным в родной стране исполнилось в 1921 г., когда его останки были возвращены на родину и помещены в могилу его родителей в г. Фульде.

Литература

1. Susskind Ch. Ferdinand Braun: Forgotten Forefather // Adv. in Electronics and Electron Physics. - 1980. - Vol. 50. - p. 241-260.
2. Atherton W. A. Karl Ferdinand Braun (1850- 1918): inventor of the oscilloscope // Electronics and Wireless World. - 1990. - № 1. - p. 12-14.
3. Храмов Ю. А. Физики. Биографический справочник. 2-е изд. - М.: Наука, 1983. - 44 с.
4. Braun F. Ueber ein Verfahren zur Demonstration und zura Studium des zeitlichen Verlaufes variabler Strome // Ann. der Phys. und Chem. Widem. - 1897. - Bd. 60. - p. 552-559.
5. Климин А. И., Урвалов В. А. Столетие электрона и электронного осциллографа // Радиоэлектроника и связь. - 1997. - № 1(12). - с. 32-11.
6. Браун Ф. Мои работы по беспроволочной телеграфии и по электрооптике. Речь при получении Нобелевской премии. Перевод с нем. Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси. - Одесса: изд-во "Матезис", 1910.
7. Мандельштам Л. И. Об одном методе объективного изображения колебательных процессов в простых и связанных конденсаторных контурах. Полное собр. трудов под ред. С. М. Рытова. Т. 1. - М. - Л.: АН СССР, 1948. - с. 147-153.
8. А. С. Попов в характеристиках и воспоминаниях современников. Сост. М. И. Радовский. - М. - Л.: АН СССР, 1958.
9. Гуляев Ю. В. 100 лет радио // Радиотехника. - 1995. - № 4-5. - с. 5-9.
10. Braun F. Draht Lose Telegraphic durch Wasser und Luft. - Leipzig, 1901. - p. 16.
11. Папалекси Н. Д. Леонид Исаакович Мандельштам. Краткий очерк жизни и научной деятельности. - В кн. "Академик Мандельштам. К 100-летию со дня рождения". - М.: Наука, 1979. - с. 5-52.
12. Трибельский Д. Л. Сотрудничество А. С. Попова с фирмой "Сименс и Гальске". Тезисы докладов 47-й обл. науч.-техн. конф. СПб НТОРЭС 7-9 апреля 1992 г. Секция истории радиотехники. - СПб., 1992. - с. 10-11.

Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №8, 2000 г., стр. 42.
Перепечатывается с разрешения редакции.