Други статии от цикъла:
- История на реле
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
В научихме как американският учен и преподавател за пръв път пътува из Европа. Посещавайки Лондон, той специално се отби при дълбоко уважавания от него човек, математика . Заедно с Хенри бе неговият приятел, Александър Бах, и неговият нов познат, също експериментатор в областта на телеграфията, . Бебидж разказа на гостите, че скоро възнамерява да демонстрира на член на Парламента своята счетоводна машина, но с още по-голямо желание сподели с тях идеята за своята нова машина, "която значително превъзхожда възможностите на първата". Хенри записа общи сведения за този план в дневника си:
Тази машина се дели на две части, едната от които г-н Б. нарича хранилище, а другата - мелница. Хранилището е пълно с колелца, на които са нарисувани цифри. Периодично лостове ги изтеглят и преместят в мелницата, където се извършват необходимите манипулации. В края на краищата тази машина ще може да сведе в таблица всяка формула от алгебричен характер.
Историкът не може да не почувства хлад, минаващ по гърба му от такива случайни пресечени пътища в човешките животи. Тук се пресекоха две нишки на историята на изчислителните машини, едната от които приближаваше края си, а другата едва започваше.
Въпреки че машината на Бебидж често се представя като начало на историята на съвременните универсални компютри, връзката между тях е доста слаба. Неговата машина (която той никога не построи) беше кулминацията на мечтата за механични изчисления. Тази мечта, за пръв път изразена от Лайбниц, бе вдъхновена от все по-сложните часовникови механизми, създади от занаятчиите от края на средновековието. Но нито един компютър с общо предназначение не беше построен на чиста механика - задачата бе твърде сложна.
Електромагнитното реле, проектирано от Генри и неговите съвременници, може да бъде сравнително лесно интегрирано в изчислителни контури, чието сложност без него изглежда неосъществима. Въпреки това, до този момет остават десетилетия, и такова развитие не може да бъде предвидено от Генри и неговите връстници. То става прародител на безброй транзистори, които направиха възможен днешния цифров свят, тясно свързан с нашия съвременен живот. Релетата запълваха вътрешността на ранните програмируеми изчислителни машини, които управляваха за кратък период, докато не бяха заменени от изцяло електронните им роднини.
Реле е било изобретявано няколко пъти независимо един от друг през 1830-те години. Целите му бяха разнообразни (петимата му изобретатели предложиха поне три варианти за приложение) – както и примерите за използване. Но удобно е да се мисли за него като за устройство с двойна функция. Може да се използва като превключвател, управляващ друго електрическо устройство (включително, което е важно, друго реле), или като усилвател, който превръща слаб сигнал в силен.
Превключвател
Джозеф Генри съчетава дълбоки познания в натурфилософията и механиката с интерес към проблема на механичния телеграф. През 1830-те години такъв набор от качества вероятно е бил наличен само при Уитстън. До 1831 г. той е построил контур с дължина 2,5 км, способен да задейства звънец, използвайки за това един от най-мощните магнити на времето. Вероятно, ако беше продължил с такъв интензивен труд върху телеграфа и проявил същата упоритост като Морзе, неговото име щеше да бъде записано в учебниците.
Но Генри, учител от Академията в Олбани, а след това в Колиджа на Ню Джърси (сега Принстънски университет), строеше и усъвършенстваше електрически устройства с цел изследвания, обучение и научни демонстрации. Той не се интересуваше от превръщането на образователния инструмент в система за предаване на съобщения.
Приблизително през 1835 година той измисля особено хитра демонстрация с помощта на два контура. Спомнете си, че Хенри открива две измерения на електричеството – интензивност и количество (наричаме ги напрежение и сила на тока). Той създава контури с интензивни батерии и магнити за предаване на електромагнетизъм на големи разстояния, и контури с количествени батерии и магнити за създаване на електромагнитни сили с голяма мощност.
Неговият нов агрегат комбинираше и двете свойства. Мощният количествен електромагнит можеше да вдигне тежести от стотици килограми. Интензивният магнит в края на дългия контур се използваше за вдигане на малък метален проводник: превключвател. Затварянето на интензивния контур предизвикваше магнита да вдигне проводника, което отваряше превключвателя и количествения контур. Количественият електромагнит след това рязко изпускаше товара с оглушителен трясък.
Този реле – а именно такава роля играеше интензивният магнит и неговият проводник – беше необходим за демонстрация на превръщането на електрическата енергия в механична, а също така на начина, по който малка сила може да управлява голяма. Леко потапяне на проводника в киселина за затваряне на контурa водеше до малко движение на малкия превключвател, което в крайна сметка завършваше с катастрофа под формата на падането на метал, достатъчно за да смачка всеки, който е достатъчно глупав, за да стои под него. За Хенри, релето беше инструмент за демонстрация на научни принципи. То беше електрически лост.
Хенри вероятно е бил първият, който по такъв начин свързва две контура – за да управлява друг, използвайки електромагнетизма на един контур. Второто място, колкото знаем, принадлежи на Уилям Кук и Чарлз Уитстон, въпреки че техните цели бяха съвсем различни.
През март 1836 година, скоро след посещение на демонстрация на телеграфа в Хайделберг, използващ с galvanic needle за предаване на сигнали, Кук се вдъхновява от музикална кутия. Кук смята, че използването на игли, обозначаващи букви в реалния телеграф, ще изисква several needles, а за тях ще са нужни няколко окръга. Но Кук искаше електромагнитът да активира механизъм, който вече може да бъде колкото се може по-сложен, за да демонстрира необходимата буква.
Той замисли машина, напомняща на музикална кутия, с цилиндър, обграден от множество щифтове. От една страна на цилиндъра трябваше да има кръгова скала с букви. В края на телеграфната линия трябваше да има такава кутия. Завинтената пружина трябваше да накара цилиндъра да се върти, но по-голямата част от времето той ще бъде фиксиран с стопор. При натискане на телеграфния ключ контурът се затваря, което активира електромагнитите, отключващи и двата стопора, и двете машинки започват да се въртят. Когато на скалата се показва необходимата буква, ключът се освобождава, стопорите заемат местата си и спират движението на цилиндрите. Кук, сам не знаейки, възстанови хронометричен модел на телеграфа на Роналд, измислен два десетилетия по-рано, и ранните експерименти на братя Шап с телеграфа (само че те използваха звук за синхронизиране на скалите, а не електричество).
Кук разбира, че такъв механизъм може да помогне за решаване на давната проблема на телеграфа – уведомяване на приемащата страна за ново съобщение. За това може да се използва втори контур с друг електромагнит, който активира механичен звънец. Затварянето на контура би прибрало стопора и звънецът щеше да звъни.
През март 1837 година Кук започва съвместна работа с Уитстън по телеграфа, и около това време се замислят за необходимостта от втори контур. Вместо да се изгради независим контур за сигнализиране (и протяжка на километри излишни проводници), не беше ли по-лесно да се използва основният контур за контрол на сигнала?
В това време Кук и Уитстън се върнаха към игловидния дизайн, и стана напълно очевидно, че може да се свърже малък проводник с игла, така че, когато нейният край се привлече от електромагнит, опашката ѝ да замикне втория контур. Този контур би задействал сигнала. След определен интервал, през който получателят на съобщението можеше да се събуди, да изключи сигнала и да приготви химикал и хартия, иглата вече можеше да се използва за предаване на съобщението в обикновен режим.
През две години на два континента два пъти, с две различни цели, хората осъзнаха, че електромагнитът може да се използва като превключвател, управляващ друг контур. Но можеше да се представи и съвсем различен начин за взаимодействие между двата контура.
Усилвател
До есента на 1837 г. Самюел Морз беше сигурен, че неговата идея за електрически телеграф може да работи. Използвайки интензивна батерия и магнит на Генри, той изпращаше съобщения на разстояние половин километър. Но, за да докаже на Конгреса възможността за предаване на съобщения по своя телеграф през целия континент, му бяха необходими много повече. Беше ясно, че независимо от мощността на батериите, в някакъв момент контурът ще стане твърде дълъг, за да предаде четим сигнал на другия му край. Но Морз осъзна, че, въпреки силния спад на мощността с разстоянието, електромагнитът може да отваря и затваря друг контур, захранван от собствена батерия, който от своя страна може да предава сигнала по-нататък. Процесът може да се повтаря многократно и да покрива разстояния с всякаква дължина. Затова тези междинни магнити наричали „реле“ – като пощенски станции за смяна на коне. Те приемали електрическото съобщение от отслабващия партньор и го пренасяли напред с нова сила.
Невъзможно е да се установи дали тази идея е вдъхновена от работата на Генри, но Морз определено беше първият, който използва реле за тази цел. За него реле беше не превключвател, а усилвател, способен да превръща слаб сигнал в силен.
От другата страна на Атлантика приблизително по същото време , лондонски фармацевт, измислил подобна идея. Той вероятно се е заинтересувал от телеграфа около 1835 година. До началото на 1837 година той редовно провеждал експерименти с полуторакилометровия контур в Риджент Парк на северозапад от Лондон.
Скоро след срещата между Кук и Уитстън през март 1837, Дейви усети конкуренция и сериозно започна да обмисля изграждането на практическа система. Той забеляза, че силата на отклонение на галваничната игла значително намалявала с увеличаване на дължината на проводника. Както е написал много години по-късно:
Тогава си помислих, че дори най-малкото движение на иглата на дебелината на косъм е достатъчно, за да доведе до контакт между две метални повърхности, замикващи новия контур, зависещ от местната батерия; и така може да се повтаря вечно.
Дейви нарече тази идея за преобразуване на слаб електрически сигнал в силен „електрически обновител“. Но не успя да реализира тази или друга идея относно телеграфа. Патент за телеграф той получи през 1838 година, независимо от Кук и Уитстън. Но през 1839 година той избяга в Австралия, спасявайки се от нещастен брак, и остави полето на действие на конкурентите. Техният телеграфен бизнес купи този патент след няколко години.
Реле в света
В историята на технологията ние обръщаме много внимание на системите, но често пренебрегваме техните компоненти. Ние водим историята на телеграфа, телефона, електрическата светлина, потапяйки техните създатели в топлите лъчи на нашето одобрение. Но тези системи успяха да се появят само благодарение на комбинацията, рекомбинацията и промените в съществуващите елементи, тихо нарастващи в сянка.
Реле – един от тези елементи. То бързо еволюира и достигна разнообразие, когато телеграфните мрежи започнаха активно да растат през 1840-те и 1850-те. През последвалото столетие то се появи в електрическите системи от различен вид. Най-ранната модификация беше използването на твърд метален якор, както на сигнала на телеграфа, за затваряне на контура. След изключване на електромагнита, якорът се отделяше от контура с помощта на пружина. Такъв механизъм беше по-надежден и издръжлив от парчета проводници или игли. Разработваха се и модели, затворени по подразбиране, в допълнение към оригиналния дизайн, отворен по подразбиране.
Типично реле от края на XIX век. Пружина T задържа якоря B от съприкосновение с контакта C. Когато електромагнит M се активира, той преодолява пружината и затваря веригата между проводника W и контакта C.
В ранните години на телеграфа релетата рядко се използвали като усилватели или „обновители“, тъй като една верига можеше да се разтегне на 150 км. Но те бяха изключително полезни за свързване на дълги слаботокови линии с местни високо напреженови линии, които можеха да се използват за захранване на други устройства, например, регистратор на Морз.
Десетки патенти в САЩ от втората половина на XIX век описват нови видове релета и тяхното ново приложение. Диференциалното реле, което разделяше намотката така, че електромагнитният ефект да се компенсира в едната посока и да се усилва в другата, позволяваше използването на дуплексна телеграфна връзка: два сигнала, преминаващи в противоположни посоки по един проводник. Томас Едисон използва поляризирано (или полярно) реле, за да създаде квадруплекс, способен да изпраща 4 сигнала едновременно по един проводник: по два в всяка посока. В поляризираното реле самият якорь беше постоянен магнит, реагиращ на посоката на тока, а не на силата му. Благодарение на постоянните магнити, релетата можеха да бъдат направени с превключващи контакти, които след превключване остават отворени или затворени.
Поляризирано реле
Релетата, освен за телеграфа, започнаха да се използват и в сигнализиращи системи на железниците. С появата на електрическите мрежи, релетата започнаха да се използват и в тези системи, особено като защитни устройства.
Но дори и тези протегнати и сложни мрежи не изискваха от релетата повече, отколкото те можеха да предоставят. Телеграфът и железницата достигнаха до всеки град, но не до всяка сграда. Те имаха десетки хиляди крайни точки, но не милиони. На електрическите системи не им пукаше къде свършват - те просто предоставяха ток на местната верига и всеки дом и предприятие можеха да вземат колкото им е нужно.
Телефонната система беше съвсем различна. Телефоните трябваше да осигурят връзка от точка до точка, от който и да е дом или офис до всеки друг, и затова им бяха нужни управляващи контури в неимоверни размери. Човешкият глас, който се предаваше по проводниците като колебания, беше богат, но слаб сигнал. Затова за дългата телефонна връзка бяха необходими усилватели с по-добро качество. Оказа се, че комутаторите могат да функционират и като такива усилватели. Сега телефонните мрежи вече повече от всяка друга система управляваха еволюцията на комутаторите.
Какво да прочетете
• Джеймс Б. Калвърт, “Електромагнитен телеграф“
• Франклин Леонард Поп, «Съвременната практика на електрическия телеграф» (1891)
Източник: habr.com
