Andre artikler i cyklen:
- Historien om relæet
- Historien om elektroniske computere
- Historien om transistoren
- Internettets historie
I fik vi at vide, hvordan den amerikanske videnskabsmand og underviser første gang rejste til Europa. Mens han besøgte London, gjorde han en særlig indsats for at besøge en person, han havde dyb respekt for, matematikeren . Sammen med Henry var hans ven, Alexander Bach, og hans nye bekendtskab, også eksperimentator inden for telegrafi, . Babbage fortalte sine gæster, at han snart ville demonstrere sin regnemaskine for et medlem af parlamentet, men med endnu større fornøjelse delte han med dem idéen om sin nye maskine, "som vil overgå mulighederne for den første". Henry nedskrev de generelle oplysninger om denne plan i sin dagbog:
Denne maskine er opdelt i to dele, hvor den ene del mister B. kalder opbevaringen, og den anden – møllen. Opbevaringen er fyldt med små skiver med tegnede tal. Periodisk trækker arme dem ud og flytter dem til møllen, hvor de nødvendige manøvrer sker. Når denne maskine er færdig, vil den kunne sammenfatte enhver formel af algebraisk natur i en tabel.
En historiker kan ikke undgå at føle en kuldegysning løbe ned ad ryggen ved sådanne tilfældige krydsninger i menneskeliv. Her krydsede to tråde i historien om beregningsmaskiner, hvoraf den ene nærmede sig sin afslutning, mens den anden netop begyndte.
Selvom Babbages maskine ofte præsenteres som begyndelsen på historien om moderne universelle computere, er forbindelsen mellem dem temmelig svag. Hans maskine (som han aldrig fik bygget) var kulminationen på drømmen om mekaniske beregninger. Denne drøm, først fremsat af Leibniz, blev inspireret af de stadig mere komplekse urværker, skabt af dygtige håndværkere siden slutningen af middelalderen. Men ingen universel computer blev bygget på ren mekanik – denne opgave er alt for kompleks.
Det elektromagnetiske relæ, som blev tænkt af Henry og andre, kan relativt nemt integreres i beregningsmæssige kredsløb, hvis kompleksitet uden det ville synes usandsynlig. Men der gik stadig årtier, før dette blev en realitet, og hverken Henry eller hans samtidige kunne forudse denne udvikling. Det blev stamfader til utallige transistorer, der har gjort den nuværende digitale verden mulig, så dybt sammenflettet med vores moderne liv. Relæet fyldte indersiden af de tidlige programmérbare computermaskiner, som havde en kort levetid, indtil de blev erstattet af deres ren elektroniske slægtninge.
Relæet blev uafhængigt opfundet flere gange i 1830'erne. Dets formål var mangfoldigt (de fem opfindere kom op med mindst tre anvendelsesformer) – ligesom eksemplerne på brug. Men det er praktisk at tænke på det som en dobbeltfunktionel enhed. Det kan bruges som en kontakt til at styre en anden elektrisk enhed (herunder, hvad der er vigtigt, et andet relæ) eller som en forstærker, der konverterer et svagt signal til et stærkt.
Kontakt
Joseph Henry forenede i én person dyb indsigt i naturfilosofi, mekanik og interesse for problemet med den mekaniske telegraf. I 1830'erne havde kun Whestone en så unik kombination af kvaliteter. I 1831 byggede han et kredsløb af 2,5 km, som kunne aktivere en klokke ved hjælp af det mest kraftfulde magnet, der fandtes. Måske, hvis han havde fortsat med at arbejde så aktivt på telegrafen og vist samme vedholdenhed som Morse, ville hans navn have været indskrevet i lærebøgerne.
Men Henry, lærer ved Akademiet i Albany og derefter på New Jersey College (nu Princeton University), byggede og forbedrede elektriske enheder i forsknings-, undervisnings- og videnskabsdemonstrationsøjemed. Han var ikke interesseret i at omdanne det pædagogiske værktøj til et system til overførsel af beskeder.
Omkring 1835 opfandt han en særlig snedig demonstration ved hjælp af to kredsløb. Husk at Henry opdagede to dimensioner af elektricitet - intensitet og mængde (vi kalder dem spænding og strømstyrke). Han skabte kredsløb med intense batterier og magneter til at overføre elektromagnetisme over lange afstande, og kredsløb med kvantitative batterier og magneter til at generere elektromagnetiske kræfter med høj effekt.
Hans nye enhed kombinerede begge egenskaber. Den kraftfulde kvantitative elektromagnet kunne løfte laster på hundrede kilo. Den intense magnet i enden af det lange kredsløb blev brugt til at løfte en lille metaltråd: en kontakt. Lukningen af det intense kredsløb fik magneten til at løfte tråden, og det åbnede kontakten og det kvantitative kredsløb. Den kvantitative elektromagnet lod derefter pludselig sin last falde med en drønende lyd.
Dette relæ – nemlig den rolle, som den intense magnet og dens tråd spillede – var nødvendigt for at demonstrere omdannelsen af elektrisk energi til mekanisk samt hvordan en lille kraft kan styre en stor. En let nedsænkning af tråden i syre for at lukke kredsløbet førte til en lille bevægelse af den lille kontakt, hvilket i sidste ende endte i en katastrofe i form af faldende metal i en mængde, der var tilstrækkelig til at knuse enhver, der var dum nok til at stå under det. For Henry var relæet et værktøj til demonstration af videnskabelige principper. Det var en elektrisk hebel.
Henry var sandsynligvis den første til at forbinde to kredsløb på denne måde – for at styre det andet ved at bruge elektromagnetismen fra det første kredsløb. Det næststørste kan, så vidt vi ved, tilskrives William Cooke og Charles Wheatstone, selvom de havde helt andre mål.
I marts 1836, kort tid efter at have besøgt en demonstration af telegrafen i Heidelberg, der anvendte en galvanisk nål til at overføre signaler, blev Cook inspireret af en musikæske. Cook mente, at brugen af nåle til at angive bogstaver i en rigtig telegraf ville kræve flere nåle, og derfor ville være behov for flere kredsløb. Cook ønskede, at en elektromagnet skulle aktivere en mekanisme, som allerede kunne være så kompleks som nødvendigt til at demonstrere det ønskede bogstav.
Han forestillede sig en maskine, der mindede om en musikæske, med en tønde omgivet af mange nåle. På den ene side af tønden skulle der være en rund skala med bogstaver. I hver ende af telegraflinjen skulle der være en sådan kasse. Den spændte fjeder skulle få tønden til at rotere, men det meste af tiden ville den være låst af en stopper. Når telegrafnøglen blev trykket, lukkede kredsløbet, hvilket aktiverede elektromagneterne, der åbnede begge låse, og begge maskiner begyndte at rotere. Når det ønskede bogstav blev vist på skalaen, blev nøglen sluppet, låsene satte sig på plads, og tønderne stoppede med at bevæge sig. Uden at vide det, havde Cook genskabt Ronals tidsmåler-model af telegrafen, som blev opfundet to årtier tidligere, og de tidlige eksperimenter med telegrafen af brødrene Shapp (de brugte blot lyd til at synkronisere skalaerne i stedet for elektricitet).
Cook indså, at en lignende mekanisme kunne hjælpe med at løse det langvarige problem med telegrafen – at underrette modtageren om en ny besked. Til dette kunne man bruge et sekundært kredsløb med en anden elektromagnet, som ville aktivere en mekanisk klokke. Lukningen af kredsløbet ville trække stoppers, og klokken ville ringe.
I marts 1837 begyndte Cook at arbejde sammen med Whiston på telegrafen, og omkring dette tidspunkt begyndte de at overveje behovet for et sekundært kredsløb. I stedet for at have en uafhængig enhed til advarselssignalet (og at føre kilometerlange ekstra ledninger), ville det ikke være lettere at bruge det primære kredsløb til at kontrollere signalet?
På det tidspunkt var Cook og Whitson vendt tilbage til det nålelignende design, og det var helt klart, at man kunne forbinde en lille ledning med en nål, så når dens ende blev tiltrukket af en elektromagnet, kunne dens hale lukke den anden kreds. Denne kreds ville aktivere signalet. Efter et bestemt interval, hvor modtageren af beskeden kunne vågne op, afbryde signalet og forberede blyant og papir, kunne nålen allerede bruges til at sende beskeden i normal tilstand.
I løbet af to år på to kontinenter, to gange, med to forskellige formål, indså mennesker, at elektromagneten kunne bruges som en kontakt, der styrede en anden kreds. Men man kunne også forestille sig en helt anden måde at interagere de to kredse på.
Forstærker
Ved efteråret 1837 var Samuel Morse overbevist om, at hans idé om den elektriske telegraf kunne fås til at fungere. Ved at bruge et intensivt batteri og Henrys magnet sendte han beskeder over en afstand af en halv kilometer. Men for at bevise for Kongressen, at det var muligt at sende beskeder via sin telegraf over hele kontinentet, havde han brug for meget mere. Det var klart, at uanset hvor kraftige batterierne var, ville kredsen på et tidspunkt blive for lang til at sende et klart signal til den anden ende. Men Morse indså, at på trods af det kraftige fald i styrke med afstand, kunne elektromagneten åbne og lukke en anden kreds, der blev drevet af sit eget batteri, som igen kunne sende signalet videre. Processen kunne gentages så mange gange som nødvendigt og dække afstande af enhver længde. Derfor blev disse mellemliggende magneter kaldt "relay" – som poststationer til at skifte heste. De modtog det elektriske budskab fra den svækkede partner og bar det videre med ny styrke.
Det er umuligt at fastslå, om denne idé blev inspireret af Henrys arbejde, men Morse var bestemt den første, der brugte relæet til dette formål. For ham var relæet ikke en kontakt, men en forstærker, der kunne omdanne et svagt signal til et stærkt.
På den anden side af Atlanterhavet omtrent på samme tid , den londonske farmaceut, kom på en lignende idé. Han blev sandsynligvis interesseret i telegrafen omkring 1835. I begyndelsen af 1837 udførte han regelmæssigt eksperimenter med en halvanden kilometers kreds i Regent’s Park nordvest for London.
Kort efter mødet mellem Cook og Whistone i marts 1837 følte Davy konkurrence og begyndte mere seriøst at overveje opbygningen af et praktisk system. Han bemærkede, at afbøjningens styrke af galvanisk nål tydeligt blev reduceret, når ledningens længde blev øget. Som han skrev mange år senere:
Så jeg tænkte, at selv den mindste bevægelse af nålen, nok til tykkelsen af et hår, ville være tilstrækkelig til at føre to metaloverflader, der afslutter den nye kreds, i kontakt, afhængig af det lokale batteri; og således kan det gentages i det uendelige.
Davy kaldte denne idé om at omdanne et svagt elektrisk signal til et stærkt for en «elektrisk opdaterer». Men han formåede ikke at realisere denne eller nogen anden idé angående telegrafen. Han fik patent på telegrafen i 1838, uafhængigt af Cook og Whistone. Men i 1839 sejlede han til Australien for at undslippe et ulykkeligt ægteskab og efterlod arbejdsfeltet til konkurrenterne. Deres telegrafselskab købte dette patent nogle år senere.
Relæet i verden
I teknologiens historie fokuserer vi meget på systemer, men ignorerer ofte deres komponenter. Vi fortæller historien om telegrafen, telefonen, elektrisk lys og bader deres skabere i de varme stråler af vores godkendelse. Men disse systemer kunne kun eksistere på grund af kombinationen, rekombinationen og ændringen af eksisterende elementer, der stille voksede i skyggen.
Relæet er et af disse elementer. Det har hurtigt udviklet sig og fået mangfoldighed, da telegrafsnetværk begyndte aktivt at vokse i 1840’erne og 1850’erne. I det følgende århundrede dukkede det op i elektriske systemer af forskellige slags. Den tidligste modificering var brugen af en hård metalanker, som på telegrafens signal, til at lukke kredsen. Efter at elektromagneten blev slukket, blev ankeret frakoblet kredsen med en fjeder. Denne mekanisme var mere pålidelig og holdbar end stykker af ledninger eller nåle. Der blev også udviklet modeller, der var normalt lukkede, ud over det oprindelige design, der var åbent som standard.
Et typisk relæ fra slutningen af det 19. århundrede. Fjederen T holder ankeret B væk fra kontakten C. Når elektromagneten M aktiveres, overvinder den fjederen og lukker kredsløbet mellem ledningen W og kontakten C.
I de tidlige år af telegrafen blev relæer sjældent brugt som forstærkere eller "opfriskere", da et enkelt kredsløb kunne strække sig over 150 km. Men de var meget nyttige til at forbinde svagstrøms lange linjer med lokale højspentlinjer, som kunne bruges til at drive andre apparater, som f.eks. en Morse-registrator.
Dutzinder af patenter i USA fra anden halvdel af det 19. århundrede beskriver nye typer relæer og deres nye anvendelser. Det differentielle relæ, som delte spolen så den elektromagnetiske effekt blev kompenseret i én retning og forstærket i en anden, gjorde det muligt at bruge duplex telegrafering: to signaler, der bevægede sig i modsatte retninger på en enkelt ledning. Thomas Edison brugte det polariserede (eller polære) relæ til at skabe en kvadruplex, der kunne sende 4 signaler samtidigt over en enkelt ledning: to i hver retning. I det polariserede relæ var selve ankeret en permanent magnet, der reagerede på strømretningen, og ikke på styrken. Takket være permanente magneter kunne relæer med skiftende kontakter laves, som efter omstilling forblev åbne eller lukkede.
Polariseret relæ
Relæer blev, foruden telegrafen, også brugt i signalanlæg til jernbaner. Med fremkomsten af elektricitetsnetværk blev relæer også anvendt i disse systemer, især som beskyttelsesudstyr.
Men selv disse udstrakte og komplekse netværk krævede ikke mere af relæerne, end de kunne tilbyde. Telegrafen og jernbanen kom ind i alle byer, men ikke i hver bygning. De havde ti tusinder af sluttpunkter, men ikke millioner. Elektricitetsnetværkene var ligeglade med, hvor de sluttede – de gav blot strøm til det lokale kredsløb, og hver husstand og virksomhed kunne tage, hvad de havde brug for.
Telefoner var en helt anden sag. Telefonerne skulle skabe forbindelse fra punkt til punkt, fra ethvert hjem og kontor til ethvert andet, og derfor krævede de kontrollinjer af hidtil uset omfang. Den menneskelige stemme, der strømmede som vibrationer gennem ledningerne, var et rigt, men svagt signal. Derfor var der brug for bedre kvalitetsforstærkere til længere telefonforbindelser. Det viste sig, at switchere også kunne fungere som forstærkere. Nu kontrollerede telefonnetværkene i højere grad end nogen anden system udviklingen af switchere.
Læseanbefalinger
• James B. Calvert, “Den elektromagnetiske telegraf“
• Franklin Leonard Pope, «Moderne praksis af den elektriske telegraf» (1891)
Kilde: habr.com
