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В Wir haben gelernt, wie ein amerikanischer Wissenschaftler und Lehrer Ich bin zum ersten Mal durch Europa gereist. Während seines Besuchs in London stattete er einem Mann, den er zutiefst schätzte, einem Mathematiker, einen besonderen Besuch ab . Zusammen mit Henry waren sein Freund Alexander Bach und sein neuer Bekannter, ebenfalls ein Experimentator auf dem Gebiet der Telegraphie, . Babbage erzählte den Gästen, dass er dem Parlamentsabgeordneten bald seine Rechenmaschine vorführen werde, doch mit noch größerer Freude teilte er ihnen die Idee seiner neuen Maschine mit, „die die Fähigkeiten der ersten bei weitem übertreffen wird“. Allgemeine Informationen zu diesem Plan hielt Henry in seinem Tagebuch fest:
Diese Maschine ist in zwei Teile geteilt, von denen Herr B. einen als Lagerhaus und den zweiten als Mühle bezeichnet. Der Stauraum ist mit Rädern gefüllt, auf denen Zahlen aufgemalt sind. In regelmäßigen Abständen ziehen Hebel sie heraus und bewegen sie in der Mühle, wo die notwendigen Manipulationen stattfinden. Nach Abschluss wird diese Maschine in der Lage sein, jede Formel algebraischer Natur tabellarisch darzustellen.
Der Historiker kann nicht anders, als zu spüren, wie ihm bei solch zufälligen Schnittpunkten im menschlichen Leben ein Schauer über den Rücken läuft. Hier kreuzten sich zwei Fäden der Geschichte der Rechenmaschinen, von denen einer seinem Ende entgegenging und der andere gerade erst begann.
Denn obwohl Babbages Maschine oft als Beginn der Geschichte moderner Universalcomputer dargestellt wird, ist die Verbindung zwischen ihnen eher schwach. Seine Maschine (die er nie baute) war der Höhepunkt des Traums vom mechanischen Rechnen. Dieser Traum, der erstmals von Leibniz geäußert wurde, wurde von den immer komplexeren Uhrmechanismen inspiriert, die seit dem Ende des Mittelalters von Handwerkern geschaffen wurden. Aber es wurde kein Allzweckcomputer auf reiner Mechanik gebaut – die Aufgabe ist zu schwierig.
Aber das von Henry und anderen konzipierte elektromagnetische Relais lässt sich ganz einfach in Rechenschaltungen implementieren, deren Komplexität ohne es unvorstellbar wäre. Allerdings war dieser Punkt noch Jahrzehnte entfernt und Heinrich und seine Zeitgenossen konnten eine solche Entwicklung nicht vorhersehen. Es wurde zum Vorfahren unzähliger Transistoren, die die heutige digitale Welt ermöglichten, die so eng mit unserem modernen Leben verknüpft ist. Relais füllten das Innere der frühen programmierbaren Computer und regierten kurzzeitig, bevor sie durch ihre rein elektronischen Verwandten ersetzt wurden.
In den 1830er Jahren wurden Relais mehrmals unabhängig voneinander erfunden. Seine Ziele waren vielfältig (fünf seiner Erfinder hatten mindestens drei Anwendungen) – ebenso wie die Anwendungsbeispiele. Es ist jedoch praktisch, es sich als ein Gerät mit doppeltem Verwendungszweck vorzustellen. Es kann als Schalter verwendet werden, der ein anderes elektrisches Gerät steuert (einschließlich, was wichtig ist, ein weiteres Relais), oder als Verstärker, der ein schwaches Signal in ein starkes umwandelt.
Wechseln
Joseph Henry vereinte in einer Person tiefe Kenntnisse der Naturphilosophie, Mechanik und Interesse am Problem des mechanischen Telegraphen. In den 1830er Jahren verfügte vielleicht nur Wheatstone über solche Qualitäten. Bis 1831 hatte er eine 2,5 km lange Rennstrecke gebaut, auf der eine Glocke mit dem stärksten jemals gebauten Magneten betrieben werden konnte. Wenn er weiterhin so aktiv am Telegraphen gearbeitet hätte und die gleiche Beharrlichkeit gezeigt hätte wie Morse, wäre sein Name vielleicht in die Lehrbücher aufgenommen worden.
Aber Henry, ein Lehrer an der Academy in Albany und später am College of New Jersey (heute Princeton University), baute und verbesserte elektrische Geräte für Forschungs-, Lehr- und wissenschaftliche Demonstrationszwecke. Es ging ihm nicht darum, ein pädagogisches Werkzeug in ein Nachrichtensystem umzuwandeln.
Um 1835 entwickelte er eine besonders geniale Demonstration mit zwei Schaltkreisen. Denken Sie daran, dass Henry zwei Dimensionen der Elektrizität entdeckt hat – Intensität und Menge (wir nennen sie Spannung und Strom). Er schuf Schaltkreise mit Hochleistungsbatterien und Magneten, um Elektromagnetismus über große Entfernungen zu übertragen, und Schaltkreise mit Quantitätsbatterien und Magneten, um elektromagnetische Kräfte mit hoher Leistung zu erzeugen.
Seine neue Einheit vereinte beide Eigenschaften. Ein leistungsstarker quantitativer Elektromagnet könnte eine Last von Hunderten Kilogramm heben. Ein starker Magnet am Ende einer langen Schleife wurde verwendet, um einen kleinen Metalldraht anzuheben: einen Schalter. Das Schließen des Intensivstromkreises führte dazu, dass der Magnet den Draht anhob, wodurch der Schalter und der Mengenstromkreis geöffnet wurden. Dann ließ der quantitative Elektromagnet plötzlich seine Last mit einem ohrenbetäubenden Krachen fallen.
Dieses Relais – und diese Rolle spielen ein starker Magnet und sein Draht – war notwendig, um die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie zu demonstrieren und um zu zeigen, wie eine kleine Kraft eine große steuern kann. Ein leichtes Eintauchen des Drahtes in die Säure, um den Stromkreis zu schließen, würde dazu führen, dass sich der kleine Schalter leicht bewegt, was zu der Katastrophe führen würde, dass so viel Metall herunterfällt, dass jeder, der dumm genug ist, darunter zu stehen, zerquetscht wird. Für Henry war das Relais ein Werkzeug zur Demonstration wissenschaftlicher Prinzipien. Es war ein elektrischer Hebel.
Henry war wahrscheinlich der Erste, der zwei Stromkreise auf diese Weise verband – so dass er mithilfe des Elektromagnetismus des einen Stromkreises den anderen kontrollierte. Der zweite Platz geht unseres Wissens an William Cook und Charles Wheatstone, obwohl sie völlig unterschiedliche Ziele hatten.
Im März 1836, kurz nachdem er in Heidelberg an einer Vorführung eines Telegraphen teilgenommen hatte, der eine galvanische Nadel zur Signalübertragung nutzte, ließ sich Cook von einer Spieluhr inspirieren. Cook glaubte, dass die Verwendung von Nadeln zur Darstellung von Buchstaben in einem echten Telegraphen mehrere Nadeln erfordern würde, und diese würden mehrere Schaltkreise erfordern. Cook wollte, dass der Elektromagnet den Mechanismus aktiviert, der bereits bei der Darstellung des gewünschten Buchstabens beliebig komplex sein konnte.
Er stellte sich eine Maschine vor, die einer Spieluhr ähnelte und deren Trommel von vielen Stiften umgeben war. Auf einer Seite des Laufs sollte sich eine kreisförmige Skala mit Buchstaben befinden. An jedem Ende der Telegrafenleitung sollte ein solcher Kasten vorhanden sein. Die gespannte Feder sollte dazu führen, dass sich der Lauf dreht, aber meistens wird er durch den Stopper arretiert. Wenn die Telegrafentaste gedrückt wird, schließt sich der Stromkreis, wodurch Elektromagnete aktiviert werden, die beide Schlösser öffnen und beide Maschinen drehen. Sobald der gewünschte Buchstabe auf der Skala angezeigt wird, wird der Schlüssel losgelassen, die Schlösser rasten ein und stoppen die Bewegung der Fässer. Cook baute unwissentlich Ronalds chronometrisches Modell des Telegraphen nach, das zwei Jahrzehnte zuvor erfunden worden war, und die frühen Experimente der Shapp-Brüder mit dem Telegraphen (nur nutzten sie Schall, keine Elektrizität, um Zifferblätter zu synchronisieren).
Cook erkannte, dass derselbe Mechanismus dazu beitragen könnte, ein seit langem bestehendes Problem des Telegrafen zu lösen – die Benachrichtigung des Empfängers über eine neue Nachricht. Dazu können Sie einen zweiten Stromkreis mit einem weiteren Elektromagneten nutzen, der eine mechanische Klingel aktivieren würde. Das Schließen des Stromkreises würde den Stopper zurückziehen und die Glocke würde läuten.
Im März 1837 begann Cook mit Wheatstone am Telegraphen zu arbeiten, und ungefähr zu dieser Zeit begannen sie über die Notwendigkeit einer zweiten Schaltung nachzudenken. Wäre es nicht einfacher, den Hauptstromkreis zur Steuerung des Signals zu verwenden, anstatt einen unabhängigen Stromkreis für das Alarmsignal zu installieren (und kilometerlange zusätzliche Kabel zu verlegen)?
Zu diesem Zeitpunkt waren Cook und Wheatstone zum Nadeldesign zurückgekehrt, und es war ziemlich offensichtlich, dass ein kleines Stück Draht mit einer Nadel verbunden werden konnte, sodass, wenn ihr Ende von einem Elektromagneten angezogen wurde, ihr Schwanz einen zweiten Stromkreis schließen würde. Diese Schaltung würde das Signal treiben. Nach einer gewissen Zeitspanne, in der der Empfänger der Nachricht Zeit hatte, aufzuwachen, das Signal auszuschalten und Bleistift und Papier bereitzuhalten, konnte die Nadel bereits wie gewohnt zur Übermittlung der Nachricht verwendet werden.
Im Laufe von zwei Jahren, auf zwei Kontinenten, zweimal und für zwei verschiedene Zwecke erkannten die Menschen, dass ein Elektromagnet als Schalter zur Steuerung eines anderen Stromkreises verwendet werden kann. Man könnte sich aber auch ein ganz anderes Zusammenspiel der beiden Schaltkreise vorstellen.
Verstärker
Im Herbst 1837 war Samuel Morse zuversichtlich, dass seine Idee für den elektrischen Telegraphen umgesetzt werden könnte. Mit Henrys starker Batterie und seinem Magneten sendete er Nachrichten über eine Distanz von einem halben Kilometer. Aber um dem Kongress zu beweisen, dass sein Telegraph Nachrichten über den ganzen Kontinent übertragen konnte, brauchte er noch viel mehr. Es war klar, dass die Schaltung irgendwann zu lang werden würde, egal wie stark die Batterien waren, um ein verständliches Signal an das andere Ende zu übertragen. Aber Morse erkannte, dass der Elektromagnet trotz des starken Leistungsabfalls mit zunehmender Entfernung einen weiteren Stromkreis öffnen und schließen konnte, der von seiner eigenen Batterie gespeist wurde, der wiederum das Signal weiter übertragen konnte. Der Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden und beliebig lange Strecken zurücklegen. Deshalb wurden diese Zwischenmagnete „Relais“ genannt – wie Poststationen für den Pferdewechsel. Sie empfingen die elektrische Botschaft ihres schwächelnden Partners und trugen sie mit neuem Elan weiter.
Es lässt sich nicht feststellen, ob diese Idee von Henrys Werk inspiriert wurde, aber Morse war sicherlich der erste, der Relais für einen solchen Zweck einsetzte. Für ihn war ein Relais kein Schalter, sondern ein Verstärker, der ein schwaches Signal in ein starkes umwandeln konnte.
Etwa zur gleichen Zeit auf der anderen Seite des Atlantiks , ein Londoner Apotheker, hatte eine ähnliche Idee. Wahrscheinlich begann er sich um 1835 für den Telegraphen zu interessieren. Anfang 1837 experimentierte er regelmäßig mit einem eineinhalb Kilometer langen Rundkurs im Regent's Park im Nordwesten Londons.
Kurz nachdem Cook und Wheatstone sich im März 1837 trafen, spürte Davy die Konkurrenz und begann, ernsthafter über den Aufbau eines praktischen Systems nachzudenken. Er bemerkte, dass die Ablenkkraft der galvanischen Nadel mit zunehmender Drahtlänge deutlich abnahm. Wie er viele Jahre später schrieb:
Dann dachte ich, dass selbst die kleinste Bewegung der Nadel, so dick wie ein Haar, ausreichen würde, um zwei Metalloberflächen in Kontakt zu bringen und so einen neuen Stromkreis zu schließen, der von der örtlichen Batterie abhängt; und das kann ewig wiederholt werden.
Davey nannte diese Idee, ein schwaches elektrisches Signal in ein starkes umzuwandeln, eine „elektrische Auffrischung“. Aber er versäumte es, diese oder irgendeine andere Idee über den Telegraphen zu verwirklichen. Er erhielt 1838 unabhängig von Cook und Wheatstone ein Patent für den Telegraphen. Doch 1839 segelte er vor einer unglücklichen Ehe nach Australien und überließ das Tätigkeitsfeld den Konkurrenten. Ihr Telegraphenunternehmen kaufte dieses Patent einige Jahre später.
Relais der Welt
In der Geschichte der Technik schenken wir Systemen viel Aufmerksamkeit, ignorieren aber oft deren Komponenten. Wir verfolgen die Geschichte des Telegraphen, des Telefons und des elektrischen Lichts und tauchen ihre Schöpfer in die warmen Strahlen unserer Zustimmung. Aber diese Systeme konnten nur durch die Kombination, Neukombination und Modifikation bestehender Elemente entstehen, die still im Schatten wuchsen.
Ein Relais ist ein solches Element. Als sich in den 1840er und 1850er Jahren Telegrafennetze zu verbreiten begannen, entwickelte es sich schnell weiter und diversifizierte sich. Im Laufe des nächsten Jahrhunderts tauchte es in elektrischen Systemen verschiedener Art auf. Die früheste Modifikation war die Verwendung eines starren Metallankers, wie bei einem Telegraphensignal, um den Stromkreis zu vervollständigen. Nach dem Abschalten des Elektromagneten wurde der Anker mittels einer Feder vom Stromkreis getrennt. Dieser Mechanismus war zuverlässiger und langlebiger als Drahtstücke oder Nadeln. Zusätzlich zum ursprünglichen, standardmäßig offenen Design wurden auch standardmäßig geschlossene Modelle entwickelt.
Ein typisches Relais aus dem späten XNUMX. Jahrhundert. Die Feder T verhindert, dass Anker B Anschluss C berührt. Wenn der Elektromagnet M aktiviert wird, überwindet er die Feder und schließt den Stromkreis zwischen Draht W und Anschluss C.
In den Anfangsjahren der Telegrafie wurden Relais selten als Verstärker oder „Erneuerer“ eingesetzt, da ein einzelner Stromkreis über 150 km ausgedehnt werden konnte. Sie waren jedoch sehr nützlich, um lange Niederstromleitungen mit lokalen Hochspannungsleitungen zu kombinieren, die zur Stromversorgung anderer Maschinen, beispielsweise eines Morseschreibers, verwendet werden konnten.
Dutzende Patente in den Vereinigten Staaten in der zweiten Hälfte des 4. Jahrhunderts beschrieben neue Relaistypen und ihre neuen Anwendungen. Ein Differentialrelais, das die Spule so teilte, dass der elektromagnetische Effekt in einer Richtung aufgehoben und in der anderen verstärkt wurde, ermöglichte die Verwendung von Duplex-Telegraphie: zwei Signale, die auf einem Draht in entgegengesetzte Richtungen übertragen wurden. Thomas Edison verwendete ein polarisiertes (oder polarisiertes) Relais, um einen Quadruplex zu schaffen, der vier Signale gleichzeitig über ein einziges Kabel senden kann: zwei in jede Richtung. Bei einem polarisierten Relais war der Anker selbst ein Permanentmagnet, der auf die Richtung des Stroms und nicht auf die Kraft reagierte. Dank Permanentmagneten war es möglich, Relais mit Schaltkontakten herzustellen, die nach dem Schalten offen oder geschlossen blieben.
Polarisiertes Relais
Zusätzlich zum Telegraphen wurden Relais in Eisenbahnsignalsystemen eingesetzt. Mit dem Aufkommen von Stromübertragungsnetzen begann man, in diesen Systemen Relais einzusetzen, insbesondere als Schutzgeräte.
Aber selbst diese ausgedehnten und komplexen Netzwerke verlangten von den Relais nicht mehr, als sie leisten konnten. Der Telegraph und die Eisenbahn erreichten jede Stadt, aber nicht jedes Gebäude. Sie hatten Zehntausende Endpunkte, aber nicht Millionen. Den Stromübertragungssystemen war es egal, wo sie endeten – sie lieferten lediglich Strom an einen örtlichen Stromkreis, und jedes Haus und jedes Unternehmen konnte so viel davon aufnehmen, wie es brauchte.
Telefonie war eine ganz andere Sache. Telefone mussten von Punkt zu Punkt, von jedem Zuhause oder Büro zu jedem anderen kommunizieren und erforderten daher Steuerkreise in beispiellosem Ausmaß. Die menschliche Stimme, die in Form von Vibrationen über die Drähte ertönte, war ein kräftiges, aber schwaches Signal. Daher waren für die Telefonkommunikation über große Entfernungen Verstärker mit besserer Qualität erforderlich. Es stellte sich heraus, dass die Schalter auch mit solchen Verstärkern funktionieren können. Jetzt kontrollierten Telefonnetze mehr als jedes andere System die Entwicklung von Schaltern.
Was zu lesen
• James B. Calvert, „The Electromagnetic Telegraph“
• Franklin Leonard Pope, „Modern Practice of the Electric Telegraph“ (1891)
Source: habr.com