Und hier ist endlich das Relais

Weitere Artikel der Reihe:

• Die Geschichte des Relais
  • Die Methode der „schnellen Informationsübertragung“, oder die Geburt des Relais
  • Fernschreiber
  • Galvanismus
  • Unternehmer
  • Und hier ist endlich das Relais
  • Der sprechende Telegraph
  • Einfach verbinden
  • Die vergessene Generation der Relaiscomputer
  • Die elektronische Ära
• Die Geschichte der elektronischen Computer
  • Prolog
  • Koloss
  • ENIAC
  • Die elektronische Revolution
• Die Geschichte des Transistors
  • Sich tastend in der Dunkelheit bewegen
  • Aus dem Schmelztiegel des Krieges
  • Mehrfache Neuerfindung
• Die Geschichte des Internets
  • Das Backbone-Netzwerk
  • Zerfall, Teil 1
  • Zerfall, Teil 2
  • Interaktivität entdecken
  • Interaktivität erweitern
  • ARPANET – die Geburt
  • ARPANET – Paket
  • ARPANET – Subnetz
  • Der Computer als Kommunikationsgerät
  • Die Geschichte des Internets: Inter-Netz-Interaktion

Im Im letzten Teil der Erzählung haben wir erfahren, wie der amerikanische Wissenschaftler und Dozent Joseph Henry zum ersten Mal Europa bereiste. Während seines Aufenthalts in London besuchte er absichtlich einen Mann, den er sehr respektierte, den Mathematiker Charles Babbage. Zusammen mit Henry war sein Freund Alexander Bache und ein neuer Bekannter, ebenfalls ein Experimentator im Bereich des Telegraphen, Charles Wheatstone. Babbage erzählte seinen Gästen, dass er bald einer Parlamentsmitglied seine Rechenmaschine vorführen wollte, aber mit noch größerem Vergnügen teilte er ihnen die Idee seiner neuen Maschine mit, „die die Möglichkeiten der ersten erheblich übertreffen wird“. Henry vermerkte grundlegende Informationen über diesen Plan in seinem Tagebuch:

Diese Maschine besteht aus zwei Teilen, von denen Mr. B. den einen Speicher und den anderen Mühle nennt. Der Speicher ist mit Rädchen gefüllt, auf denen Zahlen abgebildet sind. Periodisch ziehen Hebel sie heraus und bewegen sie in die Mühle, wo die erforderlichen Manipulationen stattfinden. Am Ende wird diese Maschine in der Lage sein, jede Formel algebrarischer Natur in einer Tabelle zusammenzufassen.

Ein Historiker kann nicht umhin, bei solchen zufälligen Überschneidungen in menschlichen Leben ein Schaudern zu verspüren. Hier kreuzten sich zwei Fäden der Geschichte der Rechenmaschinen, von denen einer sich seinem Ende näherte, während der andere gerade begann.

Denn obwohl Babbages Maschine oft als der Beginn der Geschichte der modernen universellen Computer dargestellt wird, ist die Verbindung zwischen ihnen recht schwach. Seine Maschine (die er nie baute) war der Höhepunkt eines Traums von mechanischen Berechnungen. Dieser Traum, erstmals von Leibniz geäußert, wurde durch immer komplexer werdende Uhrenmechanismen inspiriert, die von Handwerkern seit dem Ende des Mittelalters hergestellt wurden. Aber kein Allgemeinrechner wurde auf reiner Mechanik gebaut – diese Aufgabe ist zu komplex.

Das von Henry und anderen entworfene elektromagnetische Relais kann recht einfach in Rechenkreise integriert werden, deren Komplexität ohne es unvorstellbar erscheint. Bis zu diesem Zeitpunkt blieben jedoch noch Jahrzehnte, und solch eine Entwicklung konnten Henry und seine Zeitgenossen nicht vorhersagen. Es wurde zum Vorläufer unzähliger Transistoren, die die heutige digitale Welt ermöglichten, die so stark mit unserem modernen Leben verwoben ist. Relais füllten das Innere der ersten programmierbaren Rechenmaschinen aus, die nur kurz regierten, bis sie durch ihre rein elektronischen Verwandten ersetzt wurden.

Relais wurden in den 1830er Jahren mehrere Male unabhängig voneinander erfunden. Ihre Ziele waren vielfältig (fünf ihrer Erfinder dachten sich mindestens drei verschiedene Anwendungsmöglichkeiten aus) – ebenso wie die Beispiele für ihre Nutzung. Man denkt am besten an sie als Geräte mit doppeltem Verwendungszweck. Man kann sie als Schalter benutzen, der ein weiteres elektrisches Gerät steuert (darunter, was wichtig ist, ein anderes Relais), oder als Verstärker, der ein schwaches Signal in ein starkes verwandelt.

Schalter

Joseph Henry vereinte in einer Person tiefgehendes Wissen in Naturphilosophie, Mechanik und Interesse an der Problematik des mechanischen Telegraphen. In den 1830er Jahren war eine solche Kombination von Eigenschaften vielleicht nur bei Wheatstone zu finden. Bis 1831 hatte er einen Schaltkreis von 2,5 km Länge gebaut, der in der Lage war, eine Klingel zu aktivieren, indem er dazu den leistungsstärksten Magneten verwendete, der existierte. Vielleicht, wenn er so aktiv mit dem Telegraphen weitergearbeitet hätte und die gleiche Beharrlichkeit gezeigt hätte wie Morse, wäre sein Name in die Lehrbücher eingegangen.

Aber Henry, ein Lehrer an der Akademie in Albany und später am College von New Jersey (heute ist es die Princeton University), baute und verbesserte elektrische Geräte zu Forschungs-, Lehr- und wissenschaftlichen Demonstrationszwecken. Er war nicht daran interessiert, ein pädagogisches Instrument in ein Nachrichtensystem umzuwandeln.

Etwa im Jahr 1835 erfand er eine besonders raffinierte Demonstration mithilfe von zwei Schaltungen. Denken Sie daran, dass Henry zwei Dimensionen des elektrischen Stroms entdeckte – Intensität und Menge (wir nennen sie Spannung und Stromstärke). Er schuf Schaltungen mit intensiven Batterien und Magneten, um Elektromagnetismus über große Distanzen zu übertragen, und Schaltungen mit quantitativen Batterien und Magneten, um elektromagnetische Kräfte hoher Leistung zu erzeugen.

Sein neues Gerät vereinte beide Eigenschaften. Ein leistungsstarker quantitativer Elektromagnet konnte Lasten von mehreren hundert Kilogramm heben. Ein intensiver Magnet am Ende der langen Schaltung wurde verwendet, um einen kleinen metallischen Draht zu heben: den Schalter. Das Schließen der intensiven Schaltung ließ den Magneten den Draht heben, wodurch der Schalter und die quantitative Schaltung unterbrochen wurden. Der quantitative Elektromagnet ließ dann plötzlich seine Last mit ohrenbetäubendem Grollen fallen.

Dieses Relais – genau die Rolle, die der intensive Magnet und sein Draht spielten – war erforderlich, um die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie zu demonstrieren und zu zeigen, wie eine kleine Kraft eine große steuern kann. Eine leichte Eintauchung des Drahtes in die Säure zum Schließen des Kreises führte zu einer kleinen Bewegung des kleinen Schalters, die schließlich zu einer Katastrophe führte, bei der Metall in einer Menge fiel, die ausreichte, um jemanden zu zerdrücken, der dumm genug war, darunter zu stehen. Für Henry war das Relais ein Werkzeug zur Demonstration wissenschaftlicher Prinzipien. Es war ein elektrischer Hebel.

Henry war wahrscheinlich der erste, der auf diese Weise zwei Schaltungen verband – um, indem er den Elektromagnetismus einer Schaltung nutzte, die andere zu steuern. Der zweite Platz gehört, soweit wir wissen, William Cook und Charles Wheatstone, obwohl sie ganz andere Ziele verfolgten.

Im März 1836, kurz nach dem Besuch einer Demonstration des Telegraphen in Heidelberg, der eine galvanische Nadel zur Signalübertragung verwendete, wurde Cook von einer Spieluhr inspiriert. Cook war der Ansicht, dass die Verwendung von Nadeln, die Buchstaben darstellen in echten Telegraphen, mehrere Nadeln erfordern würde, und dass dafür mehrere Konturen benötigt werden müssten. Cook wollte jedoch, dass der Elektromagnet einen Mechanismus aktiviert, der bereits beliebig komplex sein kann, um den gewünschten Buchstaben zu demonstrieren.

Er entwarf eine Maschine, die einer Spieluhr ähnelt, mit einem Zylinder, der von vielen Stiften umgeben ist. Auf der einen Seite des Zylinders sollte sich eine kreisförmige Skala mit Buchstaben befinden. An jedem Ende der Telegraphenlinie sollte sich eine solche Box befinden. Eine aufgezogene Feder sollte den Zylinder drehen, doch die meiste Zeit würde er durch einen Stoppmechanismus fixiert sein. Beim Drücken des Telegraphenschalters wird der Kontur geschlossen, was die Elektromagnete aktiviert, die beide Schlösser öffnen, und beide Maschinen drehen sich. Wenn auf der Skala der gewünschte Buchstabe angezeigt wird, wird der Schalter losgelassen, die Schlösser setzen sich wieder an ihren Platz und stoppen die Bewegung der Zylinder. Cook, der sich dessen nicht bewusst war, rekreierte ein chronometrisches Modell des Ronald-Telegraphen, das zwei Jahrzehnte zuvor entworfen wurde, sowie die frühen Experimente der Brüder Shapp mit dem Telegraphen (die dazu Klang zur Synchronisierung der Skalen und nicht Elektrizität verwendeten).

Cook erkannte, dass ein ähnlicher Mechanismus helfen könnte, ein altes Problem des Telegraphen zu lösen – die Benachrichtigung der Empfangsseite über eine neue Nachricht. Dazu könnte ein zweiten Kontur mit einem anderen Elektromagneten verwendet werden, der eine mechanische Glocke aktivieren würde. Das Schließen des Konturs würde das Schloss ziehen und die Glocke läuten.

Im März 1837 begann Cook die gemeinsame Arbeit mit Whiston am Telegraphen, und etwa zu dieser Zeit dachten sie über die Notwendigkeit eines zweiten Konturs nach. Wäre es nicht einfacher, den Hauptkreis zur Steuerung des Signals zu verwenden, anstatt ein unabhängiges Kontur für das Benachrichtigungssignal einzurichten (und Kilometer an zusätzlichen Kabeln zu verlegen)?

Bis zu diesem Zeitpunkt waren Cook und Whitson zum nadelspitzen Design zurückgekehrt, und es war offensichtlich, dass man ein kleines Stück Draht mit der Nadel verbinden konnte, sodass, wenn ihr Ende von einem Elektromagneten angezogen wurde, ihr Schwanz einen zweiten Kreis schloss. Dieser Kreis würde das Signal aktivieren. Nach einem bestimmten Intervall, in dem der Empfänger aufwachen, das Signal ausschalten und Stift und Papier bereiten konnte, konnte die Nadel bereits im normalen Modus zur Übertragung der Nachricht verwendet werden.

Über einen Zeitraum von zwei Jahren haben auf zwei Kontinenten zweimal und mit zwei unterschiedlichen Zielen die Menschen erkannt, dass man den Elektromagneten als Schalter verwenden kann, der einen anderen Kreis steuert. Aber man konnte sich auch eine ganz andere Art der Interaktion zwischen den beiden Kreisen vorstellen.

Verstärker

Im Herbst 1837 war Samuel Morse überzeugt, dass seine Idee eines elektrischen Telegraphen funktionieren könnte. Mit einer intensiven Batterie und einem Henry-Magneten sendete er Nachrichten über eine Distanz von einem halben Kilometer. Aber um dem Kongress die Möglichkeit der Übertragung von Nachrichten über seinen Telegraphen über den gesamten Kontinent zu beweisen, benötigte er viel mehr. Es war klar, dass der Kreis unabhängig von der Leistung der Batterien irgendwann zu lang werden würde, um ein deutliches Signal an sein anderes Ende zu übertragen. Doch Morse erkannte, dass der Elektromagnet, trotz des starken Abfalls der Leistung mit der Distanz, einen anderen Kreis öffnen und schließen konnte, der von seiner eigenen Batterie gespeist wurde und wiederum das Signal weiterleiten konnte. Dieser Prozess konnte beliebig oft wiederholt werden und Distanzen beliebiger Länge abdecken. Deshalb wurden diese Zwischenmagnete als "relay" bezeichnet – wie Poststationen zum Wechseln von Pferden. Sie empfingen die elektrische Nachricht vom schwächer werdenden Partner und trugen sie mit neuer Kraft weiter.

Es ist unmöglich festzustellen, ob diese Idee von Henrys Arbeiten inspiriert wurde, aber Morse war definitiv der Erste, der Relais zu diesem Zweck verwendete. Für ihn war das Relais kein Schalter, sondern ein Verstärker, der in der Lage war, ein schwaches Signal in ein starkes umzuwandeln.

Auf der anderen Seite des Atlantiks ungefähr zu dieser Zeit Edward Davey, der Londoner Apotheker, hatte eine ähnliche Idee. Wahrscheinlich interessierte er sich um 1835 für den Telegraphen. Anfang 1837 führte er regelmäßig Experimente mit einem anderthalb Kilometer langen Kontur im Regent's Park im Nordwesten Londons durch.

Kurz nach dem Treffen von Cook und Whistler im März 1837 spürte Davy Konkurrenz und dachte ernster über den Bau eines praktischen Systems nach. Er bemerkte, dass die Ablenkungskraft der galvanischen Nadel merklich abnahm, wenn die Drahtlänge zunahm. Wie er viele Jahre später schrieb:

Damals dachte ich, dass selbst die kleinste Bewegung der Nadel um die Dicke eines Haares ausreichen würde, um zwei Metalloberflächen in Kontakt zu bringen, die einen neuen Kontur schließen, der von einer lokalen Batterie abhängt; und so könnte es ewig wiederholt werden.

Davy nannte diese Idee, ein schwaches elektrisches Signal in ein starkes umzuwandeln, „elektrischen Verstärker“. Aber es gelang ihm nicht, diese oder eine andere Idee zum Telegraphen zu verwirklichen. Das Patent für den Telegraphen erhielt er 1838, unabhängig von Cook und Whistler. Doch 1839 seilte er sich nach Australien ab, um einer unglücklichen Ehe zu entkommen, und überließ das Feld den Konkurrenten. Ihre Telegraphenfirma kaufte dieses Patent einige Jahre später.

Relais in der Welt

In der Geschichte der Technologien schenken wir den Systemen viel Aufmerksamkeit, ignorieren jedoch oft deren Komponenten. Wir erzählen die Geschichte des Telegraphen, des Telefons, des elektrischen Lichts und hüllen ihre Schöpfer in die warmen Strahlen unserer Zustimmung. Aber diese Systeme konnten nur durch Kombination, Rekombination und Veränderung existierender Elemente entstehen, die still im Schatten wuchsen.

Das Relais ist eines dieser Elemente. Es entwickelte sich schnell und erlangte Vielfalt, als die Telegraphennetzwerke in den 1840er und 1850er Jahren aktiv wuchsen. Im darauffolgenden Jahrhundert kam es in verschiedenen elektrischen Systemen zum Einsatz. Die früheste Modifikation war die Verwendung eines starren metallischen Ankers, wie beim Telegraphensignal, um den Kontur zu schließen. Nach dem Ausschalten des Elektromagneten trennte der Anker über eine Feder vom Kontur. Ein solcher Mechanismus war zuverlässiger und langlebiger als Drahtstücke oder Nadeln. Es wurden auch standardmäßig geschlossene Modelle entwickelt, zusätzlich zum ursprünglichen Design, das standardmäßig offen war.

Typisches Relais aus dem späten 19. Jahrhundert. Die Feder T hält den Anker B davon ab, mit dem Kontakt C in Kontakt zu treten. Wenn der Elektromagnet M aktiviert wird, überwindet er die Feder und schließt den Stromkreis zwischen dem Draht W und dem Kontakt C.

In den frühen Jahren des Telegraphen wurden Relais selten als Verstärker oder 'Verstärker' verwendet, da ein Stromkreis auf 150 km gedehnt werden konnte. Sie waren jedoch sehr nützlich, um schwache lange Leitungen mit lokalen Hochspannungsleitungen zu verbinden, die zum Antrieb anderer Maschinen, wie dem Morse-Registrator, verwendet werden konnten.

Zehnte von Patenten in den USA aus der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts beschreiben neue Arten von Relais und deren neue Anwendungen. Ein Differentialrelais, das die Spule so trennte, dass der elektromagnetische Effekt in eine Richtung kompensiert und in die andere verstärkt wurde, ermöglichte die Verwendung von Duplex-Telegraphie: zwei Signale, die in entgegengesetzte Richtungen über einen Draht gesendet wurden. Thomas Edison verwendete ein polarisiertes (oder polares) Relais, um ein Quadruplex zu schaffen, das in der Lage war, 4 Signale gleichzeitig über einen Draht zu senden: zwei in jede Richtung. Im polarisierten Relais war der Anker ein permanenter Magnet, der auf die Stromrichtung und nicht auf die Stärke reagierte. Durch permanente Magneten konnten Relais mit umschaltbaren Kontakten hergestellt werden, die nach dem Schalten offen oder geschlossen blieben.

Polarisiertes Relais

Relais wurden neben dem Telegraphen auch in Signalsystemen der Eisenbahnen verwendet. Mit dem Aufkommen von elektrischen Übertragungsnetzen wurden Relais auch in diesen Systemen eingesetzt, insbesondere als Schutzgeräte.

Doch selbst diese ausgedehnten und komplexen Netze verlangten von den Relais nicht mehr, als sie bereitstellen konnten. Der Telegraph und die Eisenbahn erreichten jede Stadt, jedoch nicht jedes Gebäude. Sie hatten zehntausende Endpunkte, aber keine Millionen. Die elektrischen Übertragungssysteme interessierten sich nicht dafür, wo sie endeten – sie lieferten einfach Strom an den lokalen Stromkreis, und jedes Haus und Unternehmen konnte so viel entnehmen, wie es benötigte.

Telekommunikation war eine ganz andere Sache. Telefone mussten eine Verbindung von Punkt zu Punkt herstellen, von jedem der Häuser und Büros zu jedem anderen, und benötigten daher Steuerungsschaltungen von beispiellosem Ausmaß. Die menschliche Stimme, die in Form von Schwingungen durch Drähte übertragen wurde, war ein reicher, aber schwacher Signal. Daher benötigte die weitere Telefonverbindung Verstärker von besserer Qualität. Es stellte sich heraus, dass Schalter auch als solche Verstärker fungieren können. Jetzt kontrollierten Telefonnetze mehr als jede andere System die Evolution der Schalter.

Was zu lesen ist

• James B. Calvert, „Der elektromagnetische Telegraph“
• Franklin Leonard Pope, „Moderne Praxis des elektrischen Telegraphen“ (1891)

Quelle: habr.com