Und da ist endlich das Relais

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In im vorherigen Teil der Erzählung haben wir erfahren, wie der amerikanische Wissenschaftler und Dozent Joseph Henry zum ersten Mal durch Europa reiste. Bei seinem Besuch in London machte er bewusst Halt bei einem hochgeschätzten Mathematiker, Charles Babbage. Henry wurde von seinem Freund Alexander Bach und seinem neuen Bekannten, dem ebenfalls im Bereich Telegraphie tätigen, Charles Wheatstone. Babbage erzählte seinen Gästen, dass er bald einem Mitglied des Parlaments seine Rechenmaschine präsentieren wolle. Noch begeisterter teilte er ihnen jedoch die Idee seiner neuen Maschine mit, "die die Möglichkeiten der ersten erheblich übertreffen wird". Henry notierte in seinem Tagebuch die allgemeinen Informationen zu diesem Plan:

Diese Maschine besteht aus zwei Teilen, von denen Mr. B. einen als Speicher und den anderen als Mühle bezeichnet. Der Speicher ist mit Scheiben gefüllt, auf denen Zahlen abgebildet sind. Periodisch ziehen Hebel diese heraus und bewegen sie in die Mühle, wo die erforderlichen Manipulationen stattfinden. Am Ende wird diese Maschine in der Lage sein, jede algebraische Formel in eine Tabelle zu überführen.

Ein Historiker kann das Schaudern, das durch den Rücken läuft, nicht unterdrücken, wenn er über solche zufälligen Überschneidungen im Leben von Menschen nachdenkt. Hier kreuzten sich zwei Fäden der Geschichte der Rechenmaschinen, von denen einer seinem Ende entgegenging, während der andere gerade erst begann.

Obwohl die Maschine von Babbage oft als Beginn der Geschichte moderner Universalcomputer dargestellt wird, ist die Verbindung zwischen ihnen ziemlich schwach. Seine Maschine (die er nie baute) war der Höhepunkt eines Traums von mechanischer Berechnung. Dieser Traum, erstmals von Leibniz geäußert, wurde durch immer komplexer werdende Uhrenmechanismen inspiriert, die von Handwerkern seit dem Ende des Mittelalters gefertigt wurden. Doch kein Universalcomputer wurde aus rein mechanischen Bauteilen gebaut – diese Aufgabe ist zu komplex.

Das elektromagnetische Relais, das von Henry und anderen konzipiert wurde, lässt sich relativ leicht in computergestützte Systeme integrieren, deren Komplexität ohne es unvorstellbar erscheint. Bis zu diesem Punkt lagen jedoch noch Jahrzehnte vor uns, und Henry sowie seine Zeitgenossen konnten eine solche Entwicklung nicht voraussehen. Es wurde zum Vorläufer unzähliger Transistoren, die die heutige digitale Welt ermöglichten, die so stark mit unserem modernen Leben verwoben ist. Relais füllten die Innenräume der frühen programmierbaren Rechenmaschinen, die für kurze Zeit dominierten, bevor sie durch rein elektronische Verwandte ersetzt wurden.

Relais wurden in den 1830er Jahren unabhängig voneinander mehrmals erfunden. Ihre Ziele waren vielfältig (fünf ihrer Erfinder entwickelten mindestens drei Anwendungsmöglichkeiten) – ebenso wie die Beispiele für ihren Einsatz. Es ist jedoch praktisch, sie als ein Gerät mit doppelter Funktion zu betrachten. Sie können entweder als Schalter verwendet werden, der ein weiteres elektrisches Gerät steuert (einschließlich, was wichtig ist, ein anderes Relais), oder als Verstärker, der ein schwaches Signal in ein starkes umwandelt.

Schalter

Joseph Henry vereinte umfassende Kenntnisse der Naturphilosophie und Mechanik mit einem Interesse an der Problematik des mechanischen Telegraphen. In den 1830er Jahren war eine solche Kombination von Eigenschaften wohl nur bei Wheatstone zu finden. Bis 1831 hatte er einen 2,5 km langen Kreislauf gebaut, der in der Lage war, eine Glocke zu betätigen, und zwar mit dem leistungsstärksten Magneten, der zu dieser Zeit verfügbar war. Möglicherweise, wenn er weiterhin so aktiv an dem Telegraphen gearbeitet und die gleiche Hartnäckigkeit wie Morse gezeigt hätte, wäre sein Name in die Lehrbücher eingetragen worden.

Doch Henry, ein Lehrer an der Akademie in Albany und später am College von New Jersey (heute die Princeton University), baute und verbesserte elektrische Geräte zu Forschungszwecken, zur Ausbildung und für wissenschaftliche Demonstrationen. Es interessierte ihn nicht, ein pädagogisches Werkzeug in ein Nachrichtensystem umzuwandeln.

Etwa 1835 erfand er eine besonders raffinierte Demonstration mit zwei Schaltungen. Denken Sie daran, dass Henry bei der Elektrizität zwei Dimensionen entdeckte – Intensität und Menge (wir nennen sie Spannung und Stromstärke). Er kreierte Schaltungen mit leistungsstarken Batterien und Magneten zur Übertragung von Elektromagnetismus über große Entfernungen sowie Schaltungen mit quantitativen Batterien und Magneten zur Erzeugung von elektromagnetischen Kräften großer Leistung.

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

Dieses Relais – genau das war die Rolle des intensiven Magneten und seiner Drähte – war notwendig, um die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie zu demonstrieren und aufzuzeigen, wie eine kleine Kraft eine große bewegen kann. Das kurze Eintauchen des Drahts in die Säure, um den Stromkreis zu schließen, führte zu einer kleinen Bewegung des Schalters, was schließlich in einer Katastrophe endete, bei der das Metall in einer Menge fiel, die ausreichend war, um jeden zu zerdrücken, der dumm genug war, darunter zu stehen. Für Henry war das Relais ein Demonstrationswerkzeug für wissenschaftliche Prinzipien. Es war ein elektrischer Hebel.

Henry war wahrscheinlich der erste, der auf diese Weise zwei Stromkreise verband – um, indem er den Elektromagnetismus eines Stromkreises nutzte, den anderen zu steuern. Der zweite Platz geht, soweit wir wissen, an William Cook und Charles Whitstone, obwohl sie ganz andere Ziele verfolgten.

Im März 1836, kurz nach der Teilnahme an einer Demonstration des Telegraphen in Heidelberg, der eine galvanische Nadel zur Signalübertragung verwendete, wurde Cook von einer musikalischen Spieluhr inspiriert. Cook war der Meinung, dass der Einsatz von Nadeln, die Buchstaben im richtigen Telegraphen darstellen, mehrere Nadeln erfordern würde, für die mehrere Konturen nötig wären. Er wollte jedoch, dass der Elektromagnet einen Mechanismus aktiviert, der bereits beliebig komplex in der Darstellung des gewünschten Buchstabens sein kann.

Er entwarf eine Maschine, die an eine Musikdose erinnert, mit einem Zylinder, der von vielen Stiften umgeben ist. An einer Seite des Zylinders sollte sich eine runde Skala mit Buchstaben befinden. An jedem Ende der Telegraphenlinie sollte sich eine solche Box befinden. Eine gespannte Feder sollte dafür sorgen, dass der Zylinder rotieren kann, aber die meiste Zeit wird er durch einen Stopper fixiert. Wenn der Telegraphenschlüssel gedrückt wird, wird der Kreis geschlossen, wodurch die Elektromagneten aktiviert werden, die beide Sperren öffnen, und beide Maschinen beginnen sich zu drehen. Wenn auf der Skala der gewünschte Buchstabe angezeigt wird, wird der Schlüssel losgelassen, die Sperren werden zurückgesetzt und stoppen die Bewegung der Zylinder. Kuc, ohne es zu wissen, rekonstruiert das chronometrische Modell des Telegraphen von Ronald, das vor zwei Jahrzehnten entworfen wurde, sowie die frühen Experimente der Brüder Shapp mit dem Telegraph (nur verwendeten diese zur Synchronisation der Skalen Klang und nicht Elektrizität).

Cook erkannte, dass ein ähnlicher Mechanismus helfen könnte, ein langjähriges Problem des Telegraphen zu lösen – die Benachrichtigung der empfangenden Seite über eine neue Nachricht. Dazu könnte ein zweiter Kreis mit einem anderen Elektromagneten verwendet werden, der eine mechanische Klingel aktiviert. Das Schließen des Kreises würde einen Riegel betätigen, und die Klingel würde läuten.

Im März 1837 begann Cook die Zusammenarbeit mit Whiston am Telegraphen, und etwa zu dieser Zeit dachten sie über die Notwendigkeit eines zweiten Kreises nach. Anstatt eine unabhängige Schaltung für das Alarmsignal zu schaffen (und Kilometer an überflüssigen Drähten zu verlegen), wäre es nicht einfacher, den Hauptkreis zur Signalüberwachung zu verwenden?

Bis zu diesem Zeitpunkt waren Cook und Whitson zu einem nadelähnlichen Design zurückgekehrt, und es war offensichtlich, dass man ein kurzes Stück Draht mit der Nadel verbinden konnte, sodass, wenn das Ende von einem Elektromagneten angezogen wurde, der Schwanz den zweiten Schaltkreis schloss. Dieser Schaltkreis würde das Signal aktivieren. Nach einer bestimmten Zeitspanne, in der der Empfänger des Nachrichten bereit sein konnte, das Signal auszuschalten und Papier und Stift vorzubereiten, konnte die Nadel bereits zur Übertragung der Nachricht im normalen Modus verwendet werden.

In einem Zeitraum von zwei Jahren, auf zwei Kontinenten, zweimal mit zwei unterschiedlichen Zielen, wurde erkannt, dass der Elektromagnet als Schalter zur Steuerung eines anderen Schaltkreises verwendet werden konnte. Doch es war auch eine völlig andere Art der Interaktion zwischen zwei Schaltkreisen vorstellbar.

Verstärker

Im Herbst 1837 war Samuel Morse überzeugt, dass seine Idee des elektrischen Telegraphen funktionieren könnte. Mit einer leistungsstarken Batterie und einem Henry-Magneten verschickte er Nachrichten über eine Distanz von einem halben Kilometer. Um dem Kongress die Möglichkeit der Nachrichtenübertragung über seinen Telegraphen auf dem gesamten Kontinent zu beweisen, benötigte er jedoch viel mehr. Es war offensichtlich, dass unabhängig von der Leistung der Batterien irgendwann der Kreis zu lang sein würde, um ein deutliches Signal zum anderen Ende zu übertragen. Aber Morse erkannte, dass der Elektromagnet, trotz des starken Leistungsabfalls über die Entfernung, einen anderen Kreis, der aus seiner eigenen Batterie gespeist wurde, aktivieren und deaktivieren konnte, der seinerseits das Signal weiterleiten konnte. Dieser Vorgang konnte beliebig oft wiederholt werden, um Distanzen beliebiger Länge abzudecken. Daher wurden diese Zwischenmagnete „Relay“ genannt – ähnlich wie Poststationen für Pferdewechsel. Sie empfingen die elektrische Nachricht von einem schwächer werdenden Partner und trugen sie mit neuer Kraft weiter.

Es lässt sich nicht feststellen, ob diese Idee von den Arbeiten von Henry inspiriert wurde, aber Morse war definitiv der erste, der Relais zu diesem Zweck einsetzte. Für ihn war das Relais kein Schalter, sondern ein Verstärker, der in der Lage war, ein schwaches Signal in ein starkes zu verwandeln.

Auf der anderen Seite des Atlantiks entwickelte zur gleichen Zeit Edward Davey, ein Londoner Apotheker, eine ähnliche Idee. Er interessierte sich vermutlich etwa im Jahr 1835 für den Telegraphen. Bis Anfang 1837 führte er regelmäßig Experimente mit einem anderthalb Kilometer langen Kabel in Regent's Park im Nordwesten Londons durch.

Kurz nach dem Treffen von Cook und Wheatstone im März 1837 fühlte Davey den Wettbewerb und begann ernsthaft darüber nachzudenken, ein praktisches System zu entwickeln. Er bemerkte, dass die Ablenkungskraft der galvanischen Nadel merklich abnahm, wenn die Kabellänge zunahm. Wie er viele Jahre später schrieb:

Da dachte ich, dass selbst die geringste Bewegung der Nadel um die Dicke eines Haars ausreichen würde, um zwei metallische Flächen zu kontaktieren, die einen neuen geschlossenen Kreis bilden, der von einer lokalen Batterie abhängt; und so könnte man das ewig wiederholen.

Davey nannte diese Idee, ein schwaches elektrisches Signal in ein starkes umzuwandeln, einen "elektrischen Verstärker". Aber ihm gelang es nicht, diese oder eine andere Idee bezüglich des Telegraphen zu verwirklichen. Das Patent für den Telegraphen erhielt er 1838, unabhängig von Cook und Whitstone. Im Jahr 1839 segelte er nach Australien, um sich von einer unglücklichen Ehe zu befreien, und ließ das Feld seinen Mitbewerbern.

Relais in der Welt

In der Geschichte der Technologie legen wir viel Wert auf Systeme, ignorieren jedoch oft ihre Komponenten. Wir erzählen die Geschichte des Telegraphen, des Telefons und des elektrischen Lichts und baden ihre Schöpfer in den warmen Strahlen unseres Wohlwollens. Doch diese Systeme konnten nur dank der Kombination, Rekombination und Veränderung vorhandener Elemente entstehen, die still im Schatten wuchsen.

Ein Relais ist eines dieser Elemente. Es hat sich schnell weiterentwickelt und eine Vielfalt angenommen, als die Telegraphennetze in den 1840er und 1850er Jahren stark wuchsen. Im darauf folgenden Jahrhundert fand es Anwendung in elektrischen Systemen verschiedenster Art. Die früheste Modifikation beinhaltete die Verwendung eines starren Metallankers, ähnlich dem Signal eines Telegraphen, um den Stromkreis zu schließen. Nach dem Ausschalten des Elektromagneten trennte sich der Anker durch eine Feder vom Stromkreis. Dieser Mechanismus war zuverlässiger und langlebiger als Drahtstücke oder Nadeln. Es wurden auch standardmäßig geschlossene Modelle entwickelt, zusätzlich zu dem ursprünglichen, standardmäßig offenen Design.

Ein typisches Relais aus dem späten 19. Jahrhundert. Die Feder T hält den Anker B davon ab, mit dem Kontakt C in Berührung zu kommen. 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 "Aktualisierer" eingesetzt, da ein Stromkreis auf bis zu 150 km verlängert werden konnte. Sie waren jedoch sehr nützlich, um schwachstromführende Fernleitungen mit lokalen Hochspannungsleitungen zu verbinden, die zur Versorgung anderer Geräte, wie zum Beispiel des Morse-Registrierers, verwendet werden konnten.

Zahlreiche Patente in den USA aus der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts beschreiben neue Arten von Relais und deren Einsatzmöglichkeiten. Das Differentialrelais, das die Spule so teilte, dass der elektromagnetische Effekt in eine Richtung kompensiert und in die andere Richtung verstärkt wurde, ermöglichte die Duplex-Telegrafie: zwei Signale, die in entgegengesetzte Richtungen über einen einzigen Draht gesendet werden. Thomas Edison nutzte das polarisierte Relais, um ein Quadruplex zu entwickeln, das in der Lage war, vier Signale gleichzeitig über einen Draht zu senden: zwei in jede Richtung. Im polarisierten Relais war der Anker ein permanenter Magnet, der auf die Stromrichtung ansprach, nicht auf die Stärke. Dank der permanenten Magneten konnten Relais mit schaltenden Kontakten hergestellt werden, die nach dem Umschalten geöffnet oder geschlossen blieben.

Polarisiertes Relais

Relais wurden nicht nur für Telegraphie verwendet, sondern fanden auch Anwendung in den Signalsystemen der Eisenbahnen. Mit dem Aufkommen von Stromnetzen kamen Relais auch in diesen Systemen zum Einsatz, insbesondere als Schutzvorrichtungen.

Doch selbst diese ausgedehnten und komplexen Netzwerke verlangten von den Relais nicht mehr, als sie zu leisten imstande waren. Die Telegraphie und die Eisenbahn erreichten jede Stadt, jedoch nicht jedes Gebäude. Sie verfügten über zehntausende Endpunkte, aber nicht über Millionen. Den elektrischen Übertragungssystemen war es gleichgültig, wo sie endeten – sie lieferten einfach Strom in den lokalen Schaltkreis, und jedes Haus sowie jedes Unternehmen konnten sich so viel davon nehmen, wie sie benötigten.

Die Telefonie stellte eine ganz andere Herausforderung dar. Telefone mussten eine Verbindung von Punkt zu Punkt herstellen, von jedem der Häuser und Büros zu jedem anderen, daher benötigten sie Steuerungsschaltungen von bisher ungesehenem Ausmaß. Die menschliche Stimme, die als Schwingungen über Drähte sendet, war ein reichhaltiges, aber schwaches Signal. Daher waren für die Ferntelefonverbindung Verstärker von besserer Qualität erforderlich. Es stellte sich heraus, dass Schalter auch als solche Verstärker fungieren konnten. Nun steuerten die Telefonnetze mehr als alle anderen Systeme die Evolution der Schalter.

Was Sie lesen sollten

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

Quelle: habr.com