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В Wir sahen, wie die erste Generation digitaler Computer auf der ersten Generation automatischer elektrischer Schalter – elektromagnetischer Relais – basierte. Doch während diese Computer gebaut wurden, wartete bereits ein weiterer digitaler Schalter im Hintergrund. Das Relais war ein elektromagnetisches Gerät (das Elektrizität zur Betätigung eines mechanischen Schalters nutzte), die neue Klasse digitaler Schalter hingegen war elektronisch – basierend auf neuen Erkenntnissen über Elektronen, die im frühen 20. Jahrhundert entstanden waren. Diese Wissenschaft zeigte, dass der Träger elektrischer Kraft nicht ein Strom, keine Welle, kein Feld – sondern ein festes Teilchen war.
Das Gerät, das die Ära der Elektronik auf der Grundlage dieser neuen Physik einläutete, wurde als Vakuumröhre bekannt. Die Geschichte ihrer Entstehung betrifft zwei Personen: einen Engländer und ein Amerikaner Tatsächlich sind die Ursprünge der Elektronik komplexer. Sie sind aus vielen Fäden gewoben, die sich durch Europa und den Atlantik ziehen und bis zu den ersten Experimenten mit Leidener Flaschen in der Mitte des 18. Jahrhunderts zurückreichen.
Für diese Geschichte ist es jedoch praktischer, mit Thomas Edison zu beginnen (Wortspiel beabsichtigt!). In den 1880er Jahren machte Edison bei seiner Arbeit an elektrischer Beleuchtung eine interessante Entdeckung – eine Entdeckung, die den Grundstein für unsere Geschichte legt. Sie führte zur Entwicklung von Vakuumröhren, die für zwei technologische Systeme benötigt wurden: eine neue Form der drahtlosen Nachrichtenübermittlung und die ständig wachsenden Telefonnetze.
Prolog: Edison
Edison wird gemeinhin die Erfindung der Glühbirne zugeschrieben. Das ist zugleich zu viel und zu wenig Anerkennung. Zu viel Anerkennung, denn Edison war nicht der einzige Erfinder der Glühbirne. Neben den vielen Erfindern vor ihm, deren Erfindungen nie kommerziell genutzt wurden, sind da die Briten Joseph Swann und Charles Stern sowie der Amerikaner William Sawyer, die zeitgleich mit Edison die Glühbirne auf den Markt brachten.Die Ehre der Erfindung gebührt auch einem russischen Erfinder . Lodygin war der erste, der auf die Idee kam, Luft aus einer Glasbirne zu pumpen, und dann schlug er vor, den Glühfaden nicht aus Kohle oder karbonisierten Fasern, sondern aus feuerfestem Wolfram herzustellen / Übersetzungshinweis.]. Alle Lampen bestanden aus einem versiegelten Glaskolben mit einem ohmschen Glühfaden im Inneren. Beim Anschluss an den Stromkreis brachte die durch den Widerstand des Glühfadens erzeugte Wärme die Lampe zum Leuchten. Die Luft wurde aus dem Kolben gepumpt, damit der Glühfaden nicht glühte. Elektrisches Licht war in Großstädten bereits in Form von , zur Beleuchtung großer öffentlicher Plätze verwendet. Alle diese Erfinder suchten nach einer Möglichkeit, die Lichtmenge zu reduzieren, indem sie dem brennenden Lichtbogen ein helles Partikel entnahmen, das klein genug war, um in Haushalten Gaslampen zu ersetzen und eine Lichtquelle sicherer, sauberer und heller zu machen.
Was Edison – oder besser gesagt sein Industrielabor – tatsächlich tat, war nicht einfach nur die Entwicklung einer Lichtquelle. Sie bauten ein komplettes elektrisches System zur Beleuchtung von Häusern – Generatoren, Stromleitungen, Transformatoren und so weiter. Die Glühbirne war dabei nur das auffälligste und sichtbarste Element. Edisons Name auf seinen Strom produzierenden Unternehmen war keine bloße Hommage an den großen Erfinder, wie es bei Bell Telephone der Fall war. Edison erwies sich nicht nur als Erfinder, sondern auch als Systemarchitekt. Sein Labor arbeitete auch nach den frühen Erfolgen weiter an der Verbesserung der verschiedenen Komponenten der elektrischen Beleuchtung.
Ein Beispiel einer frühen Edison-Glühbirne
Während seiner Forschungen irgendwann um 1883 beschloss Edison (und möglicherweise einer seiner Mitarbeiter), zusätzlich zum Glühfaden eine Metallplatte in die Glühbirne einzubauen. Die Gründe dafür sind unklar. Möglicherweise sollte damit ein Verdunkeln der Glühbirne verhindert werden – im Inneren der Glasbirne sammelte sich mit der Zeit eine mysteriöse dunkle Substanz an. Der Ingenieur hoffte offenbar, dass diese schwarzen Partikel unter Spannung von der Platte angezogen würden. Zu seiner Überraschung stellte er fest, dass, wenn die Platte zusammen mit dem positiven Ende des Glühfadens in den Stromkreis einbezogen wurde, die Strommenge, die durch den Glühfaden floss, direkt proportional zur Intensität des Glühens des Glühfadens war. Nichts dergleichen wurde beobachtet, wenn die Platte mit dem negativen Ende des Glühfadens verbunden war.
Edison entschied, dass dieser Effekt, später Edison-Effekt genannt, oder , konnte verwendet werden, um die „elektromotorische Kraft“ oder Spannung in einem elektrischen System zu messen oder sogar zu steuern. Aus Gewohnheit meldete er ein Patent auf diesen „elektrischen Indikator“ an und widmete sich dann wieder wichtigeren Aufgaben.
Ohne Kabel
20 Jahre später, im Jahr 1904, arbeitete John Ambrose Fleming in England an einem verbesserten Radioempfänger für die Marconi Company.
Es ist wichtig zu verstehen, was Radio damals war und was nicht – sowohl als Instrument als auch in der Praxis. Radio hieß damals noch nicht „Radio“, sondern „drahtlos“. Der Begriff „Radio“ setzte sich erst in den 1910er Jahren durch. Konkret bezog er sich auf die drahtlose Telegrafie, ein System zur Übertragung von Signalen in Form von Punkten und Strichen von einem Sender zu einem Empfänger. Es diente hauptsächlich der Kommunikation zwischen Schiffen und Hafendiensten und war in dieser Hinsicht für Marinebehörden weltweit von Interesse.
Einige Erfinder dieser Zeit, insbesondere experimentierte mit der Idee eines Funktelefons – der Übertragung von Sprachnachrichten über die Luft als Dauerwelle. Rundfunk im modernen Sinne entstand jedoch erst 15 Jahre später: die Übertragung von Nachrichten, Geschichten, Musik und anderen Programmen an ein breites Publikum. Bis dahin galt die Rundstrahlcharakteristik von Funksignalen als ein zu lösendes Problem, nicht als eine zu nutzende Eigenschaft.
Die damals verfügbaren Funkgeräte waren zwar gut für die Morsezeichen geeignet, für alle anderen Zwecke jedoch schlecht. Sender erzeugten Hertz-Wellen, indem sie einen Funken über eine Unterbrechung im Stromkreis schickten. Daher wurde das Signal von knisternden Geräuschen begleitet.
Empfänger würden dieses Signal über einen Kohärer empfangen: Metallspäne in einem Glasrohr, die durch Radiowellen zu einer zusammenhängenden Masse verdichtet würden, wodurch der Stromkreis geschlossen würde. Anschließend würde das Glas angeklopft, um die Späne aufzulösen und den Empfänger für das nächste Signal vorzubereiten – zunächst geschah dies manuell, doch bald wurden automatische Geräte entwickelt.
Im Jahr 1905 begannen sie gerade zu erscheinen , auch bekannt als "Katzenschnurrhaar". Es stellte sich heraus, dass durch einfaches Berühren eines Drahtes mit einem bestimmten Kristall, wie Silizium, Eisenpyrit oder war es möglich, ein Funksignal aus der Luft zu empfangen. Die daraus resultierenden Empfänger waren günstig, kompakt und für jedermann zugänglich. Sie förderten die Entwicklung des Amateurfunks, insbesondere unter jungen Leuten. Der dadurch entstandene plötzliche Anstieg der Sendezeit führte zu Problemen, da die Sendezeit auf alle Nutzer aufgeteilt wurde. Unschuldige Gespräche von Amateuren konnten sich versehentlich mit der Kommunikation der Marine überschneiden, und einigen Hooligans gelang es sogar, falsche Befehle zu erteilen und Hilfesignale zu senden. Der Staat musste unweigerlich eingreifen. Wie Ambrose Fleming selbst schrieb, führte die Einführung von Kristalldetektoren
Aufgrund der Mätzchen unzähliger Hobbyelektriker und Studenten kam es sofort zu einer Explosion verantwortungsloser Funktelegrafie, die ein entschlossenes Eingreifen nationaler und internationaler Behörden erforderte, um die Vorkommnisse in vernünftigen und sicheren Grenzen zu halten.
Die ungewöhnlichen elektrischen Eigenschaften dieser Kristalle werden schließlich zur dritten Generation digitaler Schalter führen, nach Relais und Lampen – Schaltern, die unsere Welt beherrschen. Aber alles hat seine Zeit. Wir haben die Szene beschrieben, nun wenden wir uns wieder dem Schauspieler zu, der gerade im Rampenlicht stand: Ambrose Fleming, England, 1904.
Ventil
Im Jahr 1904 war Fleming Professor für Elektrotechnik am University College London und Berater der Marconi Company. Das Unternehmen hatte ihn zunächst als Experten für den Bau eines Kraftwerks engagiert, doch dann übernahm er die Aufgabe, den Empfänger zu verbessern.
Fleming im Jahr 1890
Jeder wusste, dass der Kohärer hinsichtlich seiner Empfindlichkeit ein schwacher Empfänger war, und der bei Macroni entwickelte Magnetdetektor war nicht viel besser. Um einen Ersatz zu finden, beschloss Fleming zunächst, eine empfindliche Schaltung zum Nachweis von Hertzschen Wellen zu bauen. Ein solches Gerät, auch wenn es selbst kein Detektor ist, wäre für zukünftige Forschungen nützlich.
Dazu musste er eine Methode entwickeln, um den von den eingehenden Wellen erzeugten Strom kontinuierlich zu messen. Er brauchte dafür keinen diskreten Kohärer (der nur anzeigte, ob er eingeschaltet war, wo die Späne zusammenklebten oder ausgeschaltet). Die heute bekannten Strommessgeräte – Galvanometer – benötigten jedoch einen konstanten, also unidirektionalen Strom. Der von den Radiowellen erzeugte Wechselstrom änderte seine Richtung so schnell, dass keine Messung möglich war.
Fleming erinnerte sich an einige interessante Dinge, die in seinem Schrank verstaubten: Edison-Anzeigelampen. In den 1880er Jahren arbeitete er als Berater für die Edison Electric Light Company in London und beschäftigte sich mit dem Problem der Lampenschwärzung. Damals hatte er einige Exemplare der Anzeige erhalten, möglicherweise von William Preece, dem Chefelektroingenieur der britischen Post, der gerade von einer Elektroausstellung in Philadelphia zurückgekehrt war. Außerhalb der Vereinigten Staaten war es üblich, dass Postämter Telegraf und Telefon kontrollierten und somit Zentren elektrischer Expertise waren.
Später, in den 1890er Jahren, untersuchte Fleming selbst den Edison-Effekt mithilfe von Lampen, die er von Preece erhalten hatte. Er zeigte, dass der Effekt darin bestand, dass der Strom nur in eine Richtung floss: Negatives elektrisches Potenzial konnte vom heißen Glühfaden zur kalten Elektrode fließen, nicht aber umgekehrt. Doch erst 1904, als er mit der Aufgabe konfrontiert war, Radiowellen zu detektieren, erkannte er, dass sich diese Tatsache praktisch nutzen ließ. Der Edison-Indikator ließ nur einseitige Wechselstromimpulse den Spalt zwischen Glühfaden und Platte passieren, was zu einem konstanten, unidirektionalen Stromfluss führte.
Fleming nahm eine Lampe, schloss sie in Reihe mit einem Galvanometer an und schaltete den Funkensender ein. Voilà, der Spiegel drehte sich, und der Lichtstrahl bewegte sich auf der Skala. Es funktionierte. Er konnte das eingehende Funksignal präzise messen.
Fleming-Ventil-Prototypen. Die Anode befindet sich in der Mitte der Glühfadenschleife (heiße Kathode)
Fleming nannte seine Erfindung ein „Ventil“, weil sie den Stromfluss nur in eine Richtung zuließ. Im allgemeineren Fachjargon der Elektrotechnik war es ein Gleichrichter – eine Möglichkeit, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Später wurde sie Diode genannt, weil sie zwei Elektroden hatte – eine Glühkathode (Glühfaden), die Strom abgab, und eine kalte Anode (Platte), die ihn empfing. Fleming verbesserte das Design mehrfach, doch das Gerät unterschied sich im Wesentlichen nicht von Edisons Kontrollleuchte. Seine qualitative Weiterentwicklung war das Ergebnis eines Wandels im Denken – ein Phänomen, das wir schon oft beobachtet haben. Der Wandel fand in Flemings Gedankenwelt statt, nicht in der äußeren Dingwelt.
Die Fleming-Röhre selbst war nützlich. Sie war das beste Feldgerät zur Messung von Radiosignalen und selbst ein guter Detektor. Aber sie war kein großer Erfolg. Erst als Lee de Forest eine dritte Elektrode hinzufügte und die Röhre in ein Relais verwandelte, erlebte die Elektronik einen wahren Durchbruch.
Hören
Lee de Forest hatte eine ungewöhnliche Erziehung für einen Yale-Studenten. Sein Vater, der Reverend Henry de Forest, war ein Bürgerkriegsveteran aus New York, ein Pastor , und er glaubte fest daran, dass er als Prediger das göttliche Licht des Wissens und der Gerechtigkeit verbreiten sollte. Er folgte seinem Ruf und nahm die Einladung an, Präsident des Talladega College in Alabama zu werden. Das College war nach dem Bürgerkrieg von der American Missionary Association mit Sitz in New York City gegründet worden. Es sollte die einheimischen Schwarzen erziehen und anleiten. Dort befand sich Lee in einer Zwickmühle – die einheimischen Schwarzen demütigten ihn für seine Naivität und Feigheit, und die einheimischen Weißen – weil er .
Doch schon als junger Mann entwickelte de Forest ein starkes Selbstbewusstsein. Er entdeckte ein Talent für Mechanik und Erfindungsgabe – seine maßstabsgetreue Modelllokomotive wurde zu einem lokalen Wunder. Als Teenager, während seines Studiums in Talladega, beschloss er, sein Leben dem Erfinden zu widmen. Dann, als junger Mann in New Haven, gab der Pfarrerssohn seinen letzten Glauben auf. Er ging allmählich im Darwinismus verloren und wurde schließlich durch den frühen Tod seines Vaters hinweggefegt. Doch de Forests Schicksalsbewusstsein verließ ihn nie – er hielt sich für ein Genie und strebte danach, ein zweiter Nikola Tesla zu werden, der reiche, berühmte und geheimnisvolle Zauberer des elektrischen Zeitalters. Seine Kommilitonen in Yale hielten ihn für einen selbstgefälligen Schwätzer. Er ist vielleicht der unbeliebteste Mensch der Geschichte.
de Forest, um 1900
Nach seinem Abschluss in Yale im Jahr 1899 wählte de Forest die aufkommende Kunst der drahtlosen Signalübertragung als seinen Weg zu Reichtum und Ruhm. In den folgenden Jahrzehnten verfolgte er diese mit großer Entschlossenheit, Zuversicht und ohne zu zögern. Alles begann damit, dass de Forest mit seinem Partner Ed Smythe in Chicago zusammenarbeitete. Smythe hielt ihr Unternehmen mit regelmäßigen Zahlungen über Wasser, und gemeinsam entwickelten sie ihren eigenen Radiowellendetektor, bestehend aus zwei Metallplatten, die von einem Klebstoff, den de Forest „Goo“ nannte, zusammengehalten wurden. Doch de Forest konnte nicht lange auf die Belohnung für sein Genie warten. Er verließ Smythe und tat sich mit einem zwielichtigen New Yorker Finanzier namens Abraham White zusammen.ironischerweise änderte er seinen Geburtsnamen Schwartz, um seine dunklen Machenschaften zu verbergen. Weiß – (Englisch) weiß, Schwartz – (Deutsch) schwarz / Anmerkung zur Übersetzung] und eröffnete die De Forest Wireless Telegraph Company.
Die Aktivitäten des Unternehmens waren für unsere beiden Helden zweitrangig. White nutzte die Unwissenheit der Menschen aus, um sich die Taschen zu füllen. Er betrog Millionen von Investoren, die mit dem erwarteten Radioboom kaum Schritt halten konnten. Und de Forest konzentrierte sich, mit dem reichlichen Geld besagter „Trottel“, darauf, sein Genie unter Beweis zu stellen, indem er ein neues amerikanisches drahtloses Übertragungssystem entwickelte (im Gegensatz zu dem europäischen, das Marconi und andere entwickelt hatten).
Unglücklicherweise für das amerikanische System funktionierte de Forests Detektor nicht besonders gut. Er löste das Problem vorübergehend, indem er Reginald Fessendens patentierten Entwurf eines „Liquid Baretter“-Detektors übernahm – zwei in ein Schwefelsäurebad getauchte Platindrähte. Fessenden klagte wegen Patentverletzung – ein Verfahren, das er wahrscheinlich gewinnen würde. De Forest konnte nicht ruhen, bis er einen eigenen Detektor erfunden hatte. Im Herbst 1906 verkündete er die Erfindung eines solchen Detektors. Auf zwei getrennten Tagungen des American Institute of Electrical Engineers stellte de Forest seinen neuen drahtlosen Detektor vor, den er „Audion“ nannte. Dessen tatsächliche Herkunft ist jedoch fraglich.
Eine Zeit lang drehten sich de Forests Versuche, einen neuen Detektor zu bauen, darum, Strom durch eine Flamme zu leiten. , von dem er dachte, es könnte ein asymmetrischer Leiter sein. Die Idee war offenbar nicht erfolgreich. Irgendwann im Jahr 1905 erfuhr er von der Fleming-Ventile. De Forest kam auf die Idee, dass dieses Ventil und sein brennerbasiertes Gerät im Wesentlichen dasselbe waren – wenn man den Glühfaden durch eine Flamme ersetzte und diese mit einem Glaskolben abdeckte, um das Gas einzuschließen, hatte man dasselbe Ventil. Er entwickelte eine Reihe von Patenten, die die Geschichte der Erfindungen wiederholten, die dem Fleming-Ventil vorausgingen und Gasflammenmelder verwendeten. Offenbar wollte er die Priorität für die Erfindung in Anspruch nehmen und Flemings Patent umgehen, da die Arbeit am Bunsenbrenner vor Flemings Arbeit begonnen hatte (sie liefen seit 1900).
Es ist unmöglich zu sagen, ob es sich dabei um Selbsttäuschung oder Betrug handelte, doch das Ergebnis war ein Patent, das de Forest im August 1906 für „ein leeres Glasgefäß mit zwei getrennten Elektroden, zwischen denen ein Gasmedium aufrechterhalten wird, das bei ausreichender Erhitzung zum Leiter wird und ein Sensorelement bildet“ einreichte. Die Ausrüstung und Funktionsweise des Geräts stammen von Fleming, die Erklärung seiner Funktionsweise von de Forest. De Forest verlor schließlich den Patentstreit, auch wenn dieser zehn Jahre dauerte.
Der ungeduldige Leser fragt sich vielleicht schon, warum wir uns so lange mit diesem Mann beschäftigen, dessen selbsternanntes Genie darin bestand, die Ideen anderer als seine eigenen auszugeben? Der Grund liegt in der Transformation, die das Audion in den letzten Monaten des Jahres 1906 durchlief.
Zu diesem Zeitpunkt war de Forest arbeitslos. White und seine Partner waren der Haftung im Fessenden-Prozess entgangen, indem sie eine neue Firma, United Wireless, gründeten und ihr die Vermögenswerte von American De Forest für einen Dollar liehen. De Forest wurde mit einer Entschädigung von 1 Dollar und mehreren wertlosen Patenten, darunter dem Audion-Patent, zum Ausscheiden gezwungen. Da er sich an einen verschwenderischen Lebensstil gewöhnt hatte, steckte er in ernsthaften finanziellen Schwierigkeiten und versuchte verzweifelt, den Audion zu einem großen Erfolg zu machen.
Um zu verstehen, was als Nächstes geschah, ist es wichtig zu wissen, dass de Forest glaubte, ein Relais erfunden zu haben – im Gegensatz zu Flemings Gleichrichter. Er baute seinen Audion, indem er eine Batterie an die kalte Platte der Röhre anschloss und glaubte, das Signal im Antennenkreis (angeschlossen an den Glühfaden) moduliere einen stärkeren Strom im Batteriekreis. Er irrte sich: Es gab keine zwei Kreise; die Batterie verzerrte lediglich das Antennensignal, anstatt es zu verstärken.
Dieser Fehler war jedoch kritisch, denn er veranlasste de Forest, mit einer dritten Elektrode in der Glühbirne zu experimentieren, die die beiden Schaltkreise dieses „Relais“ noch weiter trennen sollte. Zunächst fügte er neben der ersten eine zweite kalte Elektrode hinzu, doch dann, vielleicht beeinflusst von den Kontrollmechanismen, die Physiker zur Umleitung der Strahlen in Kathodenstrahlgeräten verwenden, verlegte er die Elektrode zwischen Glühfaden und Primärplatte. Er kam zu dem Schluss, dass diese Position den Stromfluss unterbrechen könnte, und veränderte die Form der dritten Elektrode von einer Platte zu einem gewellten Draht, der einem Rost ähnelte – und nannte sie „Gitter“.
Audion-Triode von 1908. Der (gebrochene) Glühfaden links ist die Kathode, der gewellte Draht das Gitter und die abgerundete Metallplatte die Anode. Sie hat noch die Gewinde wie eine normale Glühbirne.
Und dies war bereits ein echtes Relais. Ein schwacher Strom (wie er von einer Radioantenne erzeugt wird), der an das Gitter angelegt wurde, konnte einen viel stärkeren Strom zwischen Glühfaden und Platte steuern und so geladene Teilchen abstoßen, die zwischen ihnen hindurchzudringen versuchten. Dieser Detektor funktionierte viel besser als eine Röhre, da er das Radiosignal nicht nur gleichrichtete, sondern auch verstärkte. Und wie eine Röhre (und anders als ein Kohärer) konnte er ein konstantes Signal erzeugen, was nicht nur die Entwicklung eines Funktelegrafen, sondern auch eines Funktelefons (und später auch die Übertragung von Sprache und Musik) ermöglichte.
In der Praxis funktionierte es nicht besonders gut. De Forests Audions waren empfindlich, brannten schnell durch, wiesen bei der Herstellung keine gleichbleibende Qualität auf und waren als Verstärker unwirksam. Damit ein bestimmter Audion ordnungsgemäß funktionierte, mussten die elektrischen Parameter der Schaltung angepasst werden.
Dennoch glaubte de Forest an seine Erfindung. Er gründete eine neue Firma, die De Forest Radio Telephone Company, um sie zu bewerben, doch die Umsätze waren dürftig. Sein größter Erfolg war der Verkauf von Ausrüstung für die innermarine Telefonie während der Weltumsegelung an die Marine.Da der Flottenkommandant jedoch keine Zeit hatte, de Forests Sender und Empfänger in Betrieb zu nehmen und seine Mannschaft in ihrer Bedienung zu schulen, ließ er sie einpacken und einlagern. Zudem war de Forests neue Firma, die von einem Anhänger Abraham Whites geleitet wurde, nicht vertrauenswürdiger als die vorherige. Zu all seinen Misserfolgen kam hinzu, dass er bald des Betrugs angeklagt wurde.
Fünf Jahre lang hatte Audion nichts erreicht. Wieder einmal spielte das Telefon eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung des digitalen Relais und rettete dieses Mal eine vielversprechende, aber unerprobte Technologie, die kurz vor der Versenkung stand.
Und wieder das Telefon
Das Ferngesprächsnetz war das zentrale Nervensystem von AT&T. Es verband viele lokale Unternehmen miteinander und verschaffte nach Ablauf der Patente von Bell einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil. Durch den Anschluss an das AT&T-Netz konnte ein neuer Kunde theoretisch alle anderen Teilnehmer Tausende von Kilometern entfernt anrufen – in der Realität waren Ferngespräche jedoch selten. Das Netz bildete zudem die materielle Grundlage für die übergreifende Ideologie des Unternehmens: „Eine Politik, ein System, universeller Service.“
Doch zu Beginn des zweiten Jahrzehnts des 20. Jahrhunderts hatte das Netzwerk seine physische Kapazitätsgrenze erreicht. Je weiter sich die Telefonleitungen erstreckten, desto schwächer und verrauschter wurde das Signal, das sie durchquerte, bis Sprache praktisch unhörbar wurde. Aus diesem Grund gab es in den Vereinigten Staaten tatsächlich zwei AT&T-Netze, getrennt durch das kontinentale Rückgrat.
Für das östliche Netzwerk war New York der Ankerpunkt, und mechanische Repeater und – eine Verbindung, die die Reichweite der menschlichen Stimme bestimmte. Doch diese Technologien waren nicht allmächtig. Spulen veränderten die elektrischen Eigenschaften des Telefonnetzes und verringerten die Dämpfung der Sprachfrequenzen – sie konnten sie aber nur verringern, nicht beseitigen. Mechanische Repeater (einfach ein Telefonlautsprecher, der mit einem verstärkenden Mikrofon verbunden ist) fügten mit jeder Wiederholung Rauschen hinzu. Die 1911 von New York nach Denver gespannte Verbindung erreichte ihre maximale Länge. Von einer kontinentalen Ausweitung des Netzes war keine Rede. Doch 1909 versprach John Carty, Chefingenieur von AT&T, öffentlich, genau das zu tun. Er versprach, es in fünf Jahren zu schaffen – bis in San Francisco im Jahr 1915.
Der erste, der ein solches Unterfangen mit Hilfe eines neuen Telefonverstärkers ermöglichte, war kein Amerikaner, sondern der Erbe einer wohlhabenden, wissenschaftlich interessierten Wiener Familie. Als junger Mann Mit dem Geld seiner Eltern kaufte er eine Telefonfabrik und begann, einen Verstärker für Telefongespräche zu entwickeln. Bis 1906 hatte er ein Relais mit Kathodenstrahlröhren entwickelt, die damals in physikalischen Experimenten weit verbreitet waren (und später die Grundlage für die dominierende Bildschirmtechnologie des XNUMX. Jahrhunderts bildeten). Ein schwaches Eingangssignal steuerte einen Elektromagneten, der den Strahl ablenkte und so einen stärkeren Strom im Hauptstromkreis modulierte.
Um 1910 erfuhren von Lieben und seine Kollegen Eugene Reisz und Sigmund Strauss von de Forests Audion und ersetzten den Magneten in der Röhre durch ein Gitter zur Steuerung der Kathodenstrahlen – eine Konstruktion, die effizienter und allem, was damals in den USA hergestellt wurde, überlegen war. Schon bald wurde von Liebens Verstärker in das deutsche Telefonnetz übernommen. 1914 ermöglichte er ein nervöses Telefonat des Befehlshabers der Ostpreußischen Armee mit dem 1000 Kilometer entfernten deutschen Hauptquartier im Koblenz. Dies veranlasste den Generalstabschef, die Generäle Hindenberg und Ludendorff in den Osten zu schicken – was ihm ewigen Ruhm und schlimme Folgen einbrachte. Ähnliche Verstärker verbanden später das deutsche Hauptquartier mit Feldarmeen im Süden und Osten bis nach Mazedonien und Rumänien.
Eine Kopie von Liebens verbessertem Kathodenstrahlrelais. Die Kathode befindet sich unten, die Anode ist die Spule oben und das Gitter ist die runde Metallfolie in der Mitte.
Aufgrund sprachlicher und geografischer Barrieren sowie des Krieges erreichte dieser Entwurf jedoch nie die Vereinigten Staaten und wurde bald durch andere Ereignisse überholt.
In der Zwischenzeit verließ de Forest 1911 die insolvente Radio Telephone Company und floh nach Kalifornien, wo er eine Stelle bei der Federal Telegraph Company in Palo Alto annahm, die von einem Stanford-Absolventen gegründet worden war. De Forest sollte angeblich an einem Verstärker arbeiten, der die Lautstärke des Federal Radio-Empfängers erhöhen sollte. Tatsächlich arbeiteten er, Herbert Van Ettan (ein erfahrener Telefoningenieur) und Charles Longwood (ein Empfängerdesigner) an dem Telefonverstärker, damit die drei einen angeblichen Preis von einer Million Dollar von AT&T gewinnen konnten.
Zu diesem Zweck holte de Forest ein Audion vom Dachboden, und 1912 hatten er und seine Kollegen ein Gerät fertig, das sie der Telefongesellschaft vorführen konnten. Es bestand aus mehreren in Reihe geschalteten Audions, die eine stufenweise Verstärkung erzeugten, und einigen weiteren Zusatzkomponenten. Das Gerät funktionierte im Prinzip – es konnte ein Signal so weit verstärken, dass man ein fallendes Taschentuch oder das Ticken einer Taschenuhr hören konnte. Allerdings nur bei Strömen und Spannungen, die zu niedrig waren, um für die Telefonie nutzbar zu sein. Bei steigender Stromstärke begannen die Audions blau zu leuchten, und das Signal wurde zu Rauschen. Doch die Telefongesellschaft war fasziniert genug, um das Gerät ihren Ingenieuren zu geben, damit diese sehen konnten, was sie damit anfangen konnten. Zufällig wusste einer von ihnen, ein junger Physiker namens Harold Arnold, genau, wie man den Verstärker vom Federal Telegraph reparierte.
Es ist an der Zeit, die Funktionsweise der Röhre und des Audions zu erläutern. Die entscheidende Erkenntnis zu ihrer Funktionsweise stammte aus dem Cavendish Laboratory in Cambridge, dem intellektuellen Zentrum der neuen Elektronenphysik. Dort hatte J. J. Thomson 1899 in Experimenten mit Kathodenstrahlröhren gezeigt, dass ein Teilchen mit Masse, später als Elektron bezeichnet, Strom von der Kathode zur Anode transportierte. In den folgenden Jahren entwickelte Thomsons Kollege Owen Richardson diese Erkenntnis zu einer mathematischen Theorie der thermionischen Emission.
Ambrose Fleming, ein Ingenieur, der nur eine kurze Zugfahrt von Cambridge entfernt arbeitete, war mit dieser Arbeit vertraut. Er erkannte, dass seine Röhre auf der thermionischen Emission von Elektronen aus einem erhitzten Glühfaden über einen Vakuumspalt zu einer kalten Anode funktionierte. Das Vakuum in der Kontrollleuchte war jedoch nicht tief – für eine gewöhnliche Glühbirne war es nicht notwendig. Es reichte aus, um genügend Sauerstoff herauszupumpen, damit der Glühfaden nicht zündete. Fleming erkannte, dass die Röhre für eine optimale Funktion so gründlich wie möglich entleert werden musste, damit verbleibendes Gas den Elektronenfluss nicht behinderte.
De Forest verstand es nicht. Da er durch seine Experimente mit dem Bunsenbrenner auf die Röhre und das Audion gestoßen war, glaubte er das Gegenteil – das heiße ionisierte Gas sei das Arbeitsmedium des Geräts und würde dessen vollständige Entfernung zum Funktionsausfall führen. Deshalb funktionierte das Audion als Radioempfänger so unregelmäßig und unbefriedigend und strahlte blaues Licht aus.
Arnold von AT&T war in der idealen Position, de Forests Fehler zu korrigieren. Er war Physiker und hatte bei Robert Millikan an der Universität Chicago studiert. Er war speziell dafür eingestellt worden, sein Wissen über die neue Elektronenphysik auf den Aufbau eines flächendeckenden Telefonnetzes anzuwenden. Er wusste, dass die Audion-Röhre in nahezu perfektem Vakuum am besten funktionieren würde, dass die neuesten Pumpen ein solches Vakuum erreichen konnten und dass ein neuartiger oxidbeschichteter Glühfaden zusammen mit einer größeren Platte und einem Gitter den Elektronenfluss ebenfalls erhöhen konnte. Kurz gesagt: Er hatte die Audion-Röhre in eine Vakuumröhre verwandelt, das Wundermittel des elektronischen Zeitalters.
AT&T verfügte über den leistungsstarken Verstärker, den es für den Bau einer transkontinentalen Leitung benötigte – es fehlten lediglich die Nutzungsrechte. Das Unternehmen war in den Verhandlungen mit de Forest skeptisch, konnte jedoch über einen externen Anwalt die Rechte zur Nutzung des Audion als Telefonverstärker für 50 Dollar (etwa 000 Millionen Dollar im Jahr 1,25) erwerben. Die Verbindung von New York nach San Francisco wurde gerade noch rechtzeitig eröffnet, allerdings eher als Triumph technischer Virtuosität und Unternehmenswerbung denn als Kommunikationsmittel. Die Telefonkosten waren so astronomisch, dass kaum jemand sie nutzen konnte.
elektronisches Zeitalter
Die echte Vakuumröhre entwickelte sich zur Wurzel einer ganz neuen Reihe elektronischer Bauteile. Wie das Relais erweiterte auch die Vakuumröhre ihre Anwendungsmöglichkeiten kontinuierlich, da Ingenieure neue Wege fanden, ihr Design an spezifische Aufgaben anzupassen. Der Aufstieg der -ode-Familie endete nicht mit Dioden und Trioden. Er setzte sich fort mit , das ein zusätzliches Gitter hinzufügte, das die Verstärkung unterstützte, wenn die Elemente in der Schaltung wuchsen. Dann kam , , und sogar Thyratrons erschienen, gefüllt mit Quecksilberdampf, der in einem unheimlichen Blau leuchtete. Miniaturröhren von der Größe eines kleinen Zehs oder sogar einer Eichel. Indirekt beheizte Kathodenröhren, bei denen das Summen einer Wechselstromquelle das Signal nicht störte. Das Buch „Saga of the Vacuum Tube“, das das Wachstum der Vakuumröhrenindustrie bis 1930 beschreibt, listet mehr als 1000 verschiedene Modelle mit Index auf – obwohl viele davon Raubkopien unseriöser Marken waren: Ultron, Perfectron, Supertron, Voltron usw.
Wichtiger als die Formenvielfalt war die Anwendungsvielfalt der Vakuumröhre. Regenerative Schaltungen machten die Triode zum Sender – sie erzeugten gleichmäßige, konstante Sinuswellen, frei von störenden Funken und mit perfekter Tonübertragung. Mit einem Kohärer und Funken konnte Marconi 1901 gerade mal einen kurzen Morsecode-Schnipsel über den schmalen Atlantik übertragen. 1915 gelang es AT&T, mithilfe einer Vakuumröhre als Sender und Empfänger die menschliche Stimme von Arlington, Virginia, nach Honolulu zu übertragen – über die doppelte Distanz. In den 1920er Jahren kombinierten sie Ferngespräche mit hochqualitativer Tonübertragung und schufen so die ersten Radionetze. Bald konnte die ganze Nation dieselbe Stimme im Radio hören, egal ob es Roosevelt oder Hitler war.
Die Fähigkeit, Sender mit präziser und stabiler Frequenz zu entwickeln, ermöglichte es den Telekommunikationsingenieuren zudem, den lang gehegten Traum vom Frequenzmultiplex zu verwirklichen, der Alexander Graham Bell, Edison und andere vierzig Jahre zuvor fasziniert hatte. 1923 verfügte AT&T über eine zehnkanalige Sprachleitung von New York nach Pittsburgh. Die Möglichkeit, mehrere Stimmen über eine einzige Kupferleitung zu übertragen, senkte die Kosten für Ferngespräche drastisch, die bis dahin nur für die wohlhabendsten Privatpersonen und Unternehmen unerschwinglich gewesen waren. AT&T erkannte die Leistungsfähigkeit von Vakuumröhren und beauftragte seine Anwälte, zusätzliche Rechte von de Forest zu erwerben, um sicherzustellen, dass sie den Audion in allen verfügbaren Anwendungen einsetzen konnten. Insgesamt zahlten sie ihm 390 Dollar, was heute etwa 000 Millionen Dollar entspricht.
Warum dominierten Vakuumröhren bei dieser Vielseitigkeit nicht die erste Computergeneration, so wie sie Radios und andere Telekommunikationsgeräte dominierten? Es lag auf der Hand, dass eine Triode ebenso gut als digitaler Schalter wie als Relais fungieren konnte. So offensichtlich, dass de Forest glaubte, ein Relais erfunden zu haben, bevor er tatsächlich eines erfand. Und die Triode reagierte deutlich schneller als ein herkömmliches elektromechanisches Relais, da sie den Anker nicht physisch bewegen musste. Ein typisches Relais benötigte einige Millisekunden zum Schalten, doch der Stromwechsel von der Kathode zur Anode aufgrund einer Änderung des Gitterpotentials erfolgte nahezu augenblicklich.
Röhren hatten jedoch einen entscheidenden Nachteil gegenüber Relais: Sie neigten, wie ihre Vorgänger, die Glühbirnen, zum Durchbrennen. De Forests ursprünglicher Audion hatte eine so kurze Lebensdauer – etwa 100 Stunden –, dass er einen Ersatzfaden in der Röhre hatte, der angeschlossen werden musste, sobald der erste durchbrannte. Das war schon schlimm genug, aber selbst dann konnte man nicht erwarten, dass selbst die besten Röhren länger als ein paar tausend Stunden hielten. Für Computer mit Tausenden von Röhren und stundenlangen Berechnungen war dies ein ernstes Problem.
Relais hingegen waren laut George Stibitz „fantastisch zuverlässig“. So sehr, dass er behauptete,
Hätte ein U-förmiges Relais im Jahr 3000 n. Chr. seinen Betrieb aufgenommen und einmal pro Sekunde die Kontakte gewechselt, würde es auch heute noch funktionieren. Der erste Kontaktausfall wäre erst in tausend Jahren zu erwarten, vielleicht um das Jahr XNUMX.
Darüber hinaus gab es keine Erfahrung mit großen elektronischen Schaltkreisen, die mit den elektromechanischen Schaltkreisen der Telefontechniker vergleichbar gewesen wären. Radios und andere Geräte konnten zwar fünf bis zehn Röhren enthalten, aber nicht Hunderttausende. Niemand wusste, ob ein Computer mit 5 Röhren funktionieren würde. Mit der Wahl von Relais anstelle von Röhren trafen die Computerentwickler eine sichere und konservative Wahl.
Im nächsten Teil werden wir sehen, wie und warum diese Zweifel überwunden wurden.
Source: habr.com
