Geschichte des Relais: Die elektronische Ära

Weitere Artikel der Reihe:

• Die Geschichte der Relais
  • Die Methode der 'schnellen Informationsübertragung', oder Der Ursprung des Relais
  • Fernschreiber
  • Galvanismus
  • Unternehmer
  • Und da ist endlich das Relais
  • Sprechender Telegraph
  • Einfach verbinden
  • Die vergessene Generation der Relaiscomputer
  • Elektronisches Zeitalter
• Die Geschichte der elektronischen Computer
  • Prolog
  • Koloss
  • ENIAC
  • Elektronische Revolution
• Die Geschichte des Transistors
  • Tastend im Dunkeln
  • Aus dem Schmelztiegel des Krieges
  • Wiederholte Neu-Erfindung
• Die Geschichte des Internets
  • Stützkraftnetz
  • Zersetzung, Teil 1
  • Zersetzung, Teil 2
  • Interaktivität entdecken
  • Interaktivität erweitern
  • ARPANET — der Ursprung
  • ARPANET — Paket
  • ARPANET — Subnetz
  • Der Computer als Kommunikationsgerät
  • Die Geschichte des Internets: Inter-Netzwerk-Interaktion

In das letzte Mal Wir haben gesehen, wie die erste Generation digitaler Computer auf der Basis der ersten Generation automatischer elektrischer Schalter – Elektromagnetrelais – entwickelt wurde. Doch zu dem Zeitpunkt, als diese Computer erstellt wurden, wartete bereits ein weiterer digitaler Schalter im Hintergrund auf seinen Einsatz. Das Relais war ein elektromechanisches Gerät (das Elektrizität zur Steuerung eines mechanischen Schalters nutzte), während die neue Klasse digitaler Schalter elektronisch war – basierend auf neuem Wissen über Elektronen, das zu Beginn des 20. Jahrhunderts aufkam. Diese Wissenschaft wies nach, dass der Träger elektrischer Energie nicht der Strom, die Welle oder das Feld – sondern die feste Teilchenform war.

Das Gerät, das die Ära der Elektronik einleitete, basierend auf dieser neuen Physik, wurde als „Elektronenröhre“ [in den USA als vacuum tube oder „Vakuumröhre“ bekannt] bezeichnet. An der Geschichte ihrer Entstehung sind zwei Personen beteiligt: der Engländer Ambrose Fleming und der Amerikaner Lee de Forest. Tatsächlich ist die Herkunft der Elektronik komplexer, sie webt sich aus zahlreichen Fäden, die Europa und den Atlantik überqueren und bis zu den frühen Experimenten mit Leydener Flaschen im Mittel des 18. Jahrhunderts zurückreichen.

Um jedoch die Geschichte für unsere Zwecke zu beleuchten (Wortspiel beabsichtigt!), beginnen wir mit Thomas Edison. In den 1880er Jahren machte Edison eine interessante Entdeckung, während er an elektrischer Beleuchtung arbeitete – diese Entdeckung ebnete den Weg für unsere Erzählung. Von hier aus entwickelte sich die Elektronenröhre weiter, die für zwei technologische Systeme benötigt wurde: eine neue Form der drahtlosen Nachrichtenübertragung und die ständig wachsenden Telefonnetze.

Prolog: Edison

Edison wird häufig als Erfinder der Glühbirne angesehen. Das tut ihm sowohl zu viel als auch zu wenig Ehre. Zu viel, da nicht allein Edison die Glühbirne erfunden hat. Neben einer Vielzahl von Vorgängern, deren Erfindungen nie kommerziell genutzt wurden, sind Joseph Swan und Charles Strong aus Großbritannien sowie der Amerikaner William Sawyer zu nennen, die gleichzeitig mit Edison auf den Markt kamen. [Die Ehre für die Erfindung gehört ebenfalls dem russischen Erfinder Alexander Nikolajewitsch Lodygin. Lodygin war der Erste, der die Idee hatte, die Luft aus der Glaskolbe der Lampe abzusaugen, und zudem schlug er vor, den Glühfaden nicht aus Kohle oder verkohlten Fasern, sondern aus hitzebeständigem Wolfram herzustellen. / Anm. d. Übers.]. Alle Lampen bestanden aus einer versiegelten Glaskolbe, in der sich ein resistiver Faden befand. Beim Einschalten der Lampe in den Stromkreis erzeugte die Wärme, die durch den Widerstand des Fadens an den elektrischen Strom entstand, Licht. Die Luft wurde aus der Kolbe abgezogen, damit der Faden nicht in Brand geriet. Elektrisches Licht war in großen Städten bereits in Form von Bogenlampen bekannt., die dazu verwendet wurden, große öffentliche Orte zu beleuchten. Alle diese Erfinder suchten nach einer Möglichkeit, die Lichtmenge zu reduzieren, indem sie von der brennenden Lichtbogenlampe einen hellen Teil entnahmen, der klein genug war, um ihn in Haushalten als Ersatz für Gaslampen zu nutzen, und die Lichtquelle sicherer, sauberer und heller zu machen.

Was Edison tatsächlich tat – oder genauer gesagt, was sein industrielles Laboratorium schuf – war nicht nur die Entwicklung einer Lichtquelle. Sie bauten ein ganzes elektrisches System zur Beleuchtung von Häusern – Generatoren, Kabel zur Stromübertragung, Transformatoren usw. Von all dem war die Glühbirne nur das offensichtlichste und sichtbarste Element. Edisons Name war in seinen Unternehmen, die Elektrizität erzeugten, nicht einfach eine Verneigung vor dem großen Erfinder, wie es bei Bell Telephone der Fall war. Edison zeigte sich nicht nur als Erfinder, sondern auch als Systemarchitekt. Sein Laboratorium arbeitete weiterhin an der Verbesserung verschiedener Komponenten der elektrischen Beleuchtung, selbst nach deren frühem Erfolg.

Ein Exemplar der frühen Edison-Lampe

Während seiner Forschungen beschloss Edison (oder möglicherweise einer seiner Mitarbeiter) irgendwo im Jahr 1883, in einer Glühlampe zusätzlich zu dem Faden auch eine Metallplatte zu platzieren. Die Gründe für diesen Schritt sind unklar. Möglicherweise war es ein Versuch, das Verdunkeln der Lampe zu verhindern – das Innenglas der Glühbirne sammelte im Laufe der Zeit eine mysteriöse dunkle Substanz. Der Ingenieur hoffte offenbar, dass diese schwarzen Partikel von der unter Spannung stehenden Platte angezogen würden. Zu seiner Überraschung stellte er fest, dass, als die Platte zusammen mit dem positiven Ende des Fadens in den Stromkreis aufgenommen wurde, die Stromstärke, die durch den Faden floss, direkt proportional zur Helligkeit des Fadens war. Bei der Verbindung der Platte mit dem negativen Ende des Fadens war dies jedoch nicht zu beobachten.

Edison war überzeugt, dass dieser Effekt, der später als Edisoneffekt oder thermionische Emissionbezeichnet wurde, genutzt werden könnte, um die „elektrische Energie“ oder Spannung in einem elektrischen System zu messen oder sogar zu steuern. Gewohnheitsgemäß stellte er einen Patentantrag für diesen „elektrischen Indikator“ und wandte sich dann wichtigeren Aufgaben zu.

Kabellos

Lassen Sie uns 20 Jahre in die Zukunft reisen, ins Jahr 1904. In dieser Zeit arbeitete John Ambrose Fleming in England im Auftrag der Marconi Company an der Verbesserung von Radiowellenempfängern.

Es ist wichtig zu verstehen, was Radio damals war und was nicht, sowohl aus der Perspektive des Instruments als auch aus der praktischen Sicht. Zu dieser Zeit wurde Radio noch nicht "Radio" genannt, sondern "Wireless", also drahtlos. Der Begriff "Radio" setzte sich erst in den 1910er Jahren durch. Gemeint war konkret der drahtlose Telegraph – ein System zur Übertragung von Signalen in Form von Punkten und Strichen vom Sender zum Empfänger. Die Hauptanwendung war die Kommunikation zwischen Schiffen und Hafenbehörden, und in diesem Sinne interessierten sich die maritime Behörden weltweit dafür.

Einige Erfinder dieser Zeit, insbesondere Reginald Fessenden, experimentierten mit der Idee des Funktelefons – der Übertragung von Sprachmeldungen durch die Luft in Form einer kontinuierlichen Welle. Doch die Rundfunkübertragung im modernen Sinne entstand erst 15 Jahre später: die Übermittlung von Nachrichten, Geschichten, Musik und anderen Programmen für ein breites Publikum. Zuvor wurde die Allgegenwart von Radiosignalen als Problem betrachtet, das gelöst werden musste, nicht als Eigenschaft, die man nutzen könnte.

Das damals vorhandene Radioequipment war gut für die Arbeit mit dem Morsealphabet geeignet, jedoch schlecht für alles andere. Sender erzeugten Hertz-Wellen, indem sie einen Funken durch einen Schnitt in der Schaltung sendeten. Daher war das Signal von einem Knacken der statischen Entladung begleitet.

Empfänger erkannten dieses Signal durch einen Kohärer: Metallspäne in einem Glasschläuchen, die durch die Radiowellen zu einer kontinuierlichen Masse zusammengeschoben wurden und somit den Stromkreis schlossen. Dann musste man gegen das Glas klopfen, damit sich die Späne wieder trennten und der Empfänger bereit für das nächste Signal war – zunächst geschah dies manuell, bald wurden jedoch auch automatische Vorrichtungen dafür entwickelt.

Im Jahr 1905 begannen gerade erst die kristallinen Detektoren, die auch als „Katze“ bekannt sind. Es stellte sich heraus, dass man einfach durch das Berühren eines bestimmten Kristalls, wie Silizium, Eisensulfid oder Galena, Radiosignale aus der Luft empfangen konnte. Die resultierenden Empfänger waren kostengünstig, kompakt und für jedermann zugänglich. Sie förderten die Entwicklung des Amateurfunks, besonders unter Jugendlichen. Der plötzliche Anstieg der Nutzung des Frequenzspektrums führte zu Problemen, da der Radiofrequenzbereich unter allen Nutzern aufgeteilt wurde. Harmlosen Gesprächen von Amateuren konnten versehentlich mit den Kommunikationsgesprächen der Handelsmarine zusammenstoßen, und einige Unruhestifter schafften es sogar, falsche Befehle zu erteilen und Notrufe zu senden. Der Staat musste unvermeidlich eingreifen. Wie Ambrose Fleming selbst schrieb, führte das Erscheinen kristalliner Detektoren

Das führte sofort zu einem Anstieg von verantwortungsloser Radiotelegraphie durch unzählige Amateurfunker und Schüler, was ein strenges Eingreifen nationaler und internationaler Behörden erforderte, um die Situation in angemessenen und sicheren Grenzen zu halten.

Aus den ungewöhnlichen elektrischen Eigenschaften dieser Kristalle wird eines Tages die dritte Generation digitaler Schalter hervorgehen, nach Relais und Glühbirnen – Schalter, die in unserer Welt dominieren werden. Aber alles hat seine Zeit. Wir haben die Szene beschrieben, jetzt richten wir unsere Aufmerksamkeit wieder auf den Akteur, der gerade ins Rampenlicht getreten ist: Ambrose Fleming, England, 1904.

Ventil

Im Jahr 1904 war Fleming Professor für Elektrotechnik am University College London und Berater für die Marconi Company. Zunächst stellte das Unternehmen ihn ein, um eine Expertenbewertung zum Bau eines Kraftwerks vorzunehmen, aber dann widmete er sich der Verbesserung des Empfängers.

Fleming 1890

Alle wussten, dass der Kohärer ein schlechter Empfänger in Bezug auf die Empfindlichkeit war, und der von Marconi entwickelte magnetische Detektor war nicht viel besser. Um einen Ersatz zu finden, beschloss Fleming zunächst, eine empfindliche Schaltung zur Detektion von Hertz-Wellen zu bauen. Ein solches Gerät, das selbst nicht als Detektor fungieren würde, könnte in zukünftigen Forschungsarbeiten nützlich sein.

Dafür musste er einen Weg finden, die Stärke des Stroms, der durch die ankommenden Wellen erzeugt wurde, kontinuierlich zu messen, anstatt einen diskreten Kohärer zu verwenden (der nur zwischen den Zuständen ein- und ausgeschaltet anzeigte, wo die Späne zusammenklebten oder nicht). Die bekannten Geräte zur Strommessung – Galvanometer – benötigten für ihren Betrieb jedoch Gleichstrom, also unidirektionalen Strom. Der Wechselstrom, der durch die Radiowellen angeregt wurde, änderte die Richtung so schnell, dass eine Messung unmöglich war.

Fleming erinnerte sich, dass sich in seinem Schrank einige interessante Dinge staubten – Edison-Indikatorlampen. In den 1880er Jahren war er Berater für die Edison Electric Light Company in London und arbeitete an dem Problem der Schwärzung von Lampen. Zu dieser Zeit erhielt er einige Exemplare des Indikators, möglicherweise von William Priest, dem leitenden Elektroingenieur der britischen Post, der gerade von einer elektrischen Ausstellung in Philadelphia zurückgekehrt war. Zu dieser Zeit war die Kontrolle über Telegraphen und Telefone für Postdienste außerhalb der USA selbstverständlich, weshalb sie als Zentren elektrotechnischer Expertise galten.

Später, in den 1890er Jahren, untersuchte Fleming selbst den Edison-Effekt, indem er Lampen verwendete, die er von Prise erhalten hatte. Er stellte fest, dass dieser Effekt darin bestand, dass der Strom in eine Richtung floss: Ein negativer elektrischer Potential konnte von einem heißen Draht zu einer kalten Elektrode fließen, aber nicht umgekehrt. Erst 1904, als er vor der Herausforderung stand, Radiowellen zu erkennen, erkannte er, dass er dieses Phänomen praktisch nutzen konnte. Der Edison-Indikator würde nur gerichteten Wechselstromimpulsen ermöglichen, die Lücke zwischen dem Draht und der Platte zu überwinden, was einen konstanten und einseitigen Fluss erzeugt.

Fleming nahm eine Lampe, verband sie in Reihe mit einem Galvanometer und schaltete den Funkengeber ein. Voilà – der Spiegel drehte sich und der Lichtstrahl verschob sich auf der Skala. Es funktionierte. Er konnte das eingehende Radiosignal genau messen.

Prototypen des Fleming-Ventils. Der Anode befindet sich in der Mitte der Drahtschleife (heißer Katode).

Fleming nannte seine Erfindung "Ventil", da sie elektrischen Strom nur in eine Richtung leitete. Allgemeiner ausgedrückt war es ein Gleichrichter – ein Weg, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Später wurde es Diode genannt, da es zwei Elektroden hatte – eine heiße Kathode (Faden), die Elektrizität abgab, und einen kalten Anoden (Platte), die sie empfing. Fleming fügte dem Design einige Verbesserungen hinzu, doch im Grunde unterschied sich das Gerät nicht von der Indikatorlampe, die Edison hergestellt hatte. Ihr Übergang zu einer neuen Qualität erfolgte durch eine Veränderung in der Denkweise – ein Phänomen, das wir bereits mehrfach gesehen haben. Die Veränderung fand in Flemings Kopf statt und nicht in der Welt der Dinge außerhalb.

Das Ventil von Fleming war für sich genommen nützlich. Es war das beste Feldgerät zum Messen von Funksignalen und ein recht guter Detektor an sich. Aber die Welt wurde dadurch nicht erschüttert. Der explosive Anstieg der Elektronik begann erst, als Lee de Forest eine dritte Elektrode hinzufügte und das Ventil in ein Relais verwandelte.

Anhören

Lee de Forest hatte eine ungewöhnliche Erziehung für einen Studenten aus Yale. Sein Vater, Reverend Henry de Forest, war ein Veteran des Bürgerkriegs aus New York und Pastor der Kongregationalistischen Kirche, und glaubte fest daran, dass ein Prediger das göttliche Licht des Wissens und der Gerechtigkeit verbreiten sollte. Getrieben von seinem Pflichtbewusstsein nahm er die Einladung an, Präsident des Talladega College in Alabama zu werden. Das College wurde nach dem Bürgerkrieg von der American Missionary Association mit Sitz in New York gegründet und sollte lokale schwarze Bewohner ausbilden und anleiten. Dort fühlte sich Lee zwischen Hammer und Amboss – die einheimischen Schwarzen schmähten ihn wegen seiner Naivität und Feigheit, während die weißen Einheimischen ihn dafür verachteten, dass er ein Yankee.

Trotz allem entwickelte de Forest eine feste Selbstsicherheit. Er entdeckte seine Neigung zur Mechanik und zu Erfindungen – sein großflächiges Modell einer Lokomotive wurde zur lokalen Sensation. Schon in seiner Jugend, während seines Studiums in Talladega, entschloss er sich, sein Leben den Erfindungen zu widmen. Später, als junger Mann in New Haven, legte der Sohn eines Pastors seine letzten religiösen Überzeugungen ab. Diese schwanden allmählich durch den Kontakt mit dem Darwinismus, und nach dem frühen Tod seines Vaters verschwanden sie wie der Wind. Doch das Gefühl, eine Bestimmung zu haben, verließ de Forest nicht – er betrachtete sich als Genie und strebte danach, der zweite Nikola Tesla zu werden, reich, berühmt und ein geheimnisvoller Zauberer der Elektrizitätsära. Seine Kommilitonen an der Yale-Universität hielten ihn für einen selbstgefälligen Schwätzer. Man könnte ihn als den unpopulärsten Menschen bezeichnen, der in unserer Geschichte aufgetreten ist.

de Forest, ca. 1900

Nach seinem Abschluss an der Yale University im Jahr 1899 entschied sich de Forest, das aufkommende Kunsthandwerk der drahtlosen Signalübertragung zu nutzen, um Reichtum und Ruhm zu erlangen. In den folgenden Jahrzehnten verfolgte er diesen Weg mit großer Entschlossenheit und Zuversicht, ohne zu zögern. Angefangen hat alles mit der Zusammenarbeit zwischen de Forest und seinem Partner Ed Smite in Chicago. Smite hielt ihr Unternehmen mit regelmäßigen Zahlungen am Laufen, und gemeinsam entwickelten sie einen eigenen Radiowellendetektor, der aus zwei Metallplatten bestand, die mit einem Kleber verbunden waren, den de Forest „Paste“ nannte [goo]. Doch de Forest konnte die Belohnungen für seine Genialität nicht lange abwarten. Er trennte sich von Smite und arbeitete mit einem zweifelhaften Investor aus New York namens Abraham White zusammen [ironischerweise seinen bei der Geburt erhaltenen Namen Schwarz änderte, um seine dubiosen Geschäfte zu verbergen. White – (engl.) weiß, Schwarz – (deutsch) schwarz / Anm. der Übersetzung.], und gründete die De Forest Wireless Telegraph Company.

Die Geschäftstätigkeit des Unternehmens war für beide unserer Protagonisten nebensächlich. White nutzte das Unwissen der Leute, um sich die Taschen zu füllen. Er zog Millionen von Investoren an, die verzweifelt versuchten, den erwarteten Boom im Rundfunk nicht zu verpassen. De Forest hingegen konzentrierte sich darauf, seinen Genialität unter Beweis zu stellen, indem er ein neues amerikanisches System zur drahtlosen Informationsübertragung entwickelte, im Gegensatz zu dem europäischen System, das von Marconi und anderen erfunden wurde.

Bedauerlicherweise funktionierte der De-Forest-Detektor nicht besonders gut. Um dieses Problem vorübergehend zu lösen, übernahm er das patentierte Design von Reginald Fessenden für einen Detektor, der als "flüssiger Barometer" bezeichnet wird – zwei Platinleitungen, die in eine Schwefelsäurelösung eintauchten. Fessenden reichte eine Klage wegen Patentverletzung ein – und er hätte diesen Rechtsstreit offensichtlich gewonnen. De Forest konnte sich jedoch nicht zufrieden geben, bis er einen neuen Detektor erfunden hatte, der nur ihm gehörte. Im Herbst 1906 kündigte er die Entwicklung eines solchen Detektors an. Auf zwei verschiedenen Treffen des American Institute of Electrical Engineers beschrieb De Forest seinen neuen drahtlosen Detektor, den er "Audion" nannte. Aber seine tatsächliche Herkunft wirft Zweifel auf.

Eine Zeit lang drehten sich De Forests Versuche, einen neuen Detektor zu bauen, um den Stromfluss durch eine Flamme. Bunsenbrenner, das seiner Meinung nach ein asymmetrischer Leiter sein könnte. Die Idee erzielte offensichtlich keinen Erfolg. Irgendwann im Jahr 1905 erfuhr er von dem Fleming-Ventil. De Forest war der Überzeugung, dass dieses Ventil und seine Vorrichtung, die auf einer Flamme beruhte, im Prinzip nicht anders seien - wenn man den heißen Draht durch Feuer ersetzt und ihn mit einer Glasglocke abdeckt, um das Gas zu begrenzen, würde dasselbe Ventil entstehen. Er entwickelte eine Reihe von Patenten, die die Geschichte der vorhergehenden Erfindungen des Fleming-Ventils mittels Gasflammen-Detektoren wiederholten. Offensichtlich wollte er den Vortritt bei der Erfindung beanspruchen, um das Patent von Fleming zu umgehen, da die Arbeiten mit dem Bunsenbrenner den Arbeiten Flemings vorausgingen (sie begannen im Jahr 1900).

Es lässt sich nicht definitiv sagen, ob es sich um Selbsttäuschung oder Betrug handelte, doch im Ergebnis entstand das Patent von De Forest aus August 1906 für "einen entleerten Glasbehälter, der zwei getrennte Elektroden enthält, zwischen denen sich ein Gasmedium befindet, das bei ausreichender Erwärmung leitend wird und ein empfindliches Element bildet". Die Ausrüstung und die Funktionsweise des Geräts gehören Fleming, während die Erklärung seiner Funktionsweise De Forest zusteht. De Forest verlor letztendlich den Patentstreit, auch wenn dies zehn Jahre dauerte.

Der ungeduldige Leser könnte sich bereits fragen, warum wir so viel Zeit mit diesem Mann verbringen, dessen selbsternannter Genius darin bestand, fremde Ideen als eigene auszugeben? Der Grund liegt in den Veränderungen, die das Audion in den letzten Monaten des Jahres 1906 erfahren hat.

Zu diesem Zeitpunkt hatte De Forest keine Arbeit mehr. White und seine Partner entgingen der Haftung im Zusammenhang mit der Klage von Fessenden, indem sie ein neues Unternehmen namens United Wireless gründeten und ihm die Vermögenswerte von American De Forest für 1 $ liehen. De Forest wurde mit einer Abfindung von 1.000 $ und einigen wertlosen Patenten, einschließlich des Patents für den Audion, entlassen. Gewöhnt an einen verschwenderischen Lebensstil hatte er mit ernsthaften finanziellen Schwierigkeiten zu kämpfen und versuchte verzweifelt, den Audion zu einem großen Erfolg zu machen.

Um zu verstehen, was dann geschah, ist es wichtig zu wissen, dass De Forest glaubte, ein Relais erfunden zu haben – im Gegensatz zum Gleichrichter von Fleming. Er baute seinen Audion, indem er eine Batterie an die kalte Platte des Ventils anschloss, und war der Meinung, dass das Signal in der Antennenschaltung (verbunden mit dem heißen Draht) einen stärkeren Strom in der Batteriekreis modulierte. Er irrte sich: Es waren nicht zwei Schaltungen, die Batterie verschob einfach das Signal von der Antenne, anstatt es zu verstärken.

Dieser Fehler wurde jedoch entscheidend, da er De Forest zu Experimenten mit einer dritten Elektrode in der Glühlampe führte, die die beiden Schaltungen dieses 'Relais' weiter trennen sollte. Zunächst fügte er eine zweite kalte Elektrode neben der ersten hinzu, doch dann, möglicherweise beeinflusst von den Steuermechanismen, die Physiker für die Umleitung von Strahlen in Elektronenstrahlgeräten verwenden, bewegte er die Elektrode an die Position zwischen dem Draht und der Primärplatte. Er entschied, dass diese Anordnung den Stromfluss unterbrechen könnte, und veränderte die Form der dritten Elektrode von einer Platte zu einem gewellten Draht, der einem Raspel ähnelt, und nannte sie 'Gitter'.

Triode Audion von 1908. Der Draht (gerissen) auf der linken Seite – Kathode, der gewellte Draht – Gitter, die abgerundete Metallplatte – Anode. Sie hat immer noch ein Gewinde wie eine gewöhnliche Glühbirne.

Und das war wirklich ein Relais. Ein schwacher Strom (wie er von einer Radioantenne erzeugt wird), der auf das Gitter geleitet wird, konnte einen viel stärkeren Strom zwischen dem Draht und der Platte steuern, indem er geladene Teilchen abstoßend hielt, die versuchten, zwischen ihnen zu gelangen. Dieser Detektor funktionierte viel besser als eine Diode, da er nicht nur gleichrichtete, sondern auch das Radiosignal verstärkte. Und ähnlich wie die Diode (und im Gegensatz zum Kohärenzgerät) konnte er ein kontinuierliches Signal ausgeben, was die Entwicklung nicht nur von Funktelegrafen, sondern auch von Funktelefonen (und später die Übertragung von Stimme und Musik) ermöglichte.

In der Praxis funktionierte er nicht besonders gut. Die Audions von de Forest waren wählerisch, brannten schnell durch, und ihre Herstellung war inkonsistent, was sie als Verstärker ineffektiv machte. Damit ein bestimmter Audion korrekt arbeiten konnte, mussten die elektrischen Parameter der Schaltung angepasst werden.

Dennoch glaubte de Forest an seine Erfindung. Zur Werbung organisierte er ein neues Unternehmen, die De Forest Radio Telephone Company, doch die Verkäufe blieben bescheiden. Der größte Erfolg war der Verkauf von Geräten an die Marine für die interne Schiffskommunikation während der Weltumsegelung des „großen weißen Flotte“. Der Flottenkommandant hatte jedoch nicht die Zeit, um die Sender und Empfänger von de Forest zu betreiben und die Crew in deren Nutzung zu schulen, und befahl, sie einzupacken und im Lager zu verstauen. Darüber hinaus war das neue Unternehmen von de Forest, geleitet von einem Anhänger von Abraham White, nicht besser als das vorherige. Neben seinen Misserfolgen wurde er bald auch wegen Betrugs angeklagt.

In fünf Jahren erreichte Audion nichts. Und wieder wird das Telefon eine Schlüsselrolle in der Entwicklung des digitalen Relais spielen, diesmal eine vielversprechende, aber unbewiesene Technologie retten, die am Rande des Vergessens stand.

Und wieder das Telefon

Das Fernnetzwerk war das zentrale Nervensystem von AT&T. Es verband zahlreiche lokale Unternehmen und bot einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil nach Ablauf der Patente von Bell. Wenn ein neuer Kunde dem Netzwerk von AT&T beitrat, konnte er theoretisch alle anderen Teilnehmer erreichen, die Tausende von Kilometern entfernt waren – obwohl Fernanrufe tatsächlich selten getätigt wurden. Das Netzwerk war außerdem die materielle Grundlage für die umfassende Ideologie des Unternehmens: "Eine Politik, ein System, ein universeller Service."

Doch mit dem Beginn des zweiten Jahrzehnts des zwanzigsten Jahrhunderts erreichte dieses Netzwerk seine physische Maximalkapazität. Je weiter die Telefonleitungen gespannt wurden, desto schwächer und rauschiger wurde das Signal, das sie übertrugen, und schließlich wurde die Sprache praktisch unverständlich. Aus diesem Grund gab es in den USA tatsächlich zwei Netzwerke von AT&T, getrennt durch den kontinentalen Kamm.

Für das östliche Netzwerk war New York der zentrale Knotenpunkt, während mechanische Repeater und Pupin-Spulen – durch eine Bindung, die bestimmte, wie weit die menschliche Stimme reichen konnte. Doch diese Technologien waren nicht allmächtig. Spulen veränderten die elektrischen Eigenschaften der Telefonleitung, indem sie die Dämpfung der Sprachfrequenzen verringerten – sie konnten sie jedoch nur mindern, nicht beseitigen. Mechanische Repeater (einfach ein Telefonspeaker, der mit einem verstärkenden Mikrofon verbunden ist) fügten mit jedem Wiederholen Rauschen hinzu. Die Linie von 1911 von New York nach Denver brachte diese Bindung auf ihre maximale Länge. Eine Ausdehnung des Netzes über den gesamten Kontinent war jedoch keine Option. Im Jahr 1909 versprach der Hauptingenieur von AT&T, John Carty, öffentlich, genau das zu tun. Er versprach, dies innerhalb von fünf Jahren zu erreichen – bis zur Eröffnung der Panama-Pacific International Exposition in San Francisco im Jahr 1915.

Der erste, der ein solches Unternehmen mit einem neuen Telefonverstärker ermöglichen konnte, war nicht ein Amerikaner, sondern ein Erbe einer wohlhabenden Wiener Familie, der sich für Wissenschaft interessierte. Als junger Mann, Robert von Lieben Er erwarb mit den Mitteln seiner Eltern ein Unternehmen zur Telefonproduktion und hatte die Absicht, einen Verstärker für Telefongespräche zu entwickeln. Bis 1906 hatte er ein Relais auf Basis von Elektronenstrahlröhren hergestellt, die zu dieser Zeit bereits in physikalischen Experimenten weit verbreitet waren (und später die Grundlage der im 20. Jahrhundert dominierenden Bildschirmtechnologie bildeten). Ein schwaches Eingangssignal steuerte ein Elektromagnet, der den Strahl ablenkte und einen stärkeren Strom in der Hauptschaltung modulierte.

Im Jahr 1910 erfuhren von Lieben und seine Kollegen, Eugene Reiss und Sigmund Strauss, von Audion de Forest und ersetzten den Magneten in der Röhre durch ein Gitter, das den Kathodenstrahlen kontrollierte – dieses Design war das effektivste und übertraf alle zu diesem Zeitpunkt in den USA entwickelten. Das deutsche Telefonnetz nahm bald den Verstärker von von Lieben in Betrieb. Dank ihm konnte 1914 ein nervöser Telefonanruf des Kommandanten der Ostpreußischen Armee an den deutschen Hauptstab, der sich 1000 Kilometer entfernt in Koblenz befand, stattfinden. Dies veranlasste den Stabschef, die Generäle Hindenburg und Ludendorff nach Osten zu entsenden, zur ewigen Ruhmes und schweren Konsequenzen. Später verbanden ähnliche Verstärker den deutschen Hauptstab mit den Feldarmeen im Süden und Osten bis nach Makedonien und Rumänien.

Kopie des verbesserten Kathodenstrahlrelais von von Lieben. Der Kathode befindet sich unten, die Anode ist die Spule oben, und das Gitter ist eine runde Metallfolie in der Mitte.

Allerdings führten Sprach- und geografische Barrieren sowie der Krieg dazu, dass dieses Design nicht in die USA gelangte, und bald wurden es durch andere Ereignisse überholt.

Zur gleichen Zeit verließ de Forest 1911 die in Schwierigkeiten geratene Radio Telephone Company und floh nach Kalifornien. Dort fand er eine Anstellung bei der Federal Telegraph Company in Palo Alto, die von einem Stanford-Absolventen gegründet wurde. Cyril Elwell. Nominell sollte de Forest an einem Verstärker arbeiten, der die Lautstärke des Ausgangssignals des Bundesradios erhöht. In Wirklichkeit arbeiteten er, Herbert Van Etten (ein erfahrener Telefoningenieur) und Charles Logwood (ein Empfängerentwickler) an der Entwicklung eines Telefonverstärkers, um gemeinsam einen Preis von AT&T zu gewinnen, der angeblich 1 Million Dollar betrug.

Dafür holte De Forest 1912 den Audion aus dem Speicher, und zusammen mit seinen Kollegen hatten sie bereits ein Gerät, das bereit zur Demonstration bei der Telefonfirma war. Es bestand aus mehreren hintereinander geschalteten Audions, die die Verstärkung in mehreren Stufen erzeugten, sowie weiteren unterstützenden Komponenten. Das Gerät funktionierte grundsätzlich – es konnte das Signal so weit verstärken, dass Sie hörten, wie ein Taschentuch fiel oder wie die Taschenuhr tickte. Aber nur bei Strömen und Spannungen, die zu gering waren, um in der Telefonie nützlich zu sein. Bei höherem Strom begannen die Audions, ein blaues Licht auszusenden, und das Signal verwandelte sich in Rauschen. Doch die Telefontechniker waren genug interessiert, um das Gerät ihren Ingenieuren zu übergeben und zu sehen, was sie damit anstellen könnten. So kam es, dass einer von ihnen, der junge Physiker Harold Arnold, ganz genau wusste, wie man den Verstärker der Federal Telegraph reparieren konnte.

Es ist an der Zeit, darüber zu sprechen, wie das Ventil und Audion funktionierten. Das Schlüsselverständnis, das erforderlich war, um ihre Funktionsweise zu erklären, entstand im Cavendish-Labor in Cambridge – einem intellektuellen Zentrum der neuen elektronischen Physik. Im Jahr 1899 zeigte J.J. Thomson in Experimenten mit Kathodenstrahlröhren, dass ein Teilchen mit Masse, das später als Elektron bekannt wurde, Strom von der Kathode zur Anode transportiert. In den folgenden Jahren entwickelte Owen Richardson, ein Kollege von Thomson, diese Annahme zu einer mathematischen Theorie der thermionischen Emission weiter.

Ambrose Fleming, ein Ingenieur, der nur eine kurze Zugfahrt von Cambridge entfernt arbeitete, kannte diese Arbeiten gut. Ihm war klar, dass sein Ventil durch die thermoelektronische Emission von Elektronen von einem heißen Draht funktionierte, die durch den Vakuumspalt zu einer kalten Anode gelangten. Doch das Vakuum in der Glühlampe war nicht tief – für eine gewöhnliche Lampe war das nicht notwendig. Es genügte, genügend Sauerstoff zu entfernen, damit der Draht nicht Zündete. Fleming erkannte, dass für die optimale Funktion des Ventils eine gründliche Evakuierung notwendig war, damit das verbleibende Gas den Elektronenfluss nicht störte.

De Forest erkannte dies nicht. Da er zum Ventil und zum Audion durch Experimente mit einer Bunsenbrenner kam, war seine Überzeugung entgegengesetzt – dass das heiße, ionisierte Gas das Arbeitsmedium des Geräts war und eine vollständige Entfernung zu einem Stillstand führen würde. Deshalb arbeitete das Audion so instabil und unbefriedigend als Radioempfänger und strahlte daher bläuliches Licht aus.

Arnold bei AT&T befand sich in einer idealen Position, um das Missverständnis von De Forest zu beheben. Er war Physiker, hatte bei Robert Millikan an der Universität von Chicago studiert und wurde speziell eingestellt, um sein Wissen über die neue Elektronik zur Entwicklung eines landesweiten Telefonnetzes einzusetzen. Er wusste, dass die Audionlampe am besten in nahezu perfektem Vakuum funktioniert, kannte die neuesten Pumpen, die ein solches Vakuum erzeugen konnten, und erkannte, dass ein neuer Typ von mit Oxid beschichtetem Draht zusammen mit einer vergrößerten Platte und einem Gitter den Elektronenfluss ebenfalls steigern könnte. Kurz gesagt, er verwandelte das Audion in eine elektronische Lampe, die Wunder der Elektronik-Ära vollbrachte.

AT&T hatte einen leistungsstarken Verstärker, der für den Bau einer transkontinentalen Linie erforderlich war – es fehlten jedoch die Rechte zu dessen Nutzung. Die Vertreter des Unternehmens waren bei den Verhandlungen mit De Forest misstrauisch, führten aber ein separates Gespräch über einen externen Anwalt, der die Nutzungsrechte für Audion als Telefonverstärker für 50.000 $ (etwa 1,25 Millionen Dollar im Jahr 2017) erwerben konnte. Die Linie New York – San Francisco wurde pünktlich eröffnet, eher als Triumph technischer Virtuosität und Unternehmenswerbung denn als Kommunikationsmittel. Die Kosten für Gespräche waren so astronomisch, dass kaum jemand sie nutzen konnte.

Elektronisches Zeitalter

Die echte Elektronenröhre wurde zur Wurzel eines völlig neuen Baums elektronischer Komponenten. Wie Relais erweiterte die Elektronenröhre ständig die Möglichkeiten ihres Einsatzes, als Ingenieure neue Wege fanden, ihre Konstruktion anzupassen, um spezifische Aufgaben zu lösen. Das Wachstum des Stammes der „-oden“ endete nicht mit Dioden und Trioden. Es setzte sich fort mit Tetroden, die ein zusätzliches Netzwerk hinzugefügt haben, das die Verstärkung mit einer wachsenden Anzahl von Elementen im Schaltplan unterstützte. Darauf folgten Pentoden, Heptoden, und sogar Octoden. Es kamen Thyratrons auf, die mit Quecksilberdampf gefüllt waren und ein unheilvolles blauliches Licht ausstrahlten. Miniaturlampen, so klein wie ein kleiner Finger oder sogar eine Eichel. Lampen mit indirekt beheiztem Kollektor, bei denen das Brummen des Wechselstroms das Signal nicht störte. Das Buch „Saga der Elektronenröhre“ [Saga of the Vacuum Tube], das das Wachstum der Lampenindustrie bis 1930 beschreibt, listet über 1000 verschiedene Modelle entsprechend ihrer Indizes auf – obwohl viele von ihnen gefälschte Kopien weniger vertrauenswürdiger Marken wie Altron, Perfectron, Supertron, Volttron usw. waren.

Wichtiger als die Vielfalt der Formate war die Vielfalt der Anwendungen der Elektronenröhre. Regenerative Schaltungen verwandelten das Triod in einen Sender, der glatte und konstante Sinuswellen erzeugte, ohne störende Funken, und in der Lage war, den Klang perfekt zu übertragen. Mit einem Kohärer und Funken konnte Marconi 1901 nur einen kleinen Abschnitt des Morsealphabets über einen schmalen Teil des Atlantiks übermitteln. Im Jahr 1915 konnte AT&T mit einer Elektronenröhre als Sender und Empfänger menschliche Stimmen von Arlington, Virginia, bis Honolulu übertragen – eine doppelt so große Distanz. In den 1920er Jahren kombinierten sie die Ferntelefonie mit hochwertiger Audioübertragung und schufen die ersten Radiosender. So konnte bald die gesamte Nation die gleiche Stimme im Radio hören, sei es Roosevelt oder Hitler.

Darüber hinaus ermöglichte die Fähigkeit, Sender mit genauen und stabilen Frequenzen zu erstellen, Telekommunikationsingenieuren die Verwirklichung eines seit langem bestehenden Traums des Frequenzmultiplexens, der Alexander Bell, Edison und anderen vor vierzig Jahren faszinierte. Bis 1923 verfügte AT&T über eine zehnkanalige Sprachleitung von New York nach Pittsburgh. Die Möglichkeit, zahlreiche Stimmen über ein einziges Kupferkabel zu übertragen, senkte die Kosten für Ferngespräche radikal, die aufgrund ihrer hohen Preise immer nur den wohlhabendsten Menschen und Unternehmen zugänglich waren. Angesichts der Möglichkeiten, die elektronische Röhren boten, schickte AT&T ihre Anwälte, um zusätzliche Rechte von De Forest zu erwerben, um die Nutzungsrechte für Audion in allen verfügbaren Anwendungsbereichen sicherzustellen. Insgesamt zahlten sie ihm 390.000 Dollar, was heute etwa 7,5 Millionen Dollar entspricht.

Warum haben Elektronenröhren, trotz ihrer Vielseitigkeit, in der ersten Generation von Computern nicht die führende Rolle gespielt, die sie in Radio- und anderen Telekommunikationsgeräten innehatten? Es ist offensichtlich, dass das Triod als digitaler Schalter fungieren konnte, genau wie ein Relais. So offensichtlich, dass de Forest sogar dachte, er hätte ein Relais erfunden, bevor er es tatsächlich tat. Zudem war das Triod viel reaktionsschneller als ein traditionelles elektromechanisches Relais, da es keinen physischen Anker bewegen musste. Ein typisches Schaltrelais benötigte mehrere Millisekunden, während der Fluss von Kathode zu Anode aufgrund der Veränderung des elektrischen Potentials am Gitter nahezu sofort war.

Aber Röhren hatten einen offensichtlichen Nachteil gegenüber Relais: Ihre Neigung, ähnlich wie ihre Vorgänger, die Glühbirnen, durchzubrennen. Die Lebensdauer des ursprünglichen Audion de Forest war so kurz – etwa 100 Stunden – dass sie mit einem Ersatzfaden ausgestattet waren, der nach dem Durchbrennen des ersten Fadens angeschlossen werden musste. Das war sehr problematisch, aber selbst von den besten Röhren durfte man nicht erwarten, dass sie mehr als einige tausend Stunden hielten. Für Computer mit Tausenden von Röhren und stundenlangen Berechnungen war das ein ernsthaftes Problem.

Die Relais hingegen waren, laut George Stibitz, „fantastisch zuverlässig“. So sehr, dass er behauptete,

Wenn ein Satz U-förmiger Relais im ersten Jahr unserer Zeitrechnung begonnen hätte, und die Kontakte einmal pro Sekunde umgeschaltet hätten, würde er bis heute noch funktionieren. Den ersten Kontaktfehler hätte man nicht vor dem Jahr 3000 erwarten können.

Darüber hinaus gab es keine Erfahrung mit großen elektrischen Schaltungen, die mit den elektromechanischen Schaltungen von Telefoningenieuren vergleichbar wären. Radios und andere Geräte konnten 5-10 Röhren enthalten, aber nicht Hunderte Tausende. Niemand wusste, ob es möglich sein würde, einen Computer mit 5000 Röhren zum Laufen zu bringen. Durch die Wahl von Relais anstelle von Röhren haben die Entwickler von Computern eine sichere und konservative Entscheidung getroffen.

Im nächsten Teil werden wir sehen, wie und warum diese Zweifel überwunden werden konnten.

Quelle: habr.com