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Dans nous avons appris comment un scientifique et enseignant américain a traversé l'Europe pour la première fois. En visitant Londres, il a spécialement rendu visite à un homme qu'il respectait profondément, le mathématicien . Avec Henry se trouvait son ami, Alexander Bach, et un nouveau connaissance, également expérimentateur dans le domaine du télégraphe, . Babbage a informé ses invités qu’il comptait bientôt présenter sa machine à calculer à un membre du Parlement, mais avec encore plus de plaisir, il leur a partagé l’idée de sa nouvelle machine, « qui surpassera considérablement les capacités de la première ». Henry a noté des informations générales sur ce plan dans son journal :
Cette machine se divise en deux parties, dont l'une est appelée par M. B. le réservoir, et l'autre le moulin. Le réservoir est rempli de petits rouleaux portant des chiffres. Périodiquement, des leviers les extraient et les déplacent dans le moulin, où les manipulations nécessaires ont lieu. À la fin, cette machine sera capable de résumer dans un tableau toute formule d'ordre algébrique.
L'historien ne peut s'empêcher de ressentir un frisson parcourir son dos face à de telles coïncidences dans la vie humaine. Deux fils de l'histoire des machines de calcul se sont ici croisés, l'un approchant de sa fin, l'autre ne faisant que commencer.
Bien que la machine de Babbage soit souvent présentée comme le début de l'histoire des ordinateurs universels modernes, le lien entre eux est assez faible. Sa machine (qu'il n'a jamais construite) était le sommet d'un rêve de calculs mécaniques. Ce rêve, formulé pour la première fois par Leibniz, était inspiré par des mécanismes d'horlogerie de plus en plus complexes, créés par des artisans depuis la fin du Moyen Âge. Mais aucun ordinateur à usage général n'a été construit uniquement sur la base de la mécanique – cette tâche est trop complexe.
L'électroaimant conçu par Henry et d'autres peut être assez facilement intégré dans des circuits informatiques, dont la complexité semble inconcevable sans lui. Cependant, des décennies devaient encore s'écouler avant cela, et Henry et ses contemporains ne pouvaient pas prévoir un tel développement. C'est devenu l'ancêtre d'innombrables transistors, qui ont rendu possible le monde numérique d'aujourd'hui, si profondément entremêlé avec notre vie moderne. Les relais ont rempli l'intérieur des premières machines de calcul programmables, qui ont régné durant une courte période avant d'être remplacées par leurs homologues purement électroniques.
Le relais a été inventé plusieurs fois de manière indépendante dans les années 1830. Ses objectifs étaient variés (cinq de ses inventeurs ont proposé au moins trois applications différentes) tout comme les exemples d'utilisation. Mais il est pratique de le penser comme un dispositif à double usage. Il peut être utilisé comme un interrupteur commandant un autre appareil électrique (y compris, ce qui est important, un autre relais), ou comme un amplificateur, transformant un faible signal en un signal fort.
Interrupteur
Joseph Henry réunissait en une seule personne une connaissance approfondie de la philosophie naturelle, de la mécanique et un intérêt pour les problèmes du télégraphe mécanique. Dans les années 1830, un tel ensemble de qualités n'appartenait sans doute qu'à Wheatstone. En 1831, il a construit un circuit de 2,5 km capable d'actionner une cloche, en utilisant l'un des plus puissants aimants existants. Peut-être que s'il avait continué à travailler aussi activement sur le télégraphe, faisant preuve de la même persistance que Morse, son nom aurait été inscrit dans les manuels.
Mais Henry, enseignant à l'Académie d'Albany puis au Collège du New Jersey (aujourd'hui l'Université de Princeton), construisait et perfectionnait des appareils électriques à des fins de recherche, d'enseignement et de démonstrations scientifiques. Il ne s'intéressait pas à transformer un outil pédagogique en système de transmission de messages.
Vers 1835, il inventa une démonstration particulièrement ingénieuse utilisant deux circuits. Rappelons que Henry a découvert deux dimensions de l'électricité – l'intensité et la quantité (que nous appelons tension et courant). Il a créé des circuits avec des batteries intenses et des aimants pour transmettre l'électromagnétisme sur de grandes distances, et des circuits avec des batteries quantitatives et des aimants pour générer des forces électromagnétiques de grande puissance.
Son nouvel appareil combinait les deux propriétés. Un électromagnétisme quantitatif puissant pouvait soulever des charges de plusieurs centaines de kilogrammes. Un aimant puissant à l'extrémité d'un long circuit était utilisé pour soulever un petit fil métallique : l'interrupteur. La fermeture du circuit intense faisait lever l'aimant qui déconnectait l'interrupteur et le circuit quantitatif. L'électromagnétisme quantitatif tombait alors soudainement sa charge dans un fracas assourdissant.
Ce relais – que jouait précisément le rôle de l'aimant intense et de son fil – était nécessaire pour démontrer la transformation de l'énergie électrique en énergie mécanique, ainsi que la manière dont une petite force peut en contrôler une grande. Une légère immersion du fil dans l'acide pour fermer le circuit entraînait un petit mouvement de l'interrupteur, entraînant finalement une catastrophe sous la forme de la chute d'un métal, suffisant pour écraser quiconque serait assez imprudent pour se tenir en dessous. Pour Henry, le relais était un outil de démonstration des principes scientifiques. C'était un levier électrique.
Henry était probablement le premier à relier ainsi deux circuits – en utilisant l'électromagnétisme d'un circuit pour contrôler l'autre. Le deuxième, autant que nous le savons, appartient à William Cook et Charles Wheatstone, bien qu'ils aient des objectifs totalement différents.
En mars 1836, peu après avoir assisté à une démonstration à Heidelberg d'un télégraphe utilisant une aiguille galvanique pour transmettre des signaux, Cook s'est inspiré d'une boîte à musique. Cook pensait que l'utilisation d'aiguilles représentant des lettres dans un télégraphe réel nécessiterait plusieurs aiguilles, et donc plusieurs circuits. Cook souhaitait qu'un électro-aimant active un mécanisme, qui pourrait être aussi complexe que nécessaire pour montrer la lettre désirée.
Il a imaginé une machine ressemblant à une boîte à musique, avec un barillet entouré de nombreuses épingles. D'un côté du barillet, il devait y avoir un cadran circulaire avec des lettres. Chaque extrémité de la ligne télégraphique devait avoir une telle boîte. Un ressort armé devait faire tourner le barillet, mais la plupart du temps, il serait immobilisé par un loquet. Lors de l'appui sur la clé télégraphique, le circuit se fermait, activant les électro-aimants qui ouvraient les deux loquets, et les deux machines tournaient. Lorsque la lettre souhaitée apparaissait sur le cadran, on relâchait la clé, les loquets se remettaient en place et arrêtaient le mouvement des barillets. Cook, sans le savoir, a reproduit un modèle chronométrique du télégraphe de Ronald, conçu deux décennies plus tôt, et les premières expériences des frères Chappe avec le télégraphe (qui utilisaient le son pour synchroniser les cadrans, et non l'électricité).
Cook comprit qu'un tel mécanisme pourrait également résoudre un problème ancien du télégraphe : informer la partie réceptrice d'un nouveau message. Pour ce faire, on pourrait utiliser un deuxième circuit avec un autre électro-aimant, qui activerait une sonnette mécanique. La fermeture du circuit tirerait le loquet, et la sonnette sonnerait.
En mars 1837, Cook commença à travailler avec Wheatstone sur le télégraphe, et c'est à peu près à cette époque qu'ils ont envisagé la nécessité d'un deuxième circuit. Au lieu de créer un circuit indépendant pour le signal d'alerte (et de tirer des kilomètres de fils supplémentaires), ne serait-il pas plus simple d'utiliser le circuit principal pour contrôler le signal ?
À ce moment-là, Cook et Whitson étaient de retour au design à aiguille, et il était parfaitement évident qu'il était possible de relier un petit morceau de fil à une aiguille, afin que, lorsque son extrémité était attirée par un électroaimant, sa queue fermait un deuxième circuit. Ce circuit actionnerait le signal. Après un certain intervalle, pendant lequel le destinataire du message pourrait se réveiller, désactiver le signal et préparer un crayon et du papier, l'aiguille pouvait déjà être utilisée pour transmettre le message en mode normal.
Pendant deux ans, sur deux continents, deux fois, avec deux objectifs différents, les gens ont compris qu'un électroaimant pouvait être utilisé comme un commutateur contrôlant un autre circuit. Mais une toute autre manière d'interagir entre les deux circuits pouvait aussi être imaginée.
Amplificateur
À l'automne 1837, Samuel Morse était persuadé que son idée de télégraphe électrique pouvait fonctionner. En utilisant une batterie intense et un aimant de Henry, il enviait des messages sur une distance de cinq cents mètres. Mais pour prouver au Congrès la possibilité de transmettre des messages par son télégraphe à travers tout le continent, il lui fallait bien plus. Il était évident qu'indépendamment de la puissance des batteries, à un moment donné, le circuit deviendrait trop long pour transmettre un signal intelligible à l'autre extrémité. Mais Morse comprit que, malgré la forte diminution de puissance sur la distance, l'électroaimant pouvait ouvrir et fermer un autre circuit alimenté par sa propre batterie, qui à son tour pouvait transmettre le signal plus loin. Ce processus pouvait être répété autant de fois que nécessaire, couvrant des distances de n'importe quelle longueur. C'est pourquoi ces électromagnétiques intermédiaires étaient appelés « relay » – comme des stations de poste pour changer de chevaux. Ils recevaient le message électrique du partenaire affaibli et le portaient plus loin avec une nouvelle force.
Il est impossible de déterminer si cette idée a été inspirée par les travaux de Henry, mais Morse était certainement le premier à utiliser un relais à cette fin. Pour lui, le relais n'était pas un commutateur, mais un amplificateur capable de transformer un signal faible en un signal puissant.
De l'autre côté de l'Atlantique à peu près à la même époque , un pharmacien londonien, a eu une idée similaire. Il s'est probablement intéressé au télégraphe vers 1835. Au début de 1837, il a régulièrement mené des expériences avec un circuit de 1,5 km à Regent's Park, au nord-ouest de Londres.
Peu après la rencontre entre Cook et Wheatstone en mars 1837, Davie a ressenti la concurrence et a commencé à envisager plus sérieusement la construction d'un système pratique. Il a remarqué que la déviation de l'aiguille galvanique diminuait sensiblement à mesure que la longueur du fil augmentait. Comme il l'a écrit des années plus tard :
Je me suis alors dit qu'un mouvement même minime de l'aiguille, équivalent à l'épaisseur d'un cheveu, suffirait à mettre en contact deux surfaces métalliques, fermant ainsi un nouveau circuit, dépendant d'une batterie locale ; et ainsi cela pourrait être répété indéfiniment.
Davie a appelé cette idée de conversion d'un faible signal électrique en un fort « récepteur électrique ». Mais il n'a pas pu réaliser cette idée ni aucune autre liée au télégraphe. Il a obtenu un brevet pour le télégraphe en 1838, indépendamment de Cook et Wheatstone. Mais en 1839, il s'est envolé pour l'Australie, échappant à un mariage malheureux, et a laissé le champ à ses concurrents. Leur société télégraphique a acheté ce brevet quelques années plus tard.
Relais dans le monde
Dans l'histoire des technologies, nous accordons beaucoup d'attention aux systèmes, mais nous ignorons souvent leurs composants. Nous racontons l'histoire du télégraphe, du téléphone, de la lumière électrique, baignant leurs créateurs dans les rayons chaleureux de notre approbation. Mais ces systèmes n'ont pu apparaître que grâce à la combinaison, la recombinaison et la modification des éléments existants, qui ont grandi silencieusement dans l'ombre.
Le relais est l'un de ces éléments. Il a rapidement évolué et acquis de la diversité lorsque les réseaux télégraphiques ont commencé à se développer activement dans les années 1840 et 1850. Au cours du siècle qui a suivi, il est apparu dans divers systèmes électriques. La première modification a été l'utilisation d'un ancre métallique rigide, comme sur le signal du télégraphe, pour fermer le circuit. Après l'arrêt de l'électroaimant, l'ancre se détachait du circuit par l'action d'un ressort. Ce mécanisme était plus fiable et durable que des morceaux de fils ou des aiguilles. Des modèles fermés par défaut ont également été développés, en complément du design original, ouvert par défaut.
Un relais typique de la fin du XIXe siècle. Le ressort T empêche le noyau B de toucher le contact C. Lorsque l'électroaimant M s'active, il surmonte le ressort et ferme le circuit entre le fil W et le contact C.
Dans les premières années du télégraphe, les relais étaient rarement utilisés comme amplificateurs ou « régénérateurs », car un circuit pouvait s'étendre sur 150 km. Mais ils étaient très utiles pour relier les longues lignes basse tension aux lignes locales haute tension, qui pouvaient être utilisées pour alimenter d'autres machines, comme le registre de Morse.
Des dizaines de brevets aux États-Unis dans la seconde moitié du XIXe siècle décrivent de nouveaux types de relais et leurs nouvelles applications. Le relais différentiel, qui divisait la bobine de sorte que l'effet électromagnétique soit compensé dans un sens et amplifié dans l'autre, permettait d'utiliser la communication télégraphique duplex : deux signaux se déplaçant dans des directions opposées sur un même fil. Thomas Edison a utilisé un relais polarisé (ou polar) pour créer un quadruplex capable d'envoyer 4 signaux simultanément sur un même fil : deux dans chaque direction. Dans le relais polarisé, le noyau lui-même était un aimant permanent réagissant à la direction du courant, et non à sa force. Grâce aux aimants permanents, il était possible de fabriquer des relais avec des contacts commutables qui, après commutation, restaient soit ouverts, soit fermés.
Relais polarisé
En plus du télégraphe, les relais ont également été utilisés dans les systèmes de signalisation ferrés. Avec l'avènement des réseaux de transmission électrique, les relais ont commencé à être utilisés dans ces systèmes, notamment en tant que dispositifs de protection.
Mais même ces vastes et complexes réseaux n'exigeaient pas des relais plus que ce qu'ils pouvaient fournir. Le télégraphe et le chemin de fer sont arrivés dans chaque ville, mais pas dans chaque bâtiment. Ils avaient des dizaines de milliers de points d'extrémité, mais pas des millions. Les systèmes de transmission électrique se moquaient d'où ils se terminaient - ils fournissaient simplement du courant au circuit local, et chaque maison et entreprise pouvait en prendre autant que nécessaire.
La téléphonie était une affaire complètement différente. Les téléphones devaient établir une connexion point à point, de n'importe quelle maison ou bureau à n'importe quel autre, et nécessitaient donc des circuits de gestion d'une ampleur sans précédent. La voix humaine, voyageant sous forme d'oscillations à travers des fils, était un signal riche mais faible. C'est pourquoi des amplificateurs de meilleure qualité étaient nécessaires pour les communications téléphoniques à longue distance. Il s'est avéré que les commutateurs pouvaient également fonctionner comme ces amplificateurs. Les réseaux téléphoniques dominaient désormais l'évolution des commutateurs plus que tout autre système.
Que lire
• James B. Calvert, “Le télégraphe électromagnétique“
• Franklin Leonard Pope, « Pratique moderne du télégraphe électrique » (1891)
Source : habr.com
