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In abbiamo appreso come uno scienziato e insegnante americano ha viaggiato in Europa per la prima volta. Visitando Londra, si è fermato appositamente a trovare una persona che rispettava profondamente, il matematico . Insieme a Henry c'era il suo amico, Alexander Bach, e il suo nuovo conoscente, anch'esso un esperimentatore nel campo del telegrafo, . Babbage raccontò agli ospiti che presto avrebbe dimostrato alla Camera dei Comuni la sua macchina calcolatrice, ma con ancora maggiore entusiasmo condivise con loro l'idea della sua nuova macchina, "che supererà significativamente le capacità della prima". Henry annotò informazioni generali su questo piano nel suo diario:
Questa macchina è divisa in due parti, una delle quali il signor B. chiama magazzino, mentre l'altra è un mulino. Il magazzino è riempito di ruote con numeri disegnati su di esse. Periodicamente leve le tirano e le spostano nel mulino, dove avvengono le manipolazioni necessarie. Alla fine, questa macchina sarà capace di riassumere in una tabella qualsiasi formula di natura algebrica.
Uno storico non può fare a meno di avvertire un brivido lungo la schiena di fronte a tali incroci casuali nelle vite umane. Qui si sono incrociati due fili della storia delle macchine calcolatrici, uno dei quali si avvicinava alla sua conclusione, mentre l'altro stava appena iniziando.
Infatti, sebbene la macchina di Babbage venga spesso presentata come l'inizio della storia dei moderni computer universali, il legame tra di loro è piuttosto debole. La sua macchina (che non costruì mai) era il culmine del sogno dei calcoli meccanici. Questo sogno, espresso per la prima volta da Leibniz, era ispirato dai sempre più complessi meccanismi orologieri creati dagli artigiani dalla fine del Medioevo. Ma nessun computer di uso generale fu costruito solo su base meccanica: questo compito era troppo complesso.
Ecco un relè elettromagnetico, concepito da Henry e da altri, che può essere facilmente integrato nei circuiti di calcolo, la cui complessità senza di esso sembra inimmaginabile. Tuttavia, fino a quel momento mancavano ancora decenni, e questo sviluppo non poteva essere previsto da Henry e dai suoi contemporanei. È diventato l'antenato di un'infinità di transistor, che hanno reso possibile il mondo digitale di oggi, così intimamente intrecciato con la nostra vita moderna. I relè hanno riempito le interiora delle prime macchine calcolatrici programmabili, che hanno governato per un breve periodo, fino a quando non sono state sostituite dai loro parenti puramente elettronici.
I relè sono stati inventati diverse volte in modo indipendente l'uno dall'altro negli anni '30 dell'Ottocento. I loro scopi erano vari (cinque dei loro inventori hanno ideato almeno tre varianti d'uso) – così come i casi di utilizzo. Ma è comodo pensarlo come un dispositivo a doppio scopo. Può essere utilizzato come interruttore che controlla un altro dispositivo elettrico (incluso, cosa importante, un altro relè), oppure come amplificatore che trasforma un segnale debole in uno forte.
Interruttore
Joseph Henry combinava in una sola persona una profonda conoscenza di filosofia naturale, meccanica e un interesse per il problema del telegrafo meccanico. Negli anni '30 dell'Ottocento, un tale insieme di qualità era probabilmente posseduto solo da Wheatstone. Nel 1831 costruì un circuito lungo 2,5 km, in grado di azionare un campanello, utilizzando per questo il potente magnete esistito. Forse, se avesse continuato a lavorare così attivamente sul telegrafo, mostrando la stessa ostinazione che dimostrava Morse, il suo nome sarebbe stato inscritto nei libri di testo.
Ma Henry, insegnante all'Academy di Albany e poi al College del New Jersey (ora Università di Princeton), costruiva e perfezionava dispositivi elettrici per scopi di ricerca, insegnamento e dimostrazioni scientifiche. Non era interessato a trasformare uno strumento pedagogico in un sistema di trasmissione dei messaggi.
Intorno al 1835, ideò una dimostrazione particolarmente ingegnosa utilizzando due circuiti. Ricordiamo che Henry scoprì che l'elettricità ha due dimensioni: intensità e quantità (che chiamiamo tensione e corrente). Creò circuiti con batterie e magneti ad alta intensità per trasmettere l'elettromagnetismo su lunghe distanze e circuiti con batterie e magneti a quantità per generare forze elettromagnetiche di grande potenza.
Il suo nuovo dispositivo combinava entrambe le proprietà. Un potente elettromagnete quantitativo poteva sollevare carichi fino a diverse centinaia di chilogrammi. Un magnete intenso all'estremità di un lungo circuito veniva utilizzato per sollevare un piccolo pezzo di filo metallico: un interruttore. La chiusura del circuito intenso faceva sollevare il filo dal magnete, interrompendo così l'interruttore e il circuito quantitativo. L'elettromagnete quantitativo lasciava poi precipitare il suo carico con un fragoroso boato.
Questo relè – ovvero il ruolo svolto dal magnete intenso e dal suo filo – era necessario per dimostrare la conversione dell'energia elettrica in meccanica e come una piccola forza possa controllare una grande. Un semplice contatto del filo con l'acido per chiudere il circuito produceva un lieve movimento del piccolo interruttore, che si traduceva in una catastrofe sotto forma di metallo cadente, sufficiente a schiacciare chiunque fosse abbastanza sciocco da stare sotto. Per Henry, il relè era uno strumento per dimostrare principi scientifici. Era una leva elettrica.
Henry è probabilmente stato il primo a collegare in questo modo due circuiti – utilizzando l'elettromagnetismo di un circuito per controllare un altro. Secondo le nostre conoscenze, il secondo posto spetta a William Cooke e Charles Wheatstone, anche se avevano obiettivi completamente diversi.
Nel marzo 1836, poco dopo aver assistito a una dimostrazione del telegrafo a Heidelberg, che utilizzava un ago galvanico per trasmettere segnali, Cook fu ispirato da una scatola musicale. Cook credeva che l'uso di aghi per rappresentare lettere in un vero telegrafo richiedesse diversi aghi, i quali avrebbero necessitato di vari circuiti. Tuttavia, Cook voleva che un elettromagnete attivasse un meccanismo che potesse già essere tanto complesso quanto necessario per dimostrare la lettera desiderata.
Ideò una macchina simile a una scatola musicale, con un barile circondato da numerosi spuntoni. Su un lato del barile doveva esserci una scala circolare con le lettere. A ciascun estremo della linea telegrafica doveva trovarsi una tale scatola. Una molla carica doveva far ruotare il barile, ma per la maggior parte del tempo sarebbe stato bloccato da un fermo. Quando si premeva il tasto del telegrafo, il circuito si chiudeva, attivando gli elettromagneti che aprivano entrambi i fermi, e le due macchine giravano. Quando sulla scala appariva la lettera desiderata, si molla il tasto, i fermi tornano in posizione e fermano il movimento dei barili. Cook, senza saperlo, ricreò un modello cronometrico del telegrafo di Ronald, concepito due decenni prima, e i primi esperimenti dei fratelli Chappe con il telegrafo (solo loro utilizzavano il suono per sincronizzare le scale, non l'elettricità).
Cook comprese che un meccanismo simile poteva aiutare a risolvere un antico problema del telegrafo: notificare il destinatario di un nuovo messaggio. A tal fine, si poteva utilizzare un secondo circuito con un altro elettromagnete, che attivasse una campanella meccanica. La chiusura del circuito avrebbe tirato il fermo, e la campanella avrebbe suonato.
Nel marzo 1837, Cook iniziò a lavorare insieme a Whiston sulla telegrafia, e circa in questo periodo cominciarono a riflettere sulla necessità di un secondo circuito. Invece di creare un circuito separato per il segnale di avviso (e tirare chilometri di cavi in più), non sarebbe stato più semplice utilizzare il circuito principale per controllare il segnale?
Nel frattempo, Cook e Whiston erano tornati al design a forma di ago, ed era del tutto evidente che si poteva collegare un piccolo pezzo di filo con un ago, in modo che, quando la sua estremità veniva attratta da un elettromagnete, la sua coda chiudesse un secondo circuito. Questo circuito avrebbe azionato il segnale. Dopo un certo intervallo, durante il quale il destinatario del messaggio avrebbe potuto avere il tempo di svegliarsi, disattivare il segnale e preparare una matita e della carta, l'ago poteva già essere utilizzato per trasmettere il messaggio normalmente.
Per due anni, su due continenti, due volte, con due scopi diversi, le persone capirono che l'elettromagnete poteva essere utilizzato come interruttore per controllare un altro circuito. Ma si poteva immaginare anche un modo completamente diverso di interagire tra i due circuiti.
Amplificatore
Entro l'autunno del 1837, Samuel Morse era convinto che la sua idea di telegrafo elettrico potesse funzionare. Utilizzando una batteria intensa e il magnete di Henry, inviava messaggi a una distanza di mezzo chilometro. Tuttavia, per dimostrare al Congresso la possibilità di trasmettere messaggi tramite il suo telegrafo su tutto il continente, aveva bisogno di molto di più. Era chiaro che, indipendentemente dalla potenza delle batterie, a un certo punto il circuito sarebbe diventato troppo lungo per trasmettere un segnale chiaro all'altro estremo. Ma Morse si rese conto che, nonostante la forte caduta di potenza con la distanza, l'elettromagnete poteva aprire e chiudere un altro circuito alimentato da una propria batteria, che a sua volta poteva trasmettere il segnale ulteriormente. Il processo poteva essere ripetuto quante volte si voleva e coprire distanze di qualsiasi lunghezza. Pertanto, questi magneti intermedi venivano chiamati “relay” – come le stazioni postali per il cambio dei cavalli. Ricevevano il messaggio elettrico dal partner che si stava indebolendo e lo portavano avanti con nuova forza.
Non è possibile stabilire se questa idea sia stata ispirata dai lavori di Henry, ma Morse è stato sicuramente il primo a utilizzare il relè per tale scopo. Per lui, il relè non era un interruttore, ma un amplificatore capace di trasformare un segnale debole in uno forte.
Dall'altra parte dell'Atlantico, circa in questo periodo , il farmacista londinese, ha ideato un'idea simile. Probabilmente si interessò al telegrafo intorno al 1835. All'inizio del 1837, condusse regolarmente esperimenti con un circuito di un chilometro e mezzo a Regent's Park, nel nord-ovest di Londra.
Subito dopo l'incontro tra Cook e Whiston nel marzo del 1837, Davey sentì la concorrenza e iniziò a riflettere più seriamente sulla costruzione di un sistema pratico. Notò che la forza di deviazione dell'ago galvanico diminuiva notevolmente con l'aumentare della lunghezza del filo. Come scrisse molti anni dopo:
Allora pensai che anche il minimo movimento dell'ago, pari a quello di un capello, sarebbe stato sufficiente per mettere in contatto due superfici metalliche che chiudevano un nuovo circuito, dipendente da una batteria locale; e così si potrebbe ripetere all'infinito.
Davey chiamò questa idea di trasformare un debole segnale elettrico in uno forte "rigeneratore elettrico". Ma non riuscì a realizzare questa o qualsiasi altra idea riguardo al telegrafo. Ottenne il brevetto per il telegrafo nel 1838, indipendentemente da Cook e Whiston. Ma nel 1839 si trasferì in Australia, fuggendo da un matrimonio infelice, e lasciò il campo agli avversari. La loro compagnia telegrafica acquistò questo brevetto qualche anno dopo.
Relè nel mondo
Nella storia della tecnologia, prestiamo molta attenzione ai sistemi, ma spesso ignoriamo i loro componenti. Raccontiamo la storia del telegrafo, del telefono, della luce elettrica, immergendo i loro creatori nei caldi raggi della nostra approvazione. Ma questi sistemi sono potuti apparire solo grazie alla combinazione, ricombinazione e modifica di elementi esistenti, cresciuti silenziosamente nell'ombra.
Il relè è uno di questi elementi. Ha rapidamente evoluto e ottenuto varietà quando le reti telegrafiche iniziato a crescere attivamente negli anni '40 e '50. Nel secolo successivo, apparve in sistemi elettrici di ogni tipo. La prima modifica prevedeva l'uso di un ancoraggio metallico rigido, come nel segnale del telegrafo, per chiudere il circuito. Dopo lo spegnimento dell'elettromagnete, l'ancora si scollegava dal circuito tramite una molla. Questo meccanismo era più affidabile e resistente rispetto ai pezzi di filo o aghi. Venivano sviluppati anche modelli normalmente chiusi, in aggiunta al design originale, normalmente aperto.
Un tipico relè della fine del XIX secolo. La molla T mantiene il paletto B distante dal contatto C. Quando il relè elettromagnetico M viene attivato, supera la molla e chiude il circuito tra il filo W e il contatto C.
Nei primi anni del telegrafo, i relè venivano raramente utilizzati come amplificatori o "aggiornatori", poiché un circuito poteva essere esteso fino a 150 km. Ma erano molto utili per unire lunghe linee a bassa potenza con linee locali ad alta tensione, che potevano essere utilizzate per alimentare altre macchine, come per esempio il registratore Morse.
Decine di brevetti negli Stati Uniti nella seconda metà del XIX secolo descrivono nuovi tipi di relè e il loro nuovo utilizzo. Il relè differenziale, che divideva la bobina in modo che l'effetto elettromagnetico fosse compensato in una direzione e amplificato nell'altra, permetteva di utilizzare la comunicazione telegrafica duplex: due segnali che viaggiano in direzioni opposte su un solo filo. Thomas Edison utilizzò relè polarizzati (o polari) per creare un quadriplex, in grado di inviare 4 segnali contemporaneamente su un solo filo: due in ciascuna direzione. Nel relè polarizzato, il paletto stesso era un magnete permanente che rispondeva alla direzione della corrente, e non alla forza. Grazie ai magneti permanenti, era possibile realizzare relè con contatti a commutazione, che dopo la commutazione rimanevano aperti o chiusi.
Relè polarizzati
I relè, oltre che nel telegrafo, vennero utilizzati anche nei sistemi di segnalazione delle ferrovie. Con l'emergere delle reti di trasmissione elettrica, i relè cominciarono a essere utilizzati anche in questi sistemi, soprattutto come dispositivi di protezione.
Ma anche queste reti estese e complesse non richiedevano dai relè più di quello che erano in grado di fornire. Il telegrafo e la ferrovia arrivarono in ogni città, ma non in ogni edificio. Avevano decine di migliaia di punti finali, ma non milioni. I sistemi di trasmissione elettrica non avevano importanza su dove finissero: semplicemente fornivano corrente al circuito locale, e ogni casa e impresa poteva prelevare quanta più corrente desiderava.
La telefonia era un affare completamente diverso. Era necessario stabilire una connessione tra due punti, da una qualsiasi casa o ufficio a un altro, pertanto servivano circuiti di gestione di un'ampiezza senza precedenti. La voce umana, trasmessa come vibrazioni attraverso i fili, era un segnale ricco, ma debole. Perciò, per le comunicazioni telefoniche a lunga distanza erano necessari amplificatori di qualità superiore. Si scoprì che gli interruttori potevano funzionare anche come amplificatori. Adesso, le reti telefoniche gestivano l'evoluzione degli interruttori più di qualsiasi altro sistema.
Cosa leggere
• James B. Calvert, “Il telegrafo elettromagnetico“
• Franklin Leonard Pope, «Pratica moderna del telegrafo elettrico» (1891)
Fonte: habr.com
