Altri articoli del ciclo:
- La storia del relè
- La storia dei computer elettronici
- La storia del transistor
- La storia di Internet
In abbiamo appreso come lo scienziato e insegnante americano ha viaggiato per la prima volta in Europa. Durante la sua visita a Londra, si è recato a trovare una persona che rispettava profondamente, il matematico . Insieme a Henry c'era il suo amico, Alexander Bain, e un nuovo conoscente, anch'esso un esperimentatore nel campo del telegrafo, . Babbage ha raccontato agli ospiti che presto intendeva dimostrare la sua macchina aritmetica a un membro del Parlamento, ma con ancora maggior piacere ha condiviso con loro l'idea della sua nuova macchina, "che supererà significativamente le capacità della prima". Henry ha annotato nel suo diario alcune informazioni generali su questo piano:
Questa macchina è divisa in due parti, una delle quali è chiamata deposito, mentre l'altra è il mulino. Il deposito è pieno di ruote con numeri disegnati su di esse. Periodicamente, i levegatori le estraggono e le spostano nel mulino, dove vengono effettuate le operazioni necessarie. Al termine, questa macchina sarà in grado di riassumere qualsiasi formula di natura algebrica in una tabella.
Uno storico non può fare a meno di avvertire un brivido lungo la schiena di fronte a tali incroci fortuiti nelle vite umane. Qui si intrecciano due fili della storia delle macchine calcolatrici, uno dei quali si avvicinava alla sua conclusione, mentre l'altro era appena all'inizio.
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) rappresentava il culmine di un sogno di calcolo meccanico. Questo sogno, annunciato per la prima volta da Leibniz, era ispirato dai sempre più complessi meccanismi degli orologi, realizzati dagli artigiani a partire dalla fine del Medioevo. Ma nessun computer di uso generale è stato costruito esclusivamente con meccanismi puramente meccanici: questo compito è troppo complesso.
Questi relè elettromagnetici, ideati da Henry e da altri, possono essere facilmente integrati nei circuiti informatici, la cui complessità sembra inimmaginabile senza di essi. Tuttavia, ci sono voluti ancora decenni prima che ciò avvenisse, e Henry e i suoi contemporanei non avrebbero mai potuto prevedere uno sviluppo simile. Questo ha dato origine a innumerevoli transistor, rendendo possibile l'attuale mondo digitale, così intrecciato con la nostra vita moderna. I relè hanno riempito gli interni delle prime macchine informatiche programmabili, dominando per un breve periodo, fino a quando non furono sostituiti dai loro omologhi puramente elettronici.
I relè furono inventati in modo indipendente più volte negli anni '30 del 1800. I loro scopi erano molteplici (i cinque inventori hanno proposto almeno tre varianti di utilizzo) – così come gli esempi di applicazione. Tuttavia, è utile pensarci come a un dispositivo a doppia funzione. Può essere usato come un interruttore per controllare un altro dispositivo elettrico (incluso, cosa importante, un altro relè), oppure come amplificatore, trasformando un segnale debole in uno forte.
Interruttore
Joseph Henry combinava in una sola persona una profonda conoscenza della filosofia naturale e della meccanica, insieme a un interesse per il problema del telegrapho meccanico. Negli anni '30 del XIX secolo, un simile insieme di qualità lo si trovava forse solo in Wheatstone. Nel 1831, costruì un circuito lungo 2,5 km, capace di attivare un campanello, utilizzando il più potente magnete disponibile all'epoca. Probabilmente, se avesse continuato a lavorare con la stessa intensità sul telegrapho e mostrato la stessa tenacia di Morse, sarebbe stato proprio il suo nome a essere scritto nei libri di testo.
Ma Henry, insegnante all'Accademia di Albany e poi al Collegio 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 di messaggi.
Circa il 1835, ideò una dimostrazione particolarmente ingegnosa utilizzando due circuiti. Ricordate che Henry scoprì due dimensioni dell'elettricità: intensità e quantità (che chiamiamo tensione e corrente). Creò circuiti con batterie intensive e magneti per trasmettere l'elettromagnetismo su lunghe distanze e circuiti con batterie quantitative e magneti per generare forze elettromagnetiche di alta potenza.
Il suo nuovo apparecchio combinava entrambe le proprietà. Un potente elettromagnete quantitativo era in grado di sollevare carichi di centinaia di chilogrammi. Un magnete intenso all'estremità di un lungo circuito veniva utilizzato per sollevare un piccolo filo metallico: un interruttore. La chiusura del circuito intenso faceva sollevare il magnete, il che apriva l'interruttore e il circuito quantitativo. L'elettromagnete quantitativo quindi lasciava cadere improvvisamente il carico con un fragore assordante.
Questo relè – così come lo svolgeva un intenso magnete e il suo filo – era necessario per dimostrare la trasformazione dell'energia elettrica in meccanica e come una piccola forza possa controllare una grande. Un leggero immersione del filo nell'acido per chiudere il circuito provocava un piccolo movimento di un interruttore, che alla fine portava a una catastrofe sotto forma di caduta di metallo, in quantità sufficiente per schiacciare chiunque fosse abbastanza sciocco da stare sotto. Per Henry, il relè era uno strumento per dimostrare i principi scientifici. Era un leva elettrica.
Henry fu probabilmente il primo a collegare in questo modo due circuiti – in modo da controllare uno con l'elettromagnetismo dell'altro. Secondo quanto ci risulta, il secondo posto spetta a William Cook e Charles Whitstone, anche se avevano obiettivi completamente diversi.
Nel marzo del 1836, poco dopo aver assistito a una dimostrazione a Heidelberg del telegrafo che utilizzava un ago galvanico per trasmettere segnali, Cook si lasciò ispirare da un carillon. Cook riteneva che l'uso di aghi per indicare le lettere in un vero telegrafo avrebbe richiesto più aghi, e per questo ci sarebbero stati necessari diversi contorni. Cook voleva invece che un elettromagnete attivasse un meccanismo, che potesse essere complesso quanto necessario per dimostrare la lettera desiderata.
Ha progettato una macchina che ricorda un carillon, con un tamburo circondato da numerosi perni. Da un lato del tamburo dovrebbe esserci una scala circolare con le lettere. Alla fine di ciascuna linea telegrafica dovrebbe trovarsi una scatoletta simile. Una molla carica dovrebbe far girare il tamburo, ma per la maggior parte del tempo sarà bloccato da un fermo. Premendo il tasto telegrafico, il circuito si chiude, attivando gli elettromagneti che aprono entrambi i fermi, e entrambi i tamburi iniziano a girare. Quando sulla scala appare la lettera desiderata, si lascia il tasto, i fermi tornano in posizione e fermano il movimento dei tamburi. Kuk, senza saperlo, ha ricreato il modello cronometricamente preciso del telegraph di Ronald, ideato due decenni fa, e i primi esperimenti dei fratelli Shapp con il telegrafo (solo che loro usavano il suono, non l'elettricità, per sincronizzare le scale).
Cook capì che un meccanismo simile poteva aiutare a risolvere un problema di lunga data del telegrafo: notificare la parte ricevente di un nuovo messaggio. A tal fine, si poteva utilizzare un secondo circuito con un diverso elettromagnete, che attivasse una campanella meccanica. Il circuito chiuso avrebbe tirato un gancio e la campanella avrebbe suonato.
Nel marzo del 1837, Cook iniziò una collaborazione con Whitston sul telegrafo, e circa in quel periodo si resero conto della necessità di un secondo circuito. Invece di creare un circuito indipendente per il segnale di avviso (e stendere chilometri di cavi supplementari), non sarebbe stato più semplice utilizzare il circuito principale per controllare il segnale?
A quel punto Cook e Whitson erano tornati al design a spillo, ed era ormai chiaro che fosse possibile collegare un piccolo pezzo di filo con un ago, in modo che, quando la sua punta veniva attratta da un elettromagnete, la sua coda chiudesse un secondo circuito. Questo circuito attivava il segnale. Dopo un certo intervallo, durante il quale il destinatario del messaggio avrebbe potuto svegliarsi, disattivare il segnale e preparare matita e carta, l'ago poteva già essere utilizzato per trasmettere il messaggio in modalità normale.
Per due anni, su due continenti, due volte e con due scopi diversi, le persone compresero che l'elettromagnete poteva essere utilizzato come un interruttore per controllare un altro circuito. Ma si poteva anche immaginare un modo completamente diverso di interazione tra i due circuiti.
Amplificatore
Entro l'autunno del 1837, Samuel Morse era sicuro che la sua idea del telegrafo elettrico potesse funzionare. Utilizzando una batteria intensa e un 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 comprensibile all'altra estremità. Ma Morse capì che, nonostante il forte calo della potenza con la distanza, un elettromagnete poteva aprire e chiudere un altro circuito, alimentato dalla propria batteria, che a sua volta poteva trasmettere il segnale più lontano. Questo processo poteva ripetersi quante volte si voleva e coprire distanze di qualsiasi lunghezza. Perciò, questi magneti intermedi venivano chiamati "relay" — come le stazioni postali per il cambio dei cavalli. Ricevevano il messaggio elettrico dal partner in fase di indebolimento e lo portavano più avanti con una nuova forza.
Non è possibile stabilire se questa idea fosse ispirata ai lavori di Henry, ma Morse è certamente stato il primo a utilizzare un relè per questo scopo. Per lui, il relè non era un interruttore, ma un amplificatore in grado di trasformare un debole segnale in uno forte.
Dall'altra parte dell'Atlantico, circa nello stesso periodo , un farmacista londinese, ebbe un'idea simile. Probabilmente si interessò al telegrafo intorno al 1835. All'inizio del 1837, conduceva regolarmente esperimenti con un circuito di un chilometro e mezzo a Regent's Park, nel nord-ovest di Londra.
Poco dopo l'incontro tra Cook e Wheatstone nel marzo del 1837, Davey sentì la concorrenza e cominciò a prendere più seriamente in considerazione la costruzione di un sistema pratico. Notò che la forza di deviazione dell'ago galvanico diminuiva notevolmente all'aumentare della lunghezza del filo. Come scrisse molti anni dopo:
Allora pensai che anche il minimo movimento dell'ago, pari allo spessore di un capello, sarebbe stato sufficiente per mettere in contatto due superfici metalliche, chiudendo un nuovo circuito alimentato da una batteria locale; e così si può ripetere all'infinito.
Davey ha definito questa idea di trasformare un debole segnale elettrico in uno forte come "elettrificatore". Tuttavia, non riuscì a realizzare questa o qualsiasi altra idea riguardante il telegrafo. Ottenne il brevetto per il telegrafo nel 1838, indipendentemente da Cook e Wheatstone. Ma nel 1839 salpò per l'Australia, scappando da un matrimonio sfortunato, e lasciò il campo ai concorrenti. La loro società telegrafica acquistò questo brevetto alcuni anni dopo.
Relè nel mondo
Nella storia della tecnologia diamo molta attenzione ai sistemi, ma spesso ignoriamo i loro componenti. Raccontiamo la storia del telegrafo, del telefono, della luce elettrica, mentre i loro creatori vengono accolti dai caldi raggi della nostra approvazione. Ma questi sistemi sono potuti esistere solo grazie alla combinazione, ricombinazione e modificazione di elementi esistenti, che sono cresciuti silenziosamente nell'ombra.
Il relè è uno di questi elementi. Ha rapidamente evoluto e acquisito varietà quando le reti telegrafiche hanno iniziato a crescere attivamente negli anni 1840 e 1850. Nel secolo successivo, si è diffuso in vari sistemi elettrici. La prima modifica è stata l'uso di un'anima metallica rigida, come nel segnale telegrafico, per chiudere il circuito. Dopo la disattivazione dell'elettromagnete, l'anima si staccava dal circuito tramite una molla. Questo meccanismo era più affidabile e resistente rispetto a pezzi di filo o aghi. Sono stati sviluppati anche modelli normalmente chiusi, oltre al design originale normalmente aperto.
Relè tipico della fine del XIX secolo. La molla T tiene l'anima B lontana dal contatto C. Quando l'elettromagnete M è 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 "ripetitori", poiché un circuito poteva essere esteso fino a 150 km. Tuttavia, erano molto utili per collegare lunghe linee a bassa tensione 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 impiego. Il relè differenziale, suddividendo la bobina in modo tale che l'effetto elettromagnetico fosse compensato in una direzione e amplificato nell'altra, consentiva l'uso della comunicazione telegrafica duplex: due segnali viaggianti in direzioni opposte su un unico filo. Thomas Edison utilizzò il relè polarizzato (o polare) per creare un quadruplice, in grado di inviare 4 segnali contemporaneamente su un unico filo: due in ogni direzione. Nel relè polarizzato, il proprio ancoraggio era un magnete permanente, che reagiva alla direzione della corrente e non alla forza. Grazie ai magneti permanenti, fu possibile realizzare relè con contatti switching, che dopo il cambio restavano aperti o chiusi.
Relè polarizzato
I relè, oltre al telegrafo, cominciarono a essere utilizzati anche nei sistemi di segnalazione delle ferrovie. Con l'emergere delle reti di trasmissione elettrica, i relè iniziarono a essere impiegati anche in questi sistemi, soprattutto come dispositivi di protezione.
Tuttavia, anche queste reti estese e complesse non richiedevano dai relè più di quanto fossero 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 si preoccupavano di dove finissero: semplicemente fornivano corrente al circuito locale, e ogni casa e azienda potevano prelevarla secondo necessità.
La telefonia era tutta un'altra faccenda. I telefoni dovevano creare una connessione da punto a punto, da una casa o un ufficio a un altro, quindi richiedevano circuiti gestionali di scala senza precedenti. La voce umana, trasmessa come onde attraverso i fili, era un segnale ricco, ma debole. Pertanto, le comunicazioni telefoniche a lunga distanza necessitavano di amplificatori di migliore qualità. Si scoprì che gli switch potevano anche fungere da amplificatori. Adesso, le reti telefoniche gestivano l'evoluzione degli switch più di qualsiasi altro sistema.
Cosa leggere
• James B. Calvert, “The Electromagnetic Telegraph“
• Franklin Leonard Pope, «Modern Practice of the Electric Telegraph» (1891)
Fonte: habr.com
