🥇リレーの歴史：電子時代

リレーの歴史: 電子時代

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В 前回第一世代のデジタルコンピュータが、第一世代の自動電気スイッチ、すなわち電磁リレーの上に構築された様子を見てきました。しかし、それらのコンピュータが完成する頃には、別のデジタルスイッチが舞台裏で待機していました。リレーは電磁気装置（電気を使って機械式スイッチを操作するもの）でしたが、新しいタイプのデジタルスイッチは電子式でした。これは、20世紀初頭に出現した電子に関する新たな知識に基づいています。この科学によって、電気力の搬送体は電流でも波でも電場でもなく、固体粒子であることが明らかになりました。

この新しい物理学に基づく電子工学の時代を創り出した装置は、真空管として知られるようになりました。その誕生の物語には、二人の人物が関わっています。一人はイギリス人です。アンブローズ・フレミングそしてアメリカ人リー・ド・フォレスト実際、エレクトロニクスの起源はもっと複雑で、ヨーロッパや大西洋を渡る多くの糸から織りなされており、18 世紀半ばのライデン瓶を使った初期の実験にまで遡ります。

しかし、この物語の趣旨としては、トーマス・エジソンから始めるのが都合が良いでしょう（しゃれです！）。1880年代、エジソンは電灯の開発中に興味深い発見をしました。この発見こそが、この物語の舞台設定となるものです。この発見は真空管の開発につながり、真空管はXNUMXつの技術システム、つまり新しい形態の無線メッセージングと、拡大し続ける電話網に必要となりました。

プロローグ：エジソン

エジソンは一般的に電球の発明者として認められています。しかし、これは彼の功績を過大評価していると同時に、過小評価している側面もあります。過大評価されているのは、電球を発明したのはエジソンだけではありません。エジソンに先駆けて、商業化には至らなかった発明家が数多くいますが、それに加えて、イギリスのジョセフ・スワンとチャールズ・スターン、そしてアメリカのウィリアム・ソーヤーもエジソンと同時期に電球を市場に投入しました。この発明の栄誉はロシアの発明家にも帰属するロディギン・アレクサンダー・ニコラエヴィッチへロディギンはガラス製の電球から空気を抜くことを最初に思いつき、その後、石炭や炭化繊維ではなく、耐火性のタングステンからフィラメントを作ることを提案した。すべてのランプは、内部に抵抗性のフィラメントを備えた密閉ガラス球で構成されていました。ランプを回路に接続すると、フィラメントの電流抵抗によって発生した熱によってフィラメントが発光します。フィラメントが点灯しないように、電球内の空気がポンプで排出されていました。大都市では、電灯はすでに「電気」という形で知られていました。アークランプ大規模な公共空間の照明に使用されていた。これらの発明家は皆、燃焼アークから明るい粒子を取り出し、家庭でガス灯の代わりに使用できるほど小さくすることで光量を減らし、光源をより安全でクリーン、そして明るくする方法を模索していた。

エジソンが実際に成し遂げたこと、あるいはむしろ彼の研究所が成し遂げたことは、単に光源を発明することだけではありませんでした。彼らは家庭の照明に必要な電気システム全体、つまり発電機、電流を流す電線、変圧器などを構築しました。その中で、電球は最も目につきやすい部品の一つに過ぎませんでした。電気を生産する彼の会社に彼の名前が付けられていたのは、ベル電話会社の場合のように、偉大な発明家への単なるオマージュではありませんでした。エジソンは発明家であるだけでなく、システム設計者でもあることを示し、初期の成功の後も、彼の研究所は電気照明の様々な部品の改良に取り組み続けました。

リレーの歴史: 電子時代
初期のエジソン電球の例

1883年頃の研究中、エジソン（とおそらくは彼の従業員の一人）は、白熱電球の中にフィラメントと共に金属板を入れることを決定しました。その理由は不明です。おそらく電球の黒化を防ぐためだったのでしょう。ガラス球の内側には、時間の経過とともに謎の黒い物質が蓄積していました。エジソンは、これらの黒い粒子が電圧によって金属板に引き寄せられることを期待したようです。驚いたことに、金属板をフィラメントのプラス端と共に回路に組み込むと、フィラメントを流れる電流の量がフィラメントの輝きの強さに正比例することを発見しました。金属板をフィラメントのマイナス端に接続したときは、このような変化は見られませんでした。

エジソンはこの効果を、後にエジソン効果または熱イオン放出電気システムにおける「起電力」、つまり電圧の測定、さらには制御にも使用できるという。彼は習慣的にこの「電気指示器」の特許を申請し、その後、より重要な仕事に戻った。

ワイヤーなし

それから20年後の1904年まで早送りします。当時イギリスでは、ジョン・アンブローズ・フレミングがマルコーニ社のために改良されたラジオ受信機の開発に取り組んでいました。

当時の無線が、機器としても実用面でも、どのようなものであり、どのようなものでなかったかを理解することが重要です。当時、無線は「ラジオ」という呼称すらなく、「ワイヤレス」と呼ばれていました。「ラジオ」という言葉が広く使われるようになったのは1910年代になってからです。具体的には、送信機から受信機へ短点と長点の形で信号を送信するシステムである無線電信を指していました。その主な用途は船舶と港湾機関間の通信であり、この点において世界中の海軍当局の関心を集めていました。

特に当時の発明家の中には、レジナルド・フェッセンデン15年、無線電話のアイデア、つまり音声メッセージを連続波として空中で送信する実験が行われました。しかし、現代的な意味での放送、つまりニュース、物語、音楽、その他の番組を幅広い聴衆に向けて送信するようになったのは、それからXNUMX年後のことでした。それまでは、無線信号の全方向性は、活用すべき特性ではなく、解決すべき問題と考えられていました。

当時の無線機器はモールス信号の処理には優れていたものの、それ以外の機能は全く不十分でした。送信機は回路の断線部分に火花を飛ばすことでヘルツ波を発生させていたため、信号にはパチパチという雑音が伴っていました。

受信機はこの信号をコヒーラを通して検出する。コヒーラとはガラス管内の金属片で、電波によって凝縮されて連続的な塊となり、回路が完成する仕組みだ。その後、ガラス管を軽く叩いて金属片を分解し、受信機が次の信号に対応できるように準備する。当初は手作業で行われていたが、すぐに自動装置が開発されるようになった。

1905年には、彼らは現れ始めたばかりだった結晶検出器猫のひげとも呼ばれるこの現象は、シリコン、黄鉄鉱、あるいは方鉛鉱空中から無線信号を盗聴することが可能になった。結果として生まれた受信機は安価で小型、そして誰でも入手しやすく、アマチュア無線の発展を特に若者の間で促した。その結果、通信時間が急増したが、その通信時間がすべてのユーザーで分割されていたため、問題が発生した。アマチュア無線家の無邪気な会話が海軍の通信と偶然に重なることもあり、中には偽の命令を発したり、救援信号を送信したりする者もいた。必然的に国家の介入が必要となった。アンブローズ・フレミング自身が記しているように、水晶検波器の登場は、

無数のアマチュア電気技師や学生の悪ふざけにより、直ちに無責任な無線通信の爆発的な増加を招き、事態を合理的かつ安全な範囲内にとどめるために国内外の当局による断固たる介入が必要となった。

これらの結晶の特異な電気特性は、やがてリレーやランプに続く第三世代のデジタルスイッチを生み出し、私たちの世界を席巻することになります。しかし、何事にも時代は巡ります。ここまででその場面を描写しましたが、今度は先ほどスポットライトを浴びた人物、アンブローズ・フレミング（1904年、イギリス）に焦点を戻しましょう。

バルブ

1904年、フレミングはロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの電気工学教授であり、マルコーニ社のコンサルタントでもありました。同社は当初、発電所建設に関する専門知識の提供を依頼していましたが、その後、受信機の改良も担当することになりました。

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1890年のフレミング

コヒーラは感度の点で受信機として貧弱であり、マクロニで開発された磁気検出器もそれほど優れていなかったことは誰もが知っていた。代替品を見つけるため、フレミングはまずヘルツ波を検出するための高感度回路を構築することを決意した。このような装置は、それ自体は検出器ではないとしても、将来の研究に役立つだろう。

これを実現するために、彼は個別のコヒーラ（つまり、電流がオンかオフか、つまり、ヤスリがくっついている部分で電流が流れているかどうかしか示さない）ではなく、入射波によって発生する電流を連続的に測定する方法を考案する必要がありました。しかし、今日知られている電流測定装置、すなわちガルバノメータは、動作するために一定、つまり一方向の電流を必要とします。電波によって発生する交流電流は方向が急速に変化するため、測定は不可能でした。

フレミングは、クローゼットに埃をかぶった興味深い品がいくつかあったことを思い出した。エジソンの表示灯だ。1880年代、彼はロンドンのエジソン電灯会社のコンサルタントとして、ランプの黒化問題に取り組んでいた。当時、彼はその表示灯のコピーをいくつか受け取った。おそらく、フィラデルフィアでの電気博覧会から戻ってきたばかりの、英国郵便局の主任電気技師、ウィリアム・プリースからだったと思われる。アメリカ合衆国以外では、郵便局が電信電話を管理するのが一般的だったため、郵便局は電気に関する専門知識の中心地だった。

その後、1890年代にフレミング自身もプリースから譲り受けた電球を用いてエジソン効果を研究しました。彼は、電流が一方向に流れるという効果、つまり負の電位が熱いフィラメントから冷たい電極へ流れることはできるが、その逆はできないことを示しました。しかし、この事実が実際に利用できることに気づいたのは、1904年に電波を検出するという課題に直面したときでした。エジソン指示計は、フィラメントとプレートの間の隙間を交流の片方向パルスのみが通過できるようにし、結果として一定で一方向の流れを生み出しました。

フレミングはランプを一つ取り、検流計と直列に接続し、火花送信機の電源を入れた。すると、鏡が回転し、光線が目盛り上を動いた。うまくいった。彼は受信した無線信号を正確に測定できたのだ。

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フレミングバルブのプロトタイプ。陽極はフィラメントループの中央にある（熱陰極）。

フレミングはこの発明を「バルブ」と呼びました。なぜなら、それは電気を一方向にしか流さないからでした。より一般的な電気工学用語で言えば、これは整流器、つまり交流を直流に変換する装置でした。後に、電気を放出する熱陰極（フィラメント）と電気を受け取る冷陽極（プレート）という二つの電極を持つことから、ダイオードと呼ばれるようになりました。フレミングは設計にいくつかの改良を加えましたが、本質的にはエジソンの表示灯と変わりませんでした。それが新たな性質へと変貌したのは、思考の転換によるものでした。これは私たちがこれまでに何度も目にしてきた現象です。この変化は、フレミングの頭の中にあるアイデアの世界に起こったのであり、その外側にある現実の世界に起こったのではありません。

フレミングバルブ自体は便利でした。無線信号を測定するのに最適なフィールドデバイスであり、それ自体も優れた検出器でした。しかし、世界を揺るがすほどのものではありませんでした。リー・ド・フォレストが3つ目の電極を追加し、バルブをリレーに変えることで、電子工学は爆発的な進歩を遂げました。

聞いている

リー・ド・フォレストはイェール大学の学生としては異例の生い立ちだった。彼の父、ヘンリー・ド・フォレスト牧師はニューヨーク出身の南北戦争の退役軍人で、牧師でもあった。会衆派教会彼は説教者として知識と正義の神聖な光を広めるべきだと強く信じていた。義務感から、アラバマ州タラデガ大学の学長に就任する招きを受けた。この大学は南北戦争後、ニューヨーク市を拠点とするアメリカ宣教協会によって設立された。地元の黒人を教育し、指導することを目的としていた。リーはそこで板挟みになった。地元の黒人たちは彼の純真さと臆病さを侮辱し、地元の白人たちは彼がヤンキース.

しかし、若い頃、ド・フォレストは強い自信を育んでいた。機械工学と発明の才能を発見し、彼が作ったスケールモデルの機関車は地元の名物となった。10代の頃、タラデガで学んでいた彼は、発明に人生を捧げることを決意した。その後、ニューヘイブンで青年時代を過ごした牧師の息子は、信仰を捨て去った。信仰は徐々にダーウィン主義へと傾倒し、父親の早すぎる死によっても失われていった。しかし、ド・フォレストの運命感は決して消えることはなかった。彼は自分を天才だと考え、電気時代の裕福で有名、そして謎めいた魔術師、ニコラ・テスラの第二の弟子になることを夢見ていた。イェール大学の同級生たちは、彼をうぬぼれたおしゃべり野郎とみなしていた。彼は歴史上最も人気のない人物かもしれない。

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ド・フォレスト、1900年頃

1899年にイェール大学を卒業したド・フォレストは、当時まだ発展途上だった無線信号技術を富と名声への道として選びました。その後数十年にわたり、彼は強い決意と自信をもって、ためらうことなくこの技術を追求し続けました。すべては、シカゴでド・フォレストがパートナーのエド・スマイスと共同で研究していたことに始まります。スマイスは定期的な収入で事業を支え、二人は共同で独自の電波検出器を開発しました。これは、ド・フォレストが「グー」と呼ぶ接着剤で接着したXNUMX枚の金属板で構成されていました。しかし、ド・フォレストは自身の才能が報われるのを長く待つことができませんでした。彼はスマイスを捨て、ニューヨークのいかがわしい金融家、エイブラハム・ホワイトと手を組んだのです。皮肉にも、自身の悪事を隠すため、本名のシュワルツから改名した。ホワイト（英語）white、シュワルツ（ドイツ語）black / 訳注]、デフォレスト無線電信会社を設立しました。

会社の活動は、我らが英雄二人に比べれば二の次でした。ホワイトは人々の無知につけ込み、私腹を肥やしました。彼は、予想される無線ブームに追いつこうと奮闘する投資家たちから何百万ドルも騙し取りました。そしてド・フォレストは、いわゆる「カモ」たちの潤沢な資金を糧に、マルコーニらが開発したヨーロッパのシステムとは対照的に、アメリカ独自の新しい無線伝送システムを開発することで、自らの才能を証明することに注力しました。

アメリカのシステムにとって残念なことに、ド・フォレストの検出器はあまりうまく機能しませんでした。彼は、レジナルド・フェッセンデンの特許取得済みの設計を借用することで、一時的にこの問題を解決しました。この検出器は「リキッド・バレッタ」と呼ばれ、1906本の白金線を硫酸に浸したものです。フェッセンデンは特許侵害で訴訟を起こしましたが、おそらく勝訴するでしょう。ド・フォレストは、独自の新しい検出器を発明するまでは諦めませんでした。XNUMX年の秋、彼はそのような検出器の開発を発表しました。アメリカ電気学会のXNUMXつの別々の会議で、ド・フォレストは「オーディオン」と名付けた新しい無線検出器について説明しました。しかし、その実際の由来は疑わしいものです。

しばらくの間、デ・フォレスト氏は炎に電流を流すことを中心として新しい検出器を作ろうと試みた。ブンゼンバーナード・フォレストは、これが非対称導体かもしれないと考えた。このアイデアは成功しなかったようだ。1905年のある時点で、彼はフレミングバルブについて知った。ド・フォレストはこのバルブとバーナーを使った彼の装置は本質的に同じものだと考えた。熱いフィラメントを炎に置き換え、それをガラス球で覆ってガスを閉じ込めれば、同じバルブができるのだ。彼は、ガス炎検出器を使ったフレミングバルブに先立つ発明の歴史を繰り返す、一連の特許を開発した。彼は、ブンゼンバーナーの研究がフレミングの研究に先立っていた（1900年から続いていた）ため、フレミングの特許を迂回して、この発明の優先権を主張したかったようだ。

これが自己欺瞞だったのか詐欺だったのかは定かではないが、結果として1906年XNUMX月にド・フォレストは「二つの独立した電極を備えた空のガラス容器と、その間にガス媒体を保持し、十分に加熱されると導体となり検知素子を形成する」という特許を出願した。この装置の装置と操作はフレミングの発明であり、動作の説明はド・フォレストの発明である。ド・フォレストはXNUMX年を要したが、最終的に特許紛争に敗訴した。

せっかちな読者は、他人のアイデアを自分のアイデアとして発表することで天才を自称したこの男に、なぜこれほど多くの時間を費やしているのかと疑問に思っているかもしれません。その理由は、1906年の最後の数ヶ月間にオーディオン社が経験した変革にあります。

その時までに、デ・フォレストは職を失っていた。ホワイトと彼のパートナーたちは、フェッセンデン訴訟における責任を逃れるため、新会社ユナイテッド・ワイヤレスを設立し、アメリカン・デ・フォレストの資産を1ドルで貸し付けていた。デ・フォレストは1000ドルの賠償金と、オーディオン特許を含むいくつかの価値のない特許を差し押さえられて、会社を追われた。贅沢な生活に慣れきっていた彼は深刻な財政難に陥り、オーディオンを大成功させたいと必死だった。

その後何が起こったのかを理解するには、ド・フォレストが、フレミングの整流器とは対照的に、リレーを発明したと考えていたという事実を知ることが重要です。彼は真空管の冷却プレートに電池を接続してオーディオンを製作し、アンテナ回路（高温のフィラメントに接続）の信号が電池回路のより強力な電流を変調すると考えました。しかし、彼の考えは誤りでした。回路は2つではなく、電池はアンテナからの信号を増幅するのではなく、単にバイアスをかけていたのです。

しかし、この誤りは致命的だった。ド・フォレストは、電球内に3つ目の電極を追加する実験に着手し、この「リレー」の2つの回路をさらに分離することになったのだ。当初、彼は最初の電極の隣に2つ目の冷電極を追加したが、その後、物理学者が陰極線装置のビームの方向を変えるために用いる制御機構に影響を受けたのか、電極をフィラメントと一次板の間に移動した。彼は、この位置では電流の流れが遮断される可能性があると判断し、3つ目の電極の形状を板から焼き網のような波状のワイヤーに変更した。そしてこれを「グリッド」と名付けた。

リレーの歴史: 電子時代
1908年製のオーディオン三極管。左側の（折れた）フィラメントが陰極、波状のワイヤーがグリッド、丸い金属板が陽極です。普通の電球と同じように、ネジ山が残っています。

そして、これはすでに本物のリレーでした。グリッドに流す微弱な電流（ラジオアンテナが生成するような電流）は、フィラメントとプレート間のはるかに強い電流を制御し、その間を通過しようとする荷電粒子を跳ね返します。この検出器は、無線信号を整流するだけでなく増幅もできるため、バルブよりもはるかに優れた性能を発揮しました。また、バルブのように（コヒーラとは異なり）、一定の信号を生成することができ、無線電信だけでなく、無線電話（そして後には音声と音楽の伝送）も実現可能になりました。

実際には、特にうまく動作したわけではありませんでした。ド・フォレストのオーディオンは扱いにくく、すぐに焼損し、製造品質にばらつきがあり、増幅器としての性能も低かったのです。特定のオーディオンを適切に動作させるには、回路の電気的パラメータをその機種に合わせて調整する必要がありました。

それでも、ド・フォレストは自身の発明を信じていた。彼は発明を宣伝するために、ド・フォレスト無線電話会社という新会社を設立したが、売上はわずかだった。彼の最大の成功は、世界一周航海中の海軍内電話用機器を海軍に販売したことだった。グレートホワイトフリートしかし、艦隊司令官はド・フォレストの送信機と受信機を動作させ、乗組員に使用方法を訓練する時間がなく、それらを梱包して倉庫に保管しました。さらに、アブラハム・ホワイトの信奉者によって運営されているド・フォレストの新しい会社は、以前の会社よりも誠実ではありませんでした。彼の失敗に加え、彼はすぐに詐欺の容疑で告発されました。

5年間、オーディオンは何も達成できなかった。しかし、再び電話がデジタルリレーの開発において重要な役割を果たすことになり、今回は、忘れ去られようとしていた、有望ではあるものの未検証の技術を救い出した。

そしてまた電話

長距離ネットワークはAT&Tの中枢神経系でした。多くの地域企業を結びつけ、ベルの特許失効後、重要な競争優位性をもたらしました。AT&Tネットワークに参加することで、新規顧客は理論上、数千マイル離れた他のすべての加入者に電話をかけることができました。しかし、実際には長距離通話は稀でした。このネットワークはまた、「一つのポリシー、一つのシステム、ユニバーサルサービス」という同社の包括的な理念の物質的な基盤でもありました。

しかし、20世紀初頭には、ネットワークは物理的な限界に達していました。電話線が伸びるほど、そこを伝わる信号は弱くなり、ノイズも増え、ついには会話がほとんど聞こえなくなってしまいました。そのため、アメリカ合衆国には大陸棚を隔てて2つのAT&Tネットワークが存在していました。

東部ネットワークでは、ニューヨークがペグとなり、機械式中継器とプーピンコイル人間の声がどこまで届くかを決める綱のようなものだった。しかし、これらの技術は万能ではなかった。コイルは電話回線の電気的特性を変化させ、音声周波数の減衰を軽減したが、減衰を軽減することはできたものの、完全に除去することはできなかった。機械式中継器（増幅マイクに接続された電話スピーカー）は、中継のたびにノイズを加算した。1911年にニューヨークからデンバーまで敷設された回線は、この綱を最大限まで延長した。大陸横断ネットワークの拡張は議論されていなかった。しかし、1909年、AT&Tの主任技術者ジョン・カーティは、まさにそれを実現することを公約した。彼はXNUMX年後、つまりXNUMX年までに実現すると約束した。パナマ・パシフィック国際博覧会 1915年にサンフランシスコで。

新しい電話増幅器の助けを借りてこのような事業を初めて実現したのはアメリカ人ではなく、科学に興味を持つ裕福なウィーンの家庭の相続人でした。若い頃、ロバート・フォン・リーベン彼は両親の資金で電話製造会社を買収し、電話通話用の増幅器の開発に着手しました。1906年までに、当時物理学の実験で広く普及していたブラウン管（後にXNUMX世紀の主要なビデオスクリーン技術の基盤となる）を使ったリレーを完成させました。微弱な信号が電磁石を制御し、ビームを曲げることで主回路に流れる電流を変調させる仕組みです。

1910年までに、フォン・リーベンと彼の同僚であるオイゲン・ライス、そしてジークムント・シュトラウスは、ド・フォレストのオーディオンについて学び、真空管内の磁石を、陰極線を制御するグリッドに置き換えました。これは、当時アメリカで製造されたものよりも効率的で優れた設計でした。ドイツの電話網はすぐにフォン・リーベンの増幅器を採用しました。1914年、この増幅器により、東プロイセン軍司令官から1000キロ離れたコブレンツにあるドイツ軍司令部への緊張した通信が可能になりました。この結果、参謀総長はヒンデンベルク将軍とルーデンドルフ将軍を東に派遣することになりましたが、これは永遠の栄光と悲惨な結末をもたらしました。後に同様の増幅器が、ドイツ軍司令部と、はるか南東のマケドニアやルーマニアといった遠く離れた地域の野戦軍を結びました。

リレーの歴史: 電子時代
フォン・リーベンが改良した陰極線リレーのコピー。陰極は下部、陽極は上部のコイル、グリッドは中央の円形の金属箔です。

しかし、言語や地理的障壁、そして戦争のせいで、この企画はアメリカに届くことはなく、すぐに他のイベントに取って代わられてしまいました。

一方、デ・フォレストは1911年に経営難に陥っていたラジオ電話会社を辞めてカリフォルニアに逃げ、スタンフォード大学の卒業生が設立したパロアルトの連邦電信会社に就職した。シリル・エルベル名目上、ド・フォレストは連邦無線受信機の出力音量を上げる増幅器の開発に携わっていたはずだった。しかし実際には、彼とハーバート・ヴァン・エッタン（経験豊富な電話技術者）、そしてチャールズ・ロングウッド（受信機設計者）は、AT&Tから噂されていた1万ドルの賞金を獲得するために電話増幅器の開発に取り組んでいた。

これを実現するために、ド・フォレストは屋根裏からオーディオンを取り出し、1912年までに同僚らとともに電話会社に実演する装置を完成させた。この装置は、段階的に増幅を行う直列接続された複数のオーディオンと、その他の補助部品で構成されていた。この装置は原理的には動作し、ハンカチを落とした音や懐中時計のチクタク音が聞こえる程度には信号を増幅できた。しかし、電流と電圧が低すぎて電話通信には使えない状態だった。電流が増加すると、オーディオンは青く光り始め、信号はノイズに変わった。しかし電話会社はこの装置に興味をそそられ、自社の技術者たちにこの装置を渡し、何ができるか試してみた。偶然にも、技術者の一人、ハロルド・アーノルドという名の若い物理学者が、フェデラル・テレグラフ社の増幅器の修理方法を正確に知っていた。

真空管とオーディオンの仕組みについて考察する時が来ました。その動作を説明する鍵となる知見は、ケンブリッジにあるキャベンディッシュ研究所からもたらされました。そこは、新しい電子物理学の知的中心地でした。1899年、J・J・トムソンはブラウン管を用いた実験で、後に電子として知られるようになる質量を持つ粒子が陰極から陽極へ電流を運ぶことを示しました。その後数年間、トムソンの同僚であるオーウェン・リチャードソンはこの知見を発展させ、熱電子放出の数学的理論を構築しました。

ケンブリッジから電車ですぐのところで働くエンジニア、アンブローズ・フレミングは、この研究に精通していました。彼は、自分のバルブが、加熱されたフィラメントから放出された電子が真空ギャップを通過して冷たい陽極へと伝わることで動作することに気づきました。しかし、表示灯内の真空度はそれほど高くありませんでした。普通の電球にはそれほど深くは必要ありませんでした。フィラメントが点灯しない程度の酸素を排出できれば十分だったのです。フレミングは、バルブを最適に機能させるには、残留ガスが電子の流れを妨げないよう、バルブ内を可能な限り完全に空にする必要があることに気づきました。

ド・フォレストは理解できなかった。ブンゼンバーナーを使った実験を通してバルブとオーディオンに辿り着いたため、彼の考えは正反対だった。高温のイオン化ガスが装置の作動流体であり、それを完全に除去すれば動作が停止する、と。だからこそ、オーディオンはラジオ受信機として不安定で不十分な動作をし、青い光を発していたのだ。

AT&Tのアーノルドは、ド・フォレストの誤りを正すのに理想的な立場にいた。シカゴ大学でロバート・ミリカンに師事した物理学者であり、電子に関する新しい物理学の知識を全米規模の電話網構築という課題に応用するために、特に雇われたのだ。彼は、オーディオン管がほぼ完全な真空状態で最もよく機能すること、最新のポンプでそのような真空を実現できること、そして新型の酸化物コーティングされたフィラメントと、より大きなプレートとグリッドを組み合わせることで電子の流れを増大できることを知っていました。つまり、彼はオーディオン管を真空管、つまり電子時代の奇跡の働き手へと変貌させたのです。

AT&Tは大陸横断回線の敷設に必要な強力な増幅器を保有していたが、それを使用する権利を持っていなかった。同社はド・フォレストとの交渉に懐疑的だったが、外部の弁護士を通して交渉し、オーディオンを電話増幅器として使用する権利を50万ドル（000年の価格で約1,25万ドル）で購入することができた。ニューヨークからサンフランシスコへの回線は予定通り開通したが、通信手段としてではなく、技術的な卓越性と企業広告の成果として捉えられた。通話料があまりにも高額だったため、ほとんど誰も利用できなかった。

電子時代

真の真空管は、全く新しい電子部品の系統樹の根源となりました。リレーと同様に、真空管もエンジニアが特定の用途に合わせて設計をカスタマイズする新しい方法を発見するにつれて、その用途は拡大し続けました。-ode族の隆盛は、ダイオードや三極管で終わることなく、テトロドーム回路内の要素が増えるにつれてゲインをサポートする追加のグリッドが追加されました。その後、五極管, ヘプトードそしてさらにオクトッド水銀蒸気を充満させ、不気味な青色に輝くサイラトロンが登場した。足の小指ほど、あるいはドングリほどの大きさの小型真空管。交流電源のハム音によって信号が乱されることのない、間接加熱式陰極管。1930年までの真空管産業の発展を記した『真空管の物語』という書籍には、1000種類以上のモデルがインデックス付きで掲載されている。ただし、その多くはウルトロン、パーフェクトロン、スーパートロン、ボルトロンといった、信頼できないブランドの海賊版だった。

リレーの歴史: 電子時代

真空管の多様な形状よりも重要なのは、その多様な用途でした。再生回路によって三極管は送信機へと変貌を遂げました。滑らかで一定の正弦波を生成し、ノイズの多い火花を発生せず、完璧な音声伝送が可能になったのです。1901年、マルコーニはコヒーラと火花を用いて、狭い大西洋を横断してモールス信号の短い断片をかろうじて送信することができました。1915年には、AT&T社が真空管を送受信機として利用し、バージニア州アーリントンからホノルルまで人間の音声を送信できるようになりました。これは従来の1920倍の距離です。XNUMX年代には、長距離電話と高音質放送を組み合わせ、初のラジオネットワークを構築しました。間もなく、ルーズベルト大統領であれヒトラーであれ、全米で同じ声がラジオから聞こえるようになりました。

さらに、正確で安定した周波数に調整された送信機を製造できるようになったことで、通信技術者たちは、1923年前にアレクサンダー・グラハム・ベル、エジソン、そして他の人々を魅了した周波数多重化という長年の夢を実現できるようになりました。390年までに、AT&Tはニューヨークからピッツバーグまで000チャネルの音声回線を敷設しました。7,5本の銅線で複数の音声を伝送できるようになったことで、これまで高額で利用できなかった長距離電話のコストが劇的に削減されました。真空管の可能性に着目したAT&Tは、弁護士を派遣してド・フォレストから追加の権利を購入し、あらゆる用途でオーディオンを使用できるようにしました。最終的に、AT&Tはド・フォレストにXNUMX万ドルを支払いました。これは現在の価値で約XNUMX万ドルに相当します。

これほどの汎用性を持つ真空管が、ラジオやその他の通信機器を席巻したように、第一世代のコンピューターを席巻しなかったのはなぜでしょうか？三極管はリレーと同じように簡単にデジタルスイッチとして使えることは明らかでした。実際、あまりにも明白だったため、ド・フォレストは実際にリレーを作る前から、既にリレーを発明したと信じていたほどです。また、三極管は従来の電気機械式リレーよりもはるかに応答性に優れていました。なぜなら、アーマチュアを物理的に動かす必要がないからです。一般的なリレーはスイッチングに数ミリ秒かかりましたが、グリッド電位の変化によるカソードからアノードへの電流の変化はほぼ瞬時に起こりました。

しかし、真空管にはリレーに比べて明らかな欠点がありました。それは、前身である電球と同様に、切れやすい性質でした。ド・フォレストの初代Audionは寿命が約100時間と非常に短かったため、真空管内に予備のフィラメントが内蔵されており、最初のフィラメントが切れたら交換する必要がありました。これだけでも十分問題でしたが、当時は最高の真空管でも数千時間以上は持たないと予想されていました。数千本の真空管と何時間もの計算を必要とするコンピューターにとって、これは深刻な問題でした。

一方、ジョージ・スティビッツによれば、リレーは「驚くほど信頼できる」ものでした。

もしU字型リレーが西暦3000年に動作を開始し、XNUMX秒ごとに接点を切り替えていたとしたら、それは今日でも機能しているはずです。最初の接触不良は、おそらく西暦XNUMX年頃、さらにXNUMX年は起こらないでしょう。

さらに、電話技術者の電気機械回路に匹敵する大規模な電子回路の経験は皆無でした。ラジオなどの機器には5～10個の真空管が使われていましたが、数十万個は考えられませんでした。コンピューターが5000個の真空管で動作できるかどうかは誰にもわかりませんでした。真空管の代わりにリレーを選択することで、コンピューター設計者は安全かつ保守的な選択を行ったのです。

次の部分では、これらの疑問がどのように、そしてなぜ克服されたのかを見ていきます。

出所： habr.com

リレーの歴史: 電子時代

プロローグ：エジソン

ワイヤーなし

バルブ

聞いている

そしてまた電話

電子時代

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