Andere artikelen in de serie:
- De geschiedenis van relais
- De geschiedenis van elektronische computers
- De geschiedenis van de transistor
- De geschiedenis van het internet
In leerden we hoe de Amerikaanse wetenschapper en docent voor het eerst door Europa reisde. Tijdens zijn bezoek aan Londen maakte hij speciaal tijd vrij voor de man die hij diep respecteerde, de wiskundige . Samen met Henry was zijn vriend, Alexander Bakh, en zijn nieuwe kennis, ook een experimentator op het gebied van telegrafie, . Babbage vertelde zijn gasten dat hij binnenkort van plan was zijn rekenmachine aan een parlementslid te demonstreren, maar met nog meer plezier deelde hij zijn idee over zijn nieuwe machine, "die de mogelijkheden van de eerste aanzienlijk zou overtreffen". Henry noteerde de belangrijkste details van dit plan in zijn dagboek:
Deze machine is verdeeld in twee delen, waarvan de heer B. het opslaggedeelte noemt, en het andere - de molen. Het opslagdeel is gevuld met kleine rollen waarop cijfers zijn getekend. Periodiek trekken levers ze eruit en verplaatsen ze naar de molen, waar de noodzakelijke bewerkingen plaatsvinden. Aan het einde kan deze machine elke formule van algebraïsche aard in een tabel samenvoegen.
Een historicus kan de kou die over de rug loopt niet negeren bij zulke toevallige kruispunten in mensenlevens. Hier kruisten zich twee draden van de geschiedenis van rekenmachines, waarvan de ene tot zijn einde kwam, terwijl de andere net begon.
Want hoewel Babbage's machine vaak wordt voorgesteld als het begin van de geschiedenis van moderne universele computers, is de verbinding tussen hen vrij zwak. Zijn machine (die hij nooit heeft gebouwd) was de culminatie van de droom over mechanische berekeningen. Deze droom, voor het eerst verwoord door Leibniz, werd geïnspireerd door de steeds complexer wordende uurwerken die ambachtslieden sinds het einde van de middeleeuwen maakten. Maar geen enkele algemene computer is op basis van pure mechanica gebouwd - deze taak is te complex.
Het elektromagnetische relais, bedacht door Henry en anderen, kan vrij eenvoudig worden geïntegreerd in rekenkundige circuits, waarvan de complexiteit zonder het ondenkbaar lijkt. Echter, tientallen jaren bleven nog voor deze ontwikkeling, iets wat Henry en zijn tijdgenoten niet konden voorzien. Het werd de voorloper van talloze transistors die de digitale wereld van vandaag mogelijk maakten, zo intens verweven met ons moderne leven. Relais vulden de binnenkant van vroege programmeerbare rekenc machines, die een korte tijd regeerden, totdat ze werden vervangen door hun puur elektronische neven.
Relais zijn in de jaren 1830 onafhankelijk van elkaar uitgevonden. De doeleinden waren veelzijdig (vijf uitvinders bedachten minstens drie toepassingsvarianten) – net als de gebruiksvoorbeelden. Maar het is handig om erover na te denken als een apparaat met een dubbele functie. Het kan worden gebruikt als een schakelaar die een ander elektrisch apparaat aanstuurt (inclusief, belangrijk, een ander relais), of als een versterker die een zwak signaal omzet in een sterk signaal.
Schakelaar
Joseph Henry combineerde diepgaande kennis van natuurfilosofie, mechanica en interesse in het probleem van de mechanische telegraaf in één persoon. In de jaren 1830 had waarschijnlijk alleen Whitstone zo'n set kwaliteiten. Tegen 1831 had hij een circuit van 2,5 km gebouwd dat in staat was om een bel te laten afgaan, gebruikmakend van de krachtigste magneten die toen bestonden. Misschien, als hij zo actief aan de telegraaf was blijven werken en dezelfde vastberadenheid had getoond als Morse, zou zijn naam wel in de lesboeken vermeld zijn.
Maar Henry, een docent aan de Academie in Albany en later aan het College van New Jersey (nu Princeton University), bouwde en verbeterde elektrische apparaten ten behoeve van onderzoek, onderwijs en wetenschappelijke demonstraties. Hij was niet geïnteresseerd in het omzetten van een pedagogisch hulpmiddel in een communicatiesysteem.
Rond 1835 bedacht hij een bijzonder ingenieuze demonstratie met behulp van twee lussen. Denk eraan dat Henry twee dimensies van elektriciteit ontdekte - intensiteit en hoeveelheid (wij noemen ze spanning en stroomsterkte). Hij maakte lussen met intensieve batterijen en magneten voor het overbrengen van elektromagnetisme over lange afstanden, en lussen met kwantitatieve batterijen en magneten voor het creëren van krachtige elektromagnetische krachten.
Zijn nieuwe apparaat combineerde beide eigenschappen. De krachtige kwantitatieve elektromagneet kon lasten van honderden kilogram heftigen. Een intensieve magneet aan het einde van de lange lus werd gebruikt om een kleine metalen draad op te tillen: de schakelaar. Het sluiten van de intensieve lus zorgde ervoor dat de magneet de draad op tilde, waardoor de schakelaar open ging en de kwantitatieve lus werd onderbroken. De kwantitatieve elektromagneet liet vervolgens abrupt zijn last vallen met een oorverdovende knal.
Deze relais - en precies deze rol vervulde de intensieve magneet en zijn draad - was noodzakelijk voor het demonstreren van de omzetting van elektrische energie in mechanische energie, evenals om te tonen hoe een kleine kracht een grote kan aansteken. Een lichte onderdompeling van de draad in zuur om de lus te sluiten leidde tot een kleine beweging van de kleine schakelaar, wat resulteerde in een ramp in de vorm van een metalen val, in een hoeveelheid die groot genoeg was om degene te verpletteren die dom genoeg was om eronder te staan. Voor Henry was de relais een hulpmiddel voor het demonstreren van wetenschappelijke principes. Het was een elektrische hefboom.
Henry was waarschijnlijk de eerste die op deze manier twee lussen verbond - om met behulp van het elektromagnetisme van de ene lus de andere te beheersen. De tweede plaats, voor zover wij weten, behoort toe aan William Cook en Charles Wharton, hoewel zij heel andere doelen nastreefden.
In maart 1836, kort na zijn bezoek aan een demonstratie van de telegraaf in Heidelberg, die een galvanische naald gebruikte om signalen over te brengen, raakte Cook geïnspireerd door een muziekdoos. Cook geloofde dat het gebruik van naalden in een echte telegraaf om letters aan te duiden meerdere naalden zou vereisen, waarvoor meerdere circuits nodig zouden zijn. Cook wilde dat een elektromagneet het mechanisme activeerde dat al zo complex kon zijn als nodig om de gewenste letter te demonstreren.
Hij bedacht een machine die op een muziekdoos leek, met een ton die omgeven was door vele spijkers. Aan één kant van de ton moest een rond schaalverdeling met letters liggen. Aan beide uiteinden van de telegraaflijn moest zo'n doosje staan. Een opgewonden veer moest ervoor zorgen dat de ton draaide, maar de meeste tijd zou hij worden vastgehouden door een vergrendeling. Bij het indrukken van de telegraafschakelaar sluit het circuit, waardoor de elektromagneten beide vergrendelingen openen en beide machines gaan draaien. Wanneer de gewenste letter op de schaal verschijnt, laat men de schakelaar los en komen de vergrendelingen op hun plek terug en stoppen de rotatie van de tonnen. Cook, zelf niet wetende, had het chronometrische model van de telegraaf van Ronald gereproduceerd, dat twintig jaar eerder was bedacht, en de vroege experimenten van de gebroeders Chappe met de telegraaf (alleen gebruikten zij geluid in plaats van elektriciteit voor de synchronisatie van de schalen).
Cook begreep dat een dergelijk mechanisme kon helpen een langdurig probleem van de telegraaf op te lossen - het informeren van de ontvangende partij over een nieuw bericht. Hiervoor kon een tweede circuit gebruikt worden met een andere elektromagneet, die een mechanische bel zou activeren. Het sluiten van het circuit zou de vergrendeling aantrekken en de bel zou gaan klingelen.
In maart 1837 begon Cook samen te werken met Whitston aan de telegraaf, en rond deze tijd begonnen ze na te denken over de noodzaak van een tweede circuit. In plaats van een onafhankelijk circuit voor het waarschuwingssignaal (en kilometers aan extra draden te trekken), zou het niet eenvoudiger zijn om het hoofdcircuit te gebruiken voor de signalering?
Tegen die tijd waren Cook en Whitson teruggekeerd naar het naaldontwerp, en het was volkomen duidelijk dat men een klein stuk draad met een naald kon verbinden, zodat wanneer het uiteinde werd aangetrokken door een elektromagneet, de staart een tweede circuit sluit. Dit circuit zou het signaal activeren. Na een bepaalde tussenruimte, waarin de ontvanger van het bericht de tijd zou hebben om te ontwaken, het signaal uit te schakelen en potlood en papier voor te bereiden, kon de naald al worden gebruikt voor het verzenden van berichten in normale modus.
Gedurende twee jaar op twee continenten, twee keer, met twee verschillende doeleinden, begrepen mensen dat de elektromagnet als een schakelaar kon worden gebruikt die een ander circuit bestuurde. Maar er kon ook een geheel andere manier van interactie tussen de twee circuits worden voorgesteld.
Versterker
Tegen de herfst van 1837 was Samuel Morse ervan overtuigd dat hij zijn idee van de elektrische telegraaf kon laten werken. Met een krachtige batterij en een Henry-magneet verstuurde hij berichten over een afstand van een halve kilometer. Maar om het congres te bewijzen dat berichten via zijn telegraaf over het hele continent konden worden verzonden, had hij veel meer nodig. Het was duidelijk dat ongeacht de kracht van de batterijen, het circuit op een gegeven moment te lang zou worden om een leesbaar signaal naar het andere uiteinde te verzenden. Maar Morse realiseerde zich dat, ondanks de sterke afname van de kracht over afstand, de elektromagneet een ander circuit kon openen en sluiten, dat op zijn beurt kon worden aangedreven door zijn eigen batterij, wat het mogelijk maakte om het signaal verder te verzenden. Dit proces kon zoveel keer worden herhaald als nodig was en kon afstanden van elke lengte overbruggen. Daarom werden deze tussenliggende magneten 'relay' genoemd - zoals poststations voor het verwisselen van paarden. Ze ontvingen het elektrische bericht van de verzwakkende partner en droegen het verder met nieuwe kracht.
Het is onmogelijk vast te stellen of dit idee geïnspireerd was door het werk van Henry, maar het is zeker dat Morse de eerste was die relais voor dit doel gebruikte. Voor hem was het relais geen schakelaar, maar een versterker die in staat was een zwak signaal om te zetten in een sterk signaal.
Aan de andere kant van de Atlantische Oceaan, rond dezelfde tijd , een Londense apotheker, bedacht een soortgelijk idee. Hij raakte waarschijnlijk geïnteresseerd in de telegraaf rond 1835. Tegen het begin van 1837 voerde hij regelmatig experimenten uit met een anderhalf kilometer lange schakeling in Regent's Park in het noordwesten van Londen.
Kort na de ontmoeting tussen Cook en Whistler in maart 1837 voelde Davy de concurrentie en ging hij serieuzer nadenken over het bouwen van een praktische systeem. Hij merkte op dat de kracht van de afwijking van de galvanische naald merkbaar afnam naarmate de draad langer werd. Zoals hij vele jaren later schreef:
Toen dacht ik dat zelfs de kleinste beweging van de naald, gelijk aan de dikte van een haar, voldoende zou zijn om contact te maken tussen twee metalen oppervlakken die een nieuwe schakeling afsloten, afhankelijk van de lokale batterij; en zo kon het oneindig worden herhaald.
Davy noemde dit idee van het omzetten van een zwak elektrisch signaal in een sterk signaal een 'elektrische hernieuwer'. Maar het lukte hem niet om dit of een ander idee over de telegraaf te realiseren. Hij verkreeg het patent voor de telegraaf in 1838, onafhankelijk van Cook en Whistler. Maar in 1839 vluchtte hij naar Australië om te ontsnappen aan een ongelukkig huwelijk, en liet hij het veld aan zijn concurrenten. Hun telegraafbedrijf kocht dit patent enkele jaren later.
Relais in de wereld
In de geschiedenis van technologie besteden we veel aandacht aan systemen, maar vaak negeren we hun componenten. We beschrijven de geschiedenis van de telegraaf, telefoon, elektrisch licht, badend in de warme stralen van goedkeuring voor hun makers. Maar deze systemen konden alleen ontstaan door een combinatie, recombinatie en verandering van bestaande elementen, die stilletjes in de schaduw groeiden.
Relais is een van die elementen. Het evolueerde snel en verwierf diversiteit toen de telegraaf netwerken in de jaren 1840 en 1850 actief begonnen te groeien. In de volgende eeuw verscheen het in allerlei elektrische systemen. De vroegste aanpassing was het gebruik van een stalen metalen anker, zoals bij het telegraafsignaal, om de schakeling te sluiten. Na het uitschakelen van de elektromagneet werd het anker door een veer van de schakeling losgekoppeld. Dit mechanisme was betrouwbaarder en duurzamer dan stukjes draad of naalden. Daarnaast werden modellen die standaard gesloten waren ontwikkeld, naast het oorspronkelijke ontwerp dat standaard geopend was.
Typisch relais uit het einde van de 19e eeuw. De veer T houdt de arm B weg van het contact C. Wanneer de elektromagneet M wordt geactiveerd, overwint deze de veer en sluit de kring tussen de draad W en het contact C.
In de vroege jaren van de telegrafie werden relais zelden gebruikt als versterkers of 'vernieuwers', aangezien één kring tot 150 km kon worden uitgestrekt. Maar ze waren zeer nuttig voor het combineren van zwakstroom lange lijnen met lokale hoogspanninglijnen, die konden worden gebruikt om andere machines van stroom te voorzien, zoals de Morse-registrator.
Tientallen patenten in de VS uit de tweede helft van de 19e eeuw beschrijven nieuwe soorten relais en hun nieuwe toepassingen. Een differentieel relais, dat de spoel zo verdeelde dat het elektromagnetische effect in de ene richting werd gecompenseerd en in de andere werd versterkt, maakte duplex telecommunicatie mogelijk: twee signalen die in tegenovergestelde richtingen over één draad gaan. Thomas Edison gebruikte een gepolariseerd (of polar) relais om een quadruplex te creëren, dat vier signalen tegelijk over één draad kon verzenden: twee in elke richting. In een gepolariseerd relais was de arm zelf een permanente magneet die reageerde op de richting van de stroom en niet op de sterkte. Dankzij de permanente magneten konden relais worden gemaakt met schakelaars die na het schakelen open of gesloten bleven.
Gepolariseerd relais
Naast de telegraaf werden relais ook gebruikt in signaleringssystemen van spoorwegen. Met de komst van elektrische netwerken werden relais ook in deze systemen gebruikt, vooral als beveiligingsapparaten.
Maar zelfs deze uitgestrekte en complexe netwerken vereisten niet meer van relais dan zij konden bieden. De telegraaf en de spoorwegen kwamen in elke stad, maar niet in elk gebouw. Ze hadden tienduizenden eindpunten, maar geen miljoenen. De elektriciteitsnetwerken maakten niet uit waar ze eindigden – ze leverden gewoon stroom aan de lokale kring, en elk huis of bedrijf kon zoveel halen als nodig was.
Telecomunicaties waren een heel ander verhaal. Telefoons moesten verbindingen creëren van punt tot punt, van elk huis of kantoor naar elk ander, en hadden daarom beheercircuits van ongekende schaal nodig. De menselijke stem, die als trillingen door de draden ging, was een rijke maar zwakke signalen. Daarom waren er voor langeafstandstelecommunicatie versterkers van betere kwaliteit nodig. Het bleek dat schakelaars ook als zulke versterkers konden dienen. Nu beheerden telefoonsystemen meer dan welke andere systemen dan ook de evolutie van schakelaars.
Wat te lezen
• James B. Calvert, “De Elektromagnetische Telegraaf“
• Franklin Leonard Pope, «Moderne Praktijk van de Elektrische Telegraaf» (1891)
Bron: habr.com
