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 We have seen how the first generation of digital computers was built on the basis of the first generation of automatic electric switches – electromagnetic relays. But by the time these computers were created, another digital switch was waiting in the wings. The relay was an electromagnetic device (using electricity to control a mechanical switch), while the new class of digital switches was electronic – based on new knowledge about the electron that emerged in the early 20th century. This science indicated that the carrier of electric force was not current, not wave, not field – but a solid particle.
The device that spawned the era of electronics, based on this new physics, became known as the 'electron lamp' [in the US – vacuum tube, or 'vacuum tube']. Two people are involved in its creation: the Englishman and the American . In fact, the origins of electronics are more complex; they intertwine from many threads crossing Europe and the Atlantic, stretching back to early experiments with Leyden jars in the mid-18th century.
However, for the sake of our narrative, it will be convenient to illuminate (a pun!) this story starting from Thomas Edison. In the 1880s, Edison made an interesting discovery while working on electric lighting – this discovery sets the stage for our story. This led to the further development of electron lamps, required for two technological systems: a new form of wireless communication and ever-expanding telephone networks.
Prologue: Edison
Edison is usually considered the inventor of the electric light bulb. This simultaneously gives him both too much and too little credit. Too much, because Edison did not come up with the glowing bulb alone. Besides the many predecessors whose inventions never reached commercial application, we may mention Joseph Swan and Charles Sturt in Britain and the American William Sawyer, who brought bulbs to market at the same time as Edison. [The credit for the invention also goes to the Russian inventor . Lodygin was de eerste die bedacht om de lucht uit de glazen lampenbuis te zuigen, en vervolgens stelde hij voor om de gloeidraad niet van koolstof of verbrandde vezels te maken, maar van het hoogsmeltende wolfraam / opmerking van de vertaler.]. Alle lampen bestonden uit een verzegelde glazen buis, waarin een resistieve draad zich bevond. Wanneer de lamp in het circuit werd ingeschakeld, zorgde de warmte, die werd opgewekt door de weerstand van de draad tegen de stroom, ervoor dat deze oplichtte. Uit de buis was de lucht verwijderd, zodat de draad niet kon branden. Elektrisch licht was al bekend in grote steden in de vorm van , die werden gebruikt voor de verlichting van grote openbare plaatsen. Al deze uitvinders zochten naar een manier om de hoeveelheid licht te verminderen door een heldere deeltje van de brandende boog te nemen, klein genoeg om thuis te worden gebruikt ter vervanging van gaslampen, en om de lichtbron veiliger, schoner en helderder te maken.
Wat Edison daadwerkelijk deed – en specifieker, wat zijn industriële laboratorium creëerde – was niet alleen het creëren van een lichtbron. Ze bouwden een heel elektrisch systeem voor de verlichting van huizen – generators, draden voor het overbrengen van stroom, transformatoren, enz. Van dit alles was de gloeilamp slechts het meest voor de hand liggende en zichtbare onderdeel. De aanwezigheid van Edison's naam in zijn bedrijven die elektriciteit produceerden, was geen eenvoudige buiging voor de grote uitvinder, zoals in het geval van Bell Telephone. Edison toonde zich niet alleen als uitvinder, maar ook als systeemarchitect. Zijn laboratorium bleef werken aan de verbetering van verschillende componenten van elektrische verlichting, zelfs na hun vroege succes.
Voorbeeld van vroege Edison's lampen
Tijdens onderzoeken rond 1883 besloot Edison (of misschien een van zijn medewerkers) om een metalen plaat samen met de gloeidraad binnenin een gloeilamp te plaatsen. De redenen voor deze actie zijn onduidelijk. Het was misschien een poging om het donker worden van de lamp te verhelpen – de binnenkant van de glazen kolven verzamelde in de loop van de tijd een mysterieuze donkere substantie. De ingenieur hoopte blijkbaar dat deze zwarte deeltjes aangetrokken zouden worden door de onder spanning staande plaat. Tot zijn verrassing ontdekte hij dat wanneer de plaat was aangesloten op het positieve uiteinde van de draad, de hoeveelheid stroom die door de draad liep recht evenredig was met de helderheid van de draad. Bij aansluiting van de plaat op het negatieve uiteinde van de draad gebeurde er niets vergelijkbaars.
Edison besloot dat dit effect, later het Edison-effect genoemd of , gebruikt kon worden voor het meten of zelfs beheren van de "elektromotorische kracht", of spanning, in een elektrisch systeem. Uit gewoonte diende hij een patentaanvraag in voor deze "elektrische indicator" en keerde daarna terug naar belangrijkere taken.
Zonder draden
Laten we 20 jaar vooruitgaan in de tijd, naar 1904. Op dat moment werkte John Ambrose Fleming in Engeland in opdracht van de Marconi Company aan de verbetering van een radio-ontvanger.
Het is belangrijk te begrijpen wat radio destijds was en wat het niet was, zowel vanuit het oogpunt van het instrument als van de praktijk. Radio werd toen zelfs niet "radio" genoemd, maar "wireless", draadloos. De term "radio" begon pas in de jaren 1910 de overhand te krijgen. Specifiek werd er verwezen naar de draadloze telegraaf – een systeem voor het verzenden van signalen in de vorm van punten en strepen van zender naar ontvanger. Het belangrijkste gebruik was communicatie tussen schepen en havenautoriteiten, en in die zin werd het interessant voor maritieme instanties over de hele wereld.
Enkele uitvinders van die tijd, in het bijzonder, , experimenteerden met het idee van de radiotelefoon – het verzenden van stemberichten door de lucht in de vorm van een continue golf. Maar uitzending in de moderne zin ontstond pas 15 jaar later: het verzenden van nieuws, verhalen, muziek en andere programma's voor een breed publiek. Tot dat moment werd de alomtegenwoordige natuur van radiosignalen beschouwd als een probleem dat moest worden opgelost, en niet als een eigenschap die benut kon worden.
De radioapparatuur die toen bestond, was goed aangepast voor het werken met Morse-code en slecht voor alles daarbuiten. Zenders creëerden Hertz-golven door een vonk door een onderbreking in de schakeling te sturen. Daarom ging het signaal gepaard met een statische ruis.
Ontvangers herkenden dit signaal via een coherer: metalen zaagsel in een glazen buis dat onder invloed van radiogolven samenklonterde tot een continue massa, waardoor de schakeling gesloten werd. Vervolgens moest er op de buis worden geklopt, zodat het zaagsel uit elkaar viel en de ontvanger klaar was voor het volgende signaal – dit gebeurde eerst handmatig, maar al snel kwamen er automatische apparaten voor.
In 1905 begonnen de eerste , ook wel bekend als 'kattenstaarten'. Het bleek dat door simpelweg met een draad een bepaalde kristal, zoals silicium, ijzerpyriet of , aan te raken, je een radiosignaal uit de lucht kon opvangen. De resulterende ontvangers waren goedkoop, compact en voor iedereen toegankelijk. Ze stimuleerden de ontwikkeling van de radioliefhebberij, vooral onder jongeren. De plotselinge toename van de etherbezit die hieruit voortkwam, leidde tot problemen omdat de radio-ether werd gedeeld tussen alle gebruikers. Onschuldige gesprekken van amateurs konden toevallig in de weg komen van de communicatie van de maritieme vloot, en sommige jongens wisten zelfs valse opdrachten te geven en noodsignalen uit te zenden. De staat moest onvermijdelijk ingrijpen. Zoals Ambrose Fleming zelf schreef, de opkomst van kristalontvangers
leidde onmiddellijk tot een uitbarsting van onverantwoorde radiotelegrafie door de capriolen van talloze liefhebbers en studenten van elektriciteit, wat een strikte tussenkomst vereiste van nationale en internationale autoriteiten om het gebeuren binnen redelijke en veilige kaders te houden.
Uit de bijzondere elektrische eigenschappen van deze kristallen zal op termijn de derde generatie digitale schakelaars ontstaan, volgend op relais en lampen – schakelaars die onze wereld domineren. Maar alles heeft zijn tijd. We hebben de scène beschreven, laten we nu alle aandacht terugkeren naar de acteur die net in het schijnsel van de spotlichten verscheen: Ambrose Fleming, Engeland, 1904.
Klep
In 1904 was Fleming professor in elektrotechniek aan University College London en consultant voor Marconi Company. Oorspronkelijk had het bedrijf hem ingehuurd voor een deskundige beoordeling van de bouw van een elektriciteitscentrale, maar hij begon zich later bezig te houden met de verbetering van de ontvanger.
Fleming in 1890
Iedereen wist dat de coherer een slechte ontvanger was qua gevoeligheid, en de door Macroni ontwikkelde magnetische detector was niet veel beter. Om een vervanging te vinden, besloot Fleming eerst een gevoelige schakeling te bouwen voor het detecteren van Hertz-waves. Dit apparaat, ook al werd het zelf geen detector, zou nuttig zijn voor toekomstig onderzoek.
Hiervoor moest hij een manier bedenken om de sterkte van de stroom die werd opgewekt door de binnenkomende golven continu te meten, in plaats van een discrete coherer te gebruiken (die alleen de aan- of uit-toestand aangaf). Maar de bekende apparaten voor het meten van stroomsterkte – galvanometers – vereisten een constante, dat wil zeggen een eenduidige stroom. De wisselstroom, opgewekt door radiogolven, veranderde zo snel van richting dat er geen meting mogelijk zou zijn.
Fleming herinnerde zich dat er een aantal interessante dingen in zijn kast lagen te verstoffen – Edison's indicatorlampen. In de jaren 1880 was hij consultant voor Edison Electric Light Company in Londen en werkte hij aan het probleem van het verkolen van lampen. In die tijd ontving hij een aantal exemplaren van de indicator, mogelijk van William Prise, de hoofdingenieur van de Britse Postdienst, die net terug was van een elektrische tentoonstelling in Philadelphia. Buiten de VS was het voor postdiensten gebruikelijk om toezicht te houden op telegrafie en telefonie, waardoor ze centra van elektrotechnische expertise waren.
Later, in de jaren 1890, bestudeerde Fleming zelf het Edison-effect, gebruikmakend van de lampen die hij van Prise had gekregen. Hij toonde aan dat het effect erin bestond dat de stroom in één richting vloeiend was: negatieve elektrische potentiaal kon van de hete draad naar de koude elektrode stromen, maar niet andersom. Pas in 1904, toen hij de taak kreeg om radiogolven te detecteren, besefte hij dat dit feit praktisch toepasbaar was. De Edison-indicator zou alleen impulsen van wisselstroom in één richting in staat stellen om de kloof tussen draad en plaat te overbruggen, wat een constante en unidirectionele stroom zou opleveren.
Fleming nam één lamp, verbond deze in serie met een galvanometer en schakelde de vonkzender in. Voilà – de spiegel draaide en de lichtstraal verschoof op de schaal. Het werkte. Hij kon het binnenkomende radiosignaal nauwkeurig meten.
Prototypes van Fleming's klep. De anode bevindt zich in het midden van de draadlus (hete katode).
Fleming noemde zijn uitvinding een 'klep', omdat het elektriciteit alleen in één richting doorliet. Algemeen elektrische taal, het was een gelijkrichter – een manier om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. Later werd het een diode genoemd, omdat het twee elektroden had – de hete katode (draad) die elektriciteit uitstraalde, en de koude anode (plaat) die deze ontving. Fleming voegde verschillende verbeteringen aan het ontwerp toe, maar in wezen verschilde het apparaat niet van de indicatorlamp die Edison had gemaakt. De overgang naar een nieuwe kwaliteit vond plaats als gevolg van een verandering in denkpatroon – een verschijnsel dat we al vaak hebben gezien. De verandering vond plaats in de wereld van ideeën in Fleming's hoofd, niet in de wereld van dingen daarbuiten.
De Fleming-klep op zich was nuttig. Het was het beste veldapparaat voor het meten van radiosignalen, en een behoorlijke detector op zichzelf. Maar de wereld was er niet door geschokt. De explosieve groei van de elektronica begon pas nadat Lee de Forest een derde elektrode toevoegde en de klep tot een relais veranderde.
Afspelen
Lee de Forest had een ongebruikelijke opvoeding voor een student van Yale. Zijn vader, dominee Henry de Forest, was een oorlogsveteraan uit New York, predikant , en geloofde heilig in het verspreiden van het goddelijke licht van kennis en gerechtigheid als prediker. Gehoorzaam aan de roep van de plicht, accepteerde hij de uitnodiging om president te worden van het Talladega College in Alabama. Het college was na de Burgeroorlog opgericht door de American Missionary Association, gevestigd in New York. Het was bedoeld voor de opleiding en begeleiding van de lokale zwarte bevolking. Daar voelde Lee zich tussen de hamer en het aambeeld – de lokale zwarten beschimpten hem om zijn naïviteit en lafheid, terwijl de lokale blanken hem beschimpten omdat hij een .
En toch ontwikkelde de jonge de Forest een stevige zelfvertrouwen. Hij ontdekte een aanleg voor mechanica en uitvindingen – zijn schaalmodel van een locomotief werd een lokale sensatie. Al op jonge leeftijd, tijdens zijn tijd in Talladega, besloot hij zijn leven aan uitvindingen te wijden. Later, als jongeman wonend in New Haven, liet de zoon van de dominee zijn laatste religieuze overtuigingen los. Die verdwenen geleidelijk door zijn kennismaking met het darwinisme, en werden met de dood van zijn vader als het ware weggeblazen. Maar het gevoel van een roeping bleef de Forest achtervolgen – hij beschouwde zichzelf als een genie en streefde ernaar de tweede Nikola Tesla te worden, rijk, beroemd en mysterieus, een tovenaar uit het elektrische tijdperk. Zijn klasgenoten aan de Yale-universiteit beschouwden hem als een zelfvoldane rat. Hij kan misschien wel de minst populaire persoon zijn die we in onze geschiedenis zijn tegengekomen.
de Forest, ca. 1900
Na het afronden van zijn opleiding aan de Yale Universiteit in 1899 koos De Forest ervoor om het steeds populairder wordende vak van het draadloos verzenden van signalen te verkennen als pad naar rijkdom en roem. Gedurende de daaropvolgende decennia heeft hij deze weg met grote vastberadenheid en zekerheid bewandeld, zonder enige aarzeling. Het begon allemaal met de samenwerking tussen De Forest en zijn partner Ed Smite in Chicago. Smite hield hun bedrijf draaiende met regelmatige betalingen, en samen ontwikkelden ze hun eigen radiogolfdetector, bestaande uit twee metalen platen die met een lijm die De Forestpaste” noemde, met elkaar verbonden waren [goo]. Maar De Forest kon niet lang wachten op de beloningen voor zijn genialiteit. Hij ontdook Smite en ging samen met de twijfelachtige financier uit New York, Abraham White [ironisch zijn naam veranderde van de bij zijn geboorte gegeven naam, Schwarz, om zijn duistere handelen te verbergen. White/White - (Engels) wit, Schwarz/Schwarz - (Duits) zwart / red. vert.
], en richtte de De Forest Wireless Telegraph Company op. De activiteiten van het bedrijf waren echter van ondergeschikt belang voor beide helden. White misbruikte de onwetendheid van mensen om zijn zakken te vullen. Hij lijnde miljoenen in bij investeerders die wanhopig probeerden niet achter te blijven bij de verwachte radio-boom. En De Forest, dankzij de overvloedige aanvoer van middelen van deze “sucker”, concentreerde zich op het bewijzen van zijn genialiteit door het ontwikkelen van een nieuw Amerikaans systeem voor draadloze informatieoverdracht (in tegenstelling tot het Europese systeem dat door Marconi en anderen was ontwikkeld).
Helaas werkte De Forest's detector voor het Amerikaanse systeem niet bijzonder goed. Hij loste dit probleem tijdelijk op door het gepatenteerde ontwerp van Reginald Fessenden te lenen voor een detector genaamd de “liquid barretter” - twee platina draden ondergedompeld in een bakje zwavelzuur. Fessenden klaagde over patentinbreuk – en deze rechtszaak zou hij duidelijk winnen. De Forest kon niet rustig blijven tot hij een nieuwe detector bedacht die alleen hem toebehoorde. In de herfst van 1906 kondigde hij de creatie van zo'n detector aan. Tijdens twee verschillende bijeenkomsten van het American Institute of Electrical Engineers beschreef De Forest zijn nieuwe draadloze detector, die hij de “Audion” noemde. Maar de werkelijke oorsprong roept vragen op.
En tijdje waren de pogingen van de Forest om een nieuwe detector te bouwen gericht op het doorlaten van stroom door vlam. , waarvan hij dacht dat het een asymmetrische geleider kon zijn. De idee had, zo te zien, niet het gewenste succes. Op een gegeven moment in 1905 hoorde hij over het Fleming-kleppen. De Forest was ervan overtuigd dat deze klep en zijn ontworpen apparaat op basis van de brander in principe niet verschillen – als je de verwarmde draad door vlam vervangt en het bedekt met een glazen bol om het gas te beperken, krijg je dezelfde klep. Hij ontwikkelde een reeks patenten, die de geschiedenis van de eerdere uitvindingen vóór de Fleming-klep herhaaldelijk met gasvlamdetectoren herhaalden. Hij wilde duidelijk zijn prioriteit in de uitvinding claimen, door het Fleming-patent te omzeilen, aangezien de werkzaamheden met de Bunsenbranders voorafgingen aan het werk van Fleming (die begonnen waren in 1900).
Het is onmogelijk te zeggen of dit zelfbedrog of fraude was, maar het resulteerde in het patent van de Forest van augustus 1906 voor "een leeg glazen vat dat twee afzonderlijke elektroden bevat, tussen welke een gasmedium bestaat dat bij voldoende verhitting een geleider wordt en een gevoelig element vormt." De apparatuur en de werking van het apparaat behoren tot Fleming, terwijl de uitleg van de werking aan de Forest toebehoort. De Forest verloor uiteindelijk het patentgeschil, hoewel dat tien jaar duurde.
Een ongeduldige lezer kan zich al beginnen af te vragen waarom we zoveel tijd aan deze persoon besteden, wiens zelfverklaarde genialiteit bestond in het claimen van andermans ideeën als de zijne? De reden ligt in de transformaties die de Audion heeft ondergaan in de laatste maanden van 1906.
Tegen die tijd had de Forest geen werk meer. White en zijn partners ontliepen de aansprakelijkheid voor de rechtszaak van Fessenden door een nieuw bedrijf te creëren, United Wireless, en leenden de activa van American De Forest voor een bedrag van $1. De Forest werd ontslagen met $1000 vergoeding en enkele nutteloze patenten op zak, inclusief het patent op de Audion. Gewend aan een extravagante levensstijl, kreeg hij te maken met ernstige financiële problemen en probeerde wanhopig de Audion in een groot succes te veranderen.
Om te begrijpen wat er daarna gebeurde, is het belangrijk te weten dat de Forest geloofde dat hij het relais had uitgevonden – in tegenstelling tot de gelijkrichter van Fleming. Hij maakte zijn Audion door een batterij aan de koude plaat van de klep aan te sluiten en geloofde dat het signaal in de antenneschakeling (verbonden met de hete draad) een krachtiger stroom moduleerde in de batterijcircuit. Hij had het mis: het waren geen twee schakelingen, de batterij verschuift simpelweg het signaal van de antenne en versterkte dit niet.
Maar deze fout bleek uiterst kritisch, omdat het de Forest naar experimenten met een derde elektrode in de bulb leidde, die nog meer de twee schakelingen van dit ‘relais’ zou scheiden. In eerste instantie voegde hij een tweede koude elektrode naast de eerste toe, maar mogelijk onder invloed van de bestuurbare mechanismen die door natuurkundigen werden gebruikt om stralen in elektronenschermen om te leiden, verplaatste hij de elektrode naar een plek tussen de draad en de primaire plaat. Hij besloot dat deze positie de elektrische stroom zou kunnen onderbreken en veranderde de vorm van de derde elektrode van een plaat naar een golvend draad, die leek op een rasper – en noemde het ‘de net’.
De triode Audion van 1908. De draad (verbroken) links – de kathode, de golvende draad – het net, de afgeronde metalen plaat – de anode. Het heeft nog steeds een schroefdraad, zoals bij een gewone gloeilamp.
En dit was uiteindelijk echt een relais. Een zwakke stroom (zoals die van een radio-antenne), aangelegd op het net, kon een veel sterkere stroom tussen de draad en de plaat controleren, door geladen deeltjes weg te duwen die probeerden over te gaan. Deze detector werkte veel beter dan de klep, omdat hij niet alleen rechtte, maar ook het radiosignaal versterkte. En net zoals de klep (en in tegenstelling tot de coherer) kon hij een constante signaal geven, wat de mogelijkheid bood om niet alleen radiotelegrafie te creëren, maar ook een radiotelefoon (en later spraak- en muziekoverdracht).
In de praktijk werkte het echter niet bijzonder goed. De Audions van de Forest waren kieskeurig, brandden snel door, de productie had een gebrek aan kwaliteitsconsistentie, en als versterkers waren ze niet effectief. Voor een specifieke Audion waren aanpassing van de elektrische parameters van het circuit vereist voor een goede werking.
Desondanks geloofde de Forest in zijn uitvinding. Voor de promotie organiseerde hij een nieuw bedrijf, De Forest Radio Telephone Company, maar de verkopen waren miserabel. Het grootste succes was de verkoop van apparatuur aan de marine voor binnen-de-marine telefonie tijdens de wereldreis.‘. Echter, de commandant van de vloot had geen tijd om de zenders en ontvangers van de Forest werkend te krijgen en de bemanning op te leiden in het gebruik ervan, en gaf bevel deze in te pakken en in opslag te laten. Bovendien was het nieuwe bedrijf van de Forest, geleid door een volgeling van Abraham White, niet meer deugdzaam dan het vorige. Naast zijn mislukkingen kwam hij al snel onder verdenking van fraude.
In vijf jaar tijd heeft Audion niets bereikt. En opnieuw zou de telefoon een cruciale rol spelen in de ontwikkeling van digitale relais, deze keer een veelbelovende maar ongeteste technologie reddend van de vergetelheid.
En opnieuw de telefoon
Het communicatie netwerk op lange afstand was het centrale zenuwstelsel van AT&T. Het verbond talloze lokale bedrijven en bood een cruciaal concurrentievoordeel na de afloop van de patenten van Bell. Door zich aan te sluiten bij het AT&T-netwerk kon een nieuwe klant, theoretisch, contact opnemen met alle andere abonnees, die duizenden kilometers verderop waren - hoewel in werkelijkheid lange afstandsgesprekken zelden werden gevoerd. Het netwerk vormde ook de materiële basis voor de allesomvattende ideologie van het bedrijf: 'Één beleid, één systeem, universele service'.
Maar met de start van het tweede decennium van de twintigste eeuw bereikte dit netwerk zijn fysieke maximum. Hoe verder de telefoondraden werden uitgetrokken, hoe zwakker en rommeliger het signaal werd, en uiteindelijk werd de spraak vrijwel onverstaanbaar. Hierdoor waren er in de VS eigenlijk twee AT&T-netwerken, gescheiden door de continentale rug.
Voor het oostelijke netwerk fungeerde New York als de spil, terwijl mechanische repeaters en – met een beperking die bepaalde hoe ver de menselijke stem kon reiken. Maar deze technologieën waren niet almachtig. Spoelen veranderden de elektrische eigenschappen van het telefoonschema, waardoor de afzwakking van stemfrequenties werd verminderd – maar ze konden deze slechts verminderen, niet elimineren. Mechanische repeaters (een eenvoudige telefoondynamiek gekoppeld aan een versterkende microfoon) voegden ruis toe bij elke herhaling. De lijn van 1911 van New York naar Denver bracht deze beperking tot de maximale lengte. Het idee om een netwerk over het hele continent uit te breiden was echter niet aan de orde. Toch beloofde John Carty, de hoofdingenieur van AT&T, in 1909 publiekelijk om dit te doen. Hij beloofde dit binnen vijf jaar te realiseren – vóór de start in San Francisco in 1915.
De eerste die zo'n onderneming mogelijk maakte met een nieuwe telefoonversterker was geen Amerikaan, maar een erfgenaam van een rijke Wener familie met een interesse in wetenschap. Als jongeman gebruikmakend van het geld van zijn ouders, kocht een telefoonproductiebedrijf en was vastberaden om een versterker voor telefoongesprekken te maken. Tegen 1906 had hij een relais ontwikkeld op basis van elektronenbuizen, die op dat moment wijdverspreid werden gebruikt in natuurkundige experimenten (en later de basis zouden vormen voor de dominante technologie van videoweergave in de 20e eeuw). Een zwak binnenkomend signaal werd gecontroleerd door een elektromagneet, die de straal boog en een sterkere stroom in het hoofdschema moduleerde.
Tegen 1910 hadden von Lieben en zijn collega's, Eugene Reith en Sigmund Strauss, gehoord van de Audion van de Forest en vervingen de magneten in de buis door een gaas dat de kathodestralen controleerde – dit ontwerp was het meest efficiënt en overtrof alle tot dan toe in de VS gemaakte ontwikkelingen. Het Duitse telefoonnetwerk nam al snel de versterker van von Lieben in gebruik. In 1914 maakte dit een nerveuze telefonische oproep mogelijk van de commandant van het Oost-Pruisische leger naar het Duitse hoofdkwartier, gelegen op 1000 kilometer afstand in Koblenz. Dit leidde ertoe dat de stafchef generaal Hindenburg en Ludendorff naar het oosten stuurde, met eeuwige roem en zware gevolgen. Dergelijke versterkers verbond later ook de Duitse staf met de veldlegers in het zuiden en oosten tot aan Macedonië en Roemenië.
Een kopie van de verbeterde katode-stralen relais van Liben. De katode bevindt zich onderaan, de anode is de spoel aan de bovenkant en het gaas is een ronde metalen folie in het midden.
Echter, taal- en geografische barrières, evenals de oorlog, zorgden ervoor dat dit ontwerp de VS niet bereikte, en al snel werden andere gebeurtenissen op de voet gevolgd.
Ondertussen had de Forest in 1911 de noodlijdende Radio Telephone Company verlaten en was hij naar Californië gevlucht. Daar nam hij een baan bij de Federal Telegraph Company in Palo Alto, opgericht door een afgestudeerde van Stanford. . Nominaal zou de Forest werken aan een versterker om het uitgangsignaal van de federale radio-ontvanger te verbeteren. In werkelijkheid waren hij, Herbert Van Etten (een ervaren telefoontechnicus) en Charles Logwood (de ontvangerontwikkelaar) bezig met het creëren van een telefoonversterker om samen een prijs van AT&T te winnen, die naar verluidt $1 miljoen bedroeg.
Hiervoor haalde de Forest de Audion van de zolder en tegen 1912 hadden hij en zijn collega's al een apparaat dat klaar was voor demonstratie bij het telefoonbedrijf. Het bestond uit verschillende in serie geschakelde Audions die in meerdere fasen versterking creëerden, plus nog enkele aanvullende componenten. Het apparaat werkte in principe – het kon het signaal genoeg versterken zodat je kon horen hoe een zakdoek viel of hoe een zakhorloge tikt. Maar alleen bij stromen en spanningen die te laag waren om nuttig te zijn in telefonie. Bij een toename van de stroom begonnen de Audions blauw licht uit te stralen en transformeerde het signaal in ruis. Maar de telefonisten waren genoeg geïnteresseerd om het apparaat aan hun ingenieurs over te dragen en te kijken wat zij ermee konden doen. Het toeval wilde dat een van hen, de jonge fysicus Harold Arnold, precies wist hoe hij de versterker van de Federal Telegraph kon repareren.
Het is tijd om te bespreken hoe de klep en de Audion werkten. De sleutelbegrip die nodig was om hun werking te verklaren, ontstond in het Cavendish Laboratory in Cambridge – een centrum van nieuwe elektronische natuurkunde. In 1899 toonde J.J. Thomson in experimenten met katodestraalbuisjes aan dat een deeltje met massa, dat later bekend werd als het elektron, de stroom van de katode naar de anode vervoert. In de daaropvolgende jaren ontwikkelde Owen Richardson, een collega van Thomson, deze hypothese tot een wiskundige theorie van thermo-elektronische emissie.
Ambrose Fleming, een ingenieur die korte treinreizen van Cambridge maakte, was bekend met dit werk. Het was hem duidelijk dat zijn klep werkte door thermisch geëmitteerde elektronen van de verhitte draad die het vacuüm doorstaken naar de koude anode. Maar het vacuüm in de indicatorlamp was niet diep – dat was voor een gewone lamp ook niet nodig. Het was voldoende om zoveel zuurstof te verwijderen dat de draad niet ontbrandde. Fleming begreep dat voor de beste werking van de klep, deze zo grondig mogelijk moest worden leeggepompt, zodat het overgebleven gas de stroom van elektronen niet zou belemmeren.
De Forest begreep dit niet. Aangezien hij via experimenten met de Bunsenbrander bij de klep en de Audion kwam, was zijn overtuiging tegenovergesteld – namelijk dat het hete geïoniseerde gas het werkende medium van het apparaat was, en dat volledige verwijdering ervan zou leiden tot het stoppen van de werking. Dit is ook de reden waarom de Audion zo instabiel en onbevredigend functioneerde als radio-ontvanger, en waarom het blauw licht uitzond.
Arnold bij AT&T bevond zich in een ideale situatie om de fout van De Forest te corrigeren. Hij was een fysicus die had gestudeerd bij Robert Millikan aan de Universiteit van Chicago, en was specifiek ingehuurd om zijn kennis van de nieuwe elektronische natuurkunde toe te passen op de taak om een telefoonnnetwerk van kust tot kust op te bouwen. Hij wist dat de Audion-lamp het best zou werken in een bijna ideaal vacuüm, wist dat de nieuwste pompen zo'n vacuüm konden bereiken, en wist dat een nieuw type draad, bedekt met oxide, samen met een vergrote plaat en rooster, ook de stroom van elektronen konden verhogen. Kortom, hij transformeerde de Audion in een elektronische lamp, een wonderwerk van het elektronische tijdperk.
AT&T had a powerful amplifier necessary for building the transcontinental line – it just lacked the rights for its use. Company representatives were skeptical during negotiations with De Forest, but they held a separate discussion through an external lawyer, who managed to acquire the rights to use Audion as a telephone amplifier for $50,000 (about $1.25 million in 2017 dollars). The New York – San Francisco line opened just in time, but more as a triumph of technical virtuosity and corporate advertising than as a means of communication. The costs of calls were so astronomical that almost no one could afford to use it.
Het elektronische tijdperk
The true electron tube became the root of an entirely new tree of electronic components. Like relays, the electron tube constantly expanded its application possibilities as engineers found new ways to adjust its design for solving specific tasks. The growth of the ‘-ode’ tribe did not end with diodes and triodes. It continued with , which added an additional grid that supported amplification as the elements in the circuit increased. Next came , , and even . There were thyratrons, filled with mercury vapor, glowing with an ominous blue light. Miniature tubes the size of a fingertip or even an acorn. Tubes with indirectly heated cathodes, where the hum of the AC source did not disrupt the signal. The book “The Saga of the Vacuum Tube” [Saga of the Vacuum Tube], which describes the growth of the tube industry until 1930, lists more than 1,000 different models by their index – although many of them were illegal copies from untrustworthy brands: Altron, Perfectron, Supertron, Volttron, etc.
Belangrijker dan de diversiteit in vormen was de diversiteit in toepassingen van de elektronische lamp. Regeneratieve schakelingen maakten van de triode een zender die gladde en constante sinusgolven produceerde, zonder storende vonken, en in staat was geluid perfect over te brengen. In 1901 kon Marconi met een coherer en vonken nauwelijks een klein fragment van de Morse-alphabet door een smal deel van de Atlantische Oceaan verzenden. In 1915 kon AT&T met behulp van de elektronische lamp als zender en ontvanger een menselijke stem verzenden van Arlington, Virginia naar Honolulu - een afstand die twee keer zo groot was. Tegen de jaren '20 combineerden ze langeafstandstelefonie met hoogwaardige geluidsomroep en creëerden ze de eerste radiosystemen. Zo kon binnenkort de hele natie naar hetzelfde geluid op de radio luisteren, of het nu Roosevelt of Hitler was.
Bovendien stelde de mogelijkheid om zenders te creëren die zijn afgestemd op een exacte en stabiele frequentie telecommunicatie-ingenieurs in staat een langgekoesterde droom van frequentiemultiplexing te realiseren, die Alexander Bell, Edison en anderen veertig jaar eerder had geïnteresseerd. Tegen 1923 had AT&T een tienkanaals spraaklijn van New York naar Pittsburgh. De mogelijkheid om meerdere stemmen via één koperen draad te verzenden, verminderde de kosten van lange afstand gesprekken radicaal, die door de hoge kosten altijd alleen toegankelijk waren voor de rijkste mensen en bedrijven. Zien wat elektronische lampen konden, stuurde AT&T hun advocaten om aanvullende rechten bij de Forster op te kopen, om de rechten voor het gebruik van Audion in alle beschikbare toepassingsgebieden te waarborgen. In totaal betaalden ze hem $390.000, wat in de huidige waarde ongeveer $7,5 miljoen is.
Waarom hebben elektronische buizen, ondanks hun veelzijdigheid, niet gedomineerd in de eerste generatie computers zoals ze dat deden in radio- en andere telecommunicatieapparatuur? Het is duidelijk dat de triode een digitale schakelaar kan zijn, net als een relais. Zo duidelijk zelfs dat de Forest dacht dat hij een relais had gemaakt voordat hij het daadwerkelijk had gemaakt. En de triode was veel responsiever dan het traditionele elektromechanische relais, omdat het geen fysieke beweging van de anker vereiste. Een typisch relais had enkele milliseconden nodig om om te schakelen, terwijl de verandering van stroom van de kathode naar de anode door de wijziging van het elektrische potentieel op de rooster bijna onmiddellijk was.
Maar lampen hadden een duidelijke tekortkoming ten opzichte van relais: hun neiging, net als hun voorgangers, de gloeilampen, om door te branden. De levensduur van de oorspronkelijke Audion van de Forest was zo kort – ongeveer 100 uur – dat er een reservegloeidraad in de lamp zat die moest worden aangesloten na het doorbranden van de eerste. Dit was erg slecht, maar zelfs van de beste lampen kon niet worden verwacht dat ze meer dan een paar duizend uur meegingen. Voor computers met duizenden lampen en urenlange rekenprocessen was dit een ernstig probleem.
Relais daarentegen zijn, volgens George Stibitz, "fantastisch betrouwbaar". Zozeer zelfs dat hij beweerde dat
Als een set U-vormige relais in het jaar 1 onze tijdrekening was begonnen en elk contact elke seconde had geschakeld, zou het nog steeds werken tot nu toe. De eerste storing in de schakelaar zou pas na duizend jaar verwacht worden, ergens in het jaar 3000.
Bovendien was er geen ervaring met het gebruik van grote elektronische schakelingen, vergelijkbaar met de elektromechanische schakelingen van telefooningenieurs. Radio-ontvangers en andere apparatuur konden 5-10 lampen bevatten, maar geen honderden of duizenden. Niemand wist of een computer met 5000 lampen kon werken. Door relais in plaats van lampen te kiezen, maakten computerontwikkelaars een veilige en conservatieve keuze.
In het volgende deel zullen we zien hoe en waarom deze twijfels zijn overwonnen.
Bron: habr.com
