Inne artykuły cyklu:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
W dowiedzieliśmy się, jak amerykański naukowiec i nauczyciel po raz pierwszy podróżował po Europie. Odwiedzając Londyn, specjalnie spotkał się z osobą, którą głęboko szanował, matematykiem . Towarzyszyli mu przyjaciel, Alexander Bach, oraz nowy znajomy, również eksperymentator w dziedzinie telegrafii, . Babbage opowiedział gościom, że wkrótce zamierza zaprezentować członkom Parlamentu swoją maszynę liczącą, ale z jeszcze większą przyjemnością podzielił się z nimi pomysłem na swoją nową maszynę, „która znacznie przewyższy możliwości pierwszej”. Henry zanotował ogólne informacje o tym planie w swoim dzienniku:
Ta maszyna dzieli się na dwie części, z których jedną pan B. nazywa magazynem, a drugą – młynem. Magazyn wypełniony jest kółkami z narysowanymi cyframi. Okresowo dźwignie wyciągają je i przenoszą do młyna, gdzie zachodzą niezbędne manipulacje. Po zakończeniu ta maszyna będzie mogła zestawić w tabelę dowolną formułę algebryczną.
Historyk nie może nie poczuć dreszczu przechodzącego po plecach z powodu takich przypadkowych zbieżności w ludzkich życiach. Tutaj krzyżują się dwie nitki historii maszyn obliczeniowych, z których jedna zbliżała się do swego końca, a druga dopiero się zaczynała.
Chociaż maszynę Babbage'a często przedstawia się jako początek historii nowoczesnych komputerów uniwersalnych, związek między nimi jest dość słaby. Jego maszyna (której nigdy nie zbudował) była kulminacją marzenia o mechanicznym obliczaniu. To marzenie, po raz pierwszy wyrażone przez Leibniza, inspirowały coraz bardziej skomplikowane mechanizmy zegarowe tworzone przez rzemieślników od końca średniowiecza. Jednak żaden komputer ogólnego przeznaczenia nie został zbudowany na czystej mechanice – to zadanie jest zbyt skomplikowane.
Elektromagnetyczny przekaźnik, zaprojektowany przez Henry'ego i innych, można dość łatwo wdrożyć w obwody komputerowe, których złożoność bez niego wydaje się nie do pomyślenia. Jednak do tego momentu pozostały jeszcze dziesięciolecia, i Henry oraz jego współcześni nie mogli przewidzieć takiego rozwoju. Stał się on przodkiem niezliczonej liczby tranzystorów, które umożliwiły dzisiejszy cyfrowy świat, tak silnie spleciony z naszym współczesnym życiem. Przekaźniki wypełniały wnętrza wczesnych programowalnych maszyn obliczeniowych, które rządziły krótki czas, dopóki nie zostały zastąpione przez swoje czysto elektroniczne odpowiedniki.
Przekaźnik był wynajdywany kilka razy niezależnie od siebie w latach 30. XIX wieku. Jego cele były różnorodne (pięciu jego wynalazców wymyśliło co najmniej trzy warianty zastosowania) – podobnie jak przykłady użycia. Jednak warto myśleć o nim jako o urządzeniu o podwójnej funkcji. Można go używać jako przełącznik do sterowania innym urządzeniem elektrycznym (w tym, co ważne, innym przekaźnikiem), lub jako wzmacniacz, przekształcający słaby sygnał w silny.
Przełącznik
Joseph Henry łączył w jednej osobie głęboką wiedzę w filozofii przyrody, mechanice oraz zainteresowanie problemem mechanicznego telegrafu. W latach 30. XIX wieku taki zestaw cech miało chyba tylko kilka osób, w tym Whitstone. Do roku 1831 zbudował obwód o długości 2,5 km, zdolny do uruchomienia dzwonka, wykorzystując do tego najsilniejszy znany magnes. Może gdyby dalej prowadził tak aktywne prace nad telegrafem i wykazał takie samo uporczywe dążenie, jakie pokazywał Morse, to jego nazwisko byłoby zapisane w podręcznikach.
Jednak Henry, nauczyciel w Akademii w Albany, a później w Kolegium New Jersey (teraz Uniwersytet Princeton), budował i udoskonalał urządzenia elektryczne w celach badawczych, edukacyjnych i naukowych demonstracji. Nie interesował się przekształceniem narzędzia pedagoga w system przesyłania wiadomości.
W około 1835 roku wymyślił szczególnie pomysłową demonstrację przy użyciu dwóch obwodów. Pamiętaj, że Henry odkrył dwa wymiaru elektryczności – intensywność i ilość (nazywamy je napięciem i prądem). Stworzył obwody z intensywnymi bateriami i magnesami do przesyłania elektromagnetyzmu na dużą odległość oraz obwody z ilościowymi bateriami i magnesami do tworzenia sił elektromagnetycznych o dużej mocy.
Jego nowa maszyna łączyła w sobie obie te właściwości. Potężny ilościowy elektromagnes mógł unieść ładunek ważący setki kilogramów. Intensywny magnes na końcu długiego obwodu służył do podnoszenia małego metalowego przewodu: przełącznika. Zamknięcie intensywnego obwodu powodowało, że magnes podnosił przewód, a to otwierało przełącznik i obwód ilościowy. Ilościowy elektromagnes następnie nagle zrzucał swój ładunek z ogłuszającym hałasem.
To przekaźnik – a to dokładnie taką rolę pełnił intensywny magnes i jego przewód – był potrzebny do demonstracji przekształcania energii elektrycznej w mechaniczną, a także do pokazania, jak mała siła może sterować dużą. Lekki zanurzenie przewodu w kwasie dla zamknięcia obwodu prowadziło do niewielkiego ruchu małego przełącznika, co ostatecznie kończyło się katastrofą polegającą na upadku metalu w ilości wystarczającej, aby zmiażdżyć kogoś, kto byłby wystarczająco głupi, aby stać pod nim. Dla Henry'ego przekaźnik był narzędziem do demonstrowania zasad naukowych. Był to elektryczny dźwignia.
Henry prawdopodobnie był pierwszym, który w ten sposób połączył dwa obwody – aby przy użyciu elektromagnetyzmu jednego obwodu sterować drugim. Drugie miejsce, o ile nam wiadomo, zajmują William Cook oraz Charles Wheatstone, chociaż mieli zupełnie inne cele.
W marcu 1836 roku, wkrótce po wizytacji na demonstracji telegrafu w Heidelbergu, który wykorzystywał igłę galwaniczną do przesyłania sygnałów, Cook zainspirował się pozytywką. Cook uważał, że użycie w prawdziwym telegrafie igieł oznaczających litery wymagałoby kilku igieł, a dla nich potrzebne byłyby różne obwody. Cook chciał jednak, aby elektromagnes aktywował mechanizm, który już mógłby być dowolnie skomplikowany, aby zaprezentować odpowiednią literę.
Zaprojektował maszynę przypominającą pozytywkę, z bębnem otoczonym wieloma szpilkami. Z jednej strony bębna powinna znajdować się okrągła skala z literami. Na każdym końcu linii telegraficznej powinna znajdować się taka skrzynka. Naciągnięta sprężyna powinna powodować obrót bębna, ale przez większość czasu powinien być on zablokowany. Po naciśnięciu klucza telegraficznego obwód się zamyka, co aktywuje elektromagnesy, odblokowując oba zamki, i obie maszyny się obracają. Gdy na skali pokazana jest odpowiednia litera, klucz jest zwalniany, zamki wracają na miejsce, a ruch bębnów zostaje zatrzymany. Cook, sam tego nie wiedząc, odtworzył chronometryczny model telegrafu Ronaldsa, wymyślony dwadzieścia lat wcześniej, oraz wczesne eksperymenty braci Shapp z telegrafem (ci wykorzystali do synchronizacji skali dźwięk, a nie elektryczność).
Cook zrozumiał, że taki sam mechanizm może pomóc rozwiązać odwieczny problem telegrafu – powiadamianie odbiorcy o nowej wiadomości. Można by do tego wykorzystać drugi obwód z innym elektromagnesem, który aktywowałby mechaniczny dzwonek. Zamknięcie obwodu wciągałoby blokadę, a dzwonek dzwoniłby.
W marcu 1837 roku Cook rozpoczął współpracę z Whitstonem nad telegrafem, i w tym czasie zaczęli myśleć o potrzebie drugiego obwodu. Zamiast budować niezależny obwód dla sygnału powiadamiającego (i ciągnąć kilometrami zbędne przewody), czy nie byłoby prościej wykorzystać główny obwód do kontroli sygnału?
Do tego czasu Cook i Whiston powrócili do igłowego designu, a całkowicie oczywiste było, że można połączyć mały kawałek drutu z igłą, aby, kiedy jej koniec był przyciągany elektromagnesem, jej ogon zamykał drugi obwód. Ten obwód uruchamiałby sygnał. Po określonym czasie, gdy odbiorca wiadomości mógłby zdążyć się obudzić, wyłączyć sygnał i przygotować ołówek oraz papier, igłę można już było użyć do przesyłania wiadomości w trybie normalnym.
Przez dwa lata na dwóch kontynentach dwukrotnie, z dwiema różnymi celami, ludzie zdali sobie sprawę, że elektromagnes można było wykorzystać jako przełącznik do kontrolowania innego obwodu. Ale można było sobie wyobrazić całkowicie inny sposób interakcji dwóch obwodów.
Wzmacniacz
Do jesieni 1837 roku Samuel Morse był przekonany, że jego pomysł na telegraf elektryczny można zrealizować. Używając intensywnej baterii i magnesu Henrego, wysyłał wiadomości na odległość pół kilometra. Jednak aby udowodnić Kongresowi możliwość przesyłania wiadomości za pomocą swojego telegrafu przez cały kontynent, potrzebował znacznie więcej. Było jasne, że niezależnie od mocy baterii, w pewnym momencie obwód stanie się zbyt długi, aby przesłać czytelny sygnał na drugi koniec. Ale Morse zrozumiał, że pomimo silnego spadku mocy na odległość, elektromagnes może otwierać i zamykać inny obwód zasilany własną baterią, który z kolei może przesyłać sygnał dalej. Proces ten można powtarzać wielokrotnie i pokrywać odległości dowolnej długości. Dlatego te pośrednie magnesy nazywano „relay” – jak stacje pocztowe do zmiany koni. Odbierały one elektryczną wiadomość od słabnącego partnera i przenosiły ją dalej z nową siłą.
Nie można ustalić, czy ten pomysł został zainspirowany pracami Henrego, ale Morse z pewnością był pierwszym, kto użył przekaźnika w tym celu. Dla niego przekaźnik był nie przełącznikiem, a wzmacniaczem, zdolnym przekształcić słaby sygnał w silny.
Z drugiej strony Atlantyku mniej więcej w tym samym czasie , londyński farmaceuta, wymyślił podobny pomysł. Prawdopodobnie zainteresował się telegrafem około 1835 roku. Na początku 1837 regularnie przeprowadzał eksperymenty z półtorakilometrowym obwodem w Regent’s Park na północnym zachodzie Londynu.
Niedługo po spotkaniu Cooka i Whistona w marcu 1837, Davy poczuł konkurencję i poważniej zastanowił się nad budową praktycznego systemu. Zauważył, że siła odchylenia igły galwanicznej znacznie malała wraz ze wzrostem długości przewodu. Jak pisał wiele lat później:
Wtedy pomyślałem, że nawet najmniejszy ruch igły na grubość włosa wystarczy, aby doprowadzić do kontaktu dwóch metalowych powierzchni, zamykających nowy obwód, zależny od lokalnej baterii; i tak można powtarzać w nieskończoność.
Davy nazwał ten pomysł przekształcania słabego sygnału elektrycznego w silny „elektrycznym wzmacniaczem”. Jednak nie udało mu się zrealizować tego ani żadnego innego pomysłu dotyczącego telegrafu. Patent na telegraf uzyskał w 1838 roku, niezależnie od Cooka i Whistona. Jednak w 1839 roku wypłynął do Australii, uciekając od nieszczęśliwego małżeństwa, a pole działania pozostawił konkurentom. Ich firma telegrafowa kupiła ten patent kilka lat później.
Przekaźnik w świecie
W historii technologii wiele uwagi poświęcamy systemom, ale często ignorujemy ich komponenty. Prowadzimy historię telegrafu, telefonu, elektrycznego światła, oblewając ich twórców ciepłymi promieniami naszego uznania. Jednak te systemy mogły powstać tylko dzięki kombinacji, rekombinacji i zmianie istniejących elementów, które cicho rosły w cieniu.
Przekaźnik – jeden z takich elementów. Szybko ewoluował i stał się różnorodny, gdy sieci telegraficzne zaczęły intensywnie rosnąć w latach 40-tych i 50-tych XIX wieku. W ciągu następnego stulecia pojawił się w różnych systemach elektrycznych. Najwcześniejszą modyfikacją było użycie sztywnego metalowego rdzenia, jak na sygnale telegrafu, do zamknięcia obwodu. Po wyłączeniu elektromagnesu, rdzeń odłączał się od obwodu za pomocą sprężyny. Taki mechanizm był bardziej niezawodny i wytrzymały niż kawałki drutu czy igły. Opracowywano również modele zamknięte domyślnie, oprócz pierwotnego projektu, otwartego domyślnie.
Typowy przekaźnik z końca XIX wieku. Sprężyna T utrzymuje rdzeń B z dala od styku C. Gdy aktywuje się elektromagnes M, pokonuje on sprężynę i zamyka obwód między przewodem W a kontaktem C.
W początkowych latach telegrafii przekaźniki rzadko używano jako wzmacniaczy lub „odświeżaczy”, ponieważ jeden obwód można było rozciągnąć na 150 km. Były jednak bardzo przydatne do łączenia słabych długich linii z lokalnymi liniami wysokiego napięcia, które mogły być używane do zasilania innych maszyn, na przykład rejestratora Morse'a.
Dziesiątki patentów w USA z drugiej połowy XIX wieku opisują nowe rodzaje przekaźników i ich nowe zastosowania. Przekaźnik różnicowy, dzielący cewkę w taki sposób, że efekt elektromagnetyczny kompensował się w jednym kierunku i wzmacniał w drugim, umożliwiał dwukierunkową łączność telegraficzną: dwa sygnały biegnące w przeciwnych kierunkach po jednym przewodzie. Thomas Edison zastosował polaryzowany (lub polarny) przekaźnik do stworzenia quadrplexu, zdolnego do wysyłania 4 sygnałów jednocześnie po jednym przewodzie: po dwa w każdym kierunku. W polaryzowanym przekaźniku sam rdzeń był stałym magnesem, reagującym na kierunek prądu, a nie na jego siłę. Dzięki stałym magnesom można było tworzyć przekaźniki z przełączanymi stykami, które po przełączeniu pozostawały rozwarte lub zwarte.
Polaryzowany przekaźnik
Przekaźniki, oprócz telegrafu, zaczęły być również używane w systemach sygnalizacyjnych kolei. Wraz z pojawieniem się sieci elektroenergetycznych przekaźniki zaczęły być stosowane także w tych systemach, szczególnie jako urządzenia zabezpieczające.
Ale nawet te rozległe i skomplikowane sieci nie wymagały od przekaźników więcej, niż te mogły zaoferować. Telegraf i kolej dotarły do każdego miasta, ale nie do każdego budynku. Miały dziesiątki tysięcy punktów końcowych, ale nie miliony. Sieci elektroenergetyczne nie miały znaczenia, gdzie się kończą – po prostu dostarczały prąd do lokalnego obwodu, a każdy dom i przedsiębiorstwo mogły go pobrać w potrzebnej ilości.
Telefonia była zupełnie inną sprawą. Telefony musiały tworzyć połączenie punkt-punkt, z jednego domu lub biura do drugiego, dlatego potrzebowały układów sterujących na niespotykaną dotąd skalę. Ludzki głos, przesyłany w postaci drgań przez przewody, był bogatym, ale słabym sygnałem. Dlatego dalsza komunikacja telefoniczna potrzebowała wzmacniaczy lepszej jakości. Okazało się, że przełączniki mogą działać również jako wzmacniacze. Teraz to sieci telefoniczne, a nie jakiekolwiek inne systemy, kierowały ewolucją przełączników.
Co przeczytać
• James B. Calvert, „Telegraf elektromagnetyczny“
• Franklin Leonard Pope, „Nowoczesna praktyka telegrafu elektrycznego“ (1891)
Źródło: habr.com
