Inne artykuły z serii:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
В Dowiedzieliśmy się, jak amerykański naukowiec i nauczyciel podróżował po Europie po raz pierwszy. Podczas wizyty w Londynie złożył specjalną wizytę człowiekowi, którego głęboko szanował, matematykowi Wraz z Henrym towarzyszył mu jego przyjaciel Aleksander Bach i nowy znajomy, również eksperymentator w dziedzinie telegrafii, Babbage powiedział swoim gościom, że wkrótce zademonstruje swoją maszynę liczącą członkowi parlamentu, ale jeszcze bardziej ucieszył się, że może podzielić się z nimi swoim pomysłem na nową maszynę, „która znacznie przewyższyłaby możliwości pierwszej”. Henry zapisał zarys tego planu w swoim dzienniku:
Maszyna ta jest podzielona na dwie części, z których jedną Pan B. nazywa magazynem, a drugą młynem. Magazyn jest wypełniony kołami z namalowanymi na nich numerami. Okresowo dźwignie wyciągają je i przesuwają w młynie, gdzie odbywają się niezbędne manipulacje. Po zakończeniu maszyna ta będzie w stanie utworzyć tabelę dowolnego wzoru o charakterze algebraicznym.
Historyk nie może nie poczuć dreszczy na plecach, gdy widzi takie przypadkowe skrzyżowania w życiu ludzkim. Tutaj przecinają się dwa wątki historii informatyki, jeden zbliża się do końca, drugi dopiero zaczyna.
Choć maszynę Babbage’a często przedstawia się jako początek historii nowoczesnych komputerów ogólnego przeznaczenia, związek między nimi jest wątły. Jego maszyna (której nigdy nie zbudował) była ukoronowaniem marzenia o obliczeniach mechanicznych. Marzenie to, po raz pierwszy wyrażone przez Leibniza, zostało zainspirowane coraz bardziej złożonymi mechanizmami zegarowymi, które majsterkowicze budowali od późnego średniowiecza. Jednak żadnego komputera ogólnego przeznaczenia nigdy nie zbudowano na czystej mechanice — zadanie jest zbyt trudne.
Przekaźnik elektromagnetyczny wymyślony przez Henry'ego i innych mógł jednak zostać dość łatwo włączony do obwodów obliczeniowych, których złożoność w innym przypadku wydawałaby się niewyobrażalna. Ale ten moment był jeszcze odległy o dekady i był to rozwój, którego Henry i jego współcześni nie mogli przewidzieć. Stał się protoplastą niezliczonych tranzystorów, które umożliwiły dzisiejszy cyfrowy świat, tak bardzo spleciony z naszym nowoczesnym życiem. Przekaźniki wypełniały wnętrzności wczesnych programowalnych komputerów, które panowały krótko, zanim zostały zastąpione przez ich czysto elektronicznych kuzynów.
Przekaźnik został wynaleziony niezależnie kilka razy w latach 1830. XIX wieku. Jego przeznaczenie było różne (pięciu wynalazców wymyśliło co najmniej trzy zastosowania) – podobnie jak jego zastosowania. Jednak pomocne jest myślenie o nim jako o urządzeniu o podwójnym przeznaczeniu. Może być używany jako przełącznik, sterujący innym urządzeniem elektrycznym (w tym, co ważne, innym przekaźnikiem) lub jako wzmacniacz, zmieniający słaby sygnał w silny.
Przełącznik
Joseph Henry połączył w jednej osobie głęboką wiedzę z zakresu filozofii przyrody, mechaniki i zainteresowanie problemem telegrafu mechanicznego. W latach 1830. XIX wieku prawdopodobnie tylko Wheatstone miał taki zestaw cech. Do 1831 roku zbudował obwód o długości 2,5 km zdolny do obsługi dzwonu, wykorzystując najsilniejszy magnes, jaki kiedykolwiek istniał. Być może, gdyby kontynuował tak aktywną pracę nad telegrafem i wykazał się taką samą wytrwałością jak Morse, to jego nazwisko zostałoby zapisane w podręcznikach.
Ale Henry, nauczyciel w Albany Academy, a następnie w College of New Jersey (obecnie Princeton University), budował i ulepszał urządzenia elektryczne na potrzeby badań, nauczania i pokazów naukowych. Nie był zainteresowany przekształcaniem narzędzia dydaktycznego w system do przesyłania wiadomości.
Około 1835 r. wymyślił szczególnie sprytny pokaz z wykorzystaniem dwóch obwodów. Pamiętaj, że Henry odkrył, że elektryczność ma dwa wymiary: natężenie i ilość (nazywamy je napięciem i natężeniem). Stworzył obwody z bateriami natężenia i magnesami do przesyłania elektromagnetyzmu na duże odległości oraz obwody z bateriami ilości i magnesami do tworzenia sił elektromagnetycznych o dużej mocy.
Jego nowa maszyna łączyła obie właściwości. Potężny elektromagnes ilościowy mógł podnieść ładunek o wadze setek kilogramów. Intensywny magnes na końcu długiego obwodu został użyty do podniesienia małego metalowego drutu: przełącznika. Zamknięcie intensywnego obwodu spowodowało, że magnes podniósł drut, co otworzyło przełącznik i obwód ilościowy. Następnie elektromagnes ilościowy nagle upuścił swój ładunek z ogłuszającym hukiem.
Ta przekaźnik — bo taka była rola silnego magnesu i jego drutu — była konieczna, aby zademonstrować zamianę energii elektrycznej w energię mechaniczną i jak mała siła może kontrolować dużą. Niewielkie zanurzenie drutu w kwasie, aby zamknąć obwód, powodowałoby nieznaczne przesunięcie małego przełącznika, co skutkowałoby katastrofą w postaci upadku metalu, wystarczającego, aby zmiażdżyć każdego, kto byłby na tyle głupi, aby pod nim stanąć. Dla Henry'ego przekaźnik był instrumentem do demonstrowania zasad naukowych. Była to dźwignia elektryczna.
Henry był prawdopodobnie pierwszym, który połączył dwa obwody w ten sposób, tak aby elektromagnetyzm jednego obwodu mógł być użyty do sterowania drugim. Drugie miejsce, o ile nam wiadomo, zajmują William Cooke i Charles Wheatstone, chociaż mieli zupełnie inne cele.
W marcu 1836 r., krótko po udziale w pokazie telegrafu w Heidelbergu wykorzystującego igłę galwaniczną do przesyłania sygnałów, Cooke zainspirował się pozytywką. Cooke uważał, że użycie igieł do reprezentowania liter w prawdziwym telegrafie wymagałoby wielu igieł, a te z kolei wymagałyby wielu obwodów. Cooke chciał elektromagnesu, który uruchamiałby mechanizm, który mógłby być tak złożony, jak on chciał pokazać pożądaną literę.
Wymyślił maszynę przypominającą pozytywkę, z beczką otoczoną kilkoma szpilkami. Po jednej stronie beczki miałaby być okrągła skala z literami. Na każdym końcu linii telegraficznej miałoby być podobne pudełko. Sprężyna nawinięta na wałek powodowałaby obrót beczki, ale w większości przypadków byłaby ona przytrzymywana na miejscu przez ogranicznik. Gdy naciśnięto klawisz telegraficzny, obwód był zamykany, aktywując elektromagnesy, które zwalniały oba zamki, a obie maszyny obracały się. Gdy na skali pojawiała się pożądana litera, klucz był zwalniany, zamki zatrzaskiwały się, zatrzymując ruch beczek. Cook, nie wiedząc o tym, odtworzył chronometryczny model telegrafu Ronalda, wymyślony dwie dekady wcześniej, i wczesne eksperymenty braci Chappe z telegrafem (tylko oni używali dźwięku, a nie elektryczności, aby zsynchronizować wagi).
Cook zdał sobie sprawę, że ten sam mechanizm może rozwiązać długotrwały problem z telegrafem — powiadomienie odbiorcy o nowej wiadomości. Aby to zrobić, mógł użyć drugiego obwodu z innym elektromagnesem, który aktywowałby mechaniczny dzwonek. Zamknięcie obwodu pociągnęłoby za sobą blokadę, a dzwonek zadzwoniłby.
W marcu 1837 r. Cooke rozpoczął współpracę z Wheatstone’em nad telegrafem i mniej więcej w tym czasie zaczęli zastanawiać się nad potrzebą drugiego obwodu. Zamiast zakładać niezależny obwód dla sygnału ostrzegawczego (i ciągnąć kilometry dodatkowego przewodu), czy nie byłoby prościej użyć obwodu głównego do sterowania sygnałem?
W tym czasie Cooke i Wheatstone powrócili do projektu igły i było oczywiste, że mały kawałek drutu można podłączyć do igły tak, że gdy jego koniec zostanie przyciągnięty przez elektromagnes, jego ogon zamknie drugi obwód. Ten obwód wyzwoli sygnał. Po pewnym czasie, w którym odbiorca wiadomości mógł się obudzić, wyłączyć sygnał i przygotować ołówek i papier, igły można było użyć do przesłania wiadomości w normalny sposób.
W ciągu dwóch lat, na dwóch kontynentach, dwa razy, w dwóch różnych celach, ludzie zdali sobie sprawę, że elektromagnes może być używany jako przełącznik do sterowania innym obwodem. Ale można było również wyobrazić sobie zupełnie inny sposób interakcji dwóch obwodów.
Wzmacniacz
Jesienią 1837 roku Samuel Morse był pewien, że jego pomysł na telegraf elektryczny może zadziałać. Używając potężnej baterii i magnesu Henry'ego, mógł wysyłać wiadomości na pół mili. Jednak aby udowodnić Kongresowi, że jego telegraf może wysyłać wiadomości przez kontynent, potrzebował znacznie więcej. Było jasne, że bez względu na to, jak potężne były baterie, w pewnym momencie obwód stałby się zbyt długi, aby przesłać czytelny sygnał na drugi koniec. Morse zdał sobie jednak sprawę, że pomimo gwałtownego spadku mocy wraz z odległością, elektromagnes mógłby otwierać i zamykać inny obwód, zasilany własną baterią, który z kolei mógłby przesyłać sygnał dalej. Proces ten można było powtarzać tyle razy, ile było trzeba, pokonując odległości dowolnej długości. Dlatego te magnesy pośrednie nazywano „przekaźnikami”, jak urzędy pocztowe do zmiany koni. Przejmowały one wiadomość elektryczną od słabnącego partnera i przenosiły ją z nową energią.
Nie sposób ustalić, czy pomysł ten został zainspirowany pracą Henry'ego, ale Morse z pewnością był pierwszym, który użył przekaźnika w tym celu. Dla niego przekaźnik nie był przełącznikiem, ale wzmacniaczem, zdolnym zamienić słaby sygnał w silny.
Po drugiej stronie Atlantyku, mniej więcej w tym samym czasie , londyński farmaceuta, miał podobny pomysł. Prawdopodobnie zainteresował się telegrafem około 1835 roku. Na początku 1837 roku regularnie eksperymentował z pętlą o długości mili w Regent's Park w północno-zachodnim Londynie.
Niedługo po spotkaniu Cooke’a i Wheatstone’a w marcu 1837 r. Davy wyczuł konkurencję i zaczął poważniej myśleć o zbudowaniu praktycznego systemu. Zauważył, że siła odchylenia igły galwanicznej została zauważalnie zmniejszona przez zwiększenie długości drutu. Jak napisał wiele lat później:
Potem pomyślałem, że nawet najmniejszy ruch igły, grubości włosa, wystarczy, aby zetknąć dwie metalowe powierzchnie, zamykając nowy obwód zależny od lokalnej baterii; i tak w nieskończoność.
Davy nazwał ten pomysł przekształcenia słabego sygnału elektrycznego w silny „elektrycznym odnawiaczem”. Nie udało mu się jednak zrealizować tego ani żadnego innego pomysłu na telegraf. Otrzymał patent na telegraf w 1838 roku, niezależnie od Cooka i Wheatstone'a. Ale w 1839 roku popłynął do Australii, aby uciec od nieszczęśliwego małżeństwa, pozostawiając pole konkurencji. Ich firma telegraficzna kupiła patent kilka lat później.
Sztafety na świecie
W historii technologii skupiamy się na systemach, ale często ignorujemy ich komponenty. Kronikujemy telegraf, telefon, światło elektryczne i zanurzamy ich twórców w ciepłym blasku naszej aprobaty. Ale te systemy mogły powstać tylko poprzez łączenie, ponowne łączenie i przekształcanie istniejących elementów, rozwijając się cicho w cieniu.
Przekaźnik jest jednym z takich elementów. Szybko ewoluował i zróżnicował się, gdy sieci telegraficzne zaczęły się rozwijać w latach 1840. i 1850. XIX wieku. W ciągu następnego stulecia pojawił się we wszelkiego rodzaju systemach elektrycznych. Najwcześniejsza modyfikacja wykorzystywała sztywną metalową armaturę, podobną do sygnału telegraficznego, do zamykania obwodu. Gdy elektromagnes był wyłączany, armatura była uwalniana z obwodu przez sprężynę. Mechanizm ten był bardziej niezawodny i trwały niż kawałki drutu lub igły. Oprócz pierwotnej konstrukcji z domyślnym otwarciem, opracowano również modele, które były domyślnie zamknięte.
Typowy przekaźnik z końca XIX wieku. Sprężyna T zapobiega kontaktowi wirnika B ze stykiem C. Gdy elektromagnes M jest aktywowany, pokonuje sprężynę i zamyka obwód między przewodem W a stykiem C.
Na początku telegrafii przekaźniki rzadko były używane jako wzmacniacze lub „ulepszacze”, ponieważ pojedynczy obwód mógł być rozszerzony o ponad 150 km. Były jednak bardzo przydatne do łączenia długich linii niskiego prądu z lokalnymi liniami wysokiego napięcia, które mogły być używane do zasilania innych maszyn, takich jak rejestrator Morse'a.
Dziesiątki patentów w Stanach Zjednoczonych w drugiej połowie XIX wieku opisują nowe typy przekaźników i ich nowe zastosowania. Przekaźnik różnicowy, który dzielił cewkę tak, że efekt elektromagnetyczny był znoszony w jednym kierunku i wzmacniany w drugim, umożliwił wykorzystanie telegrafii dupleksowej: dwa sygnały poruszające się w przeciwnych kierunkach na jednym przewodzie. Thomas Edison użył przekaźnika spolaryzowanego (lub biegunowego), aby stworzyć kwadrupleks, zdolny do jednoczesnego wysyłania czterech sygnałów na jednym przewodzie: dwa w każdym kierunku. W przekaźniku spolaryzowanym sam wirnik był magnesem trwałym, który reagował na kierunek prądu, a nie na siłę. Magnesy trwałe umożliwiły wykonanie przekaźników ze stykami przełącznymi, które pozostawały otwarte lub zamknięte po przełączeniu.
Przekaźnik spolaryzowany
Przekaźniki, oprócz telegrafu, zaczęto stosować w systemach sygnalizacji kolejowej. Wraz z pojawieniem się sieci przesyłowych, przekaźniki zaczęto stosować również w tych systemach, zwłaszcza jako urządzenia zabezpieczające.
Ale nawet te rozległe i złożone sieci nie wymagały od przekaźników więcej, niż mogły dostarczyć. Telegraf i kolej docierały do każdego miasta, ale nie do każdego budynku. Miały dziesiątki tysięcy punktów końcowych, ale nie miliony. Systemy przesyłowe nie przejmowały się tym, gdzie się kończą – po prostu wprowadzały prąd do lokalnego obwodu, a każdy dom i firma mogły pobierać tyle, ile potrzebowały.
Telefonia była inną sprawą. Telefony musiały komunikować się punkt-punkt, z dowolnego domu lub biura do dowolnego innego, więc potrzebowały obwodów sterujących o niespotykanej dotąd skali. Ludzki głos, podróżujący jako wibracje wzdłuż przewodów, był bogatym, ale słabym sygnałem. Więc telefony dalekobieżne potrzebowały lepszych wzmacniaczy. Okazało się, że przełączniki mogą działać z takimi wzmacniaczami. Teraz, bardziej niż jakikolwiek inny system, sieci telefoniczne kontrolowały ewolucję przełączników.
Co czytać
• James B. Calvert, „Telegraf elektromagnetyczny”
• Franklin Leonard Pope, „Nowoczesna praktyka telegrafu elektrycznego” (1891)
Źródło: www.habr.com
