Inne artykuły cyklu:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
W Zobaczyliśmy, jak pierwsza generacja komputerów cyfrowych została zbudowana w oparciu o pierwszą generację automatycznych przekaźników elektrycznych – przekaźników elektromagnetycznych. Ale w momencie, gdy te komputery zostały stworzone, w tle czekał na swój debiut jeszcze jeden cyfrowy przełącznik. Przekaźnik był urządzeniem elektromagnetycznym (wykorzystującym elektryczność do sterowania mechanicznym przełącznikiem), a nowa klasa cyfrowych przełączników była elektroniczna – oparta na nowej wiedzy o elektronie, która pojawiła się na początku XX wieku. Ta nauka określiła, że nośnikiem energii elektrycznej była nie energia, nie fala, nie pole – lecz twarda cząstka.
Urządzenie, które zapoczątkowało erę elektroniki opartą na tej nowej fizyce, stało się znane jako „lampa elektronowa” [w USA – vacuum tube, czyli „lampa próżniowa”]. Historia jej powstania obejmuje dwie osoby: Anglika i Amerykanina . W rzeczywistości pochodzenie elektroniki jest bardziej złożone, splata się z wielu nici, które przeplatają Europę i Atlantyk, sięgając w przeszłość aż do wczesnych eksperymentów z bankami Leydena w połowie XVIII wieku.
Jednak w ramach naszego przedstawienia wygodnie będzie omówić (gra słów!) tę historię poczynając od Thomasa Edisona. W latach 80. XIX wieku Edison dokonał interesującego odkrycia, pracując nad oświetleniem elektrycznym – odkrycie to przygotowuje scenę dla naszej opowieści. Stąd wzięły się dalsze rozwój lamp elektronowych, które były potrzebne dla dwóch systemów technologicznych: nowego typu bezprzewodowej transmisji wiadomości oraz stale rozwijających się sieci telefonicznych.
Prolog: Edison
Edisona zwykle uważa się za wynalazcę żarówki. To jednocześnie przyznaje mu zbyt wiele i zbyt mało zasługi. Zbyt wiele, ponieważ nie tylko Edison wymyślił świecącą żarówkę. Oprócz tłumu wynalazców, którzy go poprzedzali, a których dzieła nie dotarły do komercyjnego zastosowania, można wymienić Josepha Swana oraz Charlesa Sturza z Wielkiej Brytanii oraz Amerykanina Williama Sawyer'a, którzy wprowadzili żarówki na rynek jednocześnie z Edisona. [Zasługa wynalazku należy się także rosyjskiemu wynalazcy . Łodygin był pierwszym, który wpadł na pomysł, by wyssać powietrze ze szklanej bańki lampy, a następnie zaproponował, by włókno żarowe robić nie z węgla lub węglowych włókien, ale z wysokotopliwego wolframu / przyp. red.]. Wszystkie lampy składały się z uszczelnionej szklanej bańki, wewnątrz której znajdowała się oporowa nić. Po włączeniu lampy do obwodu ciepło, które powstawało dzięki oporowi nici prądowi, powodowało jej świecenie. Z bańki zostało wyssane powietrze, aby nić nie zapaliła się. Elektryczne światło było już znane w dużych miastach w postaci , które były używane do oświetlenia dużych miejsc publicznych. Wszyscy ci wynalazcy szukali sposobu, aby zmniejszyć ilość światła, biorąc z płonącego łuku jasną cząstkę, wystarczająco małą, aby wykorzystać ją w domach w miejsce lamp gazowych, i uczynić źródło światła bezpieczniejszym, czystszym i jaśniejszym.
A tym, co Edison faktycznie zrobił – a dokładniej, co stworzył jego przemysłowy laboratorium – nie było tylko stworzenie źródła światła. Zbudowali cały system elektryczny do oświetlenia domów – generatory, kable do przesyłania prądu, transformatory itp. Z tego wszystkiego żarówka była tylko najbardziej oczywistym i widocznym komponentem. Obecność imienia Edisona w jego firmach produkujących energię elektryczną nie była prostym ukłonem przed wielkim wynalazcą, jak miało to miejsce w przypadku Bell Telephone. Edison pokazał się nie tylko jako wynalazca, ale i architekt systemowy. Jego laboratorium kontynuowało prace nad ulepszaniem różnych komponentów oświetlenia elektrycznego nawet po ich wczesnym sukcesie.
Egzemplarz wczesnych lamp Edisona
W trakcie badań gdzieś w 1883 roku Edison (a być może jeden z jego współpracowników) postanowił umieścić wewnątrz świecącej żarówki oprócz włókna także metalową płytkę. Powody tego działania są niejasne. Być może była to próba wyeliminowania przyciemnienia żarówki – wnętrze szklanej bańki z czasem gromadziło tajemniczą ciemną substancję. Inżynier prawdopodobnie miał nadzieję, że te czarne cząsteczki będą przyciągane do znajdującej się pod napięciem płytki. Ku swojemu zdziwieniu odkrył, że gdy płytka była podłączona do obwodu razem z dodatnim końcem włókna, to wartość prądu przepływającego przez włókno była wprost proporcjonalna do intensywności świecenia włókna. Po połączeniu płytki z ujemnym końcem włókna nic podobnego nie zaobserwowano.
Edison postanowił, że ten efekt, później nazwany efektem Edisona lub , można wykorzystać do pomiaru lub nawet kontrolowania „siły elektromotorycznej” lub napięcia w systemie elektrycznym. Z przyzwyczajenia złożył wniosek o patent na ten „elektryczny wskaźnik”, a następnie wrócił do ważniejszych zadań.
Bez przewodów
Przenieśmy się o 20 lat w przyszłość, do 1904 roku. W tym czasie w Anglii John Ambrose Fleming pracował na zlecenie Marconi Company nad ulepszaniem odbiornika fal radiowych.
Ważne jest zrozumienie, czym było i czym nie było radio wówczas, zarówno z punktu widzenia narzędzia, jak i praktyki. Radio w tamtym czasie nawet nie nazywano „radio”, nazywano je „wireless”, czyli bezprzewodowe. Termin „radio” zaczął dominować dopiero w latach 10. XX wieku. Miał na myśli bezprzewodowy telegraf – system przesyłania sygnałów w postaci kropek i kresek od nadawcy do odbiorcy. Jego głównym zastosowaniem była komunikacja między statkami a służbami portowymi, co w tym sensie interesowało morskie władze na całym świecie.
Niektórzy wynalazcy tamtego okresu, w szczególności , eksperymentowano z pomysłem telefonu radiowego – przesyłania wiadomości głosowych przez powietrze w formie ciągłej fali. Jednakże nowoczesne pojęcie transmisji radiowej pojawiło się dopiero 15 lat później: przesyłanie wiadomości, historii, muzyki oraz innych programów dla szerokiej publiczności. Do tego czasu wszechstronność sygnałów radiowych uważano za problem do rozwiązania, a nie za cechę, z której można skorzystać.
Istniejący wówczas sprzęt radiowy był dostosowany do pracy z alfabetem Morse'a, ale źle funkcjonował w innych zastosowaniach. Nadajniki wytwarzały fale Herz'a, przesyłając iskrę przez przerwę w obwodzie. W związku z tym sygnał był zawsze otoczony trzaskiem statyki.
Odbiorniki rozpoznawały ten sygnał dzięki kohererowi: metalowe opiłki w szklanej rurce, które pod wpływem fal radiowych łączyły się w jednolitą masę, a tym samym zamykały obwód. Następnie trzeba było stuknąć w szkło, aby opiłki się rozproszyły i odbiornik był gotowy na następny sygnał – najpierw robiono to ręcznie, ale wkrótce pojawiły się też urządzenia automatyczne.
W 1905 roku zaczęto pojawiać się , znane również jako „kocie wąsy”. Okazało się, że wystarczy dotknąć przewodem odpowiedniego kryształu, na przykład krzemu, pirytu lub , aby wydobyć sygnał radiowy z powietrza. Otrzymywane odbiorniki były tanie, kompaktowe i dostępne dla każdego. Stymulowały rozwój radioamatorstwa, szczególnie wśród młodzieży. Nagły wzrost aktywności w eterze spowodowany tym doprowadził do problemów związanych z tym, że radioetyk był dzielony pomiędzy wszystkich użytkowników. Niewinne rozmowy amatorów mogły przypadkowo krzyżować się z rozmowami floty morskiej, a niektórzy chuligani nawet potrafili wydawać fałszywe rozkazy i wysyłać sygnały o pomoc. Państwo nieuchronnie musiało interweniować. Jak pisał sam Ambrose Fleming, pojawienie się detektorów krystalicznych
Natychmiast spowodowało to wzrost nieodpowiedzialnej radiotelegrafii z powodu wybryków niezliczonej liczby amatorów-elektroników i studentów, co wymagało surowej interwencji krajowych i międzynarodowych organów władzy, aby utrzymać sytuację w rozsądnych i bezpiecznych ramach.
Z niezwykłych elektrycznych właściwości tych kryształków wkrótce pojawi się trzecia generacja cyfrowych przełączników, po przekaźnikach i lampach – przełączniki, które będą dominować w naszym świecie. Ale wszystko ma swój czas. Opisaliśmy scenę, teraz skierujmy naszą uwagę na aktora, który właśnie wkroczył w blask reflektorów: Ambrose Fleming, Anglia, 1904 rok.
Zawór
W 1904 roku Fleming był profesorem elektrotechniki w University College London oraz konsultantem dla Marconi Company. Początkowo firma zatrudniła go w celu uzyskania ekspertyzy dotyczącej budowy elektrowni, ale następnie zajął się zadaniem ulepszenia odbiornika.
Fleming w 1890 roku
Wszyscy wiedzieli, że koherer był złym odbiornikiem z punktu widzenia czułości, a zaprojektowany w Marconiem detektor magnetyczny nie był szczególnie lepszy. Aby znaleźć mu zamiennik, Fleming najpierw postanowił zbudować wrażliwy obwód do wykrywania fal Hertz. Urządzenie to, nawet nie będąc samym w sobie detektorem, okaże się przydatne w przyszłych badaniach.
W tym celu musiał wymyślić sposób na stałe mierzenie siły prądu generowanego przez nadchodzące fale, zamiast używać dyskretnego koherera (pokazywał tylko stany włączone - gdzie opiłki się sklejają, albo wyłączone). Ale znane urządzenia pomiarowe siły prądu – galwanometry – wymagały do działania prądu stałego, czyli jednokierunkowego. Prąd zmienny, wywołany falami radiowymi, zmieniał kierunek tak szybko, że pomiar nie byłby możliwy.
Fleming przypomniał sobie, że w jego szafie kurzy się kilka interesujących rzeczy – lampy wskaźnikowe Edisona. W latach 80. XIX wieku był konsultantem w Edison Electric Light Company w Londynie i pracował nad problemem czernienia lamp. Wówczas otrzymał kilka kopii wskaźnika, być może od Williama Prisa, głównego inżyniera elektryka brytyjskiej Poczty, który właśnie wrócił z wystawy elektrycznej w Filadelfii. W tamtym czasie, poza USA, kontrola nad telegrafem i telefonem była powszechną sprawą, dlatego były one centraliami ekspertyz elektrycznych.
Później, w latach 90. XIX wieku, Fleming sam badał efekt Edisona, używając lamp otrzymanych od Prisa. Pokazał, że efekt polegał na tym, że prąd płynął w jednym kierunku: negatywny potencjał elektryczny mógł płynąć z gorącego włókna do zimnego elektrody, ale nie odwrotnie. Dopiero w 1904 roku, gdy stanął przed zadaniem wykrywania fal radiowych, zrozumiał, że ten fakt można wykorzystać w praktyce. Wskaźnik Edisona pozwoliłby jedynie na impulsy prądu zmiennego kierujące się w jedną stronę pokonać przerwę między włóknem a płytą, co dałoby stały i jednostronny przepływ.
Fleming wziął jedną z lamp, połączył ją szeregowo z galwanometrem i włączył nadajnik iskrowy. Voilà – lustereczko się obróciło, a promień światła przesunął się na skali. Zadziałało. Mógł dokładnie zmierzyć przychodzący sygnał radiowy.
Prototypy zaworu Fleminga. Anoda znajduje się w środku pętli włókna (gorącego katoda).
Fleming nazwał swoje wynalazek ‘zaworem’, ponieważ przepuszczał elektryczność tylko w jednym kierunku. Mówiąc ogólnym językiem elektroenergetyki, był to prostownik – sposób na konwersję prądu zmiennego na stały. Później nazwano go diodą, ponieważ miał dwa elektrody – gorący katoda (włókno), emitujący elektryczność, i zimna anoda (płytka), odbierająca ją. Fleming wprowadził w projekt kilka ulepszeń, ale w zasadzie urządzenie nie różniło się od lampy wskaźnikowej wyprodukowanej przez Edisona. Jej przejście w nową jakość miało miejsce w wyniku zmiany sposobu myślenia – takie zjawisko widzieliśmy już wielokrotnie. Zmiana miała miejsce w świecie idei w głowie Fleminga, a nie w świecie rzeczy na zewnątrz.
Sam w sobie zawór Fleminga był użyteczny. To było najlepsze przenośne urządzenie do pomiaru sygnałów radiowych i przyzwoity detektor sam w sobie. Jednak świat nie był tym poruszony. Eksplozja wzrostu elektroniki zaczęła się dopiero po tym, jak Lee de Forest dodał trzeci elektrod i zamienił zawór w przekaźnik.
Słuchanie
Lee de Forest miał nietypowe dzieciństwo dla studenta z Yale. Jego ojciec, Reverend Henry de Forest, był weteranem wojny secesyjnej z Nowego Jorku, pastor , i głęboko wierzył, że jako kaznodzieja powinien szerzyć boskie światło wiedzy i sprawiedliwości. Podążając za wezwaniem obowiązku, przyjął zaproszenie na stanowisko prezydenta Collegium Talladega w Alabamie. Uczelnia została założona po wojnie secesyjnej przez Amerykańskie Stowarzyszenie Misjonarskie z siedzibą w Nowym Jorku. Miała na celu kształcenie i pouczanie miejscowych czarnoskórych mieszkańców. Tam Lee czuł się jak między młotem a kowadłem – miejscowi czarni upokarzali go za naiwność i tchórzostwo, a miejscowi biali – za to, że był .
I jednak, jako młody chłopak, de Forest wykształcił w sobie silną pewność siebie. Odkrył w sobie skłonność do mechaniki i wynalazków – jego makieta lokomotywy stała się lokalnym cudem. Już w wieku nastoletnim, ucząc się w Talladega, postanowił poświęcić swoje życie wynalazkom. Następnie, będąc młodym człowiekiem i mieszkając w Nowym Halenie, syn pastora porzucił swoje ostatnie religijne przekonania. Stopniowo znikały one z powodu jego styczności z darwinizmem, a potem zostały na zawsze usunięte po przedwczesnej śmierci jego ojca. Jednak poczucie posiadania przeznaczenia nie opuszczało de Forest – uważał siebie za geniusza i dążył do stania się drugim Nikolą Teslą, bogatym, sławnym i tajemniczym czarodziejem epoki elektryczności. Jego koledzy z Yale uważali go za samolubnego próżniaka. Można go uznać za najmniej popularnego człowieka w naszej historii.
de Forest, ok.1900
Po ukończeniu studiów na Uniwersytecie Yale w 1899 roku, de Forest postanowił opanować rozwijającą się sztukę przesyłania sygnałów bezprzewodowych jako drogę do bogactwa i sławy. W kolejnych dekadach wkroczył na tę ścieżkę z wielką determinacją i pewnością siebie, bez żadnych wątpliwości. Wszystko zaczęło się od współpracy de Foresta i jego partnera Eda Smita w Chicago. Smit utrzymywał ich przedsiębiorstwo na powierzchni za pomocą regularnych płatności, a razem opracowali własny detektor fal radiowych, składający się z dwóch metalowych płyt połączonych klejem, który de Forest nazywał „pastą” [goo]. Jednak de Forest nie mógł długo czekać na nagrody za swoje geniusz. Pozbył się Smita i nawiązał współpracę z kontrowersyjnym finansistą z Nowego Jorku o imieniu Abraham White [ironizującym swoją imię nadane mu przy urodzeniu, Schwarz, aby ukryć swoje mroczne interesy. White/White - (ang.) biały, Schwarz/Schwarz - (niem.) czarny / przyp. tłum.], zakładając firmę De Forest Wireless Telegraph Company.
Działalność firmy była drugorzędna dla obu naszych bohaterów. White wykorzystywał ludzką ignorancję, by napełnić swoje kieszenie. Wyłudzał miliony od inwestorów, którzy usilnie starali się nie przegapić oczekiwanego boomu radiowego. A de Forest, dzięki obfitemu przypływowi środków od tych "naiwniaków", skoncentrował się na udowodnieniu swojego geniuszu poprzez opracowanie nowego amerykańskiego systemu bezprzewodowego przesyłania informacji (w przeciwieństwie do europejskiego opracowanego przez Marconiego i innych).
Niestety dla amerykańskiego systemu, detektor de Foresta nie działał zbyt dobrze. Na pewien czas rozwiązał ten problem, pożyczając opatentowany projekt Reginalda Fessendena detektora nazwanego „ciekłym barettern” - dwa platynowe druty zanurzone w kąpieli z kwasu siarkowego. Fessenden pozywał o naruszenie patentu – i tę sprawę, jak się wydaje, z pewnością by wygrał. De Forest nie mógł się uspokoić, dopóki nie wymyśliłby nowego detektora, który należałby tylko do niego. Jesienią 1906 roku ogłosił stworzenie takiego detektora. Na dwóch różnych spotkaniach w Amerykańskim Instytucie Elektryków de Forest opisał swój nowy bezprzewodowy detektor, nazwany przez niego „Audiionem”. Jednak jego rzeczywiste pochodzenie budzi wątpliwości.
Przez jakiś czas próby de Foresta zbudowania nowego detektora obracały się wokół przepływu prądu przez płomień , które, według jego przekonania, mogło być asymetrycznym przewodnikiem. Idea, jak się wydaje, nie przyniosła sukcesu. W pewnym momencie w 1905 roku dowiedział się o zaworze Fleminga. De Forest wbił sobie do głowy, że ten zawór i jego urządzenie oparte na palniku zasadniczo nie różnią się – jeśli zastąpić gorącą nić płomieniem i przykryć to szklaną kolbą, aby ograniczyć gaz, to otrzymamy ten sam zawór. Opracował serię patentów, które powtarzały historię wcześniejszych wynalazków przed zaworem Fleminga przy pomocy detektorów opartych na gazowym płomieniu. Widocznie chciał przypisać sobie pierwszeństwo w wynalazku, omijając patent Fleminga, ponieważ prace nad palnikiem Bunsena miały miejsce przed pracami Fleminga (od 1900 roku).
Nie można powiedzieć, czy był to samookłamywanie czy oszustwo, ale w rezultacie powstał patent de Foresta z sierpnia 1906 roku na „opustoszały szklany pojemnik, zawierający dwa oddzielne elektrody, pomiędzy którymi występuje gazowe medium, które przy dostatecznym ogrzewaniu staje się przewodnikiem i tworzy element czuły”. Sprzęt i działanie urządzenia należą do Fleminga, a wyjaśnienie jego działania – do de Foresta. W rezultacie de Forest przegrał spór patentowy, chociaż zajęło mu to dziesięć lat.
Niecierpliwy czytelnik może już zacząć zastanawiać się, dlaczego poświęcamy tyle czasu temu człowiekowi, którego samozwańczy geniusz polegał na przywłaszczaniu cudzych pomysłów? Powód tkwi w przekształceniach, jakie przeszedł Audion w ciągu ostatnich kilku miesięcy 1906 roku.
W tym czasie de Forest nie miał pracy. White z partnerami uniknęli odpowiedzialności w związku z pozwem Fessendena, zakładając nową firmę, United Wireless, i pożyczając jej aktywa American De Forest za kwotę 1 dolar. De Forest został wyrzucony z 1000 dolarów odszkodowania i kilkoma bezużytecznymi patentami, w tym patentem na Audion. Przyzwyczajony do rozrzutnego stylu życia, zmagał się z poważnymi trudnościami finansowymi i rozpaczliwie próbował przemienić Audion w wielki sukces.
Aby zrozumieć, co się wydarzyło później, ważne jest, aby wiedzieć, że de Forest uważał, że wynalazł przekaźnik – w przeciwieństwie do prostownika Fleminga. Stworzył swój A audion, łącząc akumulator z zimną płytą zaworu, i wierzył, że sygnał w schemacie antenowym (połączonym z gorącą nitką) modulował silniejszy prąd w obwodzie akumulatora. Mylił się: nie były to dwie schematy, akumulator po prostu przesuwał sygnał z anteny, a nie wzmacniał go.
Ale ten błąd stał się krytyczny, ponieważ doprowadził de Forest do eksperymentów z trzecim elektrodą w bańce, która miała jeszcze bardziej rozdzielić te dwie schematy „przekaźnika”. Na początku dodał drugi zimny elektrod obok pierwszego, ale następnie, być może pod wpływem mechanizmów sterujących stosowanych przez fizyków do przekierowywania wiązek w urządzeniach katodowych, przesunął elektrod na miejsce pomiędzy nitką a pierwotną płytą. Uznawał, że taka pozycja może przerywać przepływ prądu i zmienił kształt trzeciego elektrody z płaskiej na falisty przewód, przypominający ruszt – nazwał go „siatką”.
Triod A audion z 1908 roku. Nitka (przerwana) po lewej – katoda, falisty przewód – siatka, zaokrąglona metalowa płyta – anoda. Wciąż ma gwint, jak zwykła żarówka.
I to już było prawdziwe przekaźnik. Słaby prąd (taki, jaki generuje antena radiowa), podany na siatkę, mógł kontrolować znacznie silniejszy prąd między nitką a płytą, odpychając naładowane cząsteczki próbujące przejść między nimi. Ten detector działał znacznie lepiej niż zawór, ponieważ nie tylko prostował, ale także wzmacniał sygnał radiowy. I, podobnie jak zawór (w przeciwieństwie do koherera), mógł wydawać stały sygnał, co umożliwiało tworzenie nie tylko radiotelegrafu, ale także radiotelefonu (a później – transmisji głosu i muzyki).
W praktyce działał niezbyt dobrze. Audiomy de Forest były kapryśne, szybko się wypalały, ich produkcji brakowało stałości jakości, a jako wzmacniacze były nieskuteczne. Aby konkretny A audion działał prawidłowo, potrzeba było dostosować do niego parametry elektryczne schematu.
Jednak de Forest wierzył w swoje wynalazki. W celu ich reklamowania zorganizował nową firmę, De Forest Radio Telephone Company, ale sprzedaż była znikoma. Największym sukcesem była sprzedaż sprzętu dla floty do komunikacji wewnętrznej podczas rejsu dookoła świata „«. Jednak dowódca floty, nie mając czasu na to, aby uruchomić nadajniki i odbiorniki de Forsta oraz przeszkolić załogę w ich obsłudze, kazał spakować je i zostawić w magazynie. Co więcej, nowa firma de Forsta, kierowana przez ucznia Abrahama White'a, nie była bardziej uczciwa niż poprzednia. Oprócz swoich niepowodzeń wkrótce znalazł się pod zarzutami oszustwa.
Przez pięć lat Audion nic nie zrealizował. A znów telefon odegra kluczową rolę w rozwoju cyfrowego przekaźnika, tym razem ratując obiecującą, ale niedostatecznie przetestowaną technologię, która znajdowała się na skraju zapomnienia.
I znów telefon
Sieć komunikacyjna na duże odległości była centralnym układem nerwowym AT&T. Łączyła ze sobą wiele lokalnych firm i dawała kluczową przewagę konkurencyjną po wygaśnięciu patentów Bella. Dołączając do sieci AT&T nowy klient mógł teoretycznie skontaktować się z wszystkimi innymi abonentami, znajdującymi się tysiące kilometrów od niego – chociaż w rzeczywistości rozmowy na duże odległości były rzadkością. Sieć była również materialną podstawą dla wszechobecnej ideologii firmy „Jedna polityka, jeden system, uniwersalny serwis”.
Jednak na początku drugiej dekady dwudziestego wieku ta sieć osiągnęła fizyczny maksymalny poziom. Im dalej ciągnięto kable telefoniczne, tym słabszy i głośniejszy stawał się sygnał, a w końcu mowa stawała się praktycznie nieczytelna. Z tego powodu w Stanach Zjednoczonych istniały w rzeczywistości dwie sieci AT&T, oddzielone grzbietem kontynentalnym.
Dla sieci wschodniej punktem odniesienia był Nowy Jork, a mechaniczne repeater i – powiązaniami, które określały, jak daleko mógł sięgać ludzki głos. Ale te technologie nie były wszechpotężne. Cewki zmieniały właściwości elektryczne telefonu, zmniejszając osłabienia wysokich częstotliwości dźwięku – mogły jedynie je zredukować, a nie całkowicie wyeliminować. Mechaniczne repeatory (zwykły głośnik telefoniczny połączony z mikrofonem wzmacniającym) dodawały szum z każdym powtarzanym sygnałem. Linia z 1911 roku z Nowego Jorku do Denver osiągnęła maksymalną długość związku. O rozciągnięciu sieci na cały kontynent nie było mowy. Jednak w 1909 roku John Carty, główny inżynier AT&T, publicznie obiecał to zrobić. Obiecał to zrobić w ciągu pięciu lat – na czas rozpoczęcia w San Francisco w 1915 roku.
Pierwszym, kto umożliwił takie przedsięwzięcie za pomocą nowego wzmacniacza telefonicznego, nie był Amerykanin, lecz dziedzic bogatej weneckiej rodziny, interesujący się nauką. Będąc młodym, za pomocą środków swoich rodziców kupił firmę produkującą telefony i postanowił stworzyć wzmacniacz do rozmów telefonicznych. Do 1906 roku stworzył przekaźnik oparty na lampach elektronowych, które w tamtym czasie były powszechnie używane w eksperymentach fizycznych (a później stały się podstawą dominującej w XX wieku technologii ekranów wideo). Słaby sygnał wejściowy kontrolował elektromagnes, który wyginał wiązkę, modulując silniejszy prąd w głównym obwodzie.
Do 1910 roku von Lieben z kolegami, Eugenem Reizem i Zygmuntem Strausssem, dowiedzieli się o Audionie de Forésta i zastąpili magnes w rurce siatką kontrolującą katodowe wiązki – ten projekt okazał się najbardziej efektywny i przewyższał wszystkie dotychczasowe osiągnięcia w USA. Niemiecka sieć telefoniczna wkrótce przyjęła wzmacniacz von Liebena. W 1914 roku dzięki niemu udało się przeprowadzić nerwowy telefoniczny telefonat dowódcy Armii Wschodniopruskiej do niemieckiego sztabu oddalonego o 1000 kilometrów w Koblencji. To zmusiło szefa sztabu do wysłania generałów Hindenburga i Ludendorffa na wschód, ku wiecznej chwale, ale z poważnymi konsekwencjami. Podobne wzmacniacze później łączyły niemiecki sztab z armiami polowymi na południu i wschodzie aż do Macedonii i Rumunii.
Kopia udoskonalonego katodowo-łukowego przekaźnika Fon Liebena. Katoda znajduje się u dołu, anoda to cewka na górze, a siatka to okrągła metalowa folia w środku.
Jednak bariery językowe i geograficzne, a także wojna, spowodowały, że ten projekt nie dotarł do USA, a wkrótce inne wydarzenia go wyprzedziły.
A w tym czasie de Forest opuścił podupadającą Radio Telephone Company w 1911 roku i uciekł do Kalifornii. Tam zatrudnił się w Federal Telegraph Company w Palo Alto, założonej przez absolwenta Stanfordu. . Nominalnie de Forest miał pracować nad wzmacniaczem, który zwiększałby głośność wyjściowego sygnału federalnego radia. W rzeczywistości on, Herbert van Etten (doświadczony inżynier telefoniczny) i Charles Logwood (twórca odbiornika) zajęli się stworzeniem wzmacniacza telefonicznego, by wspólnie zdobyć nagrodę od AT&T, która podobno wynosiła 1 mln dolarów.
W tym celu de Forest wydobył z piwnicy Audion i do 1912 roku on z kolegami mieli już urządzenie gotowe do demonstracji w firmie telefonicznej. Składało się ono z kilku połączonych szeregowo Audionów, które tworzyły wzmocnienie etapowe, a także kilku komponentów pomocniczych. Urządzenie w zasadzie działało – mogło wzmocnić sygnał na tyle, aby usłyszeć spadającą chusteczkę lub tykanie zegarka kieszonkowego. Ale tylko przy prądach i napięciach zbyt małych, aby były użyteczne w telekomunikacji. Przy zwiększeniu prądu Audiony zaczynały emitować niebieskie światło, a sygnał zamieniał się w szum. Jednak telefonicy byli wystarczająco zainteresowani, aby przekazać urządzenie swoim inżynierom i zobaczyć, co mogą z tym zrobić. Jak się okazało, jeden z nich, młody fizyk Harold Arnold, dokładnie wiedział, jak naprawić wzmacniacz z Federal Telegraph.
Nadszedł czas, aby omówić, w jaki sposób działały zawór i Audion. Kluczowe zrozumienie, niezbędne do wyjaśnienia ich działania, pojawiło się w Laboratorium Cavendisha w Cambridge – intelektualnym centrum nowej elektroniki. W 1899 roku J.J. Thomson pokazał w eksperymentach z rurkami katodowymi, że cząstka mająca masę, która później została nazwana elektronem, przenosi prąd z katody do anody. W ciągu następnych kilku lat Owen Richardson, współpracownik Thomsona, rozwijał tę hipotezę w matematyczną teorię emisji termoelektronowej.
Ambrose Fleming, inżynier pracujący zaledwie krótki przejazd pociągiem od Cambridge, był zaznajomiony z tymi pracami. Uświadomił sobie, że jego zawór działa dzięki emisji termoelektronowej elektronów z nagrzanego włókna, które przebywały przez próżnię do zimnej anody. Jednak próżnia w lampie wskaźnikowej nie była głęboka – dla zwykłej żarówki to nie było konieczne. Wystarczyło odessać tyle tlenu, aby włókno się nie zapalało. Fleming zrozumiał, że aby zawór działał jak najlepiej, trzeba go jak najdokładniej opróżnić, aby pozostały gaz nie przeszkadzał w przepływie elektronów.
De Forest tego nie zrozumiał. Ponieważ dotarł do zaworu i Audionu dzięki eksperymentom z palnikiem Bunsena, jego przekonanie było odwrotne – uważał, że gorący zjonizowany gaz był medium roboczym urządzenia i że jego całkowite usunięcie spowoduje zatrzymanie działania. To właśnie dlatego Audion działał tak niestabilnie i niezadowalająco jako odbiornik radiowy, a więc emitował niebieskie światło.
Arnold w AT&T znalazł się w idealnej sytuacji, aby naprawić błąd de Foresta. Był fizykiem, który uczył się u Roberta Millikana na Uniwersytecie w Chicago i został zatrudniony specjalnie, aby zastosować swoją wiedzę w nowej elektronice do budowy sieci telefonicznej od wybrzeża do wybrzeża. Wiedział, że lampa Audiona będzie działać najlepiej w prawie idealnej próżni, znał nowoczesne pompy, które mogły osiągnąć taką próżnię, wiedział, że nowy typ włókna pokrytego tlenkiem wraz ze zwiększoną płytką i siatką również zwiększy przepływ elektronów. Krótko mówiąc, przekształcił Audion w lampę elektronową, cudotwórcę epoki elektronów.
AT&T zyskało potężny wzmacniacz potrzebny do budowy transkontynentalnej linii – brakowało tylko praw do jego użycia. Reprezentanci firmy byli nieufni podczas negocjacji z de Forestem, ale przeprowadzili osobną rozmowę przez zewnętrznego prawnika, który zdołał nabyć prawa do używania Audiona jako telefonowego wzmacniacza za 50 000 dolarów (około 1,25 miliona dolarów w 2017 roku). Linia Nowy Jork – San Francisco otworzyła się akurat na czas, ale bardziej jako triumf technicznej wirtuozerii i reklamy korporacyjnej niż jako środek komunikacji. Koszt rozmów był tak astronomiczny, że niemal nikt nie mógł z niej korzystać.
Era elektroniczna
Prawdziwa lampa elektronowa stała się początkiem zupełnie nowego drzewa komponentów elektronicznych. Tak jak przekaźnik, lampa elektronowa stale rozszerzała możliwości swojego zastosowania, gdy inżynierowie znajdowali nowe sposoby dostosowywania jej konstrukcji do rozwiązywania konkretnych zadań. Wzrost plemienia „-odów” nie zakończył się na diodach i triodach. Kontynuował się z , która dodała dodatkową siatkę wspierającą wzmocnienie wraz ze wzrostem elementów w schemacie. Następnie pojawiały się , , a nawet . Pojawiły się tyratrony wypełnione parą rtęciową, świecące złowieszczym niebieskim światłem. Miniaturowe lampy wielkości małego palca u nogi lub nawet żołędzia. Lampy z katodą pośredniego nagrzewania, w których buczenie źródła prądu przemiennego nie zakłócało sygnału. Książka "Saga lampy elektronowej" [Saga of the Vacuum Tube], opisująca wzrost przemysłu lamp do 1930 roku, wymienia ponad 1000 różnych modeli według ich indeksu – chociaż wiele z nich było nielegalnymi kopiami od niezasługujących na zaufanie marek: Altron, Perfectron, Supertron, Volttron itd.
Ważniejsze od różnorodności form było zastosowanie lampy elektronicznej. Schematy regeneracyjne przekształciły triody w nadajniki, które generowały gładkie i stabilne fale sinusoidalne, bez hałaśliwych iskier, idealnie przekazując dźwięk. Z kogererem i iskrami w 1901 roku Marconi ledwo mógł przesłać krótki fragment alfabetu Morse'a przez wąski odcinek Atlantyku. W 1915 roku, wykorzystując lampy elektroniczne jako nadajniki i odbiorniki, AT&T mogło przesłać ludzki głos z Arlington w Wirginii do Honolulu – na dwa razy dłuższą odległość. Do lat 20. XX wieku połączyli telefonię na dużych odległościach z wysokiej jakości transmisją dźwięku i stworzyli pierwsze sieci radiowe. W ten sposób wkrótce cały naród mógł słuchać w radiu tego samego głosu, niezależnie od tego, czy był to Roosevelt, czy Hitler.
Ponadto możliwość tworzenia nadajników dostrojonych do dokładnej i stabilnej częstotliwości umożliwiła inżynierom telekomunikacyjnym zrealizowanie odwiecznego marzenia o multiplexie częstotliwościowym, które przyciągało Aleksandra Bella, Edisona i innych pięćdziesiąt lat temu. W 1923 roku AT&T miało dziesięciokanałową linię głosową z Nowego Jorku do Pittsburgha. Możliwość przesyłania wielu głosów jednym miedzianym przewodem drastycznie obniżyła koszty rozmów międzymiastowych, które z powodu wysokich cen były zawsze dostępne tylko dla najbogatszych ludzi i przedsiębiorstw. Widząc, co potrafią lampy elektroniczne, AT&T wysłało swoich prawników, aby wykupić dodatkowe prawa od De Foresta, aby zapewnić sobie prawa do użycia Audiona we wszystkich dostępnych obszarach. W sumie zapłacili mu 390 000 dolarów, co w dzisiejszych pieniądzach odpowiada około 7,5 miliona dolarów.
Dlaczego przy takiej różnorodności lampy elektronowe nie dominowały w pierwszej generacji komputerów tak, jak dominowały w radiu i innym sprzęcie telekomunikacyjnym? Oczywiste jest, że trioda mogła być cyfrowym przełącznikiem tak samo jak przekaźnik. Tak oczywiste, że de Forest wręcz uważał, że stworzył przekaźnik jeszcze przed tym, jak go na prawdę stworzył. A trioda była znacznie bardziej responsywna niż tradycyjny elektromechaniczny przekaźnik, ponieważ nie było potrzeby fizycznego przesuwania rdzenia. Typowemu przekaźnikowi przełączającemu zajmowało to kilka milisekund, natomiast zmiana przepływu od katody do anody z powodu zmiany potencjału elektrycznego na siatce była niemal natychmiastowa.
Jednak lampy miały oczywisty minus w porównaniu z przekaźnikami: ich tendencję do przepalania się, na wzór ich poprzedników - żarówek do oświetlenia. Żywotność oryginalnego Audiona de Forest była tak krótka - wynosząca około 100 godzin - że w lampie znajdowała się zapasowa nitka, którą trzeba było podłączyć po przepaleniu pierwszej. To było bardzo złe, ale nawet po tym, od lamp najwyższej jakości nie można było oczekiwać większej żywotności niż kilka tysięcy godzin. Dla komputerów z tysiącami lamp i godzinami obliczeń, stanowiło to poważny problem.
Natomiast przekaźniki, według George'a Stibitza, były "fantastycznie niezawodne". Na tyle, że twierdził, że
Jeśli zestaw U-kształtnych przekaźników rozpocząłby swoją pracę w pierwszym roku naszej ery i przełączałby kontakt raz na sekundę, działałby do dziś. Pierwsza awaria kontaktu mogłaby wystąpić nie wcześniej niż za tysiąc lat, gdzieś w roku 3000.
Co więcej, nie było doświadczenia w stosowaniu dużych układów elektronicznych, porównywalnych z elektromechanicznymi układami inżynierów telefonicznych. Odbiorniki radiowe i inne urządzenia mogły zawierać 5-10 lamp, ale nie setki tysięcy. Nikt nie wiedział, czy komputer z 5000 lampami będzie w stanie działać. Wybierając przekaźniki zamiast lamp, deweloperzy komputerów podjęli bezpieczny i konserwatywny wybór.
W następnej części zobaczymy, jak i dlaczego udało się przezwyciężyć te wątpliwości.
Źródło: habr.com
