Inne artykuły z serii:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
В widzieliśmy, jak pierwsza generacja komputerów cyfrowych została zbudowana w oparciu o pierwszą generację automatycznych przełączników elektrycznych – przekaźników elektromagnetycznych. Ale zanim powstały te komputery, za kulisami czekał kolejny cyfrowy przełącznik. Przekaźnik był urządzeniem elektromagnetycznym (wykorzystywającym energię elektryczną do obsługi przełącznika mechanicznego), a nowa klasa przełączników cyfrowych była urządzeniem elektronicznym – opartym na nowej wiedzy o elektronie, która pojawiła się na początku XX wieku. Nauka ta wskazała, że nośnikiem siły elektrycznej nie jest prąd, ani fala, ani pole, ale cząstka stała.
Urządzenie, które zapoczątkowało erę elektroniki opartej na tej nowej fizyce, stało się znane jako lampa próżniowa. Historia jego powstania wiąże się z dwiema osobami: Anglikiem i amerykański . W rzeczywistości początki elektroniki są bardziej złożone, a wiele wątków przecina Europę i Atlantyk, sięgając wczesnych eksperymentów ze słoikami Leyden w połowie XVIII wieku.
Ale w ramach naszej prezentacji wygodnie będzie omówić (gra słów zamierzona!) tę historię, zaczynając od Thomasa Edisona. W latach osiemdziesiątych XIX wieku Edison dokonał interesującego odkrycia podczas pracy nad oświetleniem elektrycznym — odkrycia, które przygotowało grunt dla naszej historii. Stąd przyszedł dalszy rozwój lamp próżniowych, niezbędnych w dwóch systemach technologicznych: nowej formie bezprzewodowego przesyłania wiadomości i stale rozwijających się sieciach telefonicznych.
Prolog: Edison
Edison jest powszechnie uważany za wynalazcę żarówki. Przynosi mu to jednocześnie zbyt wiele i zbyt mało uznania. Zbyt wiele, ponieważ Edison nie był jedynym twórcą świetlistej lampy. Oprócz rzeszy poprzedzających go wynalazców, których dzieła nie doczekały się komercyjnego zastosowania, możemy wymienić Josepha Swana i Charlesa Sterna z Wielkiej Brytanii oraz Amerykanina Williama Sawyera, którzy w tym samym czasie co Edison wprowadzali na rynek żarówki. [Honor wynalazku należy także do rosyjskiego wynalazcy . Lodygin jako pierwszy odgadł, że należy wypompować powietrze ze szklanej żarówki lampy, a następnie zasugerował wykonanie żarnika nie z węgla lub zwęglonych włókien, ale z ogniotrwałego wolframu /ok. tłumaczenie] Wszystkie lampy składały się z zamkniętej szklanej żarówki, wewnątrz której znajdowało się żarnik oporowy. Kiedy lampa została podłączona do obwodu, ciepło wytworzone przez opór żarnika wobec prądu spowodowało jego świecenie. Aby zapobiec zapaleniu się włókna, z kolby wypompowano powietrze. Światło elektryczne było już znane w dużych miastach w formie , wykorzystywane do oświetlania dużych miejsc użyteczności publicznej. Wszyscy ci wynalazcy szukali sposobu na zmniejszenie ilości światła poprzez pobranie jasnej cząstki z płonącego łuku, na tyle małej, że można ją zastosować w domach jako zamiennik lamp gazowych, dzięki czemu źródło światła będzie bezpieczniejsze, czystsze i jaśniejsze.
A to, czego naprawdę dokonał Edison – a raczej to, co stworzyło jego laboratorium przemysłowe – nie polegało jedynie na stworzeniu źródła światła. Zbudowali całą instalację elektryczną do oświetlenia domów - generatory, przewody do przesyłania prądu, transformatory itp. Z tego wszystkiego żarówka była tylko najbardziej oczywistym i widocznym elementem. Obecność nazwiska Edisona w jego spółkach elektroenergetycznych nie była zwykłym przyklęknięciem przed wielkim wynalazcą, jak to miało miejsce w przypadku Bell Telephone. Edison dał się poznać nie tylko jako wynalazca, ale także architekt systemów. Jego laboratorium kontynuowało prace nad udoskonalaniem różnych komponentów oświetlenia elektrycznego, nawet po ich wczesnym sukcesie.
Przykład wczesnych lamp Edisona
Podczas badań około 1883 roku Edison (i prawdopodobnie jeden z jego pracowników) zdecydował się zamknąć wewnątrz świetlistej lampy metalową płytkę wraz z żarnikiem. Przyczyny tego działania nie są jasne. Być może była to próba wyeliminowania przyciemnienia lampy – we wnętrzu klosza żarówki z biegiem czasu zgromadziła się tajemnicza ciemna substancja. Inżynier najwyraźniej miał nadzieję, że te czarne cząstki zostaną przyciągnięte do płyty pod napięciem. Ku swemu zdziwieniu odkrył, że gdy w obwodzie wraz z dodatnim końcem żarnika włączono płytkę, wielkość prądu przepływającego przez żarnik była wprost proporcjonalna do intensywności świecenia żarnika. Podczas podłączania płytki do ujemnego końca gwintu nic takiego nie zaobserwowano.
Edison zdecydował, że efekt ten, nazwany później efektem Edisona lub , można wykorzystać do pomiaru lub nawet kontrolowania „siły elektromotorycznej” lub napięcia w układzie elektrycznym. Z przyzwyczajenia wystąpił o patent na ten „wskaźnik elektryczny”, po czym wrócił do ważniejszych zadań.
Bez przewodów
Przenieśmy się 20 lat w przyszłość, do roku 1904. W tym czasie w Anglii John Ambrose Fleming pracował zgodnie z instrukcjami firmy Marconi w celu ulepszenia odbiornika fal radiowych.
Ważne jest, aby zrozumieć, czym było, a czym nie było radio w tamtych czasach, zarówno pod względem instrumentu, jak i praktyki. Radia wtedy nawet nie nazywano „radiem”, nazywano je „bezprzewodowym”. Termin „radio” stał się powszechny dopiero w latach 1910-tych. Konkretnie miał na myśli telegrafię bezprzewodową – system przesyłania sygnałów w postaci kropek i kresek od nadawcy do odbiorcy. Jego głównym zastosowaniem była komunikacja pomiędzy statkami a służbami portowymi i w tym sensie był przedmiotem zainteresowania władz morskich na całym świecie.
Zwłaszcza niektórzy wynalazcy tamtych czasów , eksperymentował z koncepcją radiotelefonu - transmitującego wiadomości głosowe drogą radiową w postaci fali ciągłej. Jednak nadawanie we współczesnym znaczeniu pojawiło się dopiero 15 lat później: transmisja wiadomości, opowiadań, muzyki i innych programów do odbioru przez szeroką publiczność. Do tego czasu wielokierunkowy charakter sygnałów radiowych był postrzegany raczej jako problem do rozwiązania, a nie jako cecha, którą można wykorzystać.
Istniejący wówczas sprzęt radiowy dobrze nadawał się do pracy z alfabetem Morse'a, ale słabo do wszystkiego innego. Nadajniki wytwarzały fale hercowskie, wysyłając iskrę przez przerwę w obwodzie. Dlatego sygnałowi towarzyszył trzask zakłóceń.
Odbiorniki rozpoznawały ten sygnał poprzez koherer: opiłki metalu w szklanej rurce, sklejane pod wpływem fal radiowych w ciągłą masę, uzupełniając w ten sposób obwód. Następnie trzeba było opukać szybę, aby trociny się rozsypały i odbiornik był gotowy na kolejny sygnał – początkowo robiono to ręcznie, ale wkrótce pojawiły się do tego automatyczne urządzenia.
W 1905 roku zaczęły się one pojawiać , zwany także „kocim wąsem”. Okazało się, że po prostu dotykając pewnego kryształu drutem, na przykład krzemu, pirytu żelaza lub można było wychwycić sygnał radiowy z powietrza. Powstałe odbiorniki były tanie, kompaktowe i dostępne dla każdego. Stymulowali rozwój radioamatorstwa, szczególnie wśród młodych ludzi. Wynikający z tego nagły wzrost wykorzystania czasu antenowego doprowadził do problemów w związku z podziałem czasu antenowego pomiędzy wszystkich użytkowników. Niewinne rozmowy amatorów mogły przypadkowo skrzyżować się z negocjacjami floty morskiej, a niektórym chuliganom udało się nawet wydawać fałszywe rozkazy i wysyłać sygnały o pomoc. Państwo nieuchronnie musiało interweniować. Jak napisał sam Ambrose Fleming, pojawienie się detektorów kryształowych
natychmiast doprowadziło do wzrostu poziomu nieodpowiedzialnej radiotelegrafii na skutek wybryków niezliczonych elektryków-amatorów i studentów, co wymagało zdecydowanej interwencji władz krajowych i międzynarodowych, aby utrzymać wszystko przy zdrowych zmysłach i bezpieczeństwie.
Z niezwykłych właściwości elektrycznych tych kryształów w odpowiednim czasie wyłoni się trzecia generacja przełączników cyfrowych, po przekaźnikach i lampach – przełącznikach, które dominują w naszym świecie. Ale wszystko ma swój czas. Opisaliśmy tę scenę, teraz skupmy się na aktorze, który właśnie pojawił się w centrum uwagi: Ambrose Fleming, Anglia, 1904.
Zawór
W 1904 roku Fleming był profesorem elektrotechniki na University College London i konsultantem firmy Marconi. Firma początkowo zatrudniła go do wykonania ekspertyzy w zakresie budowy elektrowni, później jednak zaangażował się w zadanie udoskonalenia odbiornika.
Fleminga w 1890 r
Wszyscy wiedzieli, że koherer jest odbiornikiem słabym pod względem czułości, a detektor magnetyczny opracowany w Macroni nie był szczególnie lepszy. Aby znaleźć zamiennik, Fleming postanowił najpierw zbudować czuły obwód do wykrywania fal Hertza. Takie urządzenie, nawet nie będąc samo w sobie detektorem, byłoby przydatne w przyszłych badaniach.
Aby tego dokonać, musiał znaleźć sposób na ciągły pomiar prądu wytwarzanego przez napływające fale, zamiast używać dyskretnego koherera (który pokazywał tylko stany – w których sklejały się trociny – lub stany wyłączone). Jednak znane urządzenia do pomiaru natężenia prądu - galwanometry - wymagały do działania stałego, to znaczy jednokierunkowego prądu. Prąd przemienny wzbudzony falami radiowymi zmienił kierunek tak szybko, że żaden pomiar nie byłby możliwy.
Fleming przypomniał sobie, że w swojej szafie miał kilka ciekawych rzeczy zbierających kurz – kierunkowskazy Edisona. W latach osiemdziesiątych XIX wieku był konsultantem w firmie Edison Electric Lighting Company w Londynie i pracował nad problemem czernienia lamp. Otrzymał wówczas kilka egzemplarzy wskaźnika, prawdopodobnie od Williama Preece’a, głównego inżyniera elektryka Poczty Brytyjskiej, który właśnie wrócił z wystawy elektrycznej w Filadelfii. W tamtym czasie kontrola telegrafu i telefonu była powszechną praktyką poza Stanami Zjednoczonymi w przypadku usług pocztowych, dlatego były to centra wiedzy elektrycznej.
Później, w latach 1890. XIX wieku, sam Fleming badał efekt Edisona przy użyciu lamp uzyskanych od Preece. Pokazał, że efekt był taki, że prąd płynął w jednym kierunku: ujemny potencjał elektryczny mógł przepływać od gorącego włókna do zimnej elektrody, ale nie odwrotnie. Jednak dopiero w 1904 roku, gdy stanął przed zadaniem wykrycia fal radiowych, zdał sobie sprawę, że fakt ten można wykorzystać w praktyce. Wskaźnik Edisona pozwoli tylko jednokierunkowym impulsom prądu przemiennego przejść przez szczelinę między włóknem a płytką, co spowoduje stały i jednokierunkowy przepływ.
Fleming wziął jedną lampę, połączył ją szeregowo z galwanometrem i włączył nadajnik iskier. Voila - lustro się obróciło i promień światła przesunął się po skali. Zadziałało. Może dokładnie zmierzyć przychodzący sygnał radiowy.
Prototypy zaworów Fleminga. Anoda znajduje się pośrodku pętli żarnika (katoda gorąca)
Fleming nazwał swój wynalazek „zaworem”, ponieważ umożliwiał przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Mówiąc bardziej ogólnie w elektrotechnice, był to prostownik – metoda przetwarzania prądu przemiennego na prąd stały. Wtedy nazwano ją diodą, ponieważ miała dwie elektrody - gorącą katodę (włókno), która emitowała prąd, i zimną anodę (płytę), która ją odbierała. Fleming wprowadził kilka ulepszeń do projektu, ale w istocie urządzenie nie różniło się od kierunkowskazu wykonanego przez Edisona. Jego przejście do nowej jakości nastąpiło w wyniku zmiany sposobu myślenia – zjawisko to widzieliśmy już wielokrotnie. Zmiana dokonała się w świecie idei w głowie Fleminga, a nie w świecie rzeczy poza nią.
Sam zawór Fleminga się przydał. Było to najlepsze urządzenie terenowe do pomiaru sygnałów radiowych i samo w sobie dobry detektor. Ale nie wstrząsnął światem. Gwałtowny rozwój elektroniki rozpoczął się dopiero po tym, jak Lee de Forest dodał trzecią elektrodę i zamienił zawór w przekaźnik.
Słuchający
Lee de Forest otrzymał niezwykłe wychowanie jak na studenta Yale. Jego ojciec, wielebny Henry de Forest, był weteranem wojny secesyjnej z Nowego Jorku i pastorem. i mocno wierzył, że jako kaznodzieja powinien szerzyć boskie światło wiedzy i sprawiedliwości. Wypełniając swoje obowiązki, przyjął zaproszenie na stanowisko rektora Talladega College w Alabamie. Uczelnia została założona po wojnie secesyjnej przez Amerykańskie Stowarzyszenie Misyjne z siedzibą w Nowym Jorku. Miał na celu edukację i mentoring lokalnych czarnych mieszkańców. Tam Lee poczuł się między młotem a kowadłem – miejscowi czarni poniżali go za naiwność i tchórzostwo, a lokalni biali – za bycie .
A jednak jako młody człowiek de Forest rozwinął silne poczucie pewności siebie. Odkrył w sobie zamiłowanie do mechaniki i inwencji – jego model lokomotywy w zmniejszonej skali stał się lokalnym cudem. Jako nastolatek, studiując w Talladega, postanowił poświęcić swoje życie wynalazkom. Następnie, jako młody mężczyzna mieszkający w mieście New Haven, syn pastora odrzucił ostatnie przekonania religijne. Stopniowo odchodzili ze względu na znajomość darwinizmu, a następnie zostali rozwiewani jak wiatr po przedwczesnej śmierci ojca. Ale poczucie przeznaczenia nie opuściło de Foresta - uważał się za geniusza i dążył do zostania drugim Nikolą Teslą, bogatym, sławnym i tajemniczym czarodziejem ery elektryczności. Jego koledzy z Yale uważali go za zadowolonego z siebie głupca. Być może jest najmniej popularnym człowiekiem, jakiego spotkaliśmy w naszej historii.
de Forest, ok. 1900 r
Po ukończeniu Uniwersytetu Yale w 1899 r. de Forest postanowił opanować rodzącą się sztukę bezprzewodowej transmisji sygnału jako drogę do bogactwa i sławy. W ciągu następnych dziesięcioleci szturmem podążał tą ścieżką z wielką determinacją i pewnością siebie, i bez wahania. Wszystko zaczęło się od współpracy de Foresta i jego partnera Eda Smythe’a w Chicago. Smythe utrzymywał swoje przedsiębiorstwo na rynku dzięki regularnym wpłatom i wspólnie opracowali własny detektor fal radiowych, składający się z dwóch metalowych płytek połączonych klejem, który de Forest nazywał „pastą” [goo]. Ale de Forest nie mógł długo czekać na nagrody za swój geniusz. Pozbył się Smythe’a i połączył siły z podejrzanym nowojorskim finansistą nazwiskiem Abraham White [jak na ironię zmienił imię z nadane mu przy urodzeniu, Schwartz, aby ukryć swoje mroczne sprawy. Biały/biały – (angielski) biały, Schwarz/Schwarz – (niemiecki) czarny / ok. tłumaczenie], otwierając firmę De Forest Wireless Telegraph Company.
Dla obu naszych bohaterów sama działalność firmy była sprawą drugorzędną. White wykorzystał niewiedzę ludzi do napełnienia kieszeni. Oszukał miliony inwestorów usiłujących dotrzymać kroku oczekiwanemu boomowi radiowemu. A de Forest, dzięki obfitemu dopływowi funduszy od tych „frajerów”, skoncentrował się na udowodnieniu swojego geniuszu poprzez opracowanie nowego amerykańskiego systemu bezprzewodowego przesyłania informacji (w przeciwieństwie do europejskiego opracowanego przez Marconiego i innych).
Na nieszczęście dla systemu amerykańskiego detektor de Forest nie spisał się szczególnie dobrze. Rozwiązał ten problem na jakiś czas, pożyczając opatentowany przez Reginalda Fessendena projekt detektora zwanego „baretterem cieczy” - dwa platynowe druty zanurzone w kąpieli kwasu siarkowego. Fessenden złożył pozew w związku z naruszeniem patentu i oczywiście wygrałby ten proces. De Forest nie mógł spocząć, dopóki nie wymyślił nowego detektora, który należał tylko do niego. Jesienią 1906 roku zapowiedział utworzenie takiego detektora. Podczas dwóch oddzielnych spotkań w Amerykańskim Instytucie Inżynierii Elektrycznej de Forest opisał swój nowy bezprzewodowy detektor, który nazwał Audion. Ale jego prawdziwe pochodzenie jest wątpliwe.
Przez pewien czas próby zbudowania nowego detektora przez de Foresta polegały na przepuszczaniu prądu przez płomień , który jego zdaniem mógłby być przewodnikiem asymetrycznym. Pomysł najwyraźniej nie został uwieńczony sukcesem. 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 od siebie – jeśli zastąpisz gorącą nić płomieniem i przykryjesz ją szklaną bańką, aby ograniczyć gaz, otrzymasz ten sam zawór. Opracował szereg patentów nawiązujących do historii wynalazków zaworów przed Flemingiem, wykorzystujących gazowe detektory płomieni. Najwyraźniej chciał dać sobie pierwszeństwo w wynalazku, omijając patent Fleminga, gdyż prace z palnikiem Bunsena poprzedziły prace Fleminga (trwały od 1900 roku).
Nie można powiedzieć, czy było to samooszukiwanie się, czy oszustwo, ale rezultatem był patent de Foresta z sierpnia 1906 r. na „puste szklane naczynie zawierające dwie oddzielne elektrody, pomiędzy którymi znajduje się ośrodek gazowy, który po wystarczającym podgrzaniu staje się przewodnikiem i tworzy element wyczuwający.” Wyposażenie i działanie urządzenia zawdzięczamy Flemingowi, a wyjaśnienie jego działania zawdzięczamy De Forestowi. De Forest ostatecznie przegrał spór patentowy, chociaż zajęło to dziesięć lat.
Uważny czytelnik może już zastanawiać się, dlaczego poświęcamy tyle czasu temu człowiekowi, którego samozwańczy geniusz udawał, że pomysły innych ludzi są jego własnymi? Powodem są przemiany, jakim uległ Audion w ostatnich miesiącach 1906 roku.
Do tego czasu de Forest nie miał pracy. White i jego wspólnicy uniknęli odpowiedzialności w związku z pozwem Fessendena, tworząc nową firmę United Wireless i pożyczając jej aktywa American De Forest za 1 dolara. De Forest został wyrzucony z 1000 dolarów odszkodowania i kilkoma bezużytecznymi patentami w rękach, w tym patentem na firmę Audion. Przyzwyczajony do wystawnego trybu życia, stanął w obliczu poważnych trudności finansowych i desperacko próbował zamienić Audion w wielki sukces.
Aby zrozumieć, co wydarzyło się później, należy wiedzieć, że de Forest wierzył, że wynalazł przekaźnik – w przeciwieństwie do prostownika Fleminga. Zrobił swojego Audiona, podłączając akumulator do zimnej płytki zaworowej i wierzył, że sygnał w obwodzie anteny (podłączonym do gorącego żarnika) moduluje wyższy prąd w obwodzie akumulatora. Mylił się: to nie były dwa obwody, akumulator po prostu przesunął sygnał z anteny, zamiast go wzmacniać.
Ale ten błąd stał się krytyczny, ponieważ doprowadził de Foresta do eksperymentów z trzecią elektrodą w kolbie, która miała dodatkowo rozłączyć dwa obwody tego „przekaźnika”. Najpierw dodał drugą zimną elektrodę obok pierwszej, ale potem, być może pod wpływem mechanizmów kontrolnych stosowanych przez fizyków do przekierowywania wiązek w urządzeniach katodowych, przesunął elektrodę w położenie pomiędzy żarnikiem a płytką główną. Uznał, że taka pozycja może zakłócić przepływ prądu i zmienił kształt trzeciej elektrody z płytki na falisty drut przypominający zgrzyt – i nazwał to „siatką”.
Trioda Audiona z 1908 roku. Gwint (przerwany) po lewej stronie to katoda, falisty drut to siatka, zaokrąglona metalowa płytka to anoda. Nadal ma gwinty jak zwykła żarówka.
I to naprawdę był przekaźnik. Słaby prąd (taki jak ten wytwarzany przez antenę radiową) przyłożony do siatki może kontrolować znacznie silniejszy prąd pomiędzy włóknem a płytką, odpychając naładowane cząstki, które próbowały przedostać się między nimi. Detektor ten działał znacznie lepiej niż zawór, ponieważ nie tylko prostował, ale także wzmacniał sygnał radiowy. I podobnie jak zawór (w przeciwieństwie do koherera) mógł wytwarzać sygnał stały, co umożliwiło stworzenie nie tylko radiotelegrafu, ale także radiotelefonu (a później - transmisji głosu i muzyki).
W praktyce nie sprawdzało się to szczególnie dobrze. Urządzenia audio De Forest były wybredne, szybko się wypalały, brakowało im spójności w produkcji i były nieskuteczne jako wzmacniacze. Aby konkretny Audion działał poprawnie, konieczne było dobranie do niego parametrów elektrycznych układu.
Niemniej jednak de Forest wierzył w swój wynalazek. Aby ją reklamować, założył nową firmę, De Forest Radio Telephone Company, ale sprzedaż była niewielka. Największym sukcesem była sprzedaż floty sprzętu do telefonii wewnątrzflotowej podczas rejsu dookoła świata”„. Jednakże dowódca floty, nie mając czasu na uruchomienie nadajników i odbiorników de Foresta oraz przeszkolenie załogi w ich obsłudze, nakazał je spakować i pozostawić w magazynie. Co więcej, nowa firma De Foresta, na której czele stał zwolennik Abrahama White'a, nie była bardziej przyzwoita od poprzedniej. Na domiar złego wkrótce został oskarżony o oszustwo.
Przez pięć lat Audion nie osiągnął nic. Po raz kolejny telefon odegrał kluczową rolę w rozwoju przekaźnika cyfrowego, tym razem ratując obiecującą, ale niesprawdzoną technologię, która była na skraju zapomnienia.
I znowu telefon
Centralnym układem nerwowym AT&T była sieć łączności dalekobieżnej. Połączyło wiele lokalnych firm i zapewniło kluczową przewagę konkurencyjną po wygaśnięciu patentów Bella. Przyłączając się do sieci AT&T, nowy klient teoretycznie mógłby dotrzeć do wszystkich pozostałych abonentów oddalonych o tysiące kilometrów – choć w rzeczywistości połączenia międzymiastowe wykonywane były rzadko. Sieć stanowiła także materialną podstawę nadrzędnej ideologii firmy „Jedna polityka, jeden system, kompleksowa obsługa”.
Jednak z początkiem drugiej dekady XX wieku sieć ta osiągnęła swoje fizyczne maksimum. Im dalej rozciągały się przewody telefoniczne, tym słabszy i głośniejszy stawał się przechodzący przez nie sygnał, w wyniku czego mowa stawała się prawie niesłyszalna. Z tego powodu w USA istniały właściwie dwie sieci AT&T, oddzielone grzbietem kontynentalnym.
Dla sieci wschodniej, kołkiem był Nowy Jork, a wzmacniacze mechaniczne i – linka określająca, jak daleko może dotrzeć ludzki głos. Ale te technologie nie były wszechmocne. Cewki zmieniły właściwości elektryczne obwodu telefonicznego, zmniejszając tłumienie częstotliwości głosu - ale mogły je tylko zmniejszyć, a nie wyeliminować. Mechaniczne wzmacniacze (tylko głośnik telefoniczny podłączony do mikrofonu wzmacniającego) dodawały szum przy każdym powtórzeniu. Linia z 1911 roku z Nowego Jorku do Denver doprowadziła tę uprząż do maksymalnej długości. Nie było mowy o rozszerzeniu sieci na cały kontynent. Jednak w 1909 roku John Carty, główny inżynier AT&T, publicznie obiecał, że właśnie to zrobi. Obiecał, że zrobi to za pięć lat – zanim zaczął w San Francisco w 1915 r.
Pierwszą osobą, która umożliwiła takie przedsięwzięcie za pomocą nowego wzmacniacza telefonicznego, nie był Amerykanin, ale spadkobierca zamożnej wiedeńskiej rodziny zainteresowanej nauką. Być młodym Z pomocą rodziców kupił firmę produkującą telefony i zaczął produkować wzmacniacz telefoniczny. Do 1906 roku skonstruował przekaźnik oparty na lampach katodowych, które w tym czasie były szeroko stosowane w eksperymentach fizycznych (a później stały się podstawą technologii ekranów wideo, która dominowała w XX wieku). Słaby sygnał przychodzący sterował elektromagnesem, który zaginał wiązkę, modulując silniejszy prąd w obwodzie głównym.
W 1910 roku von Lieben i jego współpracownicy, Eugene Reise i Sigmund Strauss, dowiedzieli się o Audione de Foresta i zastąpili magnes w lampie siatką kontrolującą promienie katodowe – ten projekt był najbardziej wydajny i lepszy od wszystkiego, co wyprodukowano w Stanach Zjednoczonych. Państwa w tamtym czasie. Niemiecka sieć telefoniczna wkrótce przyjęła wzmacniacz von Liebena. W 1914 roku dzięki niej dowódca armii Prus Wschodnich wykonał nerwowy telefon do oddalonej o 1000 kilometrów niemieckiej kwatery głównej w Koblencji. Zmusiło to szefa sztabu do wysłania generałów Hindenberga i Ludendorffa na wschód, do wiecznej chwały i ze strasznymi konsekwencjami. Podobne wzmacniacze połączyły później niemieckie dowództwo z armiami polowymi na południu i wschodzie, aż po Macedonię i Rumunię.
Kopia ulepszonego przekaźnika katodowego von Liebena. Katoda znajduje się na dole, anoda to cewka na górze, a siatka to okrągła metalowa folia pośrodku.
Jednak bariery językowe i geograficzne, a także wojna sprawiły, że projekt ten nie dotarł do Stanów Zjednoczonych, a wkrótce wyprzedziły go inne wydarzenia.
W międzyczasie de Forest opuścił upadającą firmę Radio Telephone Company w 1911 roku i uciekł do Kalifornii. Tam dostał pracę w Federal Telegraph Company w Palo Alto, założonej przez absolwenta Stanforda . Nominalnie de Forest miałby pracować nad wzmacniaczem, który zwiększałby głośność sygnału wyjściowego radia federalnego. W rzeczywistości on, Herbert van Ettan (doświadczony inżynier telefoniczny) i Charles Logwood (projektant odbiornika) postanowili stworzyć wzmacniacz telefoniczny, aby cała trójka mogła zdobyć nagrodę od AT&T o wartości 1 miliona dolarów.
W tym celu de Forest zabrał Audion z antresoli i już w 1912 roku on i jego koledzy mieli już urządzenie gotowe do demonstracji w firmie telefonicznej. Składał się z kilku Audionów połączonych szeregowo, tworzących kilkustopniowe wzmocnienie, oraz kilku innych elementów pomocniczych. Urządzenie rzeczywiście działało — mogło wzmocnić sygnał na tyle, że można było usłyszeć spadającą chusteczkę lub tykanie zegarka kieszonkowego. Ale tylko przy prądach i napięciach zbyt niskich, aby mogły być przydatne w telefonii. Gdy prąd wzrósł, Audiony zaczęły emitować niebieską poświatę, a sygnał zamienił się w szum. Jednak branża telefoniczna była na tyle zainteresowana, że zaniosła urządzenie swoim inżynierom i zobaczyli, co da się z nim zrobić. Tak się złożyło, że jeden z nich, młody fizyk Harold Arnold, dokładnie wiedział, jak naprawić wzmacniacz z Federal Telegraph.
Czas porozmawiać o tym, jak działał zawór i Audion. Kluczowe spostrzeżenia potrzebne do wyjaśnienia ich pracy wyłoniły się z Cavendish Laboratory w Cambridge, ośrodka doradczo-doradczego zajmującego się nową fizyką elektronów. Tam w 1899 roku J. J. Thomson wykazał w eksperymentach z lampami elektronopromieniowymi, że cząstka o masie, która później stała się znana jako elektron, przenosi prąd z katody do anody. W ciągu następnych kilku lat Owen Richardson, kolega Thomsona, rozwinął tę propozycję w matematyczną teorię emisji termojonowej.
Prace te znał Ambrose Fleming, inżynier pracujący niedaleko Cambridge. Było dla niego jasne, że jego zawór działał w wyniku termionowej emisji elektronów z nagrzanego włókna, przechodzących przez szczelinę próżniową do zimnej anody. Ale podciśnienie w lampce kontrolnej nie było głębokie - w przypadku zwykłej żarówki nie było to konieczne. Wystarczyło wypompować wystarczającą ilość tlenu, aby nić się nie zapaliła. Fleming zdał sobie sprawę, że aby zawór działał najlepiej, należy go możliwie dokładnie opróżnić, aby pozostały gaz nie zakłócał przepływu elektronów.
De Forest tego nie rozumiał. Ponieważ do zaworu i Audiona doszedł poprzez eksperymenty z palnikiem Bunsena, jego przekonanie było odwrotne – że gorący zjonizowany gaz jest płynem roboczym urządzenia i że jego całkowite usunięcie doprowadzi do zaprzestania pracy. To dlatego Audion był tak niestabilny i niezadowalający jako odbiornik radiowy i dlatego emitował niebieskie światło.
Arnold z AT&T był w idealnej sytuacji, aby naprawić błąd de Foresta. Był fizykiem, który studiował pod kierunkiem Roberta Millikana na Uniwersytecie w Chicago i został zatrudniony specjalnie po to, aby zastosować swoją wiedzę z zakresu nowej fizyki elektronicznej do problemu budowy sieci telefonicznej od wybrzeża do wybrzeża. Wiedział, że lampa Audiona będzie działać najlepiej w niemal idealnej próżni, wiedział, że najnowsze pompy są w stanie osiągnąć taką próżnię, wiedział, że nowy rodzaj włókna pokrytego tlenkiem, wraz z większą płytką i siatką, również może zwiększyć przepływ elektronów. Krótko mówiąc, zamienił Audiona w lampę próżniową, cudotwórcę ery elektronicznej.
AT&T posiadało potężny wzmacniacz potrzebny do budowy linii transkontynentalnej – po prostu nie miało uprawnień, aby go używać. Przedstawiciele firmy podczas negocjacji z de Forestem zachowywali się z niedowierzaniem, jednak rozpoczęli osobną rozmowę za pośrednictwem niezależnego prawnika, któremu udało się wykupić prawa do używania Audiona jako wzmacniacza telefonicznego za 50 000 dolarów (około 1,25 mln dolarów w 2017 roku). Linię Nowy Jork–San Francisco otwarto w samą porę, ale bardziej jako triumf technicznej wirtuozerii i reklamy korporacyjnej niż jako środek komunikacji. Koszt połączeń był tak astronomiczny, że prawie nikt nie mógł z niego skorzystać.
era elektroniczna
Prawdziwa lampa próżniowa stała się korzeniem zupełnie nowego drzewa komponentów elektronicznych. Podobnie jak przekaźnik, rura próżniowa stale poszerzała swoje zastosowania, w miarę jak inżynierowie znajdowali nowe sposoby dostosowywania jej konstrukcji do rozwiązywania konkretnych problemów. Rozwój plemienia „-od” nie zakończył się na diodach i triodach. Trwało to dalej , który dodał dodatkową siatkę, która wspierała wzmocnienie wraz ze wzrostem elementów w obwodzie. Pojawił się następny , a nawet . Pojawiły się tyratrony wypełnione oparami rtęci, świecące złowieszczym niebieskim światłem. Miniaturowe lampki są wielkości małego palca u nogi, a nawet żołędzia. Lampy z katodą pośrednią, w których szum źródła prądu przemiennego nie zakłóca sygnału. Saga o lampie próżniowej, która stanowi kronikę rozwoju przemysłu lampowego do 1930 roku, wymienia według indeksu ponad 1000 różnych modeli – choć wiele z nich to nielegalne kopie niewiarygodnych marek: Ultron, Perfectron, Supertron, Voltron i tak dalej.
Ważniejsza od różnorodności form była różnorodność zastosowań lampy próżniowej. Obwody regeneracyjne zamieniły triodę w nadajnik - tworząc gładkie i stałe fale sinusoidalne, bez hałaśliwych iskier, zdolnych doskonale przenosić dźwięk. W 1901 roku, mając koherer i iskry, Marconi ledwo mógł przesłać mały fragment alfabetu Morse'a przez wąski Atlantyk. W 1915 roku, używając lampy próżniowej jako nadajnika i odbiornika, AT&T mogła transmitować ludzki głos z Arlington w Wirginii do Honolulu — dwukrotnie na odległość. W latach dwudziestych XX wieku połączyli telefonię międzymiastową z wysokiej jakości transmisją audio, tworząc pierwsze sieci radiowe. Dzięki temu wkrótce cały naród mógł słuchać w radiu tego samego głosu, czy to Roosevelta, czy Hitlera.
Co więcej, możliwość tworzenia nadajników dostrojonych do precyzyjnej i stabilnej częstotliwości pozwoliła inżynierom telekomunikacji zrealizować od dawna marzenie o multipleksowaniu częstotliwości, które czterdzieści lat temu przyciągnęło Alexandra Bella, Edisona i resztę. Do 1923 roku AT&T posiadało dziesięciokanałową linię głosową z Nowego Jorku do Pittsburgha. Możliwość przesyłania wielu głosów jednym przewodem miedzianym radykalnie obniżyła koszty połączeń międzymiastowych, na które ze względu na wysoki koszt zawsze mogły stać jedynie najbogatsze osoby i firmy. Widząc, co mogą zrobić lampy próżniowe, AT&T wysłała swoich prawników, aby wykupili dodatkowe prawa od de Forest w celu zabezpieczenia praw do wykorzystania Audion we wszystkich dostępnych aplikacjach. W sumie zapłacili mu 390 000 dolarów, co w dzisiejszych pieniądzach stanowi równowartość około 7,5 miliona dolarów.
Dlaczego przy takiej wszechstronności lampy próżniowe nie zdominowały pierwszej generacji komputerów w taki sam sposób, w jaki zdominowały radia i inny sprzęt telekomunikacyjny? Oczywiście trioda mogłaby być przełącznikiem cyfrowym, podobnie jak przekaźnik. Tak oczywiste, że de Forest nawet wierzył, że stworzył sztafetę, zanim ją faktycznie stworzył. A trioda była znacznie bardziej responsywna niż tradycyjny przekaźnik elektromechaniczny, ponieważ nie musiała fizycznie poruszać twornikiem. Przełączenie typowego przekaźnika wymagało kilku milisekund, a zmiana strumienia z katody na anodę w wyniku zmiany potencjału elektrycznego w siatce była niemal natychmiastowa.
Lampy miały jednak wyraźną wadę w porównaniu z przekaźnikami: miały tendencję do przepalania się, podobnie jak ich poprzedniczki, żarówki. Żywotność oryginalnego Audiona de Forest była na tyle krótka – około 100 godzin – że zawierał on w lampie zapasowy żarnik, który trzeba było podłączyć po spaleniu pierwszego. Było bardzo źle, ale nawet po tym nie można było oczekiwać, że nawet najlepszej jakości lampy wytrzymają dłużej niż kilka tysięcy godzin. Dla komputerów z tysiącami lamp i godzinami obliczeń był to poważny problem.
Z drugiej strony, według George'a Stibitza, przekaźniki były „fantastycznie niezawodne”. Do tego stopnia, że to stwierdził
Gdyby w pierwszym roku naszej ery uruchomiono zestaw przekaźników w kształcie litery U i przełączano styki co sekundę, działałyby one nadal. Pierwszego braku kontaktu można było spodziewać się nie wcześniej niż tysiąc lat później, gdzieś w roku 3000.
Co więcej, nie było doświadczenia z dużymi obwodami elektronicznymi porównywalnymi z obwodami elektromechanicznymi inżynierów telefonicznych. Radia i inny sprzęt mogą zawierać 5–10 lamp, ale nie setki tysięcy. Nikt nie wiedział, czy uda się sprawić, by komputer wyposażony w 5000 lamp działał. Wybierając przekaźniki zamiast lamp, projektanci komputerów dokonali bezpiecznego i konserwatywnego wyboru.
W dalszej części zobaczymy, jak i dlaczego te wątpliwości zostały przezwyciężone.
Źródło: www.habr.com