Inne artykuły cyklu:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
Telefon powstał przypadkiem. Jeśli dzięki stuleciom badań nad możliwościami przesyłania wiadomości za pomocą elektryczności, to telefon został odkryty w poszukiwaniu ulepszonego telegrafu. Dlatego łatwo jest przypisać wiarygodną, choć nie całkowicie bezsporną, datę wynalezienia telefonu – rok stulecia od założenia USA, 1876.
I nie można powiedzieć, że telefon nie miał poprzedników. Od 1830 roku badacze poszukiwali sposobów na przekształcenie dźwięku w elektryczność i elektryczności w dźwięk.
Dźwięk elektryczny
W 1837 roku , lekarz i eksperymentator w dziedzinie elektromagnetyzmu z Massachusetts, natknął się na dziwne zjawisko. Umieścił izolowany spiralny przewód między końcami stałego magnesu, a następnie każdy koniec przewodu zanurzył w naczyniach z rtęcią, podłączonych do baterii. Za każdym razem, gdy otwierał lub zamykał obwód, podnosząc koniec przewodu z naczynia lub opadając tam, magnes emitował dźwięk słyszalny z odległości jednego metra. Page nazwał to muzyką galwaniczną i zasugerował, że wszystko wynika z „molekularnego nieładu” zachodzącego w magnesie. Page zapoczątkował falę badań poświęconych dwóm aspektom tego odkrycia: dziwnym właściwościom materiałów metalowych zmieniających kształt podczas namagnesowania oraz bardziej oczywistej generacji dźwięku przez elektryczność.
Szczególnie interesują nas dwa badania. Pierwsze przeprowadzał Johann Philipp Reis. Reis uczył matematyki i nauk ścisłych uczniów w instytucie Garniera w pobliżu Frankfurtu, ale w wolnym czasie prowadził badania nad elektrycznością. W tym czasie kilku elektryków już stworzyło nowe warianty muzyki galwanicznej, ale Reis jako pierwszy opanował alchemię dwustronnego przetwarzania dźwięku w elektryczność i z powrotem.
Reis zrozumiał, że membrana przypominająca błonę bębenkową u człowieka, może podczas wibracji zamykać i otwierać obwód elektryczny. Pierwszy prototyp urządzenia „telephon” [„długofalowy głośnik”], zbudowany w 1860 roku, składał się z wykonanego z drewna „ucha” z napiętą na nim membraną, wykonaną z pęcherza wieprzowego. Do dolnej części membrany przymocowano platynowy elektrod, który w trakcie wibracji otwierał i zamykał obwód z baterią. Odbiornikiem była cewka z drutu, nawinięta wokół żyłki włóczkowej, przymocowanej do skrzypiec. Obudowa skrzypiec wzmacniała wibracje zmieniającej kształt igły, gdy na przemian była namagnetyzowana i rozmagnetyzowana.
Późny model telefonu Reisa
Reis wymyślał wiele usprawnień do wczesnego prototypu i wraz z innymi eksperymentatorami odkrył, że jeśli zaśpiewać lub zanucić coś do niego, to przekazywany dźwięk pozostawał rozpoznawalny. Rozróżnianie słów było trudniejsze, a często były one zniekształcone i stawały się niezrozumiałe. W wielu relacjach o udanej transmisji głosu używano takich powszechnych zwrotów, jak „dzień dobry” i „jak się masz”, co łatwo można było odgadnąć. Głównym problemem pozostało to, że nadajnik Reisa jedynie otwierał i zamykał obwód, ale nie regulował głośności. W efekcie można było przekazywać tylko częstotliwość o stałej amplitudzie, co nie mogło naśladować wszystkich subtelności ludzkiego głosu.
Reis uważał, że jego prace powinny być uznawane za naukowe, ale ostatecznie tego nie osiągnął. Jego urządzenie było popularną osobliwością wśród elity naukowej, a kopie pojawiały się w większości centrów tej elity: w Paryżu, Londynie, Waszyngtonie. Jednak jego praca naukowa została odrzucona przez czasopismo profesora Poggendorffa „Annalen der Physik” [„Annales de Physique”] – jedno z najstarszych czasopism naukowych i najbardziej wpływowe pismo tamtych czasów. Próby Reisa, aby promować telefon za pomocą firm telegraficznych, również zakończyły się niepowodzeniem. Cierpiał na gruźlicę, a pogarszająca się choroba powstrzymywała go przed dalszymi poważnymi badaniami. Ostatecznie w 1873 roku choroba odebrała mu życie i ambicje. I to nie był ostatni raz, gdy ta choroba przeszkodzi w rozwoju historii telefonu.
Podczas gdy Reis ulepszał swój telefon, dokonywał ostatnich poprawek do swojego owocnego badania fizjologii słuchu: „Nauka o doznaniach dźwiękowych jako podstawy fizjologicznej dla teorii muzyki” [Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik], opublikowanego w 1862 roku. Helmholtz, wówczas profesor Uniwersytetu w Heidelbergu, był gigantem nauki XIX wieku, pracując nad fizjologią wzroku, elektrodynamiką, termodynamiką i innymi dziedzinami.
Praca Helmholtza tylko pobieżnie odnosi się do naszej historii, ale szkoda ją pomijać. W „Nauce o doznaniach dźwiękowych” Helmholtz zrobił dla muzyki to, co Newton dla światła – pokazał, jak jedno, wydawałoby się, doznanie można rozłożyć na składniki. Udowodnił, że różnice w barwach, od skrzypiec po fagot, wynikają wyłącznie z różnic względnych sił ich harmonicznych (tonów na drugiej, trzeciej itd. częstotliwości w stosunku do podstawowej nuty). Ale dla naszej historii najciekawsze w jego pracy jest niezwykłe narzędzie, które zaprojektował do demonstracji:
Wariant syntezatora Helmholtza
Pierwsze urządzenie Helmholtz zamówił w warsztacie w Kolonii. Mówiąc prościej, był to syntezator zdolny do wydawania dźwięków na podstawie kompozycji prostych tonów. Jego najbardziej zdumiewającą możliwością była niewytłumaczalna zdolność do reprodukowania samogłoskowych dźwięków, które wszyscy przyzwyczajeni są słyszeć tylko wydobywające się z ust ludzkich.
Syntezator działał na podstawie drgań głównego kamertonu, wibrującego na podstawowej nucie, zamykającego i otwierającego obwód, zanurzając platynowy przewód w pojemniku z rtęcią. Osiem namagnesowanych kamertonów, z których każdy wibrował ze swoim tonalnym, spoczywało między końcami elektromagnesu, połączonego z obwodem. Każde zamknięcie obwodu włączało elektromagnesy i utrzymywało kamertony w stanie wibracji. Obok każdego kamertonu znajdował się cylindryczny rezonator, zdolny do wzmacniania jego brzęczenia do słyszalnego poziomu. W normalnym stanie pokrywa rezonatora była zamknięta, tłumiąc dźwięk kamertonu. Jeśli przesunąć pokrywę na bok, można było usłyszeć ten harmoniczny dźwięk, a tym samym „zagrać” dźwięk trąbki, fortepianu lub samogłoski „o”.
To urządzenie odegra małą rolę w stworzeniu nowego rodzaju telefonu.
Harmoniczny telegraf
Jedną z pułapek dla wynalazców drugiej połowy XIX wieku był multitelegraf. Im więcej sygnałów telegraficznych udało się wcisnąć w jeden przewód, tym bardziej efektywna była sieć telegraficzna. Na początku lat 70. XX wieku znane były różne metody organizacji dupleksowej telegrafii (jednoczesne przesyłanie dwóch sygnałów w przeciwnych kierunkach). Wkrótce potem Thomas Edison je ulepszył, tworząc kwadrupleks, łącząc dupleks i diplex (jednoczesne przesyłanie dwóch sygnałów w jednym kierunku), dzięki czemu przewód mógł być używany cztery razy efektywniej.
Ale czy można było dalej zwiększyć liczbę sygnałów? Zorganizować jakąś oktupleks, czy jeszcze więcej? To, że fale dźwiękowe można było przekształcać w prąd elektryczny i z powrotem, oferowało interesującą możliwość. Co jeśli użyć tonów o różnej wysokości do stworzenia akustycznego, harmonicznego, lub, mówiąc poetycko, muzycznego telegrafu? Jeśli fizyczne drgania o różnej częstotliwości można przekształcić w elektryczne, a następnie z powrotem rozłożyć je na pierwotne częstotliwości po drugiej stronie, wtedy można by jednocześnie przesyłać wiele sygnałów bez zakłóceń. Sam dźwięk byłby wtedy tylko środkiem do osiągnięcia celu, pośrednim medium, formującym prądy, aby kilka sygnałów mogło istnieć w jednym przewodzie. Dla uproszczenia, będę nazywał tę koncepcję harmonicznym telegrafem, chociaż w tamtym czasie używano różnych wariantów terminów.
To nie był jedyny sposób tworzenia sygnałów multiplexerowych. We Francji [na którego cześć nazwano jednostkę prędkości symboli – baud / przyp. tłum.] do 1874 roku wymyślił maszynę z obracającą się dystrybucją, która na przemian zbierała sygnały z kilku nadajników telegraficznych. Dziś nazwalibyśmy to multiplexerem z podziałem czasowym, a nie częstotliwościowym. Ale podejście to miało wadę – nie doprowadziło by do powstania telefonii.
Do czasu, gdy w amerykańskiej telegrafii dominowała Western Union, która powstała w latach 50. XIX wieku w celu wyeliminowania niekorzystnej konkurencji między kilkoma dużymi firmami telegraficznymi – przed pojawieniem się ustawodawstwa antymonopolowego, takie wyjaśnienia można było swobodnie używać do uzasadnienia podobnych fuzji. Jeden z bohaterów naszej historii opisał to jako „prawdopodobnie największą korporację, jaka kiedykolwiek istniała”. Dysponując tysiącami kilometrów drutów i wydając ogromne sumy na budowę i utrzymanie sieci, Western Union z wielkim zainteresowaniem śledziła rozwój telegrafii multiplex.
Inny gracz oczekiwał przełomowych zmian w telegrafii. , bostonski prawnik i przedsiębiorca, był jednym z głównych zwolenników przekazania amerykańskiego telegrafu pod kontrolę rządu federalnego. Hubbard uważał, że telegramy mogą kosztować tyle samo, co listy, i był zdeterminowany, aby podważyć, jego zdaniem, cyniczną i wymuszającą monopol Western Union. Projekt ustawy Hubbarda nie zakładał całkowitej nacjonalizacji istniejących firm telekomunikacyjnych, jak zrobili to prawie wszyscy europejscy mocarze, lecz ustanowiłby sponsorowaną przez rząd usługę telegraficzną pod patronatem ministerstwa poczty. Ale wynik byłby prawdopodobnie taki sam, a Western Union wycofałaby się z tego biznesu. W połowie lat 70. XIX wieku wprowadzenie ustawy utknęło w martwym punkcie, ale Hubbard był pewien, że kontrola nad kluczowym nowym patentem telegraficznym mogłaby dać mu przewagę w przeforsowaniu swojej propozycji w Kongresie.
Gardiner Greene Hubbard
W Stanach Zjednoczonych pojawiły się dwa unikalne czynniki: po pierwsze, kontynentalna skala Western Union. Żaden europejski operator telekomunikacyjny nie miał tak długich linii, a zatem nie było przesłanek do opracowywania telegrafii multiplex. Po drugie, problem kontroli rządu nad telegrafem. Ostatnim bastionem w Europie była Wielka Brytania, która nacjonalizowała telegraf w 1870 roku. Po tym wydarzeniu nigdzie indziej poza Stanami Zjednoczonymi nie pozostały miejsca, gdzie istniała by kusząca perspektywa dokonania przełomu technologicznego i podważenia monopolu. Może dlatego większość prac nad harmonijnym telegrafem prowadzono w USA.
Na nagrodę głównie kandydowały trzy osoby. Dwóch z nich było już doświadczonymi wynalazcami – i . Trzecim był profesor retoryki i nauczyciel dla głuchoniemych o nazwisku Bell.
Gray
Elisha Gray dorastał na farmie w Ohio. Jak wielu jego rówieśników, w dzieciństwie bawił się telegrafią, ale w wieku 12 lat, po śmierci ojca, zaczął szukać zajęcia, które mogłoby go utrzymać. Przez pewien czas był uczniem kowala, następnie stolarza okrętowego, a w wieku 22 lat dowiedział się, że może uzyskać wykształcenie w Oberlin College, nie przerywając pracy jako stolarz. Po pięciu latach nauki zajął się karierą wynalazcy w dziedzinie telegrafii. Jego pierwszym patentem było samoregulujące się przekaźnik, które, używając drugiego elektromagnesu zamiast sprężyny, eliminowało konieczność dostosowywania czułości przekaźnika w zależności od natężenia prądu w obwodzie.
Elisha Gray, ok. 1878 r.
Do 1870 roku był już partnerem w firmie produkującej urządzenia elektryczne i pracował tam jako główny inżynier. W 1872 roku on i jego partner przenieśli firmę do Chicago i przemianowali ją na Western Electric Manufacturing Company. Wkrótce Western Electric stała się głównym dostawcą sprzętu telegraficznego dla Western Union. Ostatecznie firma ta pozostawi znaczący ślad w historii telefonii.
Na początku 1874 roku Gray usłyszał dziwny dźwięk dochodzący z łazienki. Brzmiał jak wycie wibrującego reotoma, ale znacznie głośniej. Reotom (dosłownie „przełącznik obwodu”) był znanym urządzeniem elektrycznym, które wykorzystywało metalowy języczek do szybkiego otwierania i zamykania obwodu. Zaglądając do łazienki, Gray zobaczył swojego syna trzymającego w jednej ręce cewkę indukcyjną połączoną z reotome, a drugą ręką pocierał cynkową kąpiel, która brzęczała z tą samą częstotliwością. Gray, zainteresowany nowymi możliwościami, zrezygnował z codziennej pracy w Western Electric, aby ponownie zająć się wynalazczością. Do lata opracował pełnooktalowy telegraf muzyczny, za pomocą którego można było odtwarzać dźwięki na membranie z metalowej miski, naciskając klawisze klawiatury.
Nadajnik
Odbiornik
Telegraf muzyczny był nowością bez widocznej wartości handlowej. Jednak Gray zrozumiał, że możliwość przesyłania dźwięków o różnej tonacji za pomocą jednego przewodu daje mu dwie możliwości. Dzięki nadajnikowi o innym konstrukcji, zdolnemu do wychwytywania dźwięku z powietrza, można było stworzyć głosowy telegraf. Z innym odbiornikiem, zdolnym do rozdzielania skomponowanego sygnału na komponenty, można było zbudować harmoniczny telegraf – to znaczy, telegraf multiplexowy oparty na dźwięku. Postanowił skoncentrować się na drugim wariancie, ponieważ branża telegraficzna miała oczywiste zapotrzebowanie. Ugruntował swój wybór, dowiadując się o telefonie Reisa, który wydawał się jedynie prostą filozoficzną zabawką.
Odbiornik harmonicznego telegrafu Gray wykonał z zestawu elektromagnesów połączonych z metalowymi paskami. Każdy pasek był dostrojony do konkretnej częstotliwości i brzmiał, gdy na nadajniku naciskano odpowiedni przycisk. Nadajnik działał na tej samej zasadzie co telegraf muzyczny.
Gray ulepszał swoje urządzenie przez następne dwa lata i zabrał je na wystawę. Oficjalnie wydarzenie nosiło nazwę „”. Była to pierwsza światowa wystawa zorganizowana w USA, odbywająca się w związku z obchodami stulecia narodowego, na której zaprezentowano tzw. „Stulecie Ekspozycji”. Odbyła się w Filadelfii latem 1876 roku. Tam Gray zaprezentował połączenie „oktupleksowe” (to znaczy, przesyłanie ośmiu wiadomości jednocześnie) na specjalnie przygotowanej linii telegraficznej z Nowego Jorku. Osiągnięcie to zostało wysoko ocenione przez sędziów wystawy, ale wkrótce przyćmiło je jeszcze większe cudo.
Edison
, prezydent Western Union, szybko dowiedział się o postępach Greya, co bardzo go zaniepokoiło. W najlepszym przypadku, w przypadku sukcesu Greya, sytuacja przekształci się w bardzo kosztowne licencjonowanie patentu. W najgorszym przypadku patent Greya stanie się podstawą do stworzenia konkurencyjnej firmy, która zachwieje dominacją Western Union.
W lipcu 1875 roku Orton wyciągnął asa z rękawa, a mianowicie Thomasa Edisona. Edison dorastał obok telegrafii, spędził kilka lat jako operator telegrafu, a potem stał się wynalazcą. Jego najwyższym triumfem w tamtym czasie była łączność kwartetowa, stworzona za pieniądze Western Union rok wcześniej. Teraz Orton miał nadzieję, że poprawi swoje wynalazki i przewyższy to, co udało się zrobić Greyowi. Przekazał Edisonowi opis telefonu Reisa; Edison także przestudiował pracę Helmholtza, niedawno przetłumaczoną na angielski.
Edison był w szczytowej formie, a innowacyjne pomysły sypały się z niego jak iskry z kowadła. W następnym roku zaprezentował dwa różne podejścia do telegrafu akustycznego – pierwsze było podobne do telegrafu Greya i wykorzystywało kamertony lub wibracyjne języki do stworzenia lub odbioru odpowiedniej częstotliwości. Edisonowi nie udało się sprawić, aby taki aparat działał na akceptowalnym poziomie.
Drugie podejście, które nazwał „akustycznym nadajnikiem”, było całkowicie inne. Zamiast używać wibracyjnych języków do przesyłania różnych częstotliwości, używał ich do przesyłania impulsów z różnymi odstępami. Dzielił wykorzystanie przewodu pomiędzy nadajnikami w czasie, a nie w częstotliwości. Wymagało to idealnej synchronizacji wibracji w każdej parze odbiornik-nadajnik, aby sygnały się nie nakładały. Do sierpnia 1876 roku na tej zasadzie działał jego kwartet, chociaż na odległości powyżej 100 mil sygnał stawał się bezużyteczny. Miał także pomysły na ulepszenie telefonu Reisa, które tymczasowo odłożył.
A potem Edison usłyszał o sensacji wywołanej na Wystawie Stulecia w Filadelfii przez człowieka imieniem Bell.
Bell
Urodził się w Edynburgu w Szkocji, a dorastał w Londynie pod czujnym okiem swojego dziadka. Podobnie jak Gray i Edison, w młodości wykazał zainteresowanie telegrafem, ale później poszedł w ślady swojego ojca i dziadka, czyniąc swoją główną pasją ludzką mowę. Jego dziadek, Aleksander, zdobył sławę na scenie, a następnie zaczął nauczać sztuki przemawiania. Ojciec, Aleksander Melville, również był nauczycielem i nawet opracował i opublikował system fonetyczny, który nazwał „widzialną mową”. Młodszy Aleksander (Aleks, jak go nazywała rodzina) wybrał sobie zajęcie nauczania głuchych mowy.
Pod koniec lat 60. XIX wieku studiował anatomię i fizjologię na University College London. Razem z nim uczyła się studentka Mabel Eccleston, na której się zamierzał ożenić. Jednak później zrezygnował zarówno z nauki, jak i z miłości. Dwóch jego braci zmarło na gruźlicę, a ojciec Aleka zażądał, aby on wraz z resztą rodziny emigrował do Nowego Świata, aby zabezpieczyć zdrowie jedynemu synowi. Bell posłuchał, chociaż opierał się i oburzał na to, i w 1870 roku wypłynął na morze.
Po małej pracy w Ontario Aleksander, dzięki znajomościom ojca, znalazł pracę nauczyciela w szkole dla głuchych w Bostonie. Tam zaczęły splatać się nici jego przyszłości.
Na początku miał uczennicę Mabel Hubbard, która straciła słuch w wieku pięciu lat z powodu szkarlatyny. Bell udzielał korepetycji nawet po tym, jak został profesorem fizjologii głosu i sztuki przemawiania na Uniwersytecie Bostońskim, a Mabel była jedną z jego pierwszych uczennic. W czasie nauki miała niecałe 16 lat, dziesięć lat mniej niż Bell, i w ciągu kilku miesięcy zakochał się w tej dziewczynie. Jeszcze wrócimy do jej historii.
W 1872 roku Bell wznowił swoje zainteresowanie telegrafią. Kilka lat wcześniej, będąc jeszcze w Londynie, usłyszał o eksperymentach Helmholtza. Bell jednak źle zrozumiał osiągnięcie Helmholtza, myśląc, że ten nie tylko stworzył, ale i przesłał złożone dźwięki za pomocą elektryczności. Tak Bell zafascynował się telegrafem harmonicznym – wspólnym używaniem kabla do przesyłania kilku sygnałów na różnych częstotliwościach. Być może zainspirowany wiadomościami o tym, że Western Union kupiło pomysł dupleksowego telegrafu od swojego rodaka z Bostonu, Josepha Stearnsa, Bell przeanalizował swoje koncepcje i, podobnie jak Edison i Gray, zaczął starać się je zrealizować.
Pewnego razu, podczas wizyty u Mabel, dotknął drugiej nici swojego przeznaczenia – stojąc obok fortepianu, pokazał jej rodzinie sztuczkę, której nauczył się w młodości. Jeśli zaśpiewać czystą nutę do fortepianu, odpowiednia struna zadrży i odpowie na to. Powiedział ojcu Mabel, że dostrojony sygnał telegraficzny może osiągnąć ten sam efekt i wyjaśnił, jak można to wykorzystać w telegrafii wielokrotnej. I Bell nie mógłby znaleźć lepszego słuchacza do swojej opowieści: ten rezonował z radością i natychmiast zrozumiał główną myśl: „powietrze dla wszystkich jest jedno, a kabel potrzebny jest tylko jeden”, to znaczy, że rozprzestrzenianie się prądu w kablu może na miniaturową skalę kopiować rozprzestrzenianie się fal w powietrzu, które są wytwarzane przez złożony dźwięk. Słuchaczem Bella był Gardiner Hubbard.
Telefon
A teraz historia staje się bardzo zagmatwana, więc boję się wystawiać na próbę cierpliwość czytelników. Spróbuję śledzić główne tendencje, nie zagłębiając się w szczegóły.
Bell, wspierany przez Hubbarda oraz ojca jednego ze swoich studentów, pilnie pracował nad telegrafem harmonicznym, nie ujawniając swoich sukcesów. Intensywną pracę przeplatał okresami odpoczynku, kiedy jego zdrowie zawodziło, starając się przy tym wypełniać swoje uniwersyteckie obowiązki, promować system „widocznej mowy” swojego ojca i pracować jako korepetytor. Zatrudnił nowego asystenta, , doświadczonego mechanika z bostońskiego warsztatu mechanicznego Charlesa Williamsa – tam zbierali się ludzie interesujący się elektrycznością. Hubbard przekonywał Bella, nie wstydząc się nawet używać ręki swojej córki jako bodźca, odmawiając wydania jej za mąż, dopóki Bell nie udoskonali swojego telegrfu.
Latem 1874 roku, podczas odpoczynku w pobliżu rodzinnego domu w Ontario, natchnęło Bella. Kilka myśli, które istniały w jego podświadomości, zlało się w jedną – telefon. Na jego myśli wpływ miały nie w ostatniej kolejności – pierwsze na świecie urządzenie do nagrywania dźwięku, które rysowało fale dźwiękowe na zadymionym szkle. To przekonało Bella, że dźwięk dowolnej złożoności można sprowadzić do ruchów punktu w przestrzeni, takiego jak ruch prądu w przewodzie. Nie będziemy się zatrzymywać na szczegółach technicznych, ponieważ nie mają one związku z realnie stworzonymi telefonami, a ich praktyczność jest wątpliwa. Ale skierowały myślenie Bella w nowym kierunku.
Szkic koncepcji pierwotnego wzoru telefonu Bella z "harmonikami" (nie został zbudowany)
Bell na chwilę odłożył ten pomysł, aby, jak oczekiwali od niego partnerzy, dążyć do stworzenia harmonijnego telegrafu.
Jednak rutyna precyzyjnego dostosowywania narzędzi szybko go znudziła, a jego serce, zmęczone licznymi praktycznymi przeszkodami na drodze od roboczego prototypu do praktycznego systemu, coraz bardziej ciągnęło go w stronę telefonu. Ludzki głos był jego pierwszą pasją. Latem 1875 roku odkrył, że wibrujące języczki mogą nie tylko szybko zamykać i otwierać obwód jak klucz telegrafu, ale także tworzyć ciągły falowy prąd, poruszając się w polu magnetycznym. Opowiedział Watsonowi o swoim pomyśle na telefon, a razem zbudowali pierwszy model telefonu na tej zasadzie – wibrująca w polu elektromagnesu membrana wzbudzała falowy prąd w obwodzie magnetycznym. To urządzenie było w stanie przesyłać pewne stłumione dźwięki głosu. Hubbard nie był pod wrażeniem urządzenia i kazał Bellowi wrócić do rzeczywistych zadań.
Rudimentarny telefon-"wisienka" Bella z lata 1875 roku
Jednak Bell przekonał Hubbarda i innych partnerów, że pomysł należy opatentować, ponieważ można go wykorzystać w telegrafii wielokrotnej. A skoro już składać wniosek o patent, nikt nie zabrania wspomnieć w nim o możliwości użycia urządzenia do komunikacji głosowej. W styczniu Bell dodał do szkicu patentu nowy mechanizm generowania prądu falowego: zmienne oporniki. Chciał połączyć wibrującą membranę, która odbierała dźwięk, z platynowym stykem, który opadał i unosił się z pojemnika z kwasem, w którym znajdował się inny, nieruchomy styk. Gdy ruchomy styk zanurzał się głębiej, kontaktował się z większą powierzchnią kwasu, co zmniejszało opór prądu przepływającego między stykami – i odwrotnie.
Szkic Bella koncepcji nadajnika ze zmiennym opornikiem cieczy
Hubbard, wiedząc, że Gray depcze Bellowi po piętach, wysłał wniosek o patent na prąd falowy do biura patentowego rano 14 lutego, nie czekając na ostateczne potwierdzenie od Bella. A tego samego dnia po południu przybył prawnik Graya z jego patentem. Zawierał on również propozycję generowania prądu falowego za pomocą zmiennego opornika cieczy. Wspomniano w nim także o możliwościach zastosowania wynalazku zarówno w telegrafie, jak i do transmisji głosu. Jednak spóźnił się o kilka godzin, aby przeszkodzić patentowi Bella. Gdyby kolejność przybycia była inna, przed wydaniem zezwolenia na patent należałoby przeprowadzić długie przesłuchania w sprawie priorytetów. W rezultacie 7 marca Bell otrzymał patent nr 174 465 na "Udoskonalenia w telegrafii", co stało się fundamentem przyszłej dominacji systemu Bella.
Jednak w tej dramatycznej historii nie zabrakło ironii. Bo 14 lutego 1876 roku ani Bell, ani Gray nie zbudowali działającego modelu telefonu. Nikt nawet nie próbował tego uczynić, z wyjątkiem krótkiej próby Bella w poprzednim lipcu, w której nie było żadnego zmiennego opornika. Dlatego nie należy traktować patentów jako kamieni milowych w historii technologii. Ten krytyczny moment w rozwoju telefonii jako przedsięwzięcia biznesowego był praktycznie niezwiązany z telefonem jako urządzeniem.
Dopiero po wysłaniu patentu Bell i Watson mieli możliwość powrotu do telefonu, mimo ciągłych żądań Hubbarda o kontynuację pracy nad wielodostępnym telegrafem. Bell i Watson przez kilka miesięcy próbowali zrealizować pomysł z cieczą o zmiennym oporze, a telefon zbudowany na tej zasadzie był użyty do przesłania słynnego zdania: „Panie Watson, podejdź tutaj, chcę cię zobaczyć”.
Jednak wynalazcy wciąż napotykali problemy z niezawodnością tych nadajników. Dlatego Bell i Watson zaczęli pracować nad nowymi nadajnikami, wykorzystując zasadę magnesów, z którymi eksperymentowali latem 1875 roku – używając ruchu membrany w polu magnetycznym do bezpośredniego wzbudzenia prądu. Zaletą była prostota i niezawodność. Wadą było to, że mała moc sygnału telefonicznego wynikała z wibracji powietrza wytwarzanych przez głos mówiącego. To ograniczało efektywny zasięg nadajnika-magnesu. Natomiast w urządzeniu z zmiennym oporem głos modulował prąd generowany przez baterię, który można było uczynić dowolnie silnym.
Nowe magnesy działały znacznie lepiej niż te, które były latem wcześniej, i Gardiner postanowił, że być może w pomyśle telefonu jest coś do odkrycia. Wśród innych zajęć brał udział w komitecie edukacji i wystaw naukowych Massachusetts na zbliżającej się Wystawie Stulecia. Wykorzystał swoje wpływy, aby przyznać Bellowi miejsce na wystawie i w konkursie, w którym sędziowie oceniali wynalazki elektryczne.
Nadajnik-magnes Bell/Watson. Wibrująca metalowa membrana D porusza się w polu magnetycznym magnesu H i wzbudza prąd w obwodzie.
Odbiornik
Sędziowie przybyli do Belli zaraz po zapoznaniu się z harmonicznym telegrafem Greya. Pozostawił ich przy odbiorniku i podszedł do jednego z nadajników, znajdującego się sto metrów dalej w galerii. Rozmówcy Bella byli zdumieni, słysząc jego śpiew i słowa wydobywające się z małej metalowej skrzynki. Jednym z sędziów był rodak Bella, Szkot. (któremu później nadano tytuł lord Kelvin). W radosnym podnieceniu pobiegł na drugi koniec sali do Bella, aby powiedzieć mu, że usłyszał jego słowa, a później ogłosił telefon "najbardziej niezwykłą rzeczą, jaką widział w Ameryce". Tam był także cesarz Brazylii, który najpierw przycisnął pudełko do ucha, a potem skoczył z krzesła z okrzykami: "Słyszę, słyszę!"
Szum wywołany przez Bella na wystawie skłonił Edisona do zajęcia się swoimi wcześniejszymi pomysłami na temat przesyłania dźwięku przez telefon. Od razu rzucił się na główną wadę urządzenia Bella – słaby nadajnik magnetyczny. Ze swoich eksperymentów z quadrupleksem wiedział, że opór węgla zmienia się w zależności od nacisku. Po wielu eksperymentach z różnymi konfiguracjami opatentował nadajnik z regulowanym oporem, działający na tej zasadzie. Zamiast ruchomego w cieczy kontaktu, fala ciśnienia głosu mówiącego uciskała węglową "przycisk", zmieniając jego opór, a tym samym natężenie prądu w obwodzie. Było to znacznie bardziej niezawodne i prostsze w realizacji niż płynne nadajniki zaprojektowane przez Bella i Greya, co stanowiło kluczowy wkład w długoterminowy sukces telefonu.
Jednakże Bell był pierwszy w stworzeniu telefonu, mimo oczywistych przewag doświadczenia i umiejętności, jakimi dysponowali jego rywale. Był pierwszy nie dlatego, że napotkał olśnienie, które umknęło innym – oni także wpadli na pomysł telefonu, ale uznali go za mało znaczący w porównaniu z ulepszonym telegrafem. Bell był pierwszy, ponieważ bardziej podobał mu się ludzki głos niż telegraf, podobał się tak bardzo, że opierał się pragnieniu swoich partnerów, aż do momentu, gdy udowodnił, że jego telefon działa.
A co z harmonicznym telegrafem, na który Grey, Edison i Bell poświęcili tyle wysiłku i myśli? Na razie nic z tego nie wyszło. Utrzymanie mechanicznych wibratorów na obu końcach przewodu w idealnym ustawieniu okazało się bardzo trudne, a nikt nie wiedział, jak wzmocnić sygnał skumulowany, aby działał na dużych odległościach. Dopiero w połowie XX wieku, po tym jak technologie elektryczne, rozpoczęte od radia, pozwoliły na precyzyjne strojenie częstotliwości i wzmocnienie przy niskim poziomie szumów, pomysł nakładania wielu sygnałów do przesyłania przez jeden przewód stał się rzeczywistością.
Pożegnanie z Bellem
Pomimo sukcesu telefonu na wystawie, Hubbard nie był zainteresowany budowaniem systemu telefonicznego. W następną zimę zaproponował Williamowi Ortonowi, prezydentowi Western Union, zakup wszystkich praw do telefonu zgodnie z patentem Bella za 100 000 dolarów. Orton odmówił, pod wpływem połączenia niechęci do Hubbarda i jego planów z pocztowym telegrafem, pewności w swoich umiejętnościach i pracy Edisona nad telefonem, a także wiary w to, że telefon w porównaniu do telegrafu znaczył bardzo mało. Inne próby sprzedaży pomysłu telefonu zakończyły się niepowodzeniem, głównie z powodu obaw przed ogromnymi kosztami związanymi z prawami patentowymi w przypadku komercjalizacji. Dlatego w lipcu 1877 roku Bell z partnerami założył Bell Telephone Company, aby samodzielnie zorganizować usługę telefoniczną. W tym samym miesiącu Bell w końcu ożenił się z Maybelle Gardiner w domu jej rodziny, stając się wystarczająco odnoszącym sukcesy, aby zdobyć błogosławieństwo jej ojca.
Alec z żoną Maybelle i dwojgiem żyjących dzieci – dwóch jego synów zmarło w niemowlęctwie (około 1885 roku)
W następnym roku Orton zmienił swoje podejście do telefonu i założył swoją firmę, American Speaking Telephone Company, mając nadzieję, że patenty Edisona, Greya i innych ochronią firmę przed prawnymi atakami Bella. Stała się ona śmiertelnym zagrożeniem dla interesów Bella. Western Union miała dwa główne atuty. Po pierwsze, duże zasoby finansowe. Firma Bella potrzebowała pieniędzy, ponieważ wynajmowała sprzęt swoim klientom, przez co jego amortyzacja zajmowała wiele miesięcy. Po drugie, dostęp do ulepszonego nadajnika Edisona. Każdy, kto porównywał jego nadajnik z urządzeniem Bella, nie mógł nie zauważyć lepszej wyrazistości i głośności głosu w tym pierwszym. Firmie Bella nie pozostało nic innego, jak tylko wnieść pozew przeciwko konkurentowi, składając skargę o naruszenie patentu.
Gdyby Western Union miała jednoznaczne prawa do jedynego dostępnego wysokiej jakości nadajnika, dysponowałaby potężnym narzędziem do osiągnięcia porozumienia. Jednak zespół Bella odkopał wcześniejszy patent na podobne urządzenie, nabyty przez niemieckiego imigranta , i wykupił go. Dopiero po wielu latach batalii prawnych nadano priorytet patentowi Edisona. Widząc, że spór nie przynosi sukcesów, w listopadzie 1879 roku Western Union zgodziła się przekazać wszystkie prawa patentowe do telefonu, sprzętu i bazy istniejących abonentów (55 000 osób) firmie Bella. W zamian poprosili jedynie o 20% z wynajmu telefonów przez następne 17 lat oraz to, aby Bell nie wkraczał w biznes telegraficzny.
Firma Bella szybko zastąpiła urządzenia Bella ulepszonymi modelami, opartymi najpierw na patencie Berlingera, a następnie na patentach nabytych od Western Union. W momencie zakończenia sporu główną działalnością Bella stała się składanie zeznań w sprawach patentowych, których było w nadmiarze. Do 1881 roku całkowicie wycofał się z interesów. Podobnie jak Morse, w przeciwieństwie do Edisona, nie był twórcą systemów. Theodore Vail, energiczny menedżer, którego Gardiner ściągnął z poczty, przejął kontrolę nad firmą i doprowadził ją do dominującej pozycji w kraju.
Początkowo sieć telefoniczna rozwijała się zupełnie inaczej niż telegraficzna. Ta ostatnia rozwijała się skokowo, przesuwając się od jednego centrum handlowego do drugiego, pokonując po 150 km na raz, wyszukując miejsca o najwyższej koncentracji cennych klientów, a dopiero potem uzupełniała sieć połączeniami z mniejszymi lokalnymi rynkami. Sieci telefoniczne rosły jak kryształy z małych punktów wzrostu, z kilku klientów rozmieszczonych w niezależnych skupiskach w każdym mieście i okolicach, i powoli, przez dekady, łączyły się w struktury regionalne i krajowe.
Dla dużej telefonii istniały dwa główne przeszkody. Po pierwsze, problem odległości. Nawet z wzmocnionymi nadajnikami zmiennego oporu, stworzonymi w oparciu o pomysł Edisona, zasięg pracy telegrafu i telefonu był nieporównywalny. Bardziej złożony sygnał telefonu był bardziej narażony na zakłócenia, a elektryczne właściwości fluktuujących prądów były mniej znane niż właściwości prądu stałego używanego w telegrafie.
Po drugie, istniał problem komunikacji. Telefon Bella był urządzeniem komunikacyjnym jeden na jeden, mógł łączyć dwa punkty za jednym przewodem. W przypadku telegrafu nie było to problemem. Jeden biuro mogło obsługiwać wielu klientów, a wiadomości można było łatwo przekierować z biura centralnego inną linią. Nie było jednak prostego sposobu na przekazanie rozmowy telefonicznej. W pierwszej wersji telefonu trzeci i kolejni ludzie mogli połączyć się z dwiema rozmawiającymi osobami tylko poprzez to, co później nazwano „sparowanym telefonem”. To znaczy, jeśli wszystkie aparaty subskrybentów były podłączone do jednej linii, każdy z nich mógł mówić (lub podsłuchiwać) z innymi.
Do problemu odległości wrócimy w swoim czasie. W zagłębimy się w problem połączeń i jego konsekwencje, które miały wpływ na rozwój przekaźnika.
Co przeczytać
- Robert V. Bruce, Bell: Alexander Graham Bell i podbój samotności (1973)
- David A. Hounshell, „Elisha Gray i telefon: o wadach bycia ekspertem”, Technologia i kultura (1975).
- Paul Israel, Edison: Życie wynalazcy (1998)
- George B. Prescott, Mówiący telefon, Mówiący fonograf i inne nowości (1878)
Źródło: habr.com
