Alte articole din ciclu:
- Istoria releului
- Istoria calculatoarelor electronice
- Istoria tranzistorului
- Istoria internetului
În am aflat cum un savant și cadru didactic american a călătorit pentru prima dată în Europa. Vizitând Londra, a făcut o oprire la un om pe care îl respecta profund, matematicianul . Împreună cu Henry era prietenul său, Alexander Bach, și un nou cunoscut, tot experimentator în domeniul telegrfului, . Babbage le-a spus oaspeților că intenționează să-i prezinte parlamentului mașina sa de calcul, dar cu și mai multă plăcere le-a împărtășit ideea noului său dispozitiv, "care va depăși semnificativ capacitățile primului". Henry a notat detalii generale despre acest plan în jurnalul său:
Această mașină se împarte în două părți, una dintre care domnul B. o numește depozit, iar cealaltă – moară. Depozitul este umplut cu rotițe marcate cu cifre. În mod periodic, resursele sunt extrase și mutate în moară, unde au loc manipulările necesare. La final, această mașină va putea să rezume într-un tabel orice formulă de natură algebrică.
Un istoric nu poate să nu simtă un fior pe șira spinării din cauza acestor întâlniri fortuite în viețile umane. Aici s-au intersectat două fire ale istoriei mașinilor de calcul, una dintre ele apropiindu-se de final, iar cealaltă abia începând.
De fapt, deși mașina lui Babbage este adesea considerată începutul istoriei computatoarelor universale moderne, legătura dintre ele este destul de slabă. Mașina sa (pe care nu a construit-o niciodată) a fost culminarea unui vis despre calcule mecanice. Acest vis, exprimat pentru prima dată de Leibniz, a fost inspirat de mecanismele de ceas din ce în ce mai complexe, create de meșteșugari încă din Evul Mediu. Dar niciun computer de uz general nu a fost construit pe mecanică pură – această sarcină este prea complicată.
Iată că releul electromagnetic, conceput de Henry și alții, poate fi integrat destul de ușor în contururi computaționale, a căror complexitate pare de neimaginat fără el. Totuși, pentru a ajunge la acest punct au mai rămas încă decenii, iar Henry și contemporanii săi nu puteau anticipa o astfel de dezvoltare. Acesta a devenit strămoșul unui număr nenumărat de tranzistori, care au făcut posibilă lumea digitală de astăzi, atât de interconectată cu viața noastră modernă. Releele au umplut interiorul primelor mașini de calcul programabile, care au domnit pentru o perioadă scurtă, până când au fost înlocuite de rudele lor complet electronice.
Releele au fost inventate de mai multe ori, independent unul de celălalt, în anii 1830. Obiectivele lor erau variate (cei cinci inventatori ai săi au conceput cel puțin trei variante de utilizare) – la fel ca exemplele de utilizare. Dar este convenabil să ne gândim la ele ca la un dispozitiv cu dublă întrebuințare. Poate fi folosit ca un comutator, controlând un alt dispozitiv electric (inclusiv, ceea ce este important, un alt releu), sau ca un amplificator, transformând un semnal slab într-unul puternic.
Comutator
Joseph Henry combina în aceeași persoană cunoștințe profunde în filosofia naturii, mecanică și un interes pentru problema telegrafului mecanic. În anii 1830, o astfel de combinație de calități era, probabil, întâlnită doar la Whiston. Până în 1831, el a construit un circuit de 2,5 km, capabil să activeze un clopoțel, folosind cel mai puternic magnet disponibil. Poate că, dacă ar fi continuat să lucreze cu aceeași ardoare asupra telegrafului și ar fi demonstrat aceeași perseverență ca Morse, numele său ar fi fost consemnat în manuale.
Dar Henry, profesor la Academia din Albany și apoi la Colegiul din New Jersey (acum Universitatea Princeton), construia și îmbunătăția dispozitive electrice în scopuri de cercetare, educație și demonstrații științifice. Nu era interesat să transforme un instrument pedagogic într-un sistem de transmitere a mesajelor.
Aproximativ în 1835, el a inventat o demonstrație ingenioasă folosind două circuite. Amintiți-vă că Henry a descoperit două dimensiuni ale electricității – intensitatea și cantitatea (le numim tensiune și curent). El a creat circuite cu baterii intense și magneți pentru a transmite electromagnetismul pe distanțe mari și circuite cu baterii cantitative și magneți pentru a genera forțe electromagnetice de mare putere.
Noua sa unitate combina ambele proprietăți. Electromagnetul cantitativ puternic putea ridica sarcini de sute de kilograme. Magnetul intens de la capătul circuitului lung era folosit pentru a ridica un fir metalic mic: un comutator. Închiderea circuitului intens făcea ca magnetul să ridice firul, ceea ce deconecta comutatorul și circuitul cantitativ. Electromagnetul cantitativ lăsa apoi brusc să cadă sarcina cu un zgomot asurzitor.
Relantiul acesta – și anume asta era rolul magnetului intens și firului său – era necesar pentru a demonstra transformarea energiei electrice în mecanică, precum și modul în care o mică forță poate controla una mare. O ușoară imersie a firului în acid pentru a închide circuitul provoca o mică mișcare a comutatorului, care se finaliza cu o catastrofă sub forma căderii metalului, într-o cantitate suficientă pentru a zdrobi pe oricine ar fi fost suficient de stupid să stea sub el. Pentru Henry, relantiul era un instrument de demonstrare a principiilor științifice. Era o levier electric.
Henry a fost probabil primul care a conectat astfel cele două circuite – folosind electromagnetismul unuia pentru a controla altul. Al doilea, din câte știm, a fost William Cook și Charles Wheatstone, deși ei aveau scopuri complet diferite.
În martie 1836, la scurt timp după ce a asistat la o demonstrație a unui telegraf din Heidelberg, care folosea un ac galvanic pentru a transmite semnale, Cook a fost inspirat de o cutie muzicală. Cook considera că utilizarea acelor pentru a marca literele în telegraful real ar necesita mai multe ace și, prin urmare, mai multe circuite. El își dorea ca electromagnetul să activeze un mecanism care ar putea fi oricum de complex în demonstrerea literei dorite.
El a conceput o mașină asemănătoare unei cutii muzicale, cu un tambur înconjurat de numeroase bolduri. De o parte a tamburului ar trebui să fie o scală circulară cu litere. La fiecare capăt al liniei telegrafice ar trebui să existe o astfel de cutie. O arcuri tensionată ar trebui să facă tamburul să se rotească, dar în cea mai mare parte a timpului acesta va fi fixat cu un opritor. Când este apăsat butonul telegrafic, circuitul se închide, activând electromagneții care deschid cele două opritoare, iar ambele mașini se rotesc. Când litera dorită este indicată pe scală, butonul este eliberat, opritoarele revin la loc și opresc mișcarea tamburilor. Cook, fără să știe, a recreat modelul cronometric al telegrafului lui Ronald, inventat cu două decenii înainte, și primele experimente ale fraților Shappe cu telegrafia (diferența fiind că aceștia utilizau sunetul pentru sincronizarea scalelor, nu electricitate).
Cook a realizat că același mecanism ar putea ajuta la rezolvarea unei probleme vechi a telegrafului – informarea părții primitoare despre un nou mesaj. Pentru aceasta, ar putea fi folosit un al doilea circuit cu un alt electromagnet, care ar activa un clopoțel mecanic. Închiderea circuitului ar trage opritorul, iar clopoțelul ar suna.
În martie 1837, Cook a început colaborarea cu Whístone pe tema telegrafului, iar în această perioadă s-au gândit și la necesitatea unui al doilea circuit. În loc de a crea un circuit independent pentru semnalizarea notificării (și a trasa kilometri de fire suplimentare), nu ar fi fost mai simplu să folosească circuitul principal pentru controlul semnalului?
Până atunci, Cook și Whiston s-au întors la designul cu ac și era evident că se putea conecta un mic fir cu un ac, astfel încât, atunci când capătul său era atras de un electromagnet, coada acestuia să închidera un al doilea circuit. Acest circuit ar activa semnalul. După un anumit interval, timp în care receptorul mesajului putea să se trezească, să oprească semnalul și să pregătească un creion și hârtie, acul putea fi folosit pentru a transmite mesajul în mod obișnuit.
În decurs de doi ani, pe două continente, de două ori, cu două scopuri diferite, oamenii au realizat că electromagnetul putea fi folosit ca un comutator pentru a controla un alt circuit. Dar se putea imagina și o metodă complet diferită de interacțiune între cele două circuite.
Amplificator
Până în toamna anului 1837, Samuel Morse era încrezător că idee sa de telegraf electric putea funcționa. Folosind o baterie puternică și un magnet Henry, el trimitea mesaje pe o distanță de o jumătate de kilometru. Dar, pentru a dovedi Congresului posibilitatea de a transmite mesaje prin telegraful său pe tot continentul, avea nevoie de mult mai mult. Era clar că, indiferent de puterea bateriilor, într-un anumit moment circuitul ar deveni prea lung pentru a transmite un semnal clar la celălalt capăt. Dar Morse a realizat că, în ciuda căderii puterii de la distanță, electromagnetul putea deschide și închide un alt circuit, alimentat de propria sa baterie, care, la rândul său, putea transmite semnalul mai departe. Procesul putea fi repetat de câte ori era necesar și ar putea acoperi distanțe de orice lungime. De aceea, aceste magneți intermediare au fost numiți „relay” – ca stațiile poștale pentru schimbarea cailor. Ele primeau mesajul electric de la partenerul slăbit și îl transmiteau mai departe cu o nouă forță.
Nu se poate stabili dacă această idee a fost inspirată de lucrările lui Henry, dar Morse a fost cu siguranță primul care a utilizat un releu în acest scop. Pentru el, releul era nu un comutator, ci un amplificator capabil să transforme un semnal slab într-unul puternic.
De cealaltă parte a Atlanticului, aproximativ în această perioadă , farmacist londonez, a venit cu o idee similară. Probabil că s-a interesat de telegraf în jurul anului 1835. Până la începutul anului 1837, a început să efectueze experimente regulat cu un circuit de o jumătate de kilometru în Regent's Park, în nord-vestul Londrei.
La scurt timp după întâlnirea lui Cook și Whitstone în martie 1837, Davey a simțit concurența și a început să se gândească mai serios la construirea unei sisteme practice. A observat că forța de deviere a acului galvanic scădea semnificativ la creșterea lungimii sârmei. Așa cum a scris mulți ani mai târziu:
Atunci m-am gândit că chiar și cea mai mică mișcare a acului, comparabilă cu grosimea unui păr, ar fi suficientă pentru a aduce în contact cele două suprafețe metalice, închizând noul circuit, care depinde de bateria locală; și astfel s-ar putea repeta la nesfârșit.
Davey a numit această idee de transformare a unui semnal electric slab într-unul puternic «reînnoitor electric». Dar nu a reușit să realizeze această sau vreo altă idee legată de telegraf. A obținut un brevet pentru telegraf în 1838, independent de Cook și Whitstone. Însă în 1839, a plecat în Australia, fugind de un mariaj nefericit, lăsând domeniul competitorilor. Compania sa de telegraf a cumpărat acest brevet câțiva ani mai târziu.
Releu în lume
În istoria tehnologiilor ne concentrăm mult pe sisteme, dar adesea ignorăm componentele lor. Ne desfășurăm povestea telegrafului, telefonului, luminii electrice, cufundându-i pe creatorii lor în razele calde ale aprobării noastre. Dar aceste sisteme au putut apărea doar datorită combinației, recombinării și modificării elementelor existente, care au crescut liniștit în umbră.
Releul este unul dintre aceste elemente. A evoluat rapid și a câștigat diversitate pe măsură ce rețelele de telegraf au început să crească activ în anii 1840 și 1850. În deceniul următor, a apărut în sisteme electrice de diferite tipuri. Cea mai timpurie modificare a fost utilizarea unui ancore metalice rigide, așa cum se folosea la semnalul telegrafic, pentru a închide circuitul. După deconectarea electromagnetului, ancora era detașată de circuit printr-o arcuri. Acest mecanism era mai fiabil și mai durabil decât bucățile de sârmă sau acele. Au fost dezvoltate și modele care erau închise din fabrică, pe lângă designul inițial, care era deschis din fabrică.
Un releu tipic de la sfârșitul secolului XIX. Arcul T menține ancorele B departe de contactul C. Când electromagnetul M este activat, el depășește arcul și închide circuitul între firul W și contactul C.
În primii ani ai telegrafiei, releele erau rareori folosite ca amplificatoare sau „reîntineritori”, deoarece un circuit putea fi întins pe 150 km. Însă, ele erau foarte utile pentru conectarea liniilor slabe cu liniile locale de înaltă tensiune, care puteau fi folosite pentru alimentarea altor aparate, precum registrul Morse.
Zeci de brevete din SUA din a doua parte a secolului XIX descriu tipuri noi de relee și aplicațiile lor inovatoare. Releul diferențial, care diviza bobina astfel încât efectul electromagnetic să fie compensat într-o direcție și amplificat în cealaltă, permitea utilizarea comunicației telegrafice duplex: două semnale care călătoreau în direcții opuse printr-un singur fir. Thomas Edison a folosit releul polarizat (sau polar) pentru a crea un sistem quadriplex, capabil să trimită 4 semnale simultan printr-un singur fir: câte două în fiecare direcție. În releul polarizat, ancorele erau un magnet permanent, reacționând la direcția curentului, nu la forță. Datorită magneților permanenți, era posibil să se construiască relee cu contacte comutabile, care după comutare rămâneau deschise sau închise.
Releu polarizat
Releele, pe lângă telegraf, au început să fie folosite și în sistemele de semnalizare ale căilor ferate. Odată cu apariția rețelelor electrice, releele au fost folosite și în aceste sisteme, mai ales ca dispozitive de protecție.
Dar chiar și aceste rețele lungi și complexe nu necesitau mai mult de la relee decât ceea ce acestea erau capabile să ofere. Telegraful și calea ferată au ajuns în fiecare oraș, dar nu în fiecare clădire. Ele aveau zeci de mii de puncte finale, dar nu milioane. Sistemele electrice nu le păsa unde se termină – ele doar furnizau curent către circuitul local, iar fiecare casă și întreprindere putea să-l utilizeze cât de mult avea nevoie.
Telefonia a fost o chestiune complet diferită. Telefoanele trebuiau să creeze o legătură de la un punct la altul, de la oricare dintre case și birouri la oricare altul, și, prin urmare, aveau nevoie de circuite de control de o amploare fără precedent. Vocea umană, călătorind sub formă de vibrații prin cabluri, era un semnal bogat, dar slab. Așadar, pentru comunicațiile telefonice de distanță lungă erau necesari amplificatori de cea mai bună calitate. S-a dovedit că comutatoarele pot funcționa și ca amplificatori. Acum, rețelele telefonice gestionau evoluția comutatoarelor mai mult decât orice alte sisteme.
Ce să citești
• James B. Calvert, “Telegraful electromagnetic“
• Franklin Leonard Pope, „Practica modernă a telegrafului electric“ (1891)
Sursa: habr.com
