Och här är äntligen reläet

Andra artiklar i serien:

• Relayets historia
  • Metoden för "snabb överföring av information", eller födelsen av reläet
  • Skrivmaskin
  • Galvanism
  • Entreprenörer
  • Och här är äntligen reläet
  • Talande telegraf
  • Bara koppla ihop
  • En bortglömd generation av relä datorer
  • Den elektroniska eran
• Elektroniska datorers historia
  • Prolog
  • Kolos
  • ENIAC
  • Den elektroniska revolutionen
• Transistorernas historia
  • Krypande i mörkret
  • Från krigets smältdegel
  • Mångfaldig återuppfinning
• Internets historia
  • Stamnät
  • Nedbrytning, del 1
  • Nedbrytning, del 2
  • Att öppna interaktiviteten
  • Att utvidga interaktiviteten
  • ARPANET – födelse
  • ARPANET – paket
  • ARPANET – delnät
  • Datorn som kommunikationsenhet
  • Internets historia: nätverksinteraktion

I i den tidigare delen av berättelsen fick vi veta hur den amerikanske forskaren och läraren Joseph Henry första gången reste runt i Europa. Under sitt besök i London gjorde han en särskild avstickare för att träffa en man som han djupt respekterade, matematikern Charles Babbage. Tillsammans med Henry var hans vän, Alexander Bach, och hans nya bekantskap, även han en experimentatör inom telegrafi, Charles Wheatstone. Babbage berättade för sina gäster att han snart skulle demonstrera sin räkne-maskin för en parlamentsledamot, men med ännu större glädje delade han med dem idén om sin nya maskin, "som skulle överträffa den första betydligt". Henry noterade allmän information om denna plan i sin dagbok:

Denna maskin är uppdelad i två delar, varav den första kallas lagret av Mr B., och den andra – kvarnen. Lagret är fyllt med små hjul som har siffror ritade på sig. Periodiskt drar spakarna ut dem och flyttar dem till kvarnen, där nödvändiga manipulationer görs. Efter avslut är denna maskin kapabel att sammanställas i en tabell av vilken algebraisk formel som helst.

En historiker kan inte undgå att känna en rysning längs ryggraden av sådana slumpmässiga korsningar i människors liv. Här korsades två trådar av historien om beräkningsmaskiner, en av dem närmade sig sitt slut, medan den andra just började.

Även om Babbages maskin ofta framställs som början på historien om moderna universella datorer, är kopplingen mellan dem ganska svag. Hans maskin (som han aldrig byggde) var en kulmination av drömmen om mekaniska beräkningar. Denna dröm, först formulerad av Leibniz, inspirerades av allt mer komplexa klockmekanismer, skapade av hantverkare sedan slutet av medeltiden. Men ingen allmän dator byggdes av rent mekanik – denna uppgift är för komplicerad.

Det elektromagnetiska reläet, som Henry och andra tänkte ut, kan ganska lätt integreras i beräkningssystem som utan det skulle verka ofattbara. Men det dröjde fortfarande decennier innan detta blev verklighet, och Henry och hans samtida kunde inte förutse denna utveckling. Det blev stamfader till otaliga transistorer som möjliggjorde dagens digitala värld, så djupt sammanflätad med våra moderna liv. Reläerna fyllde inre delen av de tidiga programmerbara datorerna, som styrde en kort tid innan de blev ersatta av sina helt elektroniska släktingar.

Reläer uppfanns flera gånger oberoende av varandra under 1830-talet. Deras syften var mångfaldiga (de fem uppfinnarna kom på minst tre tillämpningar) – liksom exemplen på deras användning. Men det är praktiskt att tänka på dem som en enhet med dubbla funktioner. De kan användas som en strömbrytare som styr ett annat elektriskt apparat (inklusive, viktigt nog, ett annat relä), eller som en förstärkare som omvandlar en svag signal till en stark.

Strömbrytare

Joseph Henry kombinerade djupa kunskaper i naturfilosofi och mekanik med ett intresse för problemet med mekaniska telegrafer. Under 1830-talet var en sådan kombinering av egenskaper troligtvis bara närvarande hos Wheatstone. År 1831 byggde han en krets på 2,5 km i längd, kapabel att aktivera en klocka, med hjälp av den mest kraftfulla magneten som fanns. Kanske, om han fortsatt att arbeta så aktivt med telegrafen och visat samma beslutsamhet som Morse, skulle hans namn ha skrivits in i läroböckerna.

Men Henry, en lärare vid Akademin i Albany och senare vid New Jersey College (nu Princeton University), konstruerade och förbättrade elektriska apparater för forsknings-, utbildnings- och vetenskapliga demonstrationssyften. Han var inte intresserad av att omvandla ett pedagogiskt verktyg till ett meddelandesystem.

Cirka år 1835 konstruerade han en särskilt genialisk demonstration med hjälp av två kretsar. Tänk på att Henry upptäckte två dimensioner av elektricitet – intensitet och mängd (som vi kallar spänning och ström). Han skapade kretsar med intensiva batterier och magneter för att överföra elektromagnetism över stora avstånd, och kretsar med kvantitativa batterier och magneter för att skapa elektromagnetiska krafter av stor styrka.

Hans nya enhet kombinerade båda egenskaperna. Den kraftfulla kvantitativa elektromagneten kunde lyfta laster på hundratals kilogram. Den intensiva magneten i änden av den långa kretsen användes för att lyfta en liten metalltråd: en switch. Slutningen av den intensiva kretsen fick magneten att lyfta tråden, vilket bröt strömmen i den kvantitativa kretsen. Den kvantitativa elektromagneten släppte sedan plötsligt sin last med en öronbedövande smäll.

Denna relä – specifikt den roll som den intensiva magneten och dess tråd spelade – var nödvändig för att demonstrera omvandlingen av elektrisk energi till mekanisk, liksom hur en liten kraft kan styra en stor. En lätt nedsänkning av tråden i syra för att sluta kretsen ledde till en liten rörelse av den lilla switchen, vilket resulterade i en katastrof i form av att metall föll, i mängder tillräckliga för att krossa någon som var tillräckligt dum för att stå under den. För Henry var reläet ett verktyg för att demonstrera vetenskapliga principer. Det var en elektrisk hävstång.

Henry var förmodligen den första som på detta sätt kopplade samman två kretsar – för att med hjälp av elektromagnetismen i den ena kretsen styra den andra. Den andra platsen, såvitt vi vet, tillhör William Cook och Charles Whiting, även om de hade helt andra syften.

I mars 1836, strax efter att ha besökt en demonstration i Heidelberg av en telegraf som använde en galvanisk nål för att överföra signaler, inspirerades Cook av en musiklåda. Cook ansåg att användningen av nålar i en riktig telegraf som markerar bokstäver skulle kräva flera nålar, och för dem behövdes flera kretsar. Cook ville att elektromagneter skulle aktivera en mekanism, som redan kunde vara hur komplex som helst för att demonstrera den önskade bokstaven.

Han designade en maskin som liknade en musiklåda, med en trumma omgiven av många nålar. På ena sidan av trumman skulle det finnas en cirkulär skala med bokstäver. I ändarna av telegraflinjen borde det finnas en sådan låda. En uppladdad fjäder skulle få trumman att snurra, men under större delen av tiden skulle den hållas på plats av en spärr. När telegrafinstrumentet trycks ner sluts kretsen, vilket aktiverar elektromagneter som öppnar båda spärrarna, och båda maskiner snurrar. När den önskade bokstaven visas på skalan släpps nyckeln, spärrarna går tillbaka på plats och stoppar trummornas rörelse. Cook, utan att veta det, återgav den kronometriska modellen av Ronalds telegraf, som uppfanns två decennier tidigare, och de tidiga experimenten av bröderna Chappe med telegrafen (bara de använde ljud för att synkronisera skalar, inte elektricitet).

Cook insåg att en liknande mekanism kunde hjälpa till att lösa det gamla problemet med telegrafen – att informera mottagaren om ett nytt meddelande. För detta kunde en andra krets med en annan elektromagnet användas, som skulle aktivera en mekanisk klocka. Slutningen av kretsen skulle dra in spärren och klockan skulle ringa.

I mars 1837 började Cook samarbeta med Whistler på telegrafen, och ungefär vid denna tidpunkt började de fundera på behovet av en andra krets. Istället för att skapa en oberoende krets för signalen för avisering (och dra kilometer av onödiga kablar), var det inte enklare att använda huvudkretsen för att kontrollera signalen?

Vid den tiden hade Cook och Whitson återgått till den nålliknande designen, och det var helt uppenbart att man kunde koppla en liten bit tråd till en nål så att när dess ände drogs av en elektromagnet, skulle dess svans kortsluta en andra krets. Denna krets skulle aktivera signalen. Efter en viss tidsintervall, under vilken mottagaren av meddelandet skulle kunna hinna vakna, stänga av signalen och förbereda penna och papper, kunde nålen redan användas för att överföra meddelandet på traditionellt sätt.

Under två år, på två kontinenter, vid två olika tillfällen och med två olika syften, insåg människor att electromagneten kunde användas som en omkopplare för att styra en annan krets. Men det fanns också möjlighet till en helt annan interaktion mellan de två kretsarna.

Förstärkare

Till hösten 1837 var Samuel Morse övertygad om att hans idé om en elektrisk telegraf kunde fås att fungera. Genom att använda ett intensivt batteri och Henrys magnet skickade han meddelanden över ett avstånd av en halv kilometer. Men för att bevisa för Kongressen att meddelanden kunde överföras via hans telegraf över hela kontinenten krävdes det mycket mer. Det blev tydligt att oavsett batteriernas kraft, vid något tillfälle skulle kretsen bli för lång för att överföra en tydlig signal till den andra änden. Men Morse insåg att trots det kraftiga fallet i effekt över avståndet, kunde elektromagneten öppna och stänga en annan krets, försörjd av ett eget batteri, som i sin tur kunde skicka signalen längre. Processen kunde upprepas hur många gånger som helst och täcka avstånd av valfri längd. Därför kallades dessa mellanliggande magneter "relay" – som poststationer för hästbyte. De tog emot elektriska meddelanden från den svagare partnern och bar dem vidare med ny kraft.

Det är omöjligt att fastställa om denna idé inspirerades av Henrys arbete, men Morse var definitivt den första som använde reläer för detta syfte. För honom var reläet inte en omkopplare utan en förstärkare, kapabel att omvandla en svag signal till en stark.

Å andra sidan av Atlanten ungefär vid samma tid Edward Davey, en londonsk farmaceut kom på en liknande idé. Han blev troligen intresserad av telegrafen omkring 1835. Vid början av 1837 genomförde han regelbundet experiment med en en och en halv kilometer lång krets i Regent's Park i nordvästra London.

Strax efter mötet mellan Cook och Whiston i mars 1837 kände Davy av konkurrensen och började allvarligare överväga att bygga ett praktiskt system. Han noterade att kraften i avvikelsen av den galvaniska nålen minskade avsevärt när ledningens längd ökade. Som han skrev många år senare:

Då tänkte jag att även den minsta rörelsen av nålen, motsvarande tjockleken på ett hår, skulle vara tillräcklig för att få kontakt mellan två metallytor som slutade den nya kretsen, beroende av den lokala batteriet; och så kan detta upprepas i evighet.

Davy kallade denna idé att omvandla en svag elektrisk signal till en stark för en "elektrisk uppdaterare". Men han lyckades inte realisera denna eller någon annan idé om telegrafen. Han fick patent på telegrafen 1838, oberoende av Cook och Whiston. Men 1839 seglade han till Australien för att fly från sitt olyckliga äktenskap och lämnade fältet öppet för konkurrenter. Deras telegrafföretag köpte detta patent några år senare.

Reläer i världen

Inom teknikens historia lägger vi stor vikt vid systemen, men ignorerar ofta deras komponenter. Vi leder historien om telegrafen, telefonen, elektriskt ljus, och badar deras skapare i varma strålar av vårt godkännande. Men dessa system kunde endast uppstå tack vare kombination, rekombinering och förändring av befintliga element som tyst växte i skuggan.

Relä är en av dessa element. Det har snabbt utvecklats och fått mångfald när telegrafnäten började växa aktivt under 1840-talet och 1850-talet. Under det följande seklet dök det upp i elektriska system av olika slag. Den tidigaste modifieringen var användningen av ett hårt metallankare, som i telegrafsignalen, för att sluta kretsen. Efter att elektromagneten stängdes frånkopplades ankaret från kretsen med en fjäder. Denna mekanism var mer pålitlig och hållbar än stycken av ledningar eller nålar. Det utvecklades även stängda modeller som standard, utöver den ursprungliga designen som var öppen som standard.

Typiskt relä från slutet av 1800-talet. Fjädern T håller ankaret B från att röra vid kontaktpunkten C. När elektromagneten M aktiveras, övervinner den fjädern och kortsluter kretsen mellan tråden W och kontaktpunkten C.

Under de tidiga åren av telegrafen användes reläer sällan som förstärkare eller "förnyare", eftersom en krets kunde sträckas över 150 km. Men de var mycket användbara för att kombinera svagströmsslingor med lokala högspänningslinjer som kunde användas för att driva andra maskiner, som till exempel en Morse-registrator.

Dussintals patent i USA från andra hälften av 1800-talet beskriver nya typer av reläer och deras nya användningsområden. Det differentiala reläet, som separerade spolen så att den elektromagnetiska effekten kompenserades åt ett håll och förstärktes åt ett annat, gjorde det möjligt för duplex-telegrafkommunikation: två signaler som färdades i motsatta riktningar över en ledning. Thomas Edison använde det polariserade (eller polära) reläet för att skapa en kvadruplex som kunde sända 4 signaler samtidigt över en ledning: två i varje riktning. I det polariserade reläet var själva ankaret en permanent magnet som reagerade på strömmens riktning snarare än dess styrka. Tack vare permanenta magneter kunde reläer skapas med växlande kontakter, som efter växlingen förblev öppna eller stängda.

Polariserat relä

Reläer, förutom i telegrafi, började också användas i signalsystem på järnvägar. Med framväxten av elnät började reläer användas i dessa system, särskilt som skyddsenheter.

Men även dessa långa och komplexa nätverk krävde inte mer av reläer än vad de kunde erbjuda. Telegrafen och järnvägarna nådde varje stad, men inte varje byggnad. De hade tiotusentals slutpunkter, men inte miljoner. Elnät brydde sig inte om var de slutade – de gav bara ström till den lokala kretsen, och varje hem och företag kunde ta det de behövde.

Telefoni var en helt annan sak. Telefonerna behövde skapa en förbindelse från punkt till punkt, från vilket som helst av husen och kontoren till vilket annat, och därför krävdes styrkretsar av en aldrig tidigare skådad skala. Den mänskliga rösten, som färdades i form av svängningar genom ledningar, var en rik men svag signal. Därför behövdes det kvalitativt bättre förstärkare för långdistans telekommunikation. Det visade sig att switchar också kunde fungera som sådana förstärkare. Nu kontrollerade telefonnäten mer än något annat system utvecklingen av switcharna.

Vad att läsa

• James B. Calvert, “Den elektromagnetiska telegrafen“
• Franklin Leonard Pope, «Modern praktik av den elektriska telegrafen» (1891)

Källa: habr.com