Інші статті циклу:
- Історія реле
- Історія електронних комп'ютерів
- Історія транзистора
- Історія Інтернету
В ми побачили, як перше покоління цифрових комп'ютерів було побудовано з урахуванням першого покоління автоматичних електричних перемикачів – електромагнітних реле. Але на той час, коли ці комп'ютери були створені, за лаштунками чекав свого виходу ще один цифровий перемикач. Реле було електромагнітним пристроєм (який використовував електрику для управління механічного перемикача), а новий клас цифрових перемикачів був електронним - заснованим на нових знаннях про електрон, що з'явилися на початку XX століття. Ця наука позначила, що переносником електричної сили був не струм, не хвиля, не поле – а тверда частка.
Пристрій, що породив еру електроніки, засновану на цій новій фізиці, став відомим як «електронна лампа» [США — vacuum tube, або «вакуумна трубка»]. В історії її створення беруть участь дві людини: англієць та американець . Насправді походження електроніки складніше, воно звивається з безлічі ниток, що перетинають Європу та Атлантику, і тягнуться назад у минуле, аж до ранніх експериментів з Лейденськими банками у середині XVIII століття.
Але в рамках нашого викладу зручно висвітлюватиме (каламбур!) цю історію, починаючи з Томаса Едісона. У 1880-х Едісон зробив цікаве відкриття, працюючи над електричним освітленням – це відкриття готує сцену нашої історії. Звідси пішов подальший розвиток електронних ламп, що вимагався для двох технологічних систем: нової форми бездротової передачі повідомлень і телефонних мереж, що постійно розширюються.
Пролог: Едісон
Едісон зазвичай вважають винахідником електричної лампочки. Це одночасно робить йому надто багато і надто мало честі. Занадто багато, оскільки не один Едісон придумав лампу, що світиться. Крім натовпу винахідників, що передували йому, чиї твори не дійшли до комерційного застосування, можна згадати Джозефа Свана і Чарльза Стёрна з Британії та американця Вільяма Сойєра, які вивели на ринок лампочки одночасно з Едісоном. [Честь винаходу також належить російському винахіднику . Лодыгин был первым, кто догадался выкачать из стеклянной ламповой колбы воздух, а потом и нить накаливания предложил делать не из угля или обугленных волокон, а из тугоплавкого вольфрама / прим. перев.]. Усі лампи складалися із запаяної скляної колби, всередині якої розташовувалась резистивна нитка. При включенні лампи в схему тепло, що виникало завдяки опору нитки струму, змушувало світитися. З колби було викачано повітря, щоб нитка не загорялася. Електричне світло вже було відоме у великих містах у вигляді , що використовувалися для висвітлення великих громадських місць. Всі ці винахідники шукали спосіб зменшити кількість світла, взявши від дуги, що горить, яскраву частинку, досить невелику для того, щоб використовувати її в будинках для заміни газових ламп, і зробити джерело світла безпечнішим, чистішим і яскравішим.
А що Едісон справді зробив – а точніше створила його промислова лабораторія – це не просто створення джерела світла. Вони побудували цілу електричну систему для освітлення будинків – генератори, дроти для передачі струму, трансформатори тощо. З усього цього лампочка була лише очевидним і видимим компонентом. Присутність імені Едісона в його компаніях, що виробляли електроенергію, була не простим уклінністю перед великим винахідником, як у випадку з Bell Telephone. Едісон показав себе як винахідником, а й системним архітектором. Його лабораторія продовжувала роботу з покращення різних компонентів електричного освітлення навіть після їхнього раннього успіху.
Екземпляр ранніх ламп Едісона
У ході досліджень десь у 1883 році Едісон (а можливо, і один з його співробітників) вирішив укласти всередині лампи, що світиться, разом з ниткою ще й металеву пластину. Причини цього вчинку не зрозумілі. Можливо, це була спроба усунути потемніння лампи – начинка скла колби з часом накопичувала загадкову темну субстанцію. Інженер, мабуть, сподівався, що ці чорні частинки будуть притягуватися до пластини, що знаходиться під напругою. На свій подив він виявив, що коли пластина була включена в схему разом з позитивним кінцем нитки, то величина струму, що протікає через нитку, була прямо пропорційна інтенсивності світіння нитки. При з'єднанні пластини з негативним кінцем нитки нічого не спостерігалося.
Едісон вирішив, що цей ефект, пізніше названий ефектом Едісона або , можна використовувати для вимірювання або навіть управління «електрорушійною силою», або напругою в електричній системі. Через звичку він подав заявку на патент цього «електричного індикатора», а потім повернувся до більш важливих завдань.
Без дротів
Перенесемося на 20 років у майбутнє, 1904-го. У цей час в Англії Джон Амброз Флемінг працював за завданням Marconi Company над поліпшенням приймача радіохвиль.
Важливо зрозуміти, чим було і чим не було радіо в той час як з точки зору інструменту, так і з точки зору практики. Радіо тоді навіть не називали "radio", його називали "wireless", бездротове. Термін «радіо» став превалювати лише у 1910-х. Саме йшлося про бездротовий телеграф – система передачі сигналів як точок і тире від відправника до одержувачу. Його основним застосуванням був зв'язок між судами та портовими службами, і в цьому сенсі ним цікавилися морські відомства всього світу.
Деякі винахідники того часу, зокрема, , Експериментували з ідеєю радіотелефону – передачі голосових повідомлень повітрям у вигляді безперервної хвилі. Але широкомовлення в сучасному розумінні виникло лише через 15 років після цього: передача новин, історій, музики та інших програм для широкої аудиторії. До того всеспрямована природа радіосигналів розглядалася як проблема, яку потрібно вирішити, а не як особливість, якою можна скористатися.
Радіообладнання, що існувало на той час, було добре пристосовано для роботи з абеткою Морзе і погано – для решти. Передавачі створювали хвилі Герца, відправляючи іскру через розрив у схемі. Тому сигнал супроводжувався тріском статики.
Приймачі розпізнавали цей сигнал через когерер: металева тирса в скляній трубці, що збивалася під впливом радіохвиль в безперервну масу, і таким чином замикали схему. Потім по склу потрібно було постукати, щоб тирса розпалася і приймач був готовий до наступного сигналу - спочатку це робили вручну, але незабаром для цього з'явилися автоматичні пристрої.
1905 року тільки почали з'являтися , також відомі як «котячий вус». Виявилося, що просто торкнувшись проводом певного кристала, наприклад, кремнію, залізного колчедану або можна було вихопити з повітря радіосигнал. Приймачі, що виходили, були дешевими, компактними і доступними кожному. Вони стимулювали розвиток радіоаматорства, особливо серед молоді. Несподіваний сплеск зайнятості ефіру, що виник внаслідок цього, призвів до проблем через те, що радіоефір ділився між усіма користувачами. Невинні розмови любителів могли випадково перетнутися з переговорами морфлоту, а деякі хулігани навіть примудрялися віддавати хибні накази та надсилати сигнали про допомогу. Держава неминуче мала втрутитися. Як писав сам Амброз Флемінг, поява кристалічних детекторів
одразу ж призвело до сплеску безвідповідальної радіотелеграфії через витівки незліченну кількість любителів-електриків та учнів, що зажадало жорсткого втручання національних та міжнародних органів влади для утримання того, що відбувається в рамках розумного та безпечного.
З незвичайних електричних властивостей цих кристаликів свого часу з'явиться третє покоління цифрових перемикачів, за реле і лампами – перемикачі, що домінують у світі. Але всьому свій час. Ми описали сцену, тепер повернемо всю увагу до актора, який тільки-но з'явився у світлі софітів: Амброз Флемінг, Англія, 1904-й.
клапан
У 1904 році Флемінг був професором електротехніки в Університетському коледжі Лондона, і консультантом для Marconi Company. Спочатку компанія найняла його для отримання експертної оцінки будівництва електростанції, але потім він зайнявся завданням поліпшення приймача.
Флемінг 1890-го
Всі знали, що когерер був поганим приймачем з точки зору чутливості, і розроблений Macroni магнітний детектор був не особливо краще. Щоб знайти йому заміну, Флемінг спочатку вирішив побудувати чутливу схему виявлення хвиль Герца. Такий пристрій, навіть не ставши детектором сам собою, буде корисним у майбутніх дослідженнях.
Для цього йому потрібно було придумати спосіб постійно вимірювати силу струму, створюваного хвилями, що приходять, замість використання дискретного когерера (він показував тільки стани включено - де тирса злипалися, або вимкнено). Але відомі пристрої вимірювання сили струму – гальванометри – вимагали до роботи постійного, тобто, односпрямованого струму. Змінний струм, збуджений радіохвилями, змінював напрямок так швидко, що жодного виміру не вийшло б.
Флемінг згадав, що в нього в шафі припадає пилом кілька цікавих речей - індикаторні лампи Едісона. У 1880-х він був консультантом для Компанії електричного освітлення Едісона в Лондоні і працював над проблемою почорніння ламп. Тоді він отримав кілька копій індикатора, можливо, від Вільяма Пріса, головного інженера-електрика британської Поштової служби, який тоді щойно повернувся з електричної виставки у Філадельфії. У той час поза США для поштових служб контроль над телеграфом та телефоном був звичною справою, тож вони були центрами електротехнічної експертизи.
Пізніше, у 1890-х, Флемінг і сам вивчав ефект Едісона, використовуючи отримані від Пріса лампи. Він показав, що ефект полягав у тому, що струм потік в одному напрямку: негативний електричний потенціал міг текти з гарячої нитки на холодний електрод, але не навпаки. Але тільки в 1904 році, коли перед ним постало завдання виявлення радіохвиль, він зрозумів, що цей факт можна використати на практиці. Індикатор Едісона дозволить лише спрямованим в один бік імпульсам змінного струму долати розрив між ниткою та пластиною, що дасть постійний та односпрямований потік.
Флемінг взяв одну лампу, з'єднав її послідовно з гальванометром і увімкнув іскровий передавач. Вуаля-дзеркальце повернулося, і промінь світла зрушив на шкалі. Спрацювало. Він міг точно виміряти вхідний радіосигнал.
Прототипи клапана Флемінгу. Анод знаходиться в середині ниткової петлі (гарячого катода)
Флемінг назвав свій винахід «клапаном», оскільки він пропускав електрику лише в один бік. Говорячи більш загальною електротехнічною мовою, це був випрямляч – спосіб перетворення змінного струму на постійний. Потім його назвали діодом, оскільки в ньому було два електроди - гарячий катод (нитка), що випускав електрику, і холодний анод (пластина), що отримував його. Флемінг ввів у дизайн кілька поліпшень, але насправді пристрій не відрізнявся від індикаторної лампи, виготовленої Едісоном. Її перехід у нову якість відбувся внаслідок зміни способу мислення – таке явище ми вже бачили багаторазово. Зміна відбулася у світі ідей у голові Флемінга, а чи не у світі речей поза нею.
Сам собою клапан Флемінга був корисним. Це був найкращий польовий пристрій для вимірювання радіосигналів і непоганий детектор сам по собі. Але світ він не вразив. Вибухове зростання електроніки почалося лише після того, як Лі де Форест додав третій електрод і перетворив клапан у реле.
прослуховування
Лі де Фореста мала незвичайне виховання для учня з Йеля. Його отець, преподобний Генрі де Форест, був ветераном Громадянської війни з Нью-Йорка, пастором , і свято вірив у те, що як проповідник має поширювати божественне світло знань та правосуддя. Підкоряючись поклику обов'язку, він прийняв запрошення стати президентом Талладезького коледжу в Алабамі. Коледж був започаткований після Громадянської війни Американською місіонерською асоціацією, що базувалася в Нью-Йорку. Він призначався для навчання та настанови місцевих чорношкірих мешканців. Там Лі відчув себе між молотом і ковадлом – місцеві негри принижували його за наївність та боягузтво, а місцеві білі – за те, що він був .
Проте юнаком де Форест виробив тверду впевненість у собі. Він виявив у себе схильність до механіки та винаходів – його масштабна модель локомотива стала місцевим дивом. Ще в підлітковому віці, навчаючись у Талладезі, він вирішив присвятити своє життя винаходам. Потім, будучи молодим чоловіком і мешкаючи у місті Нью-Хейвен, син пастора скинув із себе останні релігійні переконання. Вони поступово йшли через знайомство з дарвінізмом, а потім їх як вітром здуло після передчасної смерті батька. Але почуття наявності в нього призначення не залишало де Фореста – він вважав себе генієм і прагнув стати другим Миколою Теслою, багатим, знаменитим та загадковим чарівником епохи електрики. Його однокласники з Єльського університету вважали його самовдоволеним порожнім дзвінком. Його, можливо, можна назвати найменш популярною людиною з усіх, хто зустрічався в нашій історії.
де Форест, бл.1900
Закінчивши навчання в Єльському університеті в 1899 році, де Форест вибрав освоєння мистецтва передачі бездротових сигналів, що набирав обертів мистецтва, як шлях до багатства і слави. У десятиліття він штурмував цей шлях з великою рішучістю і впевненістю, і без будь-яких вагань. Почалося все зі спільної роботи де Фореста та його партнера Еда Смайта у Чикаго. Смайт тримав їхнє підприємство на плаву за допомогою регулярних платежів, і разом вони розробили власний детектор радіохвиль, що складається з двох металевих пластин, що з'єднувалися клеєм, де Форест називав «пастою» [goo]. Але де Форест не міг довго чекати нагороди за свою геніальність. Він позбувся Смайта і поєднався з сумнівним фінансистом з Нью-Йорка на ім'я Абрахам Уайт [Шварц, який іронічно змінив своє ім'я з даного йому при народженні, щоб приховати свої темні справи. Уайт/White - (англ.) білий, Шварц / Schwarz - (нім.) чорний / прим. перев.], відкривши компанію De Forest Wireless Telegraph Company.
Сама діяльність компанії була другорядною для обох наших героїв. Уайт користувався невіглаством людей для набивання кишень. Він виманював мільйони в інвесторів, які щосили намагалися не відстати від очікуваного буму радіо. А де Форест, завдяки надходженню коштів зазначених «лохів», сконцентрувався на тому, щоб довести свій геній через розробку нової американської системи бездротової передачі інформації (за контрастом з європейською, розробленою Марконі та ін.).
На жаль для американської системи, детектор де Фореста працював не дуже добре. На якийсь час він вирішив цю проблему, запозичивши запатентований дизайн Реджинальда Фессендена на детектор під назвою «рідкий бареттер» – два платинових дроти, занурених у ванну з сірчаної кислоти. Фессенден подав до суду позов через порушення патенту – і цей позов він очевидно виграв би. Де Форест не міг заспокоїтися, доки не придумав би новий детектор, що належав тільки йому. Восени 1906 року він оголосив про створення такого детектора. На двох різних зустрічах в Американському інституті електротехніки де Форест описував свій новий бездротовий детектор, який він назвав «Аудіоном». Але його реальне походження викликає сумніви.
Якийсь час спроби де Фореста побудувати новий детектор оберталися навколо проходження струму через полум'я , Яке, на його думку, могло бути асиметричним провідником. Ідея, зважаючи на все, успіхом не увінчалася. Якоїсь миті 1905 року він дізнався про клапан Флемінга. Де Форест вбив собі на думку, що цей клапан і його пристрій на основі пальника в принципі нічим не відрізнялися – якщо замінити гарячу нитку полум'ям, і накрити його скляною колбою, щоб обмежити газ, то вийде той самий клапан. Він розробив серію патентів, що повторювали історію, що передували клапану Флемінга винаходів за допомогою детекторів на основі газового полум'я. Він, очевидно, хотів присвоїти собі пріоритет у винаході, обійшовши патент Флемінга, оскільки роботи з пальником Бунзена передували роботу Флемінга (вони йшли з 1900 року).
Неможливо сказати, чи був це самообман чи шахрайство, але в результаті з'явився патент де Фореста від серпня 1906 на «спустошена скляна посудина, що містить два роздільні електроди, між якими існує газове середовище, яке при достатньому нагріванні стає провідником і утворює чутливий елемент». Обладнання та функціонування пристрою належать Флемінгу, а пояснення його роботи – де Форесту. Де Форест у результаті програв патентну суперечку, хоча це й зайняло десять років.
Нетерплячий читач вже може почати цікавитись тим, чому ми витрачаємо так багато часу на цю людину, чий самопроголошений геній полягав у видачі чужих ідей за свої? Причина полягає в тих перетвореннях, які зазнав Аудіон за останні кілька місяців 1906 року.
На той час де Форест не мав роботи. Уайт із партнерами уникли відповідальності у зв'язку з позовом Фессендена, створивши нову компанію, United Wireless, і позичив їй активи American De Forest за суму $1. Де Фореста вигнали з $1000 відступних та кількома марними патентами на руках, включаючи і патент на Аудіон. Звикнувши до марнотратного способу життя, він зіткнувся з серйозними фінансовими труднощами і відчайдушно намагався перетворити Аудіон на великий успіх.
Щоб зрозуміти, що трапилося далі, важливо знати, що де Форест вважав, що винайшов реле – за контрастом з випрямлячем Флемінгу. Він зробив свій аудіон, приєднавши батарею до холодної пластини клапана, і вважав, що сигнал в антеній схемі (з'єднаної з гарячою ниткою) модулював потужніший струм у схемі батареї. Він помилявся: це були не дві схеми, а батарея просто зміщувала сигнал з антени, а не посилювала його.
Але ця помилка стала критичною, оскільки привела де Фореста до експериментів із третім електродом у колбі, який мав ще більше роз'єднати дві схеми цього «реле». Спочатку він додавав другий холодний електрод поруч з першим, але потім, можливо, під впливом керуючих механізмів, використовуваних фізиками для перенаправлення променів в електронно-променевих пристроях, він пересунув електрод на місце між ниткою і первинною пластиною. Він вирішив, що таке становище може переривати потік електрики, і змінив форму третього електрода з пластини на хвилястий провід, що нагадував рашпер – і назвав його сіткою.
Тріод Аудіон 1908 року. Нитка (розірвана) ліворуч – катод, хвилястий провід – сітка, закруглена металева пластина – анод. У нього все ще є різьблення, як у звичайної лампочки.
І це вже справді було реле. Слабкий струм (такий, який виходить у радіоантени), поданий на сітку, міг контролювати набагато сильніший струм між ниткою і пластиною, відштовхуючи заряджені частинки, які намагалися переходити між ними. Цей детектор працював набагато краще за клапан, оскільки він не просто випрямляв, а й посилював радіосигнал. І, як і клапан (і на відміну від когерера) він міг видавати постійний сигнал, що давало змогу створювати не лише радіотелеграф, а й радіотелефон (а надалі – передачу голосу та музики).
Насправді він працював не дуже добре. Аудіони де Фореста були вибагливими, швидко згоряли, на їхньому виробництві бракувало сталості якості, і як підсилювачі вони були неефективні. Для того, щоб конкретний аудіон правильно працював, потрібно підлаштовувати під нього електричні параметри схеми.
Тим не менш, де Форест вірив у свій винахід. Для його реклами він організував нову компанію, De Forest Radio Telephone Company, але продаж виявився мізерним. Найбільшим успіхом був продаж обладнання на флот для внутрішньофлотської телефонії під час навколосвітнього плавання.«. Проте командувач флотом, не маючи часу на те, щоб змусити передавачі та приймачі де Фореста працювати та навчити команду їх використанню, наказав запакувати їх та залишити у сховищі. Більше того, нова компанія де Фореста, керована послідовником Абрахама Уайта, була не поряднішою, ніж попередня. На додачу до своїх невдач він незабаром потрапив під звинувачення у шахрайстві.
За п'ять років Аудіон нічого не досяг. І знову телефон зіграє ключову роль у розробці цифрового реле, цього разу рятуючи багатообіцяючу, але неперевірену технологію, яка була на межі забуття.
І знову телефон
Мережа зв'язку на далекі відстані була центральною нервовою системою AT&T. Вона пов'язувала багато місцевих компаній і надавала ключову конкурентну перевагу по закінченню терміну патентів Белла. Приєднавшись до мережі AT&T новий клієнт міг, теоретично, додзвонитися до решти передплатників, що знаходилися за тисячі кілометрів від нього – хоча насправді дзвінки на далекі відстані робили рідко. Також мережа була матеріальною основою всеосяжної ідеології компанії «Одна політика, одна система, універсальний сервіс».
Але з початком другого десятиліття ХХ століття ця мережа дісталася фізичного максимуму. Чим далі тяглися телефонні дроти, тим слабкішим і галасливішим ставав сигнал, що проходив по них, і в результаті мова ставала практично невиразною. Через це у США було насправді дві мережі AT&T, розділені континентальним хребтом.
Для східної мережі кілочком був Нью-Йорк, а механічні репітери та – прив'яззю, яка визначала, як далеко міг дійти людський голос. Але ці технології були не всесильними. Котушки змінювали електричні властивості телефонної схеми, зменшуючи ослаблення голосових частот – але вони могли лише зменшити його, а чи не усунути. Механічні репітери (лише телефонний динамік, з'єднаний з підсилюючим мікрофоном) додавали шум з кожним повтором. Лінія 1911 року від Нью-Йорка до Денвера довела цей зв'язок до максимальної довжини. Про те, щоб простягнути мережу на весь континент, і мови не було. Проте 1909 року Джон Карті, головний інженер AT&T, публічно пообіцяв зробити саме це. Він пообіцяв зробити це за п'ять років – на час початку у Сан-Франциско 1915-го.
Першим, хто зумів уможливити таке підприємство за допомогою нового телефонного підсилювача, був не американець, а спадкоємець багатої віденської родини, який цікавився наукою. Будучи молодим, за допомогою коштів своїх батьків купив телефонну виробничу компанію і вирішив зробити підсилювач для телефонних розмов. До 1906-го він зробив реле на основі електронно-променевих трубок, які на той час повсюдно використовувалися у фізичних експериментах (а пізніше стали основою для домінуючої у XX столітті технології відеоекранів). Слабкий вхідний сигнал контролював електромагніт, що згинав промінь, що модулював сильніший струм у головній схемі.
До 1910-го фон Лібен з колегами, Юджином Рейзом і Зігмундом Страуссом, дізналися про Аудіона де Фореста і замінили магніт у трубці сіткою, що контролювала катодні промені – цей дизайн був найефективнішим і перевершував усі розробки, зроблені на той момент у США. Німецька телефонна мережа невдовзі взяла на озброєння підсилювач фон Лібена. У 1914 році завдяки їй зміг відбутися нервовий телефонний дзвінок командира Східної Прусської армії до німецького штабу, розташованого за 1000 кілометрів від нього, у Кобленці. Це змусило начальника штабу відправити генералів Гінденберга та Людендорфа на схід, до вічної слави та з тяжкими наслідками. Такі ж підсилювачі пізніше з'єднували німецький штаб із польовими арміями на півдні та сході аж до Македонії та Румунії.
Копія вдосконаленого катодно-променевого реле фон Лібена. Катод унизу, анод – це котушка вгорі, а сітка – кругла металева фольга в середині.
Однак мовні та географічні бар'єри, а також війна призвели до того, що такий дизайн не дійшов до США, а незабаром його вже випередили інші події.
А в цей час де Форест покинув Radio Telephone Company, що загинається, в 1911 році і втік до Каліфорнії. Там він влаштувався Федеральну телеграфну компанію в Пало-Альто, засновану стенфордським випускником . Номінально де Форест мав працювати над підсилювачем, що підвищує гучність вихідного сигналу федерального радіо. Насправді він Герберт ван Еттан (досвідчений телефонний інженер) і Чарльз Логвуд (розробник приймача) зайнялися створенням телефонного підсилювача, щоб утрьох отримати приз від AT&T, який, за чутками, становив $1 млн.
Для цього де Форест дістав з антресолей Аудіон, і до 1912 у них з колегами вже був пристрій, готовий для демонстрації в телефонній компанії. Воно складалося з кількох з'єднаних послідовно Аудіонів, що створювали посилення у кілька етапів, і ще кількох допоміжних компонентів. Пристрій, в принципі, працював – воно могло посилити сигнал достатньо, щоб ви почули, як падає хустка або як цокає кишеньковий годинник. Але лише при струмах і напругах дуже малих для того, щоб бути корисними в телефонії. При підвищенні струму Аудіони починали випускати блакитне свічення, а сигнал перетворювався на шум. Але телефонники були досить зацікавлені, щоб віддати пристрій своїм інженерам і подивитися, що вони з ним зможуть зробити. Так вийшло, що один з них, молодий фізик Гарольд Арнольд, точно знав, як виправити підсилювач від Федерального телеграфу.
Настав час обговорити, яким чином працювали клапан та аудіон. Ключове розуміння, необхідне пояснення їх роботи, з'явилося Лабораторії Кевендиша в Кембриджі – інтелектуальному центрі нової електронної фізики. У 1899 році там Дж. Дж. Томсон показав в експериментах з катодно-променевими трубками, що частка, що має масу, і стала відомою пізніше, як електрон, переносить струм з катода на анод. У наступні кілька років Оуен Річардсон, колега Томсона, розвинув це припущення математичної теорії термоелектронної емісії.
Амброз Флемінг, інженер, який працював на відстані короткої поїздки поїздом від Кембриджа, був знайомий з цими роботами. Йому було ясно, що його клапан працює завдяки термоелектронній емісії електронів з нагрітою ниткою, що перетинає вакуумний розрив до холодного анода. Але вакуум в індикаторній лампі був не глибоким – для звичайної лампочки цього не потрібно було. Достатньо було відкачати стільки кисню, щоб нитка не спалахувала. Флемінг зрозумів, що для найкращої роботи клапана його потрібно спустошити якомога ретельніше, щоб газ, що залишився, не заважав потоку електронів.
Де Форест цього не зрозумів. Оскільки він прийшов до клапана та Аудіона через експерименти з пальником Бунзена, його переконання було протилежним – що гарячий іонізований газ був робочим тілом пристрою, і що його повне видалення призведе до припинення роботи. Саме тому Аудіон так нестабільно і незадовільно працював як радіоприймач, і тому він випромінював блакитне світло.
Арнольд у AT&T опинився в ідеальній ситуації для виправлення помилки де Фореста. Він був фізиком, який навчався у Роберта Міллікена в університеті Чикаго, і був найнятий спеціально для того, щоб застосовувати свої знання в новій електронній фізиці до завдання побудови телефонної мережі від узбережжя до узбережжя. Він знав, що лампа Аудіона найкраще працюватиме у майже ідеальному вакуумі, знав, що новітні насоси можуть досягти такого вакууму, знав, що новий тип нитки, покритої оксидом, разом із збільшеною пластиною та сіткою також зможуть збільшити потік електронів. Коротше, він перетворив Аудіон на електронну лампу, чудотворця електронної ери.
У AT&T з'явився потужний підсилювач, необхідний для будівництва трансконтинентальної лінії – не було прав на його використання. Представники компанії недовірливо поводилися на переговорах з де Форестом, але завели окрему бесіду через стороннього адвоката, який зумів придбати права на використання Аудіону як телефонний підсилювач за $50 000 (близько $1,25 млн у доларах 2017 року). Лінія Нью-Йорк – Сан-Франциско відкрилася якраз вчасно, але більше як тріумф технічної віртуозності та корпоративної реклами, ніж засіб спілкування. Вартість розмов була настільки космічною, що майже ніхто не міг нею користуватися.
Електронна ера
Справжня електронна лампа стала коренем абсолютно нового дерева електронних компонентів. Як і реле, електронна лампа постійно розширювала можливості свого застосування, коли інженери знаходили нові способи підлаштовувати пристрій для вирішення конкретних завдань. Зростання племені «одів» не закінчилося з діодами і тріодами. Він продовжився з , що додали додаткову сітку, що підтримувала посилення зі зростанням елементів у схемі. Слідом з'являлися , , і навіть . З'явилися тиратрони, заповнені ртутною парою, що світилися зловісним блакитним світлом. Мініатюрні лампи розміром з мізинець на нозі або навіть жолудь. Лампи з катодом непрямого розжарення, у яких дзижчання джерела змінного струму не порушувало сигнал. Книга «Сага електронної лампи» [Saga of the Vacuum Tube], що описує зростання індустрії ламп до 1930 року, перераховує понад 1000 різних моделей за їхнім індексом - хоча багато хто з них були незаконними копіями від незаслужених довіри брендів: Альтрон, Перфектрон, Супертрон, Вольтрон , і т.п.
Найважливішою різноманітністю форм була різноманітність застосувань електронної лампи. Регенеративні схеми перетворювали тріод на передавач - створював гладкі і постійні синусоїдальні хвилі, без шумних іскор, здатний ідеально передавати звук. З когерером і іскрами в 1901 Марконі ледве міг передавати невеликий уривок азбуки Морзе через вузьку частину Атлантики. У 1915-му за допомогою електронної лампи як передавач і приймач AT&T могла передавати людський голос з Арлінгтона, Віргінія до Гонолулу – вдвічі більша відстань. До 1920-х вони скомбінували телефонію на довгих відстанях із високоякісним звуковим широкомовленням та створили перші радіомережі. Таким чином, незабаром вся нація могла слухати по радіо той самий голос, чи то Рузвельт, чи Гітлер.
Більше того, можливість створювати передавачі, налаштовані на точну та стабільну частоту, дозволило телекомунікаційним інженерам реалізувати давню мрію частотного мультиплексу, що приваблювала Олександра Белла, Едісона та інших сорок років тому. До 1923 року AT&T мала десятиканальну голосову лінію від Нью-Йорка до Пітсбурга. Можливість передачі безлічі голосів по одному мідному дроту радикально зменшувала вартість далеких дзвінків, яка через дорожнечу завжди була доступною лише багатим людям і підприємствам. Побачивши, на що здатні електронні лампи, AT&T відправили своїх адвокатів на викуп додаткових прав у де Фореста, щоб забезпечити права на використання Аудіону у всіх доступних сферах застосування. У сумі вони заплатили йому $390 000, що у сьогоднішніх грошах еквівалентно приблизно $7,5 млн.
Чому ж за такої різнобічності електронні лампи не домінували в першому поколінні комп'ютерів так, як вони домінували в радіо та іншому телекомунікаційному обладнанні? Очевидно, що тріод міг бути цифровим перемикачем так само, як і реле. Настільки очевидно, що де Форест навіть вважав, що створив реле ще до того, як він його насправді створив. І тріод був набагато більш чуйний, ніж традиційне електромеханічне реле, оскільки він не мав потреби фізично пересувати якір. Типовому реле на перемикання потрібно кілька мілісекунд, а зміна потоку від катода до анода через зміну електричного потенціалу на сітці було майже миттєвим.
Але лампи мали явний недолік перед реле: їх тенденція, за аналогією з їхніми попередниками, лампочками для освітлення, перегоряти. Час життя початкового Аудіона де Фореста був настільки малим - близько 100 годин - що в лампі містилася запасна нитка, яку потрібно було приєднувати після перегорання першої. Це було дуже погано, але й після того, навіть від ламп найкращої якості не можна було очікувати напрацювання більшого, ніж кілька тисяч годин. Для комп'ютерів з тисячами ламп, і обчисленнями, що тривали годинами, це було серйозною проблемою.
А реле, навпаки, за словами Джорджа Стібіца, були фантастично надійними. Настільки, що він стверджував, що
Якщо набір U-подібних реле почав би свою роботу в першому році нашої ери і перемикав би контакт раз на секунду, він все ще працював би досі. Перший збій у контакті можна було б очікувати не раніше, ніж через тисячу років, десь у 3000-му році.
Понад те, немає досвіду використання великих електронних схем, порівнянних з електромеханічними схемами телефонних інженерів. Радіоприймачі та інше обладнання могли містити 5-10 ламп, але не сотні тисяч. Ніхто не знав, чи можна буде змусити працювати комп'ютер із 5000 ламп. Вибравши реле замість ламп, розробники комп'ютерів зробили безпечний та консервативний вибір.
У наступній частині ми побачимо, як і чому ці сумніви вдалося подолати.
Джерело: habr.com