Und schließlich das Relais

Im letzten Teil der Geschichte erfuhren wir, wie der amerikanische Wissenschaftler und Lehrer Joseph Henry zum ersten Mal nach Europa reiste. Als er London besuchte, fuhr er absichtlich zu einer Person, die von ihm zutiefst respektiert wurde, dem Mathematiker Charles Babbage . Zusammen mit Henry waren sein Freund Alexander Bach und sein neuer Bekannter, ebenfalls ein Telegraphenexperimentator, Charles Wheatstone . Babbage teilte den Gästen mit, dass er einem Abgeordneten seine Zählmaschine vorführen werde, teilte ihnen jedoch mit noch größerem Vergnügen die Idee seiner neuen Maschine mit, "die die Fähigkeiten der ersten Maschine deutlich übertreffen wird". Henry schrieb allgemeine Informationen über diesen Plan in sein Tagebuch:

Diese Maschine ist in zwei Teile unterteilt, von denen einer das Geschäft nennt und der zweite die Mühle. Das Lagerhaus ist mit Rädern gefüllt, auf denen Zahlen gezeichnet sind. In regelmäßigen Abständen ziehen die Hebel sie und bewegen sie in der Mühle, wo die notwendigen Manipulationen stattfinden. Am Ende kann diese Maschine jede Formel algebraischer Natur tabellieren.

Der Historiker kann nicht anders, als zu spüren, wie ihm die Kälte von solchen zufälligen Überschneidungen im menschlichen Leben über den Rücken läuft. Hier kreuzten sich zwei Fäden der Computergeschichte, von denen einer kurz vor dem Abschluss stand und der andere gerade erst begann.

Obwohl die Babbage-Maschine oft als Beginn der Geschichte moderner Universalcomputer dargestellt wird, ist die Verbindung zwischen ihnen eher schwach. Sein Auto (das er nie gebaut hat) war der Höhepunkt eines Traums vom mechanischen Rechnen. Dieser Traum, der zuerst von Leibniz geäußert wurde, wurde von den immer raffinierter werdenden Uhrwerken inspiriert, die von Handwerkern seit dem Ende des Mittelalters geschaffen wurden. Es wurde jedoch kein einziger Allzweckcomputer auf reiner Mechanik aufgebaut - diese Aufgabe ist zu kompliziert.

Das von Henry und anderen konzipierte elektromagnetische Relais kann jedoch recht einfach in Rechenschaltungen implementiert werden, deren Komplexität ohne es unvorstellbar erscheint. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es jedoch noch Jahrzehnte, und eine solche Entwicklung konnte von Henry und seinen Zeitgenossen nicht vorausgesehen werden. Es wurde zum Vorfahren unzähliger Transistoren, die die heutige digitale Welt, die so eng mit unserem modernen Leben verbunden ist, möglich machten. Relais füllten die Innenseiten früher programmierbarer Computer, die für kurze Zeit regierten, bis sie durch ihre rein elektronischen Verwandten ersetzt wurden.

Relais wurden in den 1830er Jahren mehrmals unabhängig voneinander erfunden. Seine Ziele waren vielfältig (fünf seiner Erfinder hatten mindestens drei Anwendungen) - sowie Anwendungsbeispiele. Es ist jedoch praktisch, es als Gerät mit doppeltem Verwendungszweck zu betrachten. Es kann als Schalter verwendet werden, der ein anderes elektrisches Gerät (insbesondere ein anderes Relais) steuert, oder als Verstärker, der aus einem schwachen Signal ein starkes macht.

Wechseln

Joseph Henry verband in einer Person tiefes Wissen in Naturphilosophie, Mechanik und Interesse am Problem des mechanischen Telegraphen. In den 1830er Jahren gab es eine solche Reihe von Eigenschaften vielleicht nur bei Wheatstone. Bis 1831 hatte er eine 2,5 km lange Rennstrecke gebaut, auf der mit dem stärksten Magneten, den es gab, eine Glocke angetrieben werden konnte. Vielleicht wäre sein Name in die Lehrbücher eingetragen worden, wenn er weiterhin so aktiv am Telegraphen gearbeitet hätte und die gleiche Beharrlichkeit gezeigt hätte wie Morse.

Aber Henry, ein Lehrer an der Albany Academy und dann am New Jersey College (jetzt Princeton University), baute und verbesserte elektrische Geräte für Forschung, Lehre und wissenschaftliche Demonstrationen. Er war nicht daran interessiert, aus einem Lehrmittel ein Nachrichtensystem zu machen.

Um 1835 entwickelte er eine besonders geniale Demonstration mit zwei Schaltkreisen. Denken Sie daran, dass Henry zwei Dimensionen der Elektrizität entdeckt hat - Intensität und Menge (wir nennen ihre Spannung und ihren Strom). Er schuf Schaltkreise mit intensiven Batterien und Magneten, um Elektromagnetismus über große Entfernungen zu übertragen, und Schaltkreise mit quantitativen Batterien und Magneten, um elektromagnetische Kräfte mit hoher Leistung zu erzeugen.

Seine neue Einheit kombinierte beide Eigenschaften. Ein starker quantitativer Elektromagnet könnte eine Last von Hunderten von Kilogramm heben. Ein intensiver Magnet am Ende eines langen Stromkreises wurde verwendet, um einen kleinen Metalldraht anzuheben: einen Schalter. Das Schließen des intensiven Kreislaufs bewirkte, dass der Magnet den Draht anhob, und dies öffnete den Schalter und den quantitativen Kreislauf. Der quantitative Elektromagnet ließ dann plötzlich seine Last mit einem ohrenbetäubenden Gebrüll fallen.

Dieses Relais - nämlich die Rolle eines intensiven Magneten und seines Drahtes - war notwendig, um die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie zu demonstrieren und um zu zeigen, wie eine kleine Kraft eine große antreiben kann. Das leichte Eintauchen des Drahtes in Säure, um den Stromkreis zu schließen, führte zu einer kleinen Bewegung des kleinen Schalters, die zu einer Katastrophe in Form eines Metallfalls führte, die ausreichte, um jemanden zu zerquetschen, der dumm genug war, darunter zu stehen. Für Henry war das Relais ein Werkzeug zur Demonstration wissenschaftlicher Prinzipien. Es war ein elektrischer Hebel.



Henry war wahrscheinlich der erste, der die beiden Stromkreise auf diese Weise verband - um den anderen mithilfe des Elektromagnetismus eines Stromkreises zu steuern. Der zweite Platz gehört, soweit wir wissen, William Cook und Charles Wheatstone, obwohl sie sich völlig andere Ziele gesetzt haben.

Im März 1836, kurz nach der Teilnahme an einer Telegrafendemonstration in Heidelberg, bei der eine galvanische Nadel zur Signalübertragung verwendet wurde, ließ sich Cook von der Spieluhr inspirieren. Cook glaubte, dass die Verwendung von Nadeln, die Buchstaben in einem echten Telegraphen bezeichnen, mehrere Nadeln erfordern würde, und für sie wären mehrere Konturen erforderlich. Cook hingegen wollte, dass der Elektromagnet einen Mechanismus aktiviert, der bei der Demonstration des gewünschten Buchstabens bereits willkürlich kompliziert sein kann.

Er stellte sich ein Auto vor, das einer Spieluhr ähnelte, mit einem Fass, das von vielen Stecknadeln umgeben war. Auf einer Seite des Laufs sollte sich ein Zifferblatt mit Buchstaben befinden. An jedem Ende der Telegraphenleitung sollte sich eine solche Box befinden. Eine gespannte Feder sollte den Lauf drehen lassen, aber meistens wird er durch einen Stopper verriegelt. Wenn Sie die Telegraphentaste drücken, wird der Stromkreis geschlossen, wodurch die Elektromagnete aktiviert werden, die beide Schlösser öffnen, und beide Maschinen drehen sich. Wenn der gewünschte Buchstabe auf der Skala angezeigt wird, wird der Schlüssel losgelassen, die Verriegelungen rasten ein und stoppen die Bewegung der Fässer. Cook, der sich selbst nicht kannte, stellte das vor zwei Jahrzehnten erfundene chronometrische Modell von Ronalds Telegraph und die frühen Experimente der Schapp-Brüder mit dem Telegraphen nach (nur sie verwendeten Ton, nicht Elektrizität, um die Skalen zu synchronisieren).

Cook erkannte, dass der gleiche Mechanismus zur Lösung des langjährigen Telegraphenproblems beitragen könnte - indem er die empfangende Partei über eine neue Nachricht informiert. Dazu können Sie den zweiten Stromkreis mit einem anderen Elektromagneten verwenden, der eine mechanische Glocke aktivieren würde. Das Schließen des Stromkreises würde den Stopper zurückziehen und die Glocke würde läuten.

Im März 1837 begann Cook mit Wheatstone an einem Telegraphen zu arbeiten, und um diese Zeit dachten sie über die Notwendigkeit eines zweiten Stromkreises nach. Wäre es nicht einfacher, den Hauptstromkreis zur Steuerung des Signals zu verwenden, anstatt einen unabhängigen Stromkreis für ein Warnsignal einzurichten (und kilometerlange zusätzliche Drähte zu verlängern)?



Bis dahin waren Cook und Wheatstone zum Nadeldesign zurückgekehrt, und es war klar, dass ein kleines Stück Draht mit der Nadel verbunden werden konnte, so dass sein Schwanz die zweite Schleife schließen würde, wenn sein Ende von einem Elektromagneten angezogen wurde. Diese Schaltung würde das Signal ansteuern. Nach einem bestimmten Intervall, in dem der Empfänger der Nachricht Zeit haben könnte, aufzuwachen, das Signal auszuschalten und einen Stift und Papier vorzubereiten, könnte die Nadel bereits verwendet werden, um die Nachricht im normalen Modus zu übertragen.

Zwei Jahre lang auf zwei Kontinenten, zweimal, mit zwei unterschiedlichen Zielen, wurde den Menschen klar, dass der Elektromagnet als Schalter zur Steuerung eines anderen Stromkreises verwendet werden kann. Man könnte sich aber eine völlig andere Art der Interaktion zwischen den beiden Schaltkreisen vorstellen.

Verstärker

Im Herbst 1837 war Samuel Morse davon überzeugt, dass seine Idee eines elektrischen Telegraphen umgesetzt werden könnte. Mit Henrys intensiver Batterie und Magnet schickte er Nachrichten, die einen halben Kilometer entfernt waren. Aber um dem Kongress die Möglichkeit zu beweisen, Nachrichten per Telegraph auf dem gesamten Kontinent zu übermitteln, brauchte er viel mehr. Es war klar, dass der Stromkreis unabhängig von der Batterieleistung irgendwann zu lang werden würde, um ein lesbares Signal an sein anderes Ende zu übertragen. Morse erkannte jedoch, dass der Elektromagnet trotz eines starken Leistungsabfalls mit der Entfernung einen anderen Stromkreis öffnen und schließen konnte, der von seiner eigenen Batterie gespeist wurde, was wiederum das Signal weiter übertragen konnte. Der Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden und Entfernungen beliebiger Länge zurücklegen. Daher wurden diese Zwischenmagnete als „Relais“ bezeichnet - als Poststationen für den Pferdewechsel. Sie erhielten eine elektrische Nachricht von einem schwächenden Partner und trugen sie mit neuer Kraft weiter.

Es ist unmöglich festzustellen, ob diese Idee von Henrys Arbeit inspiriert wurde, aber Morse war definitiv der erste, der ein Relais für einen solchen Zweck verwendete. Für ihn war das Relais kein Schalter, sondern ein Verstärker, der aus einem schwachen Signal ein starkes machen konnte.



Auf der anderen Seite des Atlantiks hatte Edward Davy , ein Londoner Apotheker, ungefähr zur gleichen Zeit eine ähnliche Idee. Er interessierte sich wahrscheinlich um 1835 für den Telegraphen. Zu Beginn des Jahres 1837 führte er regelmäßig Experimente mit einer 1,5 km langen Rennstrecke im Regent's Park im Nordwesten Londons durch.

Kurz nach dem Treffen zwischen Cook und Wheatstone im März 1837 spürte Davy Konkurrenz und begann ernsthafter über den Aufbau eines praktischen Systems nachzudenken. Er bemerkte, dass die Durchbiegungskraft der galvanischen Nadel mit zunehmender Drahtlänge deutlich abnahm. Wie er viele Jahre später schrieb:

Dann dachte ich, dass schon die kleinste Bewegung der Nadel auf der Dicke des Haares ausreichen würde, um zwei Metalloberflächen in Kontakt zu bringen und je nach lokaler Batterie einen neuen Stromkreis zu schließen. und so kann für immer wiederholt werden.

Davy nannte diese Idee, ein schwaches elektrisches Signal in einen starken "elektrischen Updater" zu verwandeln. Aber er konnte diese oder eine andere Idee über den Telegraphen nicht realisieren. Er erhielt 1838 ein Telegraphenpatent, unabhängig von Cook und Wheatstone. 1839 segelte er vor einer unglücklichen Ehe nach Australien und verließ das Tätigkeitsfeld für Konkurrenten. Ihre Telegraphenfirma kaufte dieses Patent einige Jahre später.

Relais in der Welt

In der Geschichte der Technologie widmen wir Systemen viel Aufmerksamkeit, ignorieren jedoch häufig ihre Komponenten. Wir halten die Geschichte des Telegraphen, des Telefons und des elektrischen Lichts aufrecht und baden ihre Schöpfer in den warmen Strahlen unserer Zustimmung. Diese Systeme konnten jedoch nur aufgrund der Kombination, Rekombination und Modifikation vorhandener Elemente auftreten, die leise im Schatten wuchsen.

Relais ist ein solches Element. Es entwickelte sich schnell und gewann an Vielfalt, als die Telegraphennetze in den 1840er und 1850er Jahren schnell zu wachsen begannen. Im Laufe des nächsten Jahrhunderts trat es in verschiedenen Arten von elektrischen Systemen auf. Die früheste Modifikation war die Verwendung eines starren Metallankers wie bei einem Telegraphensignal, um den Stromkreis zu schließen. Nach dem Ausschalten des Elektromagneten wurde der Anker mit einer Feder vom Stromkreis getrennt. Ein solcher Mechanismus war zuverlässiger und langlebiger als Drahtstücke oder eine Nadel. Neben dem standardmäßig geöffneten Design wurden auch Modelle entwickelt, die standardmäßig geschlossen wurden.


Typische Staffel des späten 19. Jahrhunderts. Die Feder T verhindert, dass der Anker B den Kontakt C berührt. Wenn der Elektromagnet M aktiviert ist, überwindet er die Feder und schließt den Stromkreis zwischen dem Draht W und dem Kontakt C.

In den Anfangsjahren des Telegraphen wurden Relais selten als Verstärker oder „Upgrader“ verwendet, da sich ein Stromkreis über 150 km erstrecken konnte. Sie waren jedoch sehr nützlich, um lange Leitungen mit niedrigem Strom mit lokalen Hochspannungsleitungen zu kombinieren, mit denen andere Maschinen, beispielsweise der Morse-Rekorder, mit Strom versorgt werden konnten.

Dutzende Patente in den USA in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts beschreiben neue Arten von Relais und ihre neuen Anwendungen. Das Differentialrelais, das die Spule so teilte, dass der elektromagnetische Effekt in der einen Richtung kompensiert und in der anderen verstärkt wurde, ermöglichte die Verwendung der Duplex-Telegraphenkommunikation: zwei Signale, die auf demselben Draht in entgegengesetzte Richtungen laufen. Thomas Edison verwendete ein polarisiertes (oder polares) Relais, um einen Quadruplex zu erzeugen, der 4 Signale gleichzeitig auf einem Draht senden kann: zwei in jede Richtung. In einem polarisierten Relais war der Anker selbst ein Permanentmagnet, der auf die Richtung des Stroms und nicht auf die Kraft reagierte. Dank Permanentmagneten konnten Relais mit Schaltkontakten hergestellt werden, die nach dem Schalten offen oder geschlossen blieben.


Polarisiertes Relais

Neben dem Telegraphen wurden auch Relais in Signalsystemen der Eisenbahnen eingesetzt. Mit dem Aufkommen von Stromnetzen wurden Relais in diesen Systemen eingesetzt, insbesondere als Schutzvorrichtungen.

Aber selbst diese langen und komplexen Netzwerke erforderten nicht mehr Relais, als sie bereitstellen konnten. Der Telegraph und die Eisenbahn betraten jede Stadt, aber kein Gebäude. Sie hatten Zehntausende von Endpunkten, aber nicht Millionen. Stromversorgungssysteme kümmerten sich nicht darum, wo sie endeten - sie gaben nur Strom an den örtlichen Stromkreis, und jedes Haus und jede Firma konnte ihn bei Bedarf für sich selbst abholen.

Telefonie war eine ganz andere Sache. Telefone mussten eine Verbindung von Punkt zu Punkt herstellen, von jedem Haus und Büro zu jedem anderen, und deshalb brauchten sie Steuerkreise von beispiellosem Ausmaß. Die menschliche Stimme, die sich in Form von Schwingungen entlang der Drähte bewegte, war ein Signal, das reich, aber schwach war. Für die Ferntelefonie waren daher Verstärker von besserer Qualität erforderlich. Es stellte sich heraus, dass die Schalter mit solchen Verstärkern arbeiten können. Jetzt kontrollierten Telefonnetzwerke mehr als jedes andere System die Entwicklung von Schaltern.

Was zu lesen

• James B. Calvert, „Der elektromagnetische Telegraph“
• Franklin Leonard Pope, "Moderne Praxis des elektrischen Telegraphen" (1891)