Et enfin, le relais

Dans la dernière partie de l'histoire, nous avons appris comment le scientifique et enseignant américain Joseph Henry s'est d'abord rendu en Europe. En visite à Londres, il a délibérément conduit chez une personne profondément respectée par lui, le mathématicien Charles Babbage . Avec Henry était son ami, Alexander Bach, et sa nouvelle connaissance, également un expérimentateur télégraphique, Charles Wheatstone . Babbage a dit aux invités qu'il allait montrer sa machine à compter à un député, mais avec encore plus de plaisir il a partagé avec eux l'idée de sa nouvelle machine, "qui dépassera considérablement les capacités de la première". Henry a écrit des informations générales sur ce plan dans son journal:

Cette machine est divisée en deux parties, dont MB appelle le magasin et la seconde - le moulin. L'entrepôt est rempli de roues avec des numéros dessinés dessus. Périodiquement, les leviers les tirent et les déplacent dans le moulin, où les manipulations nécessaires ont lieu. À la fin, cette machine sera en mesure de tabuler toute formule de nature algébrique.

L'historien ne peut s'empêcher de sentir le froid qui coule dans son dos à partir de ces intersections aléatoires dans la vie humaine. Deux fils de l'histoire des ordinateurs se croisent ici, dont l'un est presque terminé et l'autre ne fait que commencer.

En effet, bien que la machine Babbage soit souvent présentée comme le début de l'histoire des ordinateurs universels modernes, la connexion entre eux est plutôt faible. Sa voiture (qu'il n'a jamais construite) est l'aboutissement d'un rêve de calcul mécanique. Ce rêve, d'abord exprimé par Leibniz, a été inspiré par les horloges de plus en plus sophistiquées créées par des artisans de la fin du Moyen Âge. Mais aucun ordinateur polyvalent n'a été construit sur de la mécanique pure - cette tâche est trop compliquée.

Mais le relais électromagnétique, conçu par Henry et d'autres, peut être mis en œuvre assez facilement dans des circuits informatiques, dont la complexité sans lui semble inimaginable. Cependant, jusqu'à ce point, il y avait encore des décennies, et un tel développement ne pouvait pas être prévu par Henry et ses contemporains. Il est devenu l'ancêtre d'innombrables transistors qui ont rendu possible le monde numérique d'aujourd'hui, si étroitement lié à notre vie moderne. Les relais remplissaient l'intérieur des premiers ordinateurs programmables qui ont régné pendant une courte période jusqu'à ce qu'ils soient remplacés par leurs proches purement électroniques.

Les relais ont été inventés plusieurs fois indépendamment les uns des autres dans les années 1830. Ses objectifs étaient divers (cinq de ses inventeurs ont proposé au moins trois applications) - ainsi que des exemples d'utilisation. Mais il est commode de le considérer comme un appareil à double usage. Il peut être utilisé comme un interrupteur qui contrôle un autre appareil électrique (y compris, surtout, un autre relais), ou comme un amplificateur qui transforme un signal faible en fort.

Commutateur

Joseph Henry a combiné en une seule personne une connaissance approfondie de la philosophie naturelle, de la mécanique et un intérêt pour le problème du télégraphe mécanique. Dans les années 1830, un tel ensemble de qualités n'était, peut-être, qu'avec Wheatstone. En 1831, il avait construit un circuit de 2,5 km de long capable de conduire une cloche en utilisant l'aimant le plus puissant qui existait. Peut-être que s'il continuait à travailler si activement sur le télégraphe, et montrait la même persévérance que Morse, alors son nom aurait été inscrit dans les manuels.

Mais Henry, professeur à l'Albany Academy, puis au New Jersey College (aujourd'hui Princeton University) a construit et amélioré des appareils électriques pour la recherche, l'enseignement et les démonstrations scientifiques. Il n'était pas intéressé à transformer un outil d'enseignement en un système de messagerie.

Vers 1835, il propose une démonstration particulièrement ingénieuse sur deux circuits. N'oubliez pas qu'Henry a découvert deux dimensions de l'électricité - l'intensité et la quantité (nous appelons leur tension et leur courant). Il a créé des circuits avec des batteries et des aimants intenses pour transmettre l'électromagnétisme sur de longues distances, et des circuits avec des batteries et des aimants quantitatifs pour créer des forces électromagnétiques de haute puissance.

Sa nouvelle unité combine les deux propriétés. Un puissant électroaimant quantitatif pourrait soulever une charge de centaines de kilogrammes. Un aimant intense au bout d'un long circuit a été utilisé pour soulever un petit fil métallique: un interrupteur. La fermeture du circuit intense a fait que l'aimant a soulevé le fil, ce qui a ouvert l'interrupteur et le circuit quantitatif. L'électroaimant quantitatif a alors soudainement baissé sa charge avec un rugissement assourdissant.

Ce relais - à savoir le rôle joué par un aimant intense et son fil - était nécessaire pour démontrer la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique, ainsi que la façon dont une petite force peut entraîner une grande force. L'immersion légère du fil dans l'acide pour fermer le circuit a entraîné un petit mouvement du petit interrupteur, ce qui a entraîné une catastrophe sous la forme d'une chute de métal, en quantité suffisante pour écraser quelqu'un qui était assez stupide pour se tenir sous lui. Pour Henry, le relais était un outil de démonstration des principes scientifiques. C'était un levier électrique.



Henry a probablement été le premier à connecter les deux circuits de cette manière - afin de contrôler l'autre en utilisant l'électromagnétisme d'un circuit. La deuxième place, à notre connaissance, appartient à William Cook et Charles Wheatstone, bien qu'ils fixent des objectifs complètement différents.

En mars 1836, peu de temps après avoir assisté à une démonstration télégraphique à Heidelberg qui utilisait une aiguille galvanique pour transmettre des signaux, Cook s'est inspiré de la boîte à musique. Cook croyait que l'utilisation d'aiguilles désignant des lettres dans un vrai télégraphe nécessiterait plusieurs aiguilles, et pour elles plusieurs contours seraient nécessaires. Cook, d'autre part, voulait que l'électro-aimant active un mécanisme qui peut déjà être arbitrairement compliqué pour démontrer la lettre souhaitée.

Il a conçu une voiture ressemblant à une boîte à musique, avec un fût entouré de nombreuses épingles. D'un côté du canon, il devrait y avoir un cadran avec des lettres. À chaque extrémité de la ligne télégraphique devrait se trouver une telle boîte. Un ressort armé devrait faire tourner le canon, mais la plupart du temps il sera verrouillé par un bouchon. Lorsque vous appuyez sur la touche télégraphique, le circuit se ferme, ce qui active les électro-aimants qui ouvrent les deux verrous et les deux machines tournent. Lorsque la lettre souhaitée apparaît sur la balance, la clé est relâchée, les verrous s'enclenchent et arrêtent le mouvement des barillets. Cook, ne se connaissant pas, a recréé le modèle chronométrique du télégraphe de Ronald, inventé il y a deux décennies, et les premières expériences des frères Schapp avec le télégraphe (seulement ils utilisaient le son, pas l'électricité, pour synchroniser les échelles).

Cook a réalisé que le même mécanisme pourrait aider à résoudre le problème télégraphique de longue date - en informant la partie réceptrice d'un nouveau message. Pour ce faire, vous pouvez utiliser le deuxième circuit avec un autre électro-aimant, qui activerait une cloche mécanique. La fermeture du circuit rétracterait le bouchon et la cloche sonnerait.

En mars 1837, Cook a commencé à travailler avec Wheatstone sur un télégraphe, et à cette époque, ils ont pensé à la nécessité d'un deuxième circuit. Au lieu d'organiser un circuit indépendant pour un signal d'avertissement (et d'étirer des kilomètres de fils supplémentaires), ne serait-il pas plus facile d'utiliser le circuit principal pour contrôler le signal?



À ce moment-là, Cook et Wheatstone étaient revenus à la conception de l'aiguille, et il était clair qu'un petit morceau de fil pouvait être connecté à l'aiguille de sorte que lorsque son extrémité était attirée par un électro-aimant, sa queue fermerait la deuxième boucle. Ce circuit piloterait le signal. Après un certain intervalle, pendant lequel le destinataire du message pourrait avoir le temps de se réveiller, d'éteindre le signal et de préparer un crayon et du papier, l'aiguille pourrait déjà être utilisée pour transmettre le message en mode normal.

Pendant deux ans sur deux continents, deux fois, avec deux objectifs différents, les gens ont réalisé que l'électroaimant pouvait être utilisé comme interrupteur pour contrôler un autre circuit. Mais on pourrait imaginer une manière d'interaction complètement différente entre les deux circuits.

Amplificateur

À l'automne de 1837, Samuel Morse était convaincu que son idée d'un télégraphe électrique pourrait être mise en pratique. Utilisant la batterie et l'aimant intenses d'Henry, il envoya des messages à un demi-kilomètre. Mais pour prouver au Congrès la possibilité de transmettre des messages par télégraphe à travers le continent, il avait besoin de beaucoup plus. Il était clair que, quelle que soit la puissance de la batterie, à un moment donné, le circuit deviendrait trop long pour transmettre un signal lisible à son autre extrémité. Mais Morse s'est rendu compte que, malgré une forte baisse de puissance avec la distance, l'électro-aimant pouvait ouvrir et fermer un autre circuit alimenté par sa propre batterie, qui à son tour pouvait transmettre le signal plus loin. Le processus peut être répété autant de fois que vous le souhaitez et couvrir des distances de n'importe quelle longueur. Par conséquent, ces aimants intermédiaires ont été appelés «relais» - en tant que stations postales pour changer les chevaux. Ils ont reçu un message électrique d'un partenaire qui s'affaiblissait et l'ont poursuivi avec une vigueur renouvelée.

Il est impossible d'établir si cette idée a été inspirée par le travail d'Henry, mais Morse a certainement été le premier à utiliser un relais à cette fin. Pour lui, le relais n'était pas un interrupteur, mais un amplificateur capable de transformer un signal faible en un signal fort.



De l'autre côté de l'Atlantique, à peu près au même moment, Edward Davy , un pharmacien de Londres, a eu une idée similaire. Il s'est probablement intéressé au télégraphe vers 1835. Au début de 1837, il mène régulièrement des expériences avec un circuit de 1,5 km dans Regent's Park, au nord-ouest de Londres.

Peu de temps après la rencontre entre Cook et Wheatstone en mars 1837, Davy sentit la concurrence et commença à réfléchir plus sérieusement à la construction d'un système pratique. Il a remarqué que la force de déviation de l'aiguille galvanique diminuait considérablement avec l'augmentation de la longueur du fil. Comme il l'a écrit plusieurs années plus tard:

Puis j'ai pensé que même le moindre mouvement de l'aiguille sur l'épaisseur des cheveux suffirait à mettre en contact deux surfaces métalliques, fermant un nouveau circuit, selon la batterie locale; et ainsi peut être répété pour toujours.

Davy a appelé cette idée de transformer un signal électrique faible en un puissant "programme de mise à jour électrique". Mais il n'a pas réalisé ceci ou toute autre idée sur le télégraphe. Il a reçu un brevet télégraphique en 1838, indépendamment de Cook et Wheatstone. Mais en 1839, il s'embarque pour l'Australie, fuyant un mariage malheureux, et laisse le champ d'activité aux concurrents. Leur entreprise de télégraphie a acheté ce brevet quelques années plus tard.

Relais dans le monde

Dans l'histoire de la technologie, nous accordons beaucoup d'attention aux systèmes, mais ignorons souvent leurs composants. Nous gardons l'histoire du télégraphe, du téléphone, de la lumière électrique, baignons leurs créateurs dans les chauds rayons de notre agrément. Mais ces systèmes ne pouvaient apparaître qu'en raison de la combinaison, de la recombinaison et de la modification d'éléments existants qui poussaient tranquillement à l'ombre.

Le relais est l'un de ces éléments. Il a rapidement évolué et s'est diversifié lorsque les réseaux télégraphiques ont commencé à se développer rapidement dans les années 1840 et 1850. Au cours du siècle suivant, il est apparu dans différents types de systèmes électriques. La première modification a été l'utilisation d'une ancre métallique rigide, comme sur un signal télégraphique, pour fermer le circuit. Après avoir éteint l'électro-aimant, l'ancre a été déconnectée du circuit à l'aide d'un ressort. Un tel mécanisme était plus fiable et plus durable que des morceaux de fil ou une aiguille. Des modèles fermés par défaut ont également été développés, en plus de la conception d'origine, qui a été ouverte par défaut.


Relais typique de la fin du 19e siècle. Le ressort T empêche l'armature B d'entrer en contact avec le contact C. Lorsque l'électroaimant M est activé, il surmonte le ressort et ferme le circuit entre le fil W et le contact C.

Dans les premières années du télégraphe, les relais étaient rarement utilisés comme amplificateurs ou «améliorateurs», car un circuit pouvait s'étirer sur 150 km. Mais ils étaient très utiles pour combiner des lignes longues à faible courant avec des lignes locales à haute tension, qui pouvaient être utilisées pour alimenter d'autres machines, par exemple l'enregistreur Morse.

Des dizaines de brevets aux États-Unis dans la seconde partie du XIXe siècle décrivent de nouveaux types de relais et leurs nouvelles applications. Le relais différentiel, qui divisait la bobine pour que l'effet électromagnétique soit compensé dans un sens et amplifié dans l'autre, permettait d'utiliser la communication télégraphique duplex: deux signaux circulant en sens opposés sur le même fil. Thomas Edison a utilisé un relais polarisé (ou polaire) pour créer un quadruplex capable d'envoyer 4 signaux simultanément sur un fil: deux dans chaque direction. Dans un relais polarisé, l'armature elle-même était un aimant permanent qui répondait à la direction du courant et non à la force. Grâce aux aimants permanents, il a été possible de réaliser des relais avec des contacts de commutation qui, après la commutation, sont restés ouverts ou fermés.


Relais polarisé

Des relais, en plus du télégraphe, ont commencé à être utilisés dans les systèmes de signalisation des chemins de fer. Avec l'avènement des réseaux électriques, les relais ont commencé à être utilisés dans ces systèmes, notamment comme dispositifs de protection.

Mais même ces réseaux longs et complexes ne nécessitaient pas plus de relais qu'ils ne pouvaient en fournir. Le télégraphe et le chemin de fer sont entrés dans n'importe quelle ville, mais pas dans aucun bâtiment. Ils avaient des dizaines de milliers de points de terminaison, mais pas des millions. Les systèmes électriques ne se souciaient pas de l'endroit où ils se terminaient - ils donnaient simplement du courant au circuit local, et chaque maison et entreprise pouvait le récupérer par elle-même si nécessaire.

La téléphonie était une tout autre affaire. Les téléphones devaient créer une connexion d'un point à l'autre, de n'importe quelle maison et bureau à n'importe quel autre, et ils avaient donc besoin de circuits de commande d'une ampleur sans précédent. La voix humaine, voyageant sous forme de vibrations le long des fils, était un signal riche mais faible. Par conséquent, la téléphonie longue distance avait besoin d'amplificateurs de meilleure qualité. Il s'est avéré que les commutateurs peuvent fonctionner avec de tels amplificateurs. Désormais, les réseaux téléphoniques, plus que tout autre système, contrôlaient l'évolution des commutateurs.

Que lire

• James B. Calvert, «Le télégraphe électromagnétique»
• Franklin Leonard Pope, "La pratique moderne du télégraphe électrique" (1891)