中继历史：电子时代

上次我们看到第一代数字计算机是如何基于第一代自动电气开关电磁继电器构建的。 但是，当这些计算机被创建时，另一个数字交换机正在等待其发布。 继电器是一种电磁设备（使用电来控制机械开关），而新型数字开关是电子的-基于20世纪初出现的有关电子的新知识。 这门科学表明，电力的载体不是电流，不是波，不是场-而是固体颗粒。

基于这种新的物理原理，催生了电子时代的设备被称为“电子管” [在美国-真空管或“真空管”]。 在其创建的历史中，有两个人参与：英国人Ambrose Fleming和美国人Lee de Forest 。 实际上，电子学的起源更为复杂，它从穿越欧洲和大西洋的众多线程中扭转而来，一直延伸到过去，直到十八世纪中叶对莱顿银行的早期实验。

但是，作为我们演讲的一部分，从托马斯·爱迪生（Thomas Edison）开始，覆盖这个故事很容易。 爱迪生通过研究电照明在1880年代做出了一个有趣的发现-这一发现为我们的故事做准备。 这导致了电子管的进一步发展，这是两个技术系统所必需的：一种新形式的无线消息传递和不断扩展的电话网络。

序幕：爱迪生

爱迪生通常被认为是灯泡的发明者。 这同时使他获得了太多和更少的荣誉。 太多了，因为不仅爱迪生想出了发光灯。 除了在此之前的发明家们的发明尚未投入商业使用之外，我们还可以提及英国的约瑟夫·斯旺和查尔斯·斯特恩以及美国的威廉·索耶，他们与爱迪生同时向市场推出了灯泡。 [ 发明的荣誉还属于俄罗斯发明家Lodygin Alexander Nikolaevich 。 洛迪金（Lodygin）是第一个猜测要从玻璃灯泡中抽出空气的人，然后他建议制造一种白炽线，而不是用煤或炭化纤维制成，而用难熔的钨/约钨制成。 佩雷夫 ]。 所有的灯都由一个密封的玻璃灯泡组成，灯泡内部装有电阻丝。 当电路中的灯打开时，由于线对电流的电阻而产生的热量使其发光。 空气从灯泡中抽出，因此线不会着火。 在大城市中， 电灯已经以用于照亮大型公共场所的弧光灯的形式广为人知。 所有这些发明人正在寻找一种方法，该方法通过从燃烧的电弧中获取明亮的颗粒来减少光量，该颗粒足够小以用于家庭以替换煤气灯，并使光源更加安全，清洁和明亮。

爱迪生真正所做的-或更确切地说，创建了他的工业实验室-不仅是创建光源。 他们为照明房屋建立了一个完整的电气系统-发电机，用于传输电流的电线，变压器等。 在所有这些中，灯泡只是最明显和可见的组件。 在伟大的发明家面前，爱迪生这个名字出现在他的发电公司中并不是一件容易的事，贝尔电话公司就是这样。 爱迪生不仅是发明家，而且还是系统架构师。 即使在早期取得成功之后，他的实验室仍继续改善电子照明的各种组件。


爱迪生的早期灯具的副本

在研究过程中，1883年的某个时候，爱迪生（可能还有他的一名雇员）决定在发光灯的内部装入一块带有螺纹的金属板。 此行为的原因尚不清楚。 也许这是为了消除灯的暗度-灯泡玻璃的内部随着时间的推移积累了神秘的暗物质。 工程师显然希望这些黑色颗粒会被吸引到通电板上。 令他惊讶的是，他发现当极板与灯丝的正极一起包含在电路中时，流过灯丝的电流与灯丝的发光强度成正比。 当将板连接到螺纹的负端时，没有观察到这种情况。

爱迪生决定将该效应（以后称为爱迪生效应或热电子发射）用于测量甚至控制电气系统中的“电动势”或电压。 由于不习惯，他为此“电气指示器”申请了专利，然后又回到了更重要的任务上。

无电线

到20年后的1904年。 这时在英格兰，约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）按照马可尼公司的指示进行工作，以改进无线电波接收器。

从仪器的角度和实践的角度，了解当时的无线电是什么和不是无线电是很重要的。 无线电甚至没有被称为“无线电”，它被称为“无线”，无线。 “无线电”一词仅在1910年代才开始盛行。 具体来说，它是一种无线电报机-一种以点和破折号的形式从发送方到接收方传输信号的系统。 它的主要应用是船舶和港口服务之间的联系，从这个意义上说，他对全世界的海事部门感兴趣。

那个时代的一些发明者，特别是雷金纳德·费森登 （ Reginald Fessenden） ，尝试了无线电话的想法-以连续波的形式通过空中传输语音消息。 但是，现代意义上的广播在此之后才出现了15年：新闻，故事，音乐和其他节目的传播，为广大观众所接受。 在此之前，无线电信号的全向性被视为需要解决的问题，而不是可以使用的功能。

当时存在的无线电设备非常适合与摩尔斯电码一起使用，而在其他所有方面均表现欠佳。 发射器产生赫兹波，通过电路中的间隙发送火花。 因此，信号伴随有静电裂纹。

接收器通过相干器识别出该信号：玻璃管中的金属屑，它们在无线电波的作用下被撞成一个连续的团块，从而闭合了电路。 然后有必要敲开玻璃，使木屑破裂，接收器准备好接收下一个信号-首先是手动完成的，但很快出现了自动装置。

1905年， 晶体检测器 （也称为猫须）刚刚开始出现。 事实证明，只要触摸具有某种晶体（例如硅，黄铁矿或方铅矿）的电线，就有可能从空中捕获无线电信号。 由此产生的接收器价格便宜，结构紧凑且所有人都能负担得起。 他们刺激了业余无线电的发展，特别是在年轻人中间。 由于广播在所有用户之间共享，导致由此而导致的通话时间突然激增导致问题。 业余爱好者的无辜交谈可能会偶然地与morphlot的谈判相交，一些流氓甚至设法发出虚假命令并发出帮助信号。 国家不可避免地必须进行干预。 正如安布罗斯·弗莱明（Ambrose Fleming）自己所写的那样，晶体探测器的出现

由于无数电工爱好者和学生的滑稽动作，立即导致了不负责任的无线电报激增，这需要国家和国际当局的大力干预，以合理合理的方式保持正在发生的事情。

由于这些晶体具有异常的电特性，第三代数字开关将适时出现，其次是继电器和灯-主导着我们世界的开关。 但是，一切都有时间。 我们描述了场景，现在我们将所有的注意力都集中在刚刚出现在聚光灯下的演员：1904年，英格兰的安布罗斯·弗莱明（Ambrose Fleming）。

气门

1904年，弗莱明（Fleming）担任伦敦大学学院电气工程学教授，以及马可尼公司（Marconi Company）的顾问。 最初，公司雇用他来获得关于电厂建设的专家意见，但随后他承担了改善接收器的任务。


1890年的弗莱明

每个人都知道，就灵敏度而言，该相干器不是很好的接收器，马克罗尼开发的磁检测器并不是特别好。 为了找到他的替代者，弗莱明首先决定建立一个敏感电路来检测赫兹波。 这样的设备即使本身不会成为检测器，也将在将来的研究中有用。

为此，他需要想出一种不断测量入射波产生的电流强度的方法，而不是使用离散的相干器（他只显示了接通状态-木屑粘在一起或关掉了）。 但是，用于测量电流强度的已知设备-检流计-需要恒定的电流，即单向电流才能进行操作。 无线电波激发的交流电迅速改变了方向，以致无法进行测量。

弗莱明回忆起爱迪生的指示灯，他的衣柜里积聚了一些有趣的东西。 在1880年代，他曾是伦敦爱迪生电气照明公司的顾问，并致力于使灯变黑。 当时，他收到了几份该指标的副本，可能是英国邮局首席电气工程师威廉·普赖斯（William Price）刚从费城的一次电气展览回来的。 在美国以外，对电报和电话的控制在美国以外的邮政服务中很常见，因此它们是电气专业知识的中心。

后来，在1890年代，弗莱明本人使用从Price获得的灯研究了爱迪生效应。 他表明影响是电流沿一个方向流动：负电位可以从热灯丝流向冷电极，反之则不行。 但是直到1904年，当他面对检测无线电波的任务时，他才意识到这一事实可以在实践中使用。 爱迪生指示器将仅允许沿一个方向定向的AC脉冲来弥合线和板之间的间隙，这将提供恒定且单向的流动。

弗莱明（Fleming）拿起一盏灯，将其与检流计串联，然后打开火花发射器。 Voila-镜子转动了，光线在秤上移动。 奏效了。 他可以准确地测量传入的无线电信号。


弗莱明阀原型。 阳极在灯丝环的中间（热阴极）

弗莱明称他的发明为“阀门”，因为它只允许电力通过一种方式。 用更通用的电工语言来说，它是整流器-一种将交流电转换为直流电的方式。 然后它被称为二极管，因为它有两个电极-一个热阴极（细丝）发出电流，一个冷阳极（极板）接收电流。 弗莱明（Fleming）对设计进行了几处改进，但实际上该设备与爱迪生（Edison）制造的指示灯没有什么不同。 她的思维方式转变是她向新品质过渡的结果-我们已经多次看到这种现象。 这种变化发生在弗莱明头脑中的思想世界中，而不是它外部的事物世界中。

仅弗莱明的阀门是有帮助的。 它是用于测量无线电信号的最佳现场设备，并且本身就是一个很好的检测器。 但是他并没有动摇世界。 电子设备的爆炸性增长仅在Lee de Forest添加了第三个电极并将阀门变成继电器之后才开始。

倾听

Lee de Forest为来自耶鲁的学生提供了不同寻常的成长经历。 他的父亲亨利·德·佛斯特牧师（Rev. Henry de Forest）是纽约市的内战退伍军人，是公理会的牧师，他坚信，作为传教士，他应该传播神圣的知识和正义之光。 遵从职责要求，他接受了邀请，成为阿拉巴马州塔拉迪克学院的校长。 该学院是内战后由设在纽约的美国宣教协会成立的。 它旨在为当地黑人居民提供培训和指导。 在那儿，李在一块石头和一块坚硬的地方之间感到自己-本地黑人因天真和怯ward而羞辱他，而本地白人因他是洋基而感到羞辱。

然而，作为一个年轻的森林人，他建立了坚定的自信心。 他发现了对机械和发明的热爱-他的机车大型模型成为了当地的奇迹。 十几岁的时候，他在塔拉迪加（Talladega）学习，因此决定一生致力于发明。 然后，作为一个住在纽黑文市的年轻人，牧师的儿子抛弃了他最后的宗教信仰。 他们由于熟悉达尔文主义而逐渐离开，然后在父亲过世的死亡之后像风一样被吹走。 但是，有目的地的感觉并没有离开德森林-他认为自己是一个天才，并努力成为第二位尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla），他是电力时代一个富有，著名和神秘的巫师。 耶鲁大学的同学认为他是一个自鸣得意的空铃。 也许他可以被称为我们历史上遇到的最不受欢迎的人。


德森林，约1900年

在1899年于耶鲁大学完成学业后，de Forest选择了发展迅速的无线信号传输技术作为实现财富和成名的途径。 在随后的几十年中，他以极大的决心和信心毫不犹豫地冲进了这条道路。 一切始于de Forest及其合作伙伴Ed Smythe在芝加哥的合作。 Smythe通过定期付款来维持公司运营，并共同开发了自己的无线电波检测器，该检测器由两个通过胶水连接的金属板组成，de Forest将其称为“粘贴” [goo]。 但是德森林迫不及待地想为他的天才颁奖。 他摆脱了史密斯（Smythe），并与一位名叫亚伯拉罕·怀特（Abraham White）的可疑纽约金融家合作[ 具有讽刺意味的是，他的名字从出生时的施瓦兹（Schwartz）改名，以掩饰他的黑暗行为。 白色/白色-（英式）白色；施瓦茨-（德国）黑色/约。 佩雷夫 成立De Forest无线电报公司。

公司本身的活动仅次于我们的两位英雄。 怀特用人们的无知填补了他们的口袋。 他从努力跟上预期的广播热潮的投资者中吸引了数百万的投资者。 而且，得益于这些“吸盘”的大量资金流入，de Forest专注于通过开发新的美国无线信息传输系统来证明他的天才（与Marconi等人开发的欧洲系统相反）。

不幸的是，对于美国系统而言，de Forest探测器的性能不是特别好。 一段时间以来，他通过借用Reginald Fessenden的专利技术设计了一种用于液体交换检测器的解决方案-将两根铂金线浸入硫酸浴中。 费森登（Fessenden）就专利侵权提起诉讼-很显然，他会赢得这场官司。 德森林无法冷静下来，直到他想出了只属于他的新探测器。 1906年秋天，他宣布创建这种探测器。 在美国电机工程学院的两次不同会议上，德森林介绍了他的新无线探测器，他称之为音频。 但是它的真正起源是有疑问的。

一段时间以来，de Forest试图建立一个新的探测器的尝试都围绕着电流通过本生灯的火焰传播，在他看来， 本生灯可能是不对称导体。 这个想法显然是不成功的。 在1905年的某个时候，他发现了弗莱明的阀门。 De Forest认为该阀及其基于燃烧器的设备基本上是相同的-如果用火焰替换热螺纹并用玻璃灯泡覆盖以限制气体，则得到的阀是相同的。 他开发了一系列专利，这些专利重复了使用气体火焰探测器的弗莱明阀之前的发明历史。 显然，他希望绕过弗莱明的专利而优先考虑这项发明，因为在使用本生燃烧器之前，弗莱明的工作就一直在进行（自1900年以来一直在进行）。

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远程通信网络是AT＆T中枢神经系统。 她将许多本地公司捆绑在一起，并为贝尔的专利到期提供了关键的竞争优势。 从理论上讲，通过加入AT＆T网络，一个新的客户可以到达数千公里外的所有其他用户，尽管实际上他们很少打长途电话。 此外，网络是公司“一个政策，一个系统，普遍服务”的综合思想的物质基础。

但是随着二十世纪第二个十年的开始，这个网络达到了物理上的最大值。 电话线走得越远，通过它们的信号变得越弱和越嘈杂，结果语音几乎变得难以区分。 因此，在美国实际上有两个被大陆脊隔开的AT＆T网络。

对于东部网络而言，纽约是一个钉子，而Pupin的机械中继器和线圈则是一个皮带，它决定了人的声音可以到达多远。 但是这些技术并不是万能的。 线圈改变了电话电路的电气特性，降低了语音频率的衰减-但它们只能降低语音频率，而不能消除语音频率。 机械中继器（只是将电话扬声器连接到放大麦克风）在每次重复中都会增加噪音。 从纽约到丹佛的1911年生产线使这种牵引带达到最大长度。 即将把网络扩展到整个大陆，这是毫无疑问的。 但是，在1909年，AT＆T首席工程师John Carty公开承诺要这样做。 他承诺将在五年内做到这一点-到1915年在旧金山举行的巴拿马太平洋国际展览会之时。

第一个借助新的电话放大器设法使这样的企业成为可能的人不是美国人，而是一个对科学感兴趣的富裕维也纳家庭的继承人。 小罗伯特·冯·利本 （ Robert von Lieben）在他的父母的帮助下，买下了一家电话制作公司，并着手制造电话放大器。 到1906年，他制造了一种基于阴极射线管的继电器，随后被广泛用于物理实验（后来成为20世纪视频屏幕技术占主导地位的基础）。 弱的输入信号由电磁体控制，使光束弯曲，从而在主电路中调制较强的电流。

到1910年，冯·利本及其同事Eugene Raise和Sigmund Strauss已经了解了Audion de Forest，并用控制阴极射线的格栅取代了管中的磁铁-这种设计是最有效的，并且超过了当时美国的所有发展。 德国电话网络很快采用了von Lieben放大器。 1914年，多亏了她，东普鲁士军队的指挥官才得以紧张地给位于科布伦茨距他1000公里的德国总部打电话。 这迫使总参谋长将兴登堡和卢登道夫的将军派往东方，以他们永恒的荣耀并带来严重后果。 后来，这些放大器将德国总部与南部和东部的野战部队连接到马其顿和罗马尼亚。


von Lieben高级阴极射线继电器的副本。 阴极在下面，阳极在顶部是线圈，网格在中间是圆形金属箔。

但是，语言和地理障碍以及战争导致了这样一个事实，即这种设计并未传到美国，很快它已经领先于其他事件。

同时，de Forest于1911年离开弯曲的无线电电话公司，逃往加利福尼亚。 在那里，他在斯坦福大学毕业生西里尔·埃尔韦尔（Cyril Elwell）创立的帕洛阿尔托联邦电报公司（Federal Telegraph Company）工作。 名义上，de Forest应该在放大器上工作，以增加联邦广播电台的输出信号音量。 实际上，他，Herbert van Ettan（一位经验丰富的电话工程师）和Charles Logwood（一位接收器设计师）建立了电话放大器，以从AT＆T那里获得三人的奖金，据传是100万美元。

为了做到这一点，de Forest从阁楼上取下了Audion，到1912年，他和他的同事们已经准备好在电话公司演示设备。 它由几个串联的Audions组成，这些Audions在多个阶段产生放大作用，并包含几个附加的辅助组件。 从原理上讲，该设备可以正常工作-它可以将信号放大到足以让您听到手帕掉下来或怀表滴答作响的声音。 但是只有在电流和电压太小而无法在电话中使用时。 随着电流的增加，观众开始发出蓝光，并且信号变成噪音。 但是电话接线员有足够的兴趣将设备提供给他们的工程师，看看他们能做什么。 碰巧的是，其中一位年轻的物理学家哈罗德·阿诺德（Harold Arnold）确切地知道如何根据《联邦电讯报》修理放大器。

现在该讨论阀门和奥迪的工作原理。 解释他们的工作所需的主要见识来自剑桥的卡文迪许实验室，这是新电子物理学的知识中心。 1899年，汤姆森（J.J. Thomson）在使用阴极射线管的实验中证明，具有质量并后来被称为电子的粒子将电流从阴极传递到阳极。 在接下来的几年中，汤姆森的同事欧文·理查森（Owen Richardson）将这一假设发展为热电子发射的数学理论。

从剑桥乘火车很短的工程师Ambrose Fleming熟悉这些工作。 在他看来，他的阀门之所以起作用，是由于加热的灯丝发出的电子热电子发射，从而使真空间隙越过冷阳极。 但是指示灯中的真空并不深-对于普通灯泡来说这不是必需的。 抽出足够的氧气足以使线不着火。 弗莱明（Fleming）意识到，为使阀门发挥最佳作用，必须尽可能仔细地清空阀门，以使剩余的气体不会干扰电子流。

德森林不明白这一点。 自从他通过使用本生灯的实验来到阀门和Audion以来，他的信念正好相反-热的电离气体是该设备的工作流体，并且将其彻底去除会导致停止运行。 这就是音频作为收音机工作时如此不稳定和不令人满意的原因，因此它发出蓝光。

AT＆T的Arnold发现自己处在纠正de Forest错误的理想情况。 他是物理学家，曾在芝加哥大学（University of Chicago）向罗伯特·米利坎（Robert Millikan）学习，并被专门聘请以将其对新电子物理学的知识应用于建立从海岸到海岸的电话网络的任务。 他知道Audiion灯在几乎完美的真空度下会表现最佳，他知道最新的泵可以达到这样的真空度，他知道新型的氧化物涂层灯丝以及扩大的板和格栅也会增加电子流量。 简而言之，他将Audion变成了电子灯，是电子时代的奇迹工作者。

AT＆T具有建设跨大陆线所需的强大放大器-不仅有使用它的权利。 该公司的代表在与de Forest的谈判中不信任自己，但通过一名第三方律师开始了单独的对话，该律师以50,000美元（按2017年美元计算约为125万美元）获得了使用Audiion作为电话放大器的权利。 纽约-旧金山专线的营业时间恰到好处，但更多的是技术娴熟和企业广告的胜利，而非沟通的手段。 通话费用如此庞大，几乎没人能使用。

电子时代

真正的电子灯已成为全新的电子组件树的根基。 像继电器一样，当工程师发现新的方法来使设备适应特定问题时，电子灯也在不断扩大其应用范围。 部落“ -ods”的增长并未以二极管和三极管结束。 他继续介绍了四极管 ，并增加了一个额外的网格，以支持放大电路中元素的增长。 随后是五角形 ， 七极甚至八极 。 晶闸管出现，充满水银蒸气，发出不祥的蓝光。 微型灯的大小相当于小手指放在脚上，甚至是橡子的大小。 带有间接阴极的灯，其中交流电源的嗡嗡声不会干扰信号。 《真空管的传奇》描述了直到1930年灯行业的发展，并通过索引列出了1000多种不同的型号-尽管其中许多是不可靠品牌的非法复制品：Ultron，Perfektron，Supertron，Voltron等



比各种形式更重要的是电子管的各种用途。 再生电路将三极管变成发射器-产生平滑且恒定的正弦波，没有嘈杂的火花，能够完美地传输声音。 1901年，凭借一连串的火花和火花，马可尼几乎无法在大西洋的狭窄地区传播一小段摩尔斯电码。 1915年，AT＆T使用电子灯作为发射器和接收器，可以将人类的声音从弗吉尼亚州的阿灵顿传输到檀香山，距离是原来的两倍。 到1920年代，他们将长距离电话与高质量的声音广播结合在一起，并创建了第一个无线电网络。 这样，很快整个国家就可以在广播中听到相同的声音，无论是罗斯福还是希特勒。

此外，创建调到准确且稳定的频率的发射机的能力使电信工程师得以实现长期的多路复用梦想，吸引了亚历山大·贝尔，爱迪生和其他四十年前的梦想。 到1923年，AT＆T拥有了一条从纽约到匹兹堡的十通道语音线路。 通过一根铜线发送多张选票的能力从根本上降低了长途通话的成本，由于成本高昂，这种通话始终仅适用于最富有的人和企业。 为了了解电子灯的功能，AT＆T派了律师从de Forest购买更多权利，以确保在所有可用应用程序中使用Audiion的权利。 他们总共向他支付了39万美元，按今天的货币计算，大约相当于750万美元。

为什么在如此多功能的情况下，电子灯不能像在无线电和其他电信设备中那样主导第一代计算机？ 显然，三极管可以是与继电器相同的数字开关。 显而易见，德森林甚至认为他在实际创建中继之前就已经创建了中继。 而且三极管的响应速度比传统的机电继电器好得多，因为它无需物理移动电枢。 典型的开关继电器需要几毫秒的时间，并且由于栅极上电势的变化，从阴极到阳极的通量变化几乎是瞬时的。

但是这些灯在继电器之前有一个明显的缺陷：与以前的灯类似，它们的照明灯泡会烧坏。 原始的Audion de Forest的使用寿命非常短-大约100个小时-以至于灯中有一个备用线，在第一次烧毁后需要连接备用线。 这是非常糟糕的，但是即使在那之后，即使使用最优质的灯，您也无法期望超过数千小时的工作时间。 对于具有数千盏灯和数小时计算能力的计算机来说，这是一个严重的问题。

相反，根据乔治·斯蒂布茨（George Stibitz）的说法，继电器“绝对可靠”。 以至于他声称

如果一组U形继电器将在我们时代的第一年开始工作并每秒切换一次接触，那么直到现在它仍然可以工作。 第一次接触失败的发生可能不早于一千年后的3000年。

而且，没有使用与电话工程师的机电电路相当的大型电子电路的经验。 收音机和其他设备可能包含5-10盏灯，但不包括数十万盏。 没有人知道一台计算机可以使用5000盏灯工作。 选择继电器而不是灯，计算机开发人员做出了安全而保守的选择。

在下一部分中，我们将看到如何以及为什么克服这些疑虑。