Изобретение телефона

Б) Дополнительная

А) Обязательная

ЛИТЕРАТУРА

План

Телефон

Лекция 4

1.Изобретение телефона

2.Усовершенствование телефона

3.Проблемы коммутации

4.У истоков цифровой революции

5.Оптико-волоконная связь

Островский А.В. История средств связи. Учебное пособие. СПб., 2009. С.63-84.

Ватсон Т.А. Как родился телефон // Электросвязь. 1995. №2. С.43-44.

Медведев Д.Л. Развитие техники коммутации каналов связи // Электросвязь. 2005. №4. Приложение. Электросвязь: история и современность

Яроцкий А.В. Павел Михайлович Голубицкий. М., 1976.

Как уже отмечалось, человеческий голос слышен на расстоянии нескольких десятков, в лучшем случае сотен метров. Поэтому еще в далеком прошлом для его усиления был изобретен такое устройство как рупор.

Однако даже шестиметровый рупор англичанина Самюэля Морленда (1625-1695), созданный около 1670 г., позволял увеличить слышимость голоса лишь до полутора километров.

В XVI-XVII вв. появилась идея использовать для передачи звука на расстояние трубопровод. Позднее эта идея получила применение во флоте для передачи команд с капитанского мостика, например, в машинное отделение. Такую же систему передачи звука пытались создать на железных дорогах, чтобы соединить вагон начальника поезда с другими вагонами и паровозом.

«Первым акустическим индикатором электрических сигналов» стал электрический звонок, который был изобретен в середине XVIII в.. Первоначально его использовали как вызывающее устройство. Такую роль он стал играть в телеграфных аппаратах.

Первым, кто попытался использовать электричество для передачи звука, был американский изобретатель Чарльз Пейдж. В 1837 г. он сумел вызвать эффект, который назвал «гальванической музыкой». Взяв два камертона, Ч. Пейдж поместил между ними два электрода: один оставил без изоляции и подвел к первому камертону, другой присоединил в электромагниту и разместил рядом со вторым камертоном. Когда изобретатель приводил в движение первый камертон, он начинал вибрировать, то замыкая, то размыкая электрическую цепь, в результате электрический магнит соответствующим образом воздействовал на второй камертон, заставляя его вибрировать и звучать.

Это вдохновило некоторых изобретателей на создание поющего телеграфа, способного передавать музыку.

Наибольших успехов в этом отношении добился немецкий изобретатель Иоганн Филипп Рейс (1834-1874), работавший учителем в школе для глухонемых. 26 октября 1861 г. он выступил во Франкфурте-на-Майне с докладом «О телефоне посредством гальванического тока» и продемонстрировал свое изобретение.

В литературе можно встретить разные описания сконструированного им аппарата. Причина этого, по всей видимости, заключается в том, что он создал несколько его образцов.

Один из аппаратов И. Ф. Рейса представлял собою полый ящик с двумя отверстиями, перекрытыми тонкими перепонками. К первой перепонке изнутри была прикреплена металлическая пластинка, соприкасавшаяся с острием установленной рядом металлической иглы, которая была подсоединена к электрической цепи. Под влиянием колебаний упомянутая пластинка касалась острия иглы, в результате чего происходило замыкание и размыкание цепи. На другом конце этой цепи находилось приемное устройство. Оно состояло из резонансной доски, на которой была установлена проволочная спираль, а внутри нее металлическая спица. Под влиянием изменений в электрической цепи, резонансная доска вибрировала. В такт с нею вибрировали спираль и спица. При этом они издавали звук, который воспроизводила вторая перепонка.

Другая конструкция аппарата Ф. Рейса отличалась тем, что на первой перепонке вместе металлической пластинки находилась гибкая ленточка фольги, а вместо резонансной доски с проволочной спиралью и спицей использовался соленоид с сердечником, который издавал звук при перемагничивании.

Созданный И.Ф. Рейсом аппарат был способен передавать по проводам отдельные звуки и даже мелодии, но он не мог воспроизводить членораздельную человеческую речь.

Европейская научная общественность не проявила интереса к этому изобретению. Но когда его продемонстрировали в США, здесь начались поиски путей усовершенствования аппарата И.Ф. Рейса. Через несколько лет, уже после смерти изобретателя, они привели к созданию телефона.

Чтобы поющий «аппарат Рейса» «заговорил», необходимо было решить проблему, на которую обратил внимание известный немецкий ученый Герман Гельмгольц. Он пришел к выводу, что для передачи звука необходимо воспроизведение «не только его частоты, но и тембра», который «в момент полного перерыва цепи» искажается или же вообще утрачивается.

Если при телеграфировании можно было использовать прерывистые электрические сигналы, для передачи звука нужен был непрерывный электрический ток.

В связи с этим следует вспомнить, что к тому времени уже был найден способ передачи телеграфных сообщений не только с помощью замыкания и размыкания электрической цепи, но и с помощью электромагнитных колебаний. Вспомним хотя бы изобретение Г.И. Морозова.

«Первым кто, при экспериментах обнаружил способность гармонического телеграфа воспроизводить звук с сохранением тембра, - пишет А. В. Яроцкий, - был американский физик Эллайша Грей. О своем изобретении он сообщил в печати в августе 1874 г. Однако закончил разработку изобретения и подал заявку на патент лишь 14 февраля 1876 г., назвав изобретение «Устройство для передачи и приема вокальных звуков телеграфным способом».

Мы не знаем, был ли Э. Грей знаком с изобретением Г.И. Морозова, но, как и Г.И. Морозов, он использовал для преобразования звуковых колебаний в электрические жидкость.

В тот же день, но на два часа раньше заявку на изобретение телефона подал другой изобретатель Александр Белл (1847-1922).

Александр Белл (1847-1922) являлся специалистом по акустике и ораторскому искусству. Его дед был основателем ораторской школы в Лондоне, а отец профессором риторики в Лондонском университете. В 1870 г. его семья переселилась в Канаду, затем А.Белл переехал в США и в 1873 г. стал профессором вокальной физиологии в школе ораторского искусства Бостонского университета. Здесь он открыл собственную школу и стал заниматься с глухонемыми детьми.

	А. Белл		Трубка Белла

(1847-1922)

В 1875 г. Александр Белл и его помощник Томас Ватсон производили опыты, пытаясь создать «поющий телеграф». Во время одного из таких опытов, когда они находились в разных комнатах, Т. Ватсон нажал кнопку, чтобы привести в действие звонок, однако магнит притянул к себе молоточек звонка и не отпустил его. Когда Т. Ватсон оттянул молоточек от магнита рукой, в другой комнате на приемном аппарате раздался какой-то звук.

А. Белла заинтересовал этот эффект. И вскоре он понял, что совершенно случайно сделал открытие. Оказывается, чтобы превратить звуковые колебания в электрические, необязательно, чтобы мембрана замыкала и размыкала электрическую цепь. Для этого достаточно, чтобы она меняла существующее вокруг цепи электромагнитное поле.

«Понять суть открытого Белом принципа, - пишут авторы книги «История вещей», - можно, если представить постоянный магнит, в поле которого находится гибкая пластина, способная колебаться под действием звуковых волн. При приближении пластины к полюсу магнита его поле будет усиливаться, а при движении в обратном направлении – ослабевать. Это происходит вследствие электромагнитной индукции: в металлической пластине, движущейся в магнитном поле, возникает ток, создающий вокруг пластины собственное поле. Оно накладывается на поле магнита и при колебании пластины усиливает его или ослабляет».

И далее: «Поместив такой магнит в катушку с проволокой, можно обнаружить, что при колебаниях магнитного поля в нем возникает переменный электрический ток. Если его направить на обмотку другого магнита, ток будет вызывать колебания магнитного поля, полностью повторяющие колебания первого магнита. Стоит поместить у полюса принимающего магнита металлическую пластину, аналогичную той, что находится в поле передающего магнита, поле придет в движение, воспроизводя звуковые колебания».

14 февраля 1876 г. А.Г. Белл подал в Вашингтонское патентное бюро заявку на изобретение «Телеграф, при помощи которого можно передавать человеческую речь». 7 марта он получил патент, а 10 марта передал на расстояние 12 метров (по проводу, который соединял его квартиру с лабораторией на чердаке) распоряжение своему помощнику Томасу Ватсону: «Идите сюда. Мистер Ватсон. Вы мне нужны». И услышал в ответ: «Мистер Белл, я отчетливо слышу каждое произнесенное Вами слово».

2. Усовершенствование телефона

Когда Томас Ватсон говорил о том, что от «отчетливо» слышит каждое слово своего наставника, он немного лукавил, так как первый телефонный аппарат был очень несовершенен, и качество воспроизводимого им голоса оставляло желать лучшего.

Именно это было главной причиной того, почему летом 1876 г. в Филадельфии на Всемирной Выставке Столетия, которая была посвящена столетию со дня образования США, телефон А. Белла не привлек к себе особого внимания.

Но тут изобретателю помог случай. Его узнал посетивший выставку император Бразилии Педро II, незадолго перед тем побывавший в той самой школе для глухонемых, в которой преподавал А. Белл. Император не только пришел сам, чтобы познакомиться с изобретением, но и привел с собою члена жюри выставки уже упоминавшегося английского ученого Уияльяма Томсона (1824-1907), который участвовал в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля. У. Томсон был восхищен изобретением, пригласил А. Белла в Европу и сделал ему широкую рекламу.

Авторы «Истории вещей» так описывают созданный А. Беллом телефон: «Первые аппараты, запущенные в серийное производство были устроены довольно просто. Они включали в себя постоянный магнит в форме стержня, один полюс которого окружала индукционная спираль из медной проволоки. У полюса магнита была расположена пластина из мягкого железа, служившая мембраной и соединенная с индукционной спиралью. Устройство помещалось в деревянную оправу, имевшую со стороны мембраны воронкообразное отверстие для приема звука. Индукционные спирали приемного и передаточного аппаратов были соединены в одну цепь. Такая трубка использовалась одновременно и для приема и для передачи: в нее можно было говорить и, приложив воронку к уху, слышать речь собеседника».

Если первоначально изобретение А. Белла вызвало интерес, то когда дело перешло в практическую плоскость, оказалось, что созданный аппарат настолько несовершенен, что возник даже вопрос о возможности его практического использования.

Однако значение этого средства связи было настолько велико, что десятки, если не сотни изобретателей направили свои усилия на его совершенствование. К 1900 г. было запатентовано около трех тысяч предложений.

Как отмечают специалисты, «телеграфный аппарат Белла довольно хорошо справлялся с задачей преобразования электрических сигналов в звуковые, но не мог надлежащим образом превращать звуковые волны в электрические сигналы». В связи с этим в совершенствовании прежде всего нуждался микрофон.

Одним из первых со своими предложениями на этот счет выступил Дэвид Юз (1845-1900), тот самый английский изобретатель, который в 1855 г. сконструировал буквопечатающий телеграф.

«В мае 1878 г., - пишет А.В. Яроцкий, - Д.Е. Юз доложил Лондонской королевской академии, членом которой состоял, об открытии им микрофонного эффекта. Исследуя плохие электрические контакты при помощи телефона, Юз обнаружил, что колебания плохого контакта прослушиваются в телефон [как в медицинскую трубку]. Испробовав контакты, изготовленные из разных материалов, он убедился, что эффект с наибольшей силой проявляется при применении контактов из прессованного древесного угля». Исходя из этого, Д. Юз в 1877 г. сконструировал угольный микрофон.

Он представлял собою горизонтальную пластинку, на которой вертикально были закреплены два угольных стержня, имеющие сверху желобообразные углубления. В эти углубления как перекладина помещался третий угольный стержень. Под влиянием колебаний мембраны происходило колебание горизонтальной пластины, а значит дрожание угольной перекладины. В результате она то сильнее, то слабее прикасалась к двум другим стержням. А поскольку они были включены в электрическую цепь, в местах касания происходило соответствующее изменение сопротивления, а значит, силы тока, под влиянием которой приводилась в движение мембрана в приемном устройстве.

Однако при всех достоинствах микрофон Д. Юза имел по крайней мере два недостатка: во-первых, вибрация угольных контактов вызывала искрение, которое отдавалось в телефоне потрескиванием, и чем сильнее был звук, тем сильнее были помехи, во-вторых, угольные стержни очень быстро перегорали.

Поэтому совершенствование микрофона продолжалось. Очень плодотворной оказалась идея использовать в микрофоне не угольные стержни, а угольный порошок. Представьте коробочку, которую Г. Морозов и Э. Грей наполняли водой, заполненную мелко истолченным угольным порошком. В таком микрофоне под влиянием колебаний мембраны будет происходить изменение плотности порошкового слоя, а значит, сопротивления и силы проходящего через него тока.

Вокруг вопроса о том, кто изобрел первый порошковый микрофон, до сих пор идут споры. По всей видимости, пальма первенства принадлежит известному американскому изобретателю Т. Эдисону. За свои 84 года жизни он зарегистрировал 1300 патентов. Получается, около 20 изобретений в год или два изобретения в месяц. Это наводит на мысль, что под именем Т. Эдисона творил научный коллектив.

Усовершенствованный им телефонный аппарат, кроме порошкового микрофона, имел еще несколько достоинств. Для усиления электрических колебаний в передающем устройстве была использована индукционная катушка - трансформатор. Кроме того, микрофон и принимающая телефонная трубка были включена в две разные параллельные цепи.

В отличие от Т. Эдисона русские инженеры П.М. Голубицкий (1880 г.) и Е.И. Гвоздев (1889 г.) направили свои усилия на то, чтобы усовершенствовать микрофон за счет использования электромагнитной индукции и в этом отношении добились значительных результатов.

Однако порошковый микрофон оказался дешевле и проще. С конца XIX в. он получил самое широкое распространение и использовался на протяжении почти целого столетия.