Coherer - Coherer

Kovový pilník navržený Guglielmem Marconim .

Koherer byla primitivní forma radiového signálu detektoru použitého v prvních rozhlasových přijímačů během bezdrátové telegrafie doby na počátku 20. století. Jeho použití v rádiu bylo založeno na nálezech francouzského fyzika Édouarda Branlyho z roku 1890 a během dalších deseti let upraveno dalšími fyziky a vynálezci. Zařízení se skládá z trubice nebo kapsle obsahující dvě elektrody umístěné v malé vzdálenosti od sebe s volnými kovovými pilinami v prostoru mezi nimi. Když je na zařízení přiveden vysokofrekvenční signál, kovové částice by se slepily nebo „ koherovaly “, což by snížilo počáteční vysoký odpor zařízení, což by umožnilo protékat mnohem větším stejnosměrným proudem. V přijímači by proud aktivoval zvonek nebo záznamník papírové pásky Morse, který by dělal záznam přijatého signálu. Kovové piliny v kohereru zůstaly vodivé i po ukončení signálu (pulzu), takže koherer musel být „dekoherován“ poklepáním pomocí klapky ovládané elektromagnetem, pokaždé, když byl přijat signál, čímž se obnovil koherer do původního stavu Stát. Coherery zůstaly v širokém používání až do roku 1907, kdy byly nahrazeny citlivějšími elektrolytickými a krystalovými detektory .

Dějiny

Chování částic nebo kovových pilin v přítomnosti elektřiny nebo elektrických jisker bylo zaznamenáno v mnoha experimentech dlouho před papírem Édouarda Branlyho z roku 1890 a ještě předtím, než existoval důkaz teorie elektromagnetismu . V roce 1835 si švédský vědec Peter Samuel Munk všiml změny odporu ve směsi kovových pilin v přítomnosti jiskrového výboje z leydenské nádoby. V roce 1850 Pierre Guitard zjistil, že při elektrifikaci prašného vzduchu by částice měly tendenci se hromadit ve formě řetězců. Myšlenku, že částice mohou reagovat na elektřinu, využil bleskový most anglického inženýra Samuela Alfreda Varleye z roku 1866 , bleskojistka připojená k telegrafním linkám sestávajícím z kusu dřeva se dvěma kovovými hroty zasahujícími do komory. Prostor byl naplněn práškovým uhlíkem, který nedovolil průchod nízkonapěťových telegrafních signálů, ale vedl a uzemnil úder blesku vysokého napětí. V roce 1879 velšský vědec David Edward Hughes zjistil, že volné kontakty mezi uhlíkovou tyčí a dvěma uhlíkovými bloky, stejně jako kovové granule v mikrofonu, který vyvíjel, reagovaly na jiskry generované v blízkém přístroji. TEMISTOCLE Calzecchi-Onesti v Itálii začal studovat anomální změnu odporu tenké kovové fólie a kovové částice v Fermo / Monterubbiano . Zjistil, že měděné piliny mezi dvěma mosaznými deskami se slepí a stanou se vodivými, když na ně přivede napětí. Zjistil také, že jiné typy kovových pilin budou mít stejnou reakci na elektrické jiskry vyskytující se na dálku, což je jev, o kterém si myslel, že by mohl být použit pro detekci úderů blesku. Články Calzecchi-Onesti byly publikovány v il Nuovo Cimento v letech 1884, 1885 a 1886.

Trubka elektrického obvodu Branly naplněná železnými pilinami (později nazývaná „coherer“)

V roce 1890 zveřejnil francouzský fyzik Édouard Branly ve francouzském časopise O změnách odporu těl za různých elektrických podmínek ve francouzském časopise, kde popsal své důkladné zkoumání vlivu nepatrných elektrických nábojů na kov a mnoho druhů kovových pilin. V jednom typu obvodu byly piliny umístěny do trubice ze skla nebo ebonitu, držené mezi dvěma kovovými deskami. Když se v okolí obvodu vytvořil elektrický výboj, na připojené jehle galvanometru byla vidět velká odchylka . Všiml si, že piliny v trubici reagují na elektrický výboj, i když byla trubka umístěna v jiné místnosti vzdálené 20 metrů. Branly pokračoval v navrhování mnoha typů těchto zařízení založených na „nedokonalých“ kovových kontaktech. Branlyho zkumavka na piliny vyšla najevo v roce 1892 ve Velké Británii, když ji popsal Dr. Dawson Turner na zasedání Britské asociace v Edinburghu. Skotský elektrotechnik a astronom George Forbes navrhl, že Branlyho trubice na piliny může reagovat v přítomnosti Hertzianových vln, což je typ vzduchem přenášeného elektromagnetického záření, o kterém prokázal německý fyzik Heinrich Hertz (později nazývaný rádiové vlny ).

Marconiho přijímač kohereru z roku 1896 v Oxfordském muzeu dějin vědy ve Velké Británii. Koherer je vpravo a za ním je oddělovač. Relé je ve válcové kovové nádobě (uprostřed), aby chránilo koherer před vysokofrekvenčním šumem z jeho kontaktů.

V roce 1893 fyzik WB Croft vystavil Branlyho experimenty na setkání Fyzikální společnosti v Londýně. Croftovi a ostatním nebylo jasné, zda piliny v tubě Branly reagují na jiskry nebo na světlo jisker. George Minchin si všiml, že Branlyho trubice může reagovat na Hertzianovy vlny stejným způsobem jako jeho solární článek, a napsal článek „ Akce elektromagnetického záření na filmy obsahující kovové prášky “. Tyto dokumenty přečetl anglický fyzik Oliver Lodge, který to viděl jako způsob, jak postavit mnohem vylepšený detektor Hertzianových vln. Dne 1. června 1894, několik měsíců po smrti Heinricha Hertze, přednesl Oliver Lodge pamětní přednášku o Hertzovi, kde předvedl vlastnosti „Hertzových vln“ (rádio), včetně jejich přenosu na krátkou vzdálenost pomocí vylepšené verze Branlyho tuba, kterou Lodge pojmenoval „coherer“, jako detektor. V květnu 1895, po přečtení demonstrací Lodge, ruský fyzik Alexander Popov postavil pomocí kohereru detektor blesků na bázi „Hertzianových vln“ (rádiových vln). Ten stejný rok italský vynálezce Guglielmo Marconi předvedl bezdrátový telegrafický systém využívající Hertzianovy vlny (rádio), založený na kohereru.

Koherer byl v přijímačích nahrazen jednoduššími a citlivějšími elektrolytickými a krystalovými detektory kolem roku 1907 a stal se zastaralým.

Jedno menší použití kohereru v moderní době bylo japonským výrobcem hraček s pocínovanými deskami Matsudaya Toy Co., který od roku 1957 používal vysílač jiskřiště a přijímač založený na kohereru v řadě rádiem řízených (RC) hraček zvaných Radicon ( zkratka pro Radio-Controlled) hračky. Bylo komerčně prodáno několik různých typů využívajících stejný RC systém, včetně Radicon Boat (velmi vzácné), Radicon Oldsmobile Car (vzácné) a Radicon Bus (nejoblíbenější).

Úkon

Obvod kohererového přijímače, který zaznamenával přijatý kód na papírový magnetofon Morse.

Na rozdíl od moderních AM rozhlasových stanic, které vysílají kontinuální rádiovou frekvenci, jejíž amplituda (výkon) je modulován pomocí zvukového signálu, přičemž první rádiové vysílače přenáší informace pomocí bezdrátové telegrafie ( radiotelegraphy ), vysílač byl zapnout a vypnout ( on-off klíčování ) produkovat různé délky impulsů nemodulovaného signálu nosné vlny , „tečky“ a „pomlčky“, které vysvětlují textové zprávy v Morseově abecedě . Výsledkem bylo, že včasné rádiové přijímací zařízení pouze muselo detekovat přítomnost nebo nepřítomnost rádiového signálu, nikoli jej převádět na zvuk. Zařízení, které to provedlo, se nazývalo detektor . Coherer byl nejúspěšnějším z mnoha detektorových zařízení, která byla vyzkoušena v počátcích rádia.

Činnost kohereru je založena na fenoménu elektrického kontaktního odporu . Konkrétně když kovové částice koherují (lnou k sobě), vedou elektřinu mnohem lépe poté, co jsou vystaveny vysokofrekvenční elektřině. Rádiový signál z antény byl aplikován přímo na elektrody cohereru. Když přišel rádiový signál z „tečky“ nebo „pomlčky“, koherer by se stal vodivým. Cohererovy elektrody byly také připojeny k stejnosměrnému obvodu napájenému baterií, která vytvářela zvuk „cvaknutí“ ve sluchátkách nebo telegrafní sirénu nebo značku na papírové pásky, která zaznamenávala signál. Snížení elektrického odporu kohereru bohužel přetrvávalo i po odstranění rádiového signálu. To byl problém, protože coherer musel být okamžitě připraven přijmout další „tečku“ nebo „pomlčku“. Proto byl přidán dekoherační mechanismus k klepnutí na koherer, mechanicky narušující částice, aby jej resetoval do stavu vysoké odolnosti.

Soudržnost částic pomocí rádiových vln je nejasný jev, který dodnes není dobře pochopen. Zdá se, že nedávné experimenty s kohererem částic potvrdily hypotézu, že částice koherují díky mikro-svarovému jevu způsobenému vysokofrekvenční elektřinou protékající malou kontaktní plochou mezi částicemi. Základní princip tzv „nedokonalé“ kontaktní coherers, je také znám, ale může zahrnovat druh tunelování z nosičů náboje přes nedokonalého spojení mezi vodiči.

aplikace

Koherer vyvinutý společností Marconi sestával z kovových pilin (teček) uzavřených mezi dvěma šikmými elektrodami (černými), vzdálenými několik milimetrů, připojenými ke svorkám.

Koherer používaný v praktických přijímačích byla skleněná trubice, někdy evakuovaná , která byla asi z poloviny naplněna ostře řezanými kovovými pilinami, často částečně stříbrnými a částečně niklovými . Stříbrné elektrody navazovaly kontakt s kovovými částicemi na obou koncích. V některých kohererech byly elektrody šikmé, takže šířka mezery obsažené pilinami se mohla měnit otáčením trubice kolem její dlouhé osy, čímž se upravovala její citlivost na převládající podmínky.

Za provozu je koherer součástí dvou samostatných elektrických obvodů. Jedním z nich je obvod zemnění antény zobrazený v níže uvedeném schématu zapojení nevyladěného přijímače. Druhým je obvod relé baterie a sirény včetně baterie B1 a relé R ve schématu. Radiový signál z antény-zemnicí obvod „zapne“ coherer, umožňující tok proudu v baterii zdravější obvodu, které aktivuje bzučák, S . Cívky, L , fungují jako RF tlumivky, aby zabránily úniku energie RF signálu přes obvod relé.

Obvod rádiového přijímače využívající detektor kohereru (C) . "Tapper" (oddělovač) není zobrazen.

Jedna elektroda A kohereru ( C , v levém schématu) je připojena k anténě a druhá elektroda B k zemi . Kombinace série z baterie , B1 , a relé, R , je také připojen ke dvěma elektrodami. Když je přijat signál z vysílače jiskřiště , piliny mají tendenci k sobě přilnout, což snižuje odpor kohereru. Když coherer vede lépe, dodává baterie B1 dostatek proudu přes coherer k aktivaci relé R , které spojuje baterii B2 s telegrafním sirénem S , což slyšitelně zacvakne. V některých aplikacích nahradila telegrafní sirénu dvojice sluchátek, která byla mnohem citlivější na slabé signály, nebo Morseův rekordér, který zaznamenával tečky a pomlčky signálu na papírovou pásku.

Coherer s elektromagnetem ovládaným „tapperem“ (oddělovačem), postavený časným rádiovým výzkumníkem Emile Guarini kolem roku 1904.

Problém, že se piliny stále drží a chová se po odstranění signálu, byl vyřešen poklepáním nebo protřepáním kohereru po příchodu každého signálu, protřepáním pilin a zvýšením odporu kohereru na původní hodnotu. Tento aparát byl nazýván dekodér . Tento proces byl označován jako „dekódování“ zařízení a během života populárního používání této komponenty byl předmětem mnoha inovací. Například Tesla vynalezla koherer, ve kterém se trubice otáčela nepřetržitě podél své osy.

V pozdějších praktických přijímačích byl dekodér klapkou podobnou elektrickému zvonu, který byl ovládán elektromagnetem napájeným samotným kohererovým proudem. Když rádiová vlna zapnula koherer, protékal stejnosměrný proud z baterie elektromagnetem a přitáhl rameno, aby koherer kohoutku. Tím se koherer vrátil do nevodivého stavu, vypnul se proud elektromagnetu a rameno vyskočilo zpět. Pokud byl rádiový signál stále přítomen, coherer se okamžitě znovu zapne a zatáhne klapku, aby mu dal další klepnutí, které by ji znovu vypnulo. Výsledkem bylo neustálé „chvění“ klapky během období, ve kterém byl zapnutý rádiový signál, během „teček“ a „pomlček“ signálu Morseovy abecedy.

Automatický brzdný systém pro železniční lokomotivy, patentovaný v roce 1907, používal coherer detekovat elektrické kmity v nepřetržitém letecký provoz podél trati. Pokud byl blok před vlakem obsazen, oscilace byly přerušeny a koherer působící prostřednictvím relé ukázal varování a zabrzdil.

Nedokonalá spojovací spojka

Existuje několik variant toho, co je známé jako nedokonalý spojovací spojovač. Výše popsaný princip činnosti (microwelding) pro pilníkový koherer může být méně pravděpodobné, že bude použit pro tento typ, protože není potřeba dekoherování. Variaci železa a rtuti na tomto zařízení použil Marconi pro první transatlantickou rádiovou zprávu. Dřívější formu vynalezl Jagdish Chandra Bose v roce 1899. Zařízení sestávalo z malého kovového kalíšku, který obsahoval kaluž rtuti pokrytou velmi tenkou izolační vrstvou oleje ; nad povrchem oleje je zavěšen malý železný kotouč. Pomocí nastavovacího šroubu je spodní hrana kotouče vytvořena tak, aby se dotýkala rtuti pokryté olejem pomocí tlaku dostatečně malého, aby neprorazila vrstvu oleje. Jeho princip fungování není dobře pochopen. Akce detekce nastane, když vysokofrekvenční signál nějakým způsobem rozbije izolační vrstvu oleje, což zařízení umožňuje provádět činnost přijímajícího sirény zapojeného do série. Tato forma kohereru se sama obnovuje a nevyžaduje žádné oddělování.

V roce 1899 oznámil Bose ve svém příspěvku v Royal Society v Londýně vývoj „ kohereru železo-rtuť-železo s detektorem telefonu “ . Později také obdržel americký patent 755 840Detektor elektrických poruch “ (1904) pro konkrétní elektromagnetický přijímač.

Antikoherer

Omezení kohererů

Protože se jedná o detektory prahového napětí, koherery měli potíže rozlišovat mezi impulzivními signály vysílačů jiskřiště a dalším impulzivním elektrickým šumem:

Toto zařízení [coherer] bylo zveřejněno jako úžasné a bylo nádherně nevyzpytatelné a špatné. Nefungovalo by to, kdy by mělo, a fungovalo to přesčas, když by nemělo.

Vše byly ryby, které přišly k síti kohereru, a zapisovač zapisoval kombinace teček a pomlček docela nestranně pro legitimní signály, statické poruchy, sklouzávací vozík o několik bloků dál a dokonce i zapnutí a vypnutí světel v budově. Překlad pásky často vyžadoval brilantní představivost

Coherery byly také jemné, aby se přizpůsobily a nebyly příliš citlivé. Dalším problémem bylo, že kvůli těžkopádnému mechanickému mechanismu „dekódování“ byl koherer omezen na rychlost příjmu 12 - 15 slov za minutu Morseovy abecedy, zatímco telegrafní operátoři mohli posílat rychlostí 50 WPM a papírové pásky na 100 WPM.

Pro budoucnost je důležitější, coherer nemohl detekovat AM (rádio) přenosy. Jako jednoduchý spínač, který zaregistroval přítomnost nebo nepřítomnost rádiových vln, coherer mohl detekovat on-off klíčování z bezdrátové telegrafie vysílačů, ale nemůže odstranit ani demodulovat průběhy AM radiotelefonních signálů, které začaly být experimentoval s ve první roky 20. století. Tento problém byl vyřešen opravnou schopností barretteru horkého drátu a elektrolytického detektoru vyvinutého Reginaldem Fessendenem kolem roku 1902. Ty byly nahrazeny detektorem krystalů kolem roku 1907 a poté kolem roku 1912–1918 vakuovými trubičkovými technologiemi, jako je John Ambrose Fleming ' to thermionic diodu a Lee De Forest ‚s AUDION ( triodu ) trubice.

Jeden z prvních cohererů, který navrhl Édouard Branly. Postavený jeho asistentem.
„Kuličkový“ koherer, navržený Branlym v roce 1899. Tento nedokonalý typ kontaktu měl mezi dvěma elektrodami řadu lehce se dotýkajících kovových koulí.
Stativ coherer, postavený Branly v roce 1902, další nedokonalý typ kontaktu. Ačkoli většina kohererů fungovala jako „spínače“, které zapínaly stejnosměrný proud z baterie za přítomnosti rádiových vln, může to být jeden z prvních usměrňovacích ( diodových ) detektorů, protože Branly uvedl, že dokáže vyprodukovat stejnosměrný proud bez baterie.
Další stativový detektor postavený Branlym

Viz také

Další čtení

  • Phillips, Vivian J. (1980). Časné detektory rádiových vln . London: Inst. elektrotechniků. ISBN 0906048249.. Komplexní popis rádiových detektorů až po vývoj vakuové trubice s mnoha neobvyklými typy kohereru.
  • Manžeta, Thomas Mark (1993). Coherers, recenze. Philadelphia, PA, Temple University, diplomová práce. Technický historický popis objevu a vývoje kohererů a chování podobných kohererům od 1800 do 1993, včetně vyšetřování v padesátých letech používání kohererů v tehdy nové oblasti digitálních počítačů. Tato práce zkoumala podobnosti mezi kohererem a elektrolytickými RF detektory, „diodami“ MOM (Metal-Oxide-Metal) používanými v laserovém heterodyningu a STM (Scanning Tunneling Microscope).

Reference

externí odkazy