Меню

Раздел 7. Техника индустриальной цивилизации

Средства связи и информационная техника

Развитие проводной электрической связи

Во второй половине XIX в. продолжалось развитие техники средств связи. В 1867 г. английский ученый Ч. Уитстон изготовил телеграфный приемник. В 1871 г. Стирис изобрел дифференци телеграфирование, при котором два сообщавшихся пункта одновременно вели передачу и прием телеграмм.

Французский механик Ж. Бодо в 1874 г., положив в основу пятизначный код, сконструировал аппарат, скорость передачи которого достигала 360 знаков в минуту. В 1876 г. им был создан аппарат, увеличивавший скорость приемопередачи в 2,5 раза. Помимо этих устройств Бодо были разработаны дешифраторы, печатающие механизмы и распределители, ставшие классическими образцами телеграфных приборов.

Если в Европе использовали телеграфную аппаратуру Бодо, то в США широкое распространение получили телеграфные аппараты, в основе работы которых лежала квадруплексная схема, созданная Т. Эдисоном и Дж. Преслотом в 1874 г. Эта схема обеспечивала одновременную передачу четырех телеграмм по одной телеграфной линии.

Первые попытки передачи на расстояние неподвижных изображений относятся к началу второй половины XIX в. В 1855 г. итальянский физик Дж. Казелли сконструировал электрохимический фототелеграф с открытой электрохимической записью изображения при приеме.

Развитие телеграфной связи требовало строительства новых телеграфных линий и магистралей. Совершенствование техники и технологии изготовления кабелей, повышение их качества и износостойкости позволяло строить подземные телеграфные линии. Общая протяженность телеграфных линий в мире в начале XX в. составила около 8 млн км.

Практическая разработка телефона связана с именами американских изобретателей И. Грея и А.Г. Белла. Участвуя в конкурсе по разрешению проблемы уплотнения телеграфных цепей, они обнаружили эффект телефонирования. 14 февраля 1876 г. оба американца сделали заявку на практически применимые телефонные аппараты. Поскольку заявка Грея была сделана на два часа позже, патент был выдан Беллу. Несколькими месяцами позже А.Г. Белл продемонстрировал разработанный им электромагнитный телефон, выполнявший роль и передатчика, и приемника.

В 1878 г. Д.Э. Юз доложил Лондонскому королевскому обществу об открытии им микрофонного эффекта. Исследуя плохие электрические контакты, Юз обнаружил, что колебания плохого контакта прослушиваются в телефоне. Испробовав контакты, изготовленные из различных материалов, он убедился, что с наибольшей силой эффект проявляется при применении контактов из прессованного угля. Основываясь на этих результатах, Д.Э. Юз в 1877 г. сконструировал телефонный передатчик, названный им микрофоном.

В том же году свой тип телефонного аппарата сконструировал Т. Эдисон. Впервые введя в схему индукционную катушку и применив угольный микрофон из прессованной ламповой сажи, Эдисон обеспечил передачу звука на значительное расстояние.

Для последующего развития телефонных сетей большое значение имела предложенная П.М. Голубицким в 1885 г. схема телефонной станции с электропитанием от центральной батареи, расположенной на самой станции. Такая система питания телефонных аппаратов позволила создать центральные телефонные станции с десятками тысяч абонентских точек. В 1882 г. Голубицкий изобрел высокочувствительный телефон и сконструировал настольный телефонный аппарат с рычагом для автоматического переключения схемы с помощью изменения положения телефонной трубки. (Этот принцип сохранился и в современных аппаратах.) В 1883 г. им же был сконструирован микрофон с угольным порошком.

В 1887 г. русский изобретатель К.А. Мосцицкий создал «самодействующий центральный коммутатор» — предшественник автоматических телефонных станций (АТС). Коммутация соединений на станции выполнялась без телефонистки, самими абонентами. Тем не менее патент на автоматическую телефонную станцию в 1889 г. получил американский изобретатель А.Б. Строунджер.

В 1893 г. российские изобретатели М.Ф. Фрейденберг и С.М. Бердичевский-Апостолов предложили свой «телефонный соединитель». Демонстрация макета этой станции на 250 номеров, изготовленного в мастерской Новороссийского университета в Одессе, прошла успешно. В дальнейшем Фрейденберг, находясь уже в Англии, в 1895 г. запатентовал один из важнейших узлов современных АТС — предыскательf а в 1896 г. — искатель машинного типа. В том же году Бердичевский-Апостолов создал оригинальную систему АТС на 10 тыс. номеров.

В 1882 г. в Петербурге с помощью телефонной линии из Мариинского театра транслировалась опера «Русалка». Оперу по телефону смогли прослушать одновременно 15 человек.

Венгерский инженер Т. Пушкаш в 1883 г. организовал в Будапеште «Телефонную газету». Подписчики могли, не выходя из дома, узнать обо всем, что происходило в городе. Каждые полчаса редакция сообщала о положении на бирже, а по вечерам по телефону транслировалась музыка.

В 1915 г. инженер В.И. Коваленков разработал и применил в России первую дуплексную телефонную трансляцию на триодах. Установка на линии телефонной связи такого промежуточного усилительного пункта позволяла значительно увеличить дальность передачи.

Изобретение радио

Когда в 1887 г. немецкий физик Г.Р. Герц доказал справедливость гипотезы Дж.К. Максвелла о существовании электромагнитных волн, многие изобретатели в разных странах занялись вопросом использования этих волн для беспроволочной передачи сигналов.

Первая в мире радиопередача была осуществлена в России А.С. Поповым 23 апреля (5 мая) 1896 г. Ученый усовершенствовал свое передающее устройство, и 12 (24) марта 1896 г. был организован прием первой в мире радиограммы.

27 Предыскатель — устройство для автоматического поиска номера вызываемого абонента.

Между тем летом 1896 г. в печати появились (без сообщения каких-либо технических подробностей) сведения о том, что итальянец Маркони открыл способ «беспроволочного телеграфирования»: 2 июня 1896 г. он получил английский патент на устройство для «беспроволочного телеграфирования» и лишь после этого ознакомил публику с конструкцией своего изобретения. Оказалось, что оно в основном воспроизводит аппаратуру Попова.

Весной 1897 г. Попову удалось установить связь вначале на расстояние 640 м, а позднее — на 5 км. В ходе этих опытов он обнаружил явление отражения радиоволн от корпуса судна, пересекающего направление связи. Эти наблюдения впоследствии (1902-1904 гг.) были развиты немецким инженером X. Хюльсмайером, назвавшим свой прибор «телемобилоскопом». Все это легло в основу будущей техники радиолокации — обнаружения объектов по отражению ими радиоволн. Проблемой беспроволочной передачи сигналов занимался американский ученый Н. Тесла. В 1890-1891 гг. он создал специальный высоковольтный высокочастотный резонансный трансформатор, сыгравший исключительную роль в дальнейшем развитии радиотехники.

Начальный период развития радиотехники (вплоть до конца Первой мировой войны) характеризуется применением в основном искровой аппаратуры™

С 1901 г. радиопередатчиками стали оборудоваться морские суда. Увеличилось расстояние радиосвязи. В 1905 г. американский изобретатель Ли де Форест установил радиосвязь между железнодорожным составом в пути со станциями на дальность до 50 км. В 1910 г. пароход «Теннесси» получил сообщение о прогнозе погоды из Калифорнии на расстоянии 7,5 тыс. км, а в 1911 г. была достигнута радиосвязь на 10 тыс. км.

28 В немецком языке слово funk — «искра» — означает «радио» наряду с более современным международным термином radio.

В 1907 г. была установлена надежная радиосвязь между Европой и Америкой. В конце 1910 г. английская подводная лодка установила радиосвязь с крейсером через воздушную антенну.

В 1911 г. Бэкер в Англии изобрел портативный радиопередатчик, весивший около 7 кг, и разместил его на самолете. Дальность радиосвязи составляла 1,5 км.

История изобретения первого сотового телефона началась в середине XX в. В 1947 г. американская компания «AT & Т» предложила создать мобильный телефон. Его масса достигала 30-40 кг (без источника питания), поэтому предполагалось монтировать его на автомобилях. К началу 70-х годов масса «мобильника» хотя и уменьшилась до 12-14 кг, но питание аппарата осуществлялось от сети автомашины.

Становление мобильной связи немыслимо без развития сотовых сетей. Пионером этой отрасли стала Япония, где сеть общего пользования была запущена в 1979 г. В начале 80-х годов подобные сети стали создаваться в США и Европе.

Зарождение электроники

В 1883 г. Т. Эдисон обнаружил, что стеклянная колба вакуумной лампочки накаливания темнеет из-за распыления материала нити. Впоследствии было установлено, что причиной этого «эффекта Эдисона» является испускание электронов раскаленной нитью лампочки — термоэлектронная эмиссия. Подлинное значение этого явления обнаружилось позже. В 1904 г. английский ученый Дж.Э. Флеминг изобрел вакуумный диод (двухэлектродную лампу) и применил его в качестве детектора (преобразователя электромагнитных колебаний) в радиотелеграфных приемниках.

В 1906 г. американский конструктор Ли де Форест создал трехэлектродную вакуумную лампу — триод (аудион Фореста), которую можно было использовать не только в качестве детектора, но и усилителя слабых электрических колебаний.

Спустя четыре года инженеры Либен, Рейке и Штраус в Германии сконструировали триод с сеткой в виде перфорированного листа алюминия, помещенного в центре баллона.

В 1911 г. американский физик Ч.Д. Кулидж изобрел оксидный катод, предложив применять в ламповой промышленности вольфрамовую проволоку, покрытую окисью тория.

Однако первые приборы де Фореста и других изобретателей имели слабый коэффициент усиления. Необходимы были дополнительные изыскания, чтобы превратить триод в настоящий усилитель.

Этим новым устройством стала регенеративная схема (1912 г.) американского радиотехника Э.Х. Армстронга. Это был чувствительный приемник и первый электромеханический генератор непрерывных синусоидальных сигналов. Регенеративная схема Армстронга была быстро принята промышленностью. В 1915 г. между Нью-Йорком и Сан-Франциско была установлена трансконтинентальная телефонная связь с применением регенеративных ретрансляторов. В том же году с их помощью был успешно осуществлен эксперимент по передаче сигналов из США во Францию.

Способность триода усиливать и генерировать электромагнитные колебания, открытая немецким радиотехником А. Мейснером в 1913 г., позволила применить ламповые генераторы для получения мощных незатухающих электромагнитных колебаний и построить первый ламповый радиопередатчик. В разработке приемно-усилительных и генераторных ламп значительная роль принадлежит русскому физику Н.Д. Папалекси. В 1911 г. он заложил основы теории преобразовательных схем в электронике.

В 1915 г. американский физик И. Лангмюр сконструировал двухэлектродную лампу кенотрон, применяемую в качестве выпрямителя в источниках питания. В том же году И. Лангмюр и Г. Арнольд, повысив вакуум в триоде, значительно увеличили его коэффициент усиления. С этого времени радиоэлектроника стала стремительно развиваться.

В 1914-1916 гг. Н.Д. Папалекси руководил разработкой первых образцов отечественных радиоламп. В 1916 г. при активном участии ученого-радиотехника М.А. Бонч-Бруевича в России было налажено собственное производство электронных ламп.

Телевидение

Первую технически грамотную передачу изображения на расстояние разработали французский ученый Де Пайва (1878 г.) и независимо от него — русский изобретатель П.И. Бахметьев (1880 г.). В 1884 г. в Германии инженер П.И. Нипков создал так называемый электрический телескоп. В нем был применен принцип механической развертки изображения. Для разложения телевизионного изображения Нипков применил диск с отверстиями по спирали, который лег в основу почти всех телевизионных систем с механической разверткой.

Первые программные демонстрации телевизионных передач по этой системе в Англии, США и СССР начались в 1925-1926 гг., а регулярное вещание — в 1930-1931 гг.

Открытие в 1888 г. А.Г. Столетовым внешнего фотоэлектрического эффекта и дальнейшее его изучение позволило выдающемуся русскому ученому создать безынерционный фотоэлемент для передающих телевизионных трубок.

Первым термин «телевидение» ввел в употребление в 1900 г. инженер русской армии К.Д. Перский. В англоязычных странах термин television был принят в 1909 г.

В 1897 г. немецкий физик К.Ф. Браун сконструировал электронно-лучевую трубку. В 1907 г. в России Б.Л. Розинг изобрел первую электронную систему воспроизведения телевизионного изображения с помощью электронно-лучевой трубки. В 1911 г. он впервые продемонстрировал телевизионный прием изображений простейших геометрических фигур. Работы Б.Л. Розинга стали основой для развития электронных систем телевидения. Этот принцип был реализован в 1933-1934 гг. в США и СССР на передающей трубке иконоскоп. Ее авторами принято считать В.К. Зворыкина — эмигранта из России, работавшего в США, и советского ученого С.И. Катаева.

Вещание по электронной системе началось в 1936 г. в США и Англии (автор английского телевидения — также выходец из России И. Шоенберг), а в 1938 г. — в СССР, Франции, Германии и Италии. Развитие цветного телевидения шло параллельно со становлением черно-белого.

Впервые в мире запись изображения, не прибегая к фотографированию, осуществил в 1927 г. шотландец Дж.Л. Бэрд. Первая видеозапись была осуществлена в 1956 г. А. Понятовым на видеомагнитофоне «АМРЕХ» американского производства. Конструктивно первые видеомагнитофоны были похожи на обычные катушечные магнитофоны. При этом использовались огромные бобины с магнитными лентами.

В 1963 г. англичане Н. Резерфорд и М. Тернер сумели создать первый домашний видеомагнитофон. Это был компактный кассетный видеомагнитофон с приемлемыми техническими характеристиками. В 80-х годах для видеозаписи наряду с магнитной лентой стали применять магнитные диски. Лазерный луч, сканируя нижнюю поверхность диска, модулируется при отражении от звуковых дорожек и несет в себе информацию о звуке и изображении.

Изобретение электронно-вычислительной машины

Первую механическую вычислительную машину изобрел немец В. Шиккард в 1623 г. Она состояла из трех независимых устройств: суммирующего, множительного и устройства для записи чисел. В 1642 г. механическую вычислительную машину построил Б. Паскаль. Машина производила арифметические действия при вращении связанных колесиков с цифровыми делениями. В 1673 г. для ускорения выполнения операций умножения и деления Г.В. Лейбниц изготовил механический калькулятор. В 1834 г. Ч. Беббидж предложил проект аналитической машины, представлявшей собой цифровую вычислительную машину с программным управлением с помощью перфокарт.

В 1843 г. для этой машины 28-летняя графиня Ада Лавлейс составила первую в мире программу. Она разработала некоторые приемы управления вычислениями, которые используются в программировании и в наше время.

В 1887 г. американский инженер Г. Холлерит разработал первый счетноаналитический комплекс (табулятор), предназначенный для обработки результатов переписи населения США 1890 г. В 30-х годах XX в. начинают появляться алфавитные табуляторы, выпуск которых в 1934 г. наладила фирма «ІВМ». В СССР в 1931 г. также был пущен завод по производству счетно-аналитических машин.

В 1941 г. немецкий инженер К. Цузе создал первую программно-управляемую универсальную вычислительную машину, которая выполняла девять арифметических команд. Она включала память емкостью 64 числа по 22 бита. В машине была применена двоичная система счисления. Ввод информации осуществлялся с помощью клавиатуры, а вывод результатов производился на световое табло.

Для военно-морского флота американский инженер Г. Айкен в 1944 г. создал вычислительную машину «Марк-1». Машина обрабатывала числа до 23-го разряда. Она достигала в длину 17 м и более 2,5 м в высоту, содержала около 760 тыс. деталей, соединенных проводами общей протяженностью около 800 км, весила машина 5 т. В этом же году американская компания «Белл» под руководством Дж. Стибица создала «баллистический компьютер» «Белл-ІІІ», который продолжил серию компьютеров «Белл», начатую еще в 1940 г. Наиболее важной чертой этой машины был 100-процентный встроенный контроль ошибок.

Собственно разработка электронно-вычислительных машин началась в 1939 г. Инициатором создания ЭВМ был американец болгарского происхождения Дж.В. Атанасов. К 1942 г. работы были в основном завершены, не было готово только периферийное оборудование на перфокартах.

В 1943 г. американские ученые Дж. Моучли и Д.П. Эккерт приступили к постройке «электронной машины для расчета баллистических таблиц». Электронный цифровой интегратор и вычислитель (сокращенно ЭНИАК) был закончен в 1945 г. Это было огромное сооружение, содержавшее 18 тыс. электронных ламп и 1500 реле. Машина потребляла около 150 кВт электроэнергии — мощность небольшого завода.

В том же году англичане Х.А. Ньюмен и Т.Х. Флауэрз создали первый программирующий компьютер «Колосс». Он использовался для расшифровки немецких кодов. В 1947 г. в Лондонском университете К. и Э. Бут впервые использовали магнитный барабан. В том же году в Манчестерском университете Уильямс применил электронно-лучевую трубку, в которой двоичная информация впервые записывалась в виде электростатического заряда на поверхности экрана. В 1947 г. А.М. Тьюринг провел параллель между работой мозга и действиями вычислительной машины (критерий Тьюринга), предвидя также возможность появления самообучающихся машин.

В 1949 г. в Англии была создана машина «ЭДСАК», которая оказалась первой в мире вычислительной машиной с хранимой программой. В 1950 г. была закончена американская ЭВМ с дискретными переменными — «ЭДВАК». В 1951 г. Дж. Моучли и Д.П. Эккерт построили 3BM.«UNIVAC-I» — машину последовательного действия с хранимой программой, с магнитной лентой в качестве устройства ввода и ртутными линиями задержки в качестве памяти.

Однако наибольшее влияние на развитие вычислительной техники 50-х годов оказала деятельность американского ученого Дж. фон Неймана. Под его руководством фирма «Рэнд корпорейшн» построила машину, в которой в качестве памяти использовалась электронно-лучевая трубка, допускавшая очень быструю запись и считывание двоичной информации. Это позволило применить в машине параллельное арифметическое устройство. Фон Нейман разработал целесообразные приемы программирования для машин, предложив использовать блок-схемы программ.

Преимущества транзисторных машин состояли в том, что они обладали значительно более высокой надежностью, чем ламповые. Они меньше потребляли энергии, были более быстродействующими, что достигалось не только за счет повышения скорости переключения счетных и запоминающих элементов, но и за счет изменений в структуре машин.

ЭВМ на интегральных схемах — это машины третьего поколения. Изобретателями интегральных схем были американские ученые Дж. Херни, Р. Нойс, Дж. Килби, К. Лиховец, которые в 1958-1959 гг. разработали различные конструкции «чипов» (от англ. chip — «щепка»). Интегральные схемы объединяли в одном приборе несколько ячеек «и», «или» (триггеров).

Значительным событием в мире компьютеров (термин был введен в 1968 г.) было создание американской фирмой «ІВМ» в 1964 г. шести моделей ЭВМ семейства ІВМ-360. Конструктивные принципы, заложенные в эти машины, в той или иной степени оказали воздействие на всю дальнейшую судьбу ЭВМ.

В 1970 г. фирма «Интел» изготовила первую интегральную схему памяти, которая хранила целый килобайт (1024 бита) информации. Применение средних интегральных схем ознаменовало появление вычислительных машин четвертого поколения.

Создателем первого в мире микропроцессора стал инженер фирмы «Интел» М.Э. Хофф-младший. Процессор состоял из 2250 транзисторов, размещенных на кристалле размером с ноготь. Функции нового процессора не были жестко зафиксированы. Это действительно был, как его охарактеризовала фирма, «компьютер в одном кристалле». Первый образец этого микропроцессора, получившего название «Интел-4004», был выпущен в 1971 г.

Идеи о создании микрокомпьютерного комплекса для персонального пользования зародились в середине 60-х годов. Однако лишь в 1974 г. появился первый персональный микрокомпьютер «Альтаир-8800». Его создателем был лейтенант ВВС США с дипломом инженера-электронщика Э. Робертс. В 1975 г. студенты П. Аллен и Б. Гейтс впервые использовали язык БЭЙСИК — символический универсальный язык программирования для начинающих — для персонального компьютера «Альтаир». Одновременно с этим было разработано устройство, позволявшее выводить графическую информацию с «Альтаира» на цветной телевизионный экран.

В 1977 г. американские инженеры С. Возняк и С. Джобс на компьютерной ярмарке в Сан-Франциско продемонстрировали новую продукцию своей компании — «Эпл-2». Заключенная в красивый пластмассовый корпус машина весила всего 5 кг, имела систему цветной графики, содержала минимум микросхем и была выполнена, как в конструкторском, так и в коммерческом отношении, безукоризненно. Машину ожидал феноменальный успех.

Вопросы и задания:

1. С помощью самостоятельно выполненной общей схемы объясните, как устроены АТС.

2. В чем состоит заслуга А.С. Попова в развитии связи? Используйте дополнительный материал. Выскажите свое мнение в споре о приоритете в создании радио.

3. На основе текста, в чем фантасты оказались правы, описывая телевидение будущего.

4*. Как действует оптико-волоконная связь? Каково ее применение?

5. На основе текста параграфа, материалов хрестоматии и дополнительной литературы сформулируйте тенденции развития компьютерной техники.