stringtranslate.com

Фотофон

Изображение затемненной латунной исторической мемориальной доски со стекающей по ней полосой зеленой коррозии, установленной на внешней стороне кирпичного здания.
Историческая мемориальная доска на стене школы Франклина в Вашингтоне, округ Колумбия, которая отмечает одну из точек, с которой был продемонстрирован фотофон.
Схема из одной из статей Белла 1880 года.

Фотофон — телекоммуникационное устройство, позволяющее передавать речь лучом света . Он был изобретен совместно Александром Грэмом Беллом и его помощником Чарльзом Самнером Тейнтером 19 февраля 1880 года в лаборатории Белла по адресу 1325 L Street в Вашингтоне, округ Колумбия . создан и финансируется Bell.

3 июня 1880 года ассистент Белла передал сообщение по беспроводному голосовому телефону с крыши школы Франклина в окно лаборатории Белла, находившееся на расстоянии около 213 метров (около 700 футов). [3] [4] [5] [6]

Белл считал фотофон своим самым важным изобретением . Из 18 патентов , выданных только на имя Белла, и 12, которыми он поделился со своими сотрудниками, четыре были связаны с фотофоном, который Белл назвал своим «величайшим достижением», заявив репортеру незадолго до своей смерти, что фотофон был «величайшим достижением». изобретение, которое [я] когда-либо делал, превосходящее телефон». [7] [8]

Фотофон был предшественником волоконно-оптических систем связи, которые получили широкое распространение во всем мире, начиная с 1980-х годов. [9] [10] [11] Основной патент на фотофон ( патент США 235,199 «Устройство для сигнализации и связи, называемое фотофоном ») был выдан в декабре 1880 года, [5] за много десятилетий до того, как его принципы нашли практическое применение.

Дизайн

Приемник фотофона и гарнитура, половина оптической телекоммуникационной системы Белла и Тейнтера 1880 года.

Фотофон был похож на современный телефон, за исключением того, что он использовал модулированный свет в качестве средства беспроводной передачи, тогда как телефон полагался на модулированное электричество , передаваемое по проводящей проводной цепи .

Собственное описание модулятора света Беллом: [12]

Мы обнаружили, что простейшая форма устройства для создания эффекта состоит из плоского зеркала из гибкого материала, на заднюю часть которого направлен голос говорящего. Под действием голоса зеркало становится попеременно то выпуклым, то вогнутым и таким образом попеременно рассеивает и сгущает свет.

Таким образом, яркость отраженного луча света, наблюдаемая с места расположения приемника, менялась в соответствии с изменениями звуковой частоты давления воздуха — звуковыми волнами, — которые воздействовали на зеркало.

В своем первоначальном виде приемник фотофона также был неэлектронным, использующим фотоакустический эффект . Белл обнаружил, что многие вещества можно использовать в качестве прямых преобразователей света в звук. Lampblack оказался выдающимся. Используя полностью модулированный луч солнечного света в качестве тестового сигнала, одна экспериментальная конструкция приемника, в которой использовался только слой ламповой сажи, воспроизводила тон, который Белл назвал «болезненно громким» для уха, прижатого к устройству. [13]

В своей окончательной электронной форме приемник фотофона использовал простой фотодетектор на селеновой ячейке , расположенный в фокусе параболического зеркала. [5] Электрическое сопротивление элемента (примерно от 100 до 300 Ом ) изменялось обратно пропорционально свету, падающему на него, то есть его сопротивление было выше при тусклом освещении и ниже при ярком освещении. Селеновый элемент заменил угольный микрофон (тоже устройство с переменным сопротивлением) в схеме обычного телефона, состоящего из батареи, электромагнитного наушника и переменного сопротивления, соединенных последовательно. Селен модулировал ток, протекающий через цепь, и ток преобразовывался обратно в изменения давления воздуха (звук) с помощью наушников.

В своей речи перед Американской ассоциацией содействия развитию науки в августе 1880 года Белл отдал должное первой демонстрации передачи речи с помощью света г-ну А.С. Брауну из Лондона осенью 1878 года. [5] [14]

Поскольку в устройстве использовалась лучистая энергия , французский учёный Эрнест Меркадье предложил называть изобретение не «фотофоном», а «радиофоном», поскольку его зеркала отражали лучистую энергию Солнца в нескольких диапазонах, включая невидимый инфракрасный диапазон . [15] Белл какое-то время использовал это название, но его не следует путать с более поздним изобретением « радиофона », в котором использовались радиоволны . [16]

Первая успешная беспроводная голосовая связь

Иллюстрация передатчика фотофона, показывающая путь отраженного солнечного света до и после модуляции.
Иллюстрация приемника фотофона, изображающая преобразование модулированного света в звук, а также источник его электрической энергии (P)

Проводя медовый месяц в Европе со своей невестой Мэйбл Хаббард , Белл, вероятно, прочитал о недавно открытом свойстве селена, обладающего переменным сопротивлением при воздействии света, в статье Роберта Сабина, опубликованной в журнале Nature 25 апреля 1878 года. В своих экспериментах Сабина использовал измеритель, чтобы увидеть влияние света на селен, подключенный к батарее. Однако Белл рассудил, что, добавив телефонную трубку в ту же цепь, он сможет слышать то, что Сабина могла только видеть. [17]

Поскольку бывший партнер Белла, Томас Уотсон , был полностью занят руководителем производства в зарождающейся телефонной компании Bell еще в Бостоне, штат Массачусетс, Белл нанял Чарльза Самнера Тейнтера , производителя инструментов, который ранее был назначен в Комиссию по транзиту Венеры в США в 1874 году. для своей новой лаборатории «L» Street в Вашингтоне по ставке 15 долларов в неделю. [18]

19 февраля 1880 года пара сумела сделать функциональный фотофон в своей новой лаборатории, прикрепив к диафрагме набор металлических решеток, причем луч света прерывался движением решеток в ответ на произнесенные звуки. Когда модулированный луч света упал на их селеновый приемник, Белл в своих наушниках смог отчетливо услышать, как Тейнтер поет Auld Lang Syne . [19]

В ходе эксперимента, проведенного 1 апреля 1880 года в Вашингтоне, округ Колумбия , Белл и Тейнтер прошли расстояние около 79 метров (259 футов) по переулку к заднему окну лаборатории. Затем, несколько месяцев спустя, 21 июня, им удалось четко общаться на расстоянии около 213 метров (около 700 футов), используя обычный солнечный свет в качестве источника света, а практическое электрическое освещение только что было представлено в США Эдисоном . В их последних экспериментах передатчик отражал солнечный свет от поверхности очень тонкого зеркала, расположенного на конце переговорной трубки; Когда произносятся слова, они заставляют зеркало колебаться между выпуклостью и вогнутостью, изменяя количество света, отраженного от его поверхности к приемнику. Тейнтер, находившийся на крыше школы Франклина , поговорил с Беллом, который подслушивал его в своей лаборатории и подал Тейнтеру ответный сигнал, энергично помахав шляпой из окна, как его и просили. [6]

Приемник представлял собой параболическое зеркало с селеновыми ячейками в фокусе. [5] Проведенная с крыши школы Франклина до лаборатории Белла на Л-стрит, 1325, это была первая в мире официальная беспроводная телефонная связь (вдали от их лаборатории), что сделало фотофон самой ранней известной в мире голосовой беспроводной телефонной системой. [ нужна цитата ] по крайней мере на 19 лет раньше первых устных радиоволн. Прежде чем Белл и Тейнтер завершили свои исследования и приступили к разработке графофона , они разработали около 50 различных методов модуляции и демодуляции световых лучей для оптической телефонии. [20]

Прием и усыновление

Сам телефон все еще был чем-то вроде новинки, а до коммерциализации радио оставалось еще несколько десятилетий. Социальное сопротивление футуристической форме связи фотофона можно увидеть в комментарии New York Times в августе 1880 года : [21] [22]

Обычному человеку... будет немного трудно понять, как следует использовать солнечные лучи. Намерен ли профессор Белл соединить Бостон и Кембридж... с помощью линии солнечных лучей, подвешенных на телеграфных столбах , и если да, то какого диаметра должны быть солнечные лучи... [и] необходимо ли изолировать их от погода... пока (публика) не увидит человека, идущего по улицам с катушкой солнечных лучей № 12 на плече и подвешивающего их от столба к столбу, будет общее ощущение, что в профессоре Белле что-то есть. фотофон, который оказывает огромное давление на человеческую доверчивость.

Однако во время своего прорыва в феврале 1880 года Белл безмерно гордился этим достижением до такой степени, что хотел назвать свою новую вторую дочь «Фотофон», что было тонко обескуражено его женой Мейбл Белл (вместо этого они выбрали «Мэриан»). с прозвищем «Дейзи» ) . [23] Он писал с некоторым энтузиазмом: [4] [24]

Я слышал членораздельную речь при солнечном свете! Я слышал, как луч солнца смеялся, кашлял и пел! ...Я мог слышать тень и даже воспринимал на слух прохождение облака по солнечному диску. Вы — дедушка Фотофона, и я хочу поделиться радостью от своего успеха.

-  Александр Грэм Белл , в письме своему отцу Александру Мелвиллу Беллу от 26 февраля 1880 г.

Белл передал права интеллектуальной собственности на фотофон американской телефонной компании Bell в мае 1880 года . , [26] его конструкция не смогла защитить передачу от внешних помех, таких как облака, туман, дождь, снег и тому подобное, которые могли легко нарушить передачу света. [27] Такие факторы, как погода и недостаток света, препятствовали использованию изобретения Белла. [28] Вскоре после его изобретения лаборатории Bell System продолжили совершенствовать фотофон в надежде, что он сможет дополнить или заменить дорогие обычные телефонные линии . Его самое раннее неэкспериментальное использование произошло в военных системах связи во время Первой и Второй мировых войн, его ключевым преимуществом было то, что его световые передачи не могли быть перехвачены противником.

Белл задумался о возможном научном использовании фотофона для спектрального анализа искусственных источников света, звезд и солнечных пятен . Позже он также размышлял о возможных будущих применениях, хотя и не предвидел ни лазерных , ни волоконно-оптических телекоммуникаций : [24]

Может ли воображение представить, каким будет будущее этого изобретения!.... Мы можем говорить с помощью света на любое видимое расстояние без какого-либо проводящего провода.... В общей науке с помощью фотофона будут сделаны открытия, о которых просто не могли и мечтать. сейчас.

Дальнейшее развитие

Эрнст Румер на своей «фотоэлектрической» оптической телефонной станции. (1905) [29]

Хотя исследователи Bell Telephone внесли несколько скромных улучшений в конструкцию Белла и Тейнтера, радиопередачи Маркони начали намного превосходить максимальную дальность действия фотофона еще в 1897 году [8] , и дальнейшее развитие фотофона было в значительной степени остановлено до тех пор, пока не начались немецко-австрийские эксперименты. на рубеже 20 века.

Немецкий физик Эрнст Румер считал, что повышенная чувствительность его улучшенных селеновых ячеек в сочетании с превосходными приемными возможностями «говорящей дуги» профессора Х. Т. Саймона сделает фотофон практичным на больших расстояниях для передачи сигналов. Румер провел серию экспериментальных передач вдоль реки Гафель и на озере Ванзее с 1901 по 1902 год. Он сообщил о достижении расстояния передачи в хороших условиях в 15 километров (9 миль) [30] с одинаковым успехом как днем, так и ночью. Он продолжал свои эксперименты вокруг Берлина до 1904 года совместно с немецким военно-морским флотом, который поставлял мощные прожекторы для использования в передачах. [31]

Немецкая компания Siemens & Halske увеличила дальность действия фотофона за счет использования угольно-дуговых ламп с модуляцией тока, которые обеспечили полезную дальность действия примерно 8 километров (5,0 миль). Они производили устройства на коммерческой основе для ВМС Германии , которые были дополнительно адаптированы для увеличения дальности действия до 11 километров (6,8 миль) с использованием корабельных прожекторов с голосовой модуляцией . [5]

Исследования Британского Адмиралтейства во время Первой мировой войны привели к разработке модулятора вибрирующего зеркала в 1916 году. Более чувствительные молибденитовые приемные элементы, которые также имели большую чувствительность к инфракрасному излучению, заменили старые селеновые элементы в 1917 году. [5] Соединенные Штаты и Германия правительства также работали над техническими усовершенствованиями системы Белла. [32]

К 1935 году немецкая компания Carl Zeiss начала производить инфракрасные фотофоны для танковых батальонов немецкой армии , используя вольфрамовые лампы с инфракрасными фильтрами, которые модулировались с помощью вибрирующих зеркал или призм. Они также использовали приемники, в которых использовались детекторные ячейки и усилители сульфида свинца , что увеличивало их дальность действия до 14 километров (8,7 миль) при оптимальных условиях. Японская и итальянская армии также пытались разработать аналогичную систему световолновой связи до 1945 года. [5]

Несколько военных лабораторий, в том числе в Соединенных Штатах, продолжали исследования и разработки фотофона до 1950-х годов, экспериментируя с парами высокого давления и ртутными дуговыми лампами мощностью от 500 до 2000 Вт. [5]

Памятники

С ВЕРХНЕГО ЭТАЖА ЭТОГО ЗДАНИЯ
3 ИЮНЯ 1880 ГОДА
ПО ЛУЧУ СВЕТА НА УЛИЦУ 1325 'L' БЫЛО ОТПРАВЛЕНО
ПЕРВОЕ
В МИРОВОЙ ИСТОРИИ БЕСПРОВОДНОЕ ТЕЛЕФОННОЕ СООБЩЕНИЕ.
АППАРАТ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ДЛЯ ОТПРАВКИ СООБЩЕНИЯ,
БЫЛ ФОТОФОН, ИЗОБРЕТЕННЫЙ АЛЕКСАНДРОМ
ГРЭМОМ БЕЛЛОМ, ИЗОБРЕТАТЕЛЕМ ТЕЛЕФОНА ЭТА МЕСТАЛИ БЫЛА РАЗМЕЩЕНА ЗДЕСЬ АЛЕКСАНДРОМ ГРЭМОМ БЕЛЛОМ. ГЛАВА ТЕЛЕФОННЫЕ ПИОНЕРЫ АМЕРИКИ 3 МАРТА 1947 ГОДА СТОЛЕТИЕ Д-РА. РОЖДЕНИЕ БЕЛЛА





Маркер на школе Франклина в память о первом официальном судебном процессе

3 марта 1947 года, к столетнему юбилею со дня рождения Александра Грэма Белла , организация «Пионеры телефонной связи Америки» установила исторический указатель на стене одного из зданий, школы Франклина , которую Белл и Самнер Тейнтер использовали для своего первого официального судебного процесса по делу значительное расстояние. Первоначально Тейнтер стоял на крыше школьного здания и общался с Беллом у окна своей лаборатории. Маркер не признал научный и инженерный вклад Тейнтера. [ оригинальное исследование? ]

19 февраля 1980 года, ровно через 100 лет после первой фотофонной передачи Белла и Тейнтера в их лаборатории, сотрудники Смитсоновского института , Национального географического общества и лабораторий Bell Labs компании AT&T собрались на месте бывшего дома Белла по адресу 1325 'L' Street Volta . Лаборатория в Вашингтоне, округ Колумбия, в ознаменование этого события. [11] [33]

Празднование столетия фотофона было впервые предложено исследователем электроники и писателем Форрестом М. Мимсом , который предложил это доктору Мелвиллу Беллу Гросвенору , внуку изобретателя, во время посещения его офиса в Национальном географическом обществе. Позже историческая группа отметила столетие первой успешной лабораторной передачи фотофона, используя демонстрационный фотофон Мимса ручной работы, который функционировал аналогично модели Белла и Тейнтера. [20] [Примечание 1]

Мимс также построил и предоставил пару современных ручных светодиодных приемопередатчиков с батарейным питанием, соединенных оптическим волокном длиной 100 ярдов (91 м) . Ричард Гундлах из Bell Labs и Эллиот Сивович из Смитсоновского института использовали это устройство на мероприятии, чтобы продемонстрировать одного из современных потомков фотофона. Национальное географическое общество также организовало специальную образовательную выставку в своем Исследовательском зале, освещая изобретение фотофона с помощью оригинальных предметов, позаимствованных у Смитсоновского института. [34]

Смотрите также

Рекомендации

Сноски

  1. ^ Демонстрационная модель в принципе была точной копией, но не идентична модели Белла и Тейнтера. Передатчик памятной модели представлял собой тонкое зеркало, приклеенное к короткой алюминиевой разговорной трубке, а его приемник представлял собой кремниевый солнечный элемент и аудиоусилитель, установленные в корпусе фонаря.

Цитаты

  1. ^ Брюс 1990, стр. 336
  2. ^ Джонс, Ньюэлл. Первое «радио», созданное резидентом Сан-Диего, партнером изобретателя телефона: ведет записную книжку с опытом работы с Bell, архивированную 19 февраля 2002 г. в Wayback Machine , San Diego Evening Tribune, 31 июля 1937 года. Получено из Университета истории Сан-Диего. Сайт ведомства, 26 ноября 2009 г.
  3. ^ Брюс 1990, стр. 338
  4. ^ Аб Карсон 2007, стр. 76–78
  5. ^ abcdefghi Грот, Майк. Photophones Revisted, журнал «Любительское радио», Институт беспроводной связи Австралии , Мельбурн, апрель 1987 г., стр. 12–17, и май 1987 г., стр. 13–17.
  6. ^ аб Мимс 1982, с. 11.
  7. ^ Филлипсон, Дональд Дж. К. и Нилсон, Лаура Белл, Александр Грэм, Канадская энциклопедия онлайн. Проверено 6 августа 2009 г.
  8. ^ аб Мимс 1982, с. 14.
  9. ^ Морган, Тим Дж. «Волоконно-оптическая магистраль», Университет Северного Техаса , 2011.
  10. ^ Миллер, Стюарт Э. «Световые волны и телекоммуникации», американский ученый , Sigma Xi, Общество научных исследований, январь – февраль 1984 г., Vol. 72, № 1, стр. 66–71, URL-адрес стабильной проблемы.
  11. ^ аб Галлардо, Артуро; Мимс III, Форрест М. Волоконно-оптическая связь началась 130 лет назад, San Antonio Express-News , 21 июня 2010 г. По состоянию на 1 января 2013 г.
  12. ^ Кларк, Дж. Введение в связь с оптическими носителями, Ежеквартальный журнал студентов IEEE, июнь 1966 г., том 36, выпуск 144, стр. 218–222, ISSN  0039-2871, doi : 10.1049/sqj.1966.0040. Получено с веб-сайта IEEExplore 19 августа 2011 г.
  13. ↑ Белл, Александр Грэм (28 мая 1881 г.). «Производство звука лучистой энергией». Наука . 2 (48): 242–253. doi : 10.1126/science.os-2.49.242. JSTOR  2900190. PMID  17741736 . Проверено 11 октября 2022 г.
  14. ^ Белл, Александр Грэм . «О производстве и воспроизведении речи с помощью света», Американский научный журнал , октябрь 1880 г., Vol. 20, № 118, стр. 305–324.
  15. ^ Гросвенор и Вессон 1997, стр. 104.
  16. ^ Эрнест Виктор Хейн, Огонь гения: изобретатели прошлого века: на основе файлов Popular Science Monthly с момента его основания в 1872 году, Anchor Press/Doubleday – 1976, стр. 74
  17. ^ Мимс 1982, стр. 6–7.
  18. ^ Мимс 1982, с. 7.
  19. ^ Мимс 1982, с. 10.
  20. ^ аб Мимс 1982, с. 12.
  21. ^ Редакционная статья, The New York Times , 30 августа 1880 г.
  22. ^ Международная волоконная оптика и связь, июнь 1986 г., стр. 29
  23. ^ Карсон 2007, стр.77
  24. ^ аб Брюс 1990, стр. 337
  25. ^ Брюс 1990, стр. 339
  26. ^ Хехт, Джефф. Волоконная оптика вызывает прошлое, New Scientist , 12 января 1984 г., стр. 12–13.
  27. ^ Карсон 2007, стр. 77–78.
  28. ^ Карсон 2007, стр.78
  29. ^ Титульная страница Технический мир , март 1905 г.
  30. ^ «Переписка: беспроводная телефония» (письмо Эрнста Румера от 30 октября 1902 г.), The Electrician , 7 ноября 1902 г., стр. 111.
  31. ^ Беспроводная телефония в теории и практике Эрнста Румера, 1908, страницы 55–59.
  32. ^ Мимс 1982, стр. 14–17.
  33. ^ Хехт, Джефф. «Пряжа из технологических джунглей: кремниевые связи: достижение совершеннолетия в электронную эпоху», New Scientist , 27 февраля 1986 г., стр. 50–51.
  34. ^ Мимс 1982, стр. 6 и 12.

Библиография

Further reading

Внешние ссылки

Найдите фотофон в Викисловаре, бесплатном словаре.