Когерер - Coherer

Когерер для металлических опилок, разработанный Гульельмо Маркони.

В когерер был примитивной формой радиосигнала детектор использовался в первом радиоприемники вовремя беспроводной телеграф эпоха начала 20 века. Его использование в радио было основано на открытиях французского физика 1890 г. Эдуард Бранли и адаптированы другими физиками и изобретателями в течение следующих десяти лет. Устройство состоит из трубки или капсулы, содержащей два электроды на небольшом расстоянии друг от друга с незакрепленными металлические опилки в пространстве между ними. Когда радиочастота сигнал подается на устройство, металлические частицы будут слипаться или "согласовываться ", снижая начальный максимум сопротивление устройства, тем самым позволяя протекать через него гораздо большему постоянному току. В приемнике ток активирует звонок или магнитофон с бумажной лентой Морзе, чтобы сделать запись принятого сигнала. Металлические опилки в когерере оставались проводящими после окончания сигнала (импульса), так что когерер приходилось «декогерировать», постукивая по нему хлопушкой, приводимой в действие электромагнитом, каждый раз, когда принимался сигнал, тем самым восстанавливая когерер до его исходного состояния. государственный. Когереры широко использовались примерно до 1907 года, когда их заменили более чувствительные электролитический и кристаллические детекторы.

История

Поведение частиц или металлических опилок в присутствии электричества или электрических искр было замечено во многих экспериментах задолго до работы Эдуарда Бранли 1890 года и даже до того, как появилось доказательство теории электромагнетизм.[1] В 1835 г. шведский ученый Питер Сэмюэл Мунк[2] заметил изменение сопротивления в смеси металлических опилок при наличии искрового разряда из лейденской банки.[3] В 1850 г. Пьер Гитар обнаружили, что когда запыленный воздух наэлектризован, частицы будут собираться в виде ниток. Идея о том, что частицы могут реагировать на электричество, была использована английским инженером. Сэмюэл Альфред Варлей 1866 год мост молний, а молниеотвод прикрепленный к телеграфным линиям, состоящий из куска дерева с двумя металлическими шипами, заходящими в камеру. Пространство было заполнено порошкообразным углеродом, который не пропускал телеграфные сигналы низкого напряжения, но проводил и заземлял удар молнии высокого напряжения.[4] В 1879 г. валлийский ученый Дэвид Эдвард Хьюз обнаружили, что незакрепленные контакты между угольным стержнем и двумя угольными блоками, а также металлические гранулы в микрофоне, который он разрабатывал, реагировали на искры, генерируемые в соседнем устройстве.[3] Temistocle Calzecchi-Onesti в Италии начали изучение аномального изменения сопротивления тонких металлических пленок и металлических частиц при Фермо /Monterubbiano. Он обнаружил, что медные опилки между двумя латунными пластинами будут слипаться, становясь проводящими, когда он прикладывает к ним напряжение. Он также обнаружил, что другие типы металлических опилок будут иметь такую ​​же реакцию на электрические искры, возникающие на расстоянии, - явление, которое, по его мнению, можно было бы использовать для обнаружения ударов молнии.[4] Статьи Кальцекки-Онешти были опубликованы в Il Nuovo Cimento в 1884, 1885 и 1886 годах.

Трубка электрической цепи Бранли заполнена железные опилки (позже названный «когерер»)

В 1890 году французский физик Эдуард Бранли опубликовал Об изменении сопротивления тел при различных электрических условиях. во французском журнале, где он описал свое тщательное исследование воздействия мельчайших электрических зарядов на металл и многие типы металлических опилок. В схемах одного типа опилки помещались в трубку из стекла или эбонита, удерживаемую между двумя металлическими пластинами. При возникновении электрического разряда в окрестности цепи на прикрепленном элементе было замечено большое отклонение. гальванометр иголка. Он отметил, что опилки в трубке будут реагировать на электрический разряд, даже если трубку поместили в другую комнату на расстоянии 20 ярдов. Бранли разработал множество типов этих устройств, основанных на «несовершенных» металлических контактах. Трубка для документов Бранли была обнаружена в 1892 году в Великобритании, когда она была описана доктором Доусоном Тернером на собрании Британской ассоциации в Эдинбурге.[5][6] Шотландский инженер-электрик и астроном Джордж Форбс предположил, что трубка для опилок Бранли может реагировать на присутствие волн Герца, типа переносимых по воздуху электромагнитное излучение доказано немецким физиком Генрих Герц (позже названный радиоволны ).

Когерер-приемник Маркони 1896 года в Оксфорде Музей истории науки, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ. Справа находится когерер, за ним - механизм декогерера. Реле находится в цилиндрическом металлическом контейнере. (центр) для защиты когерера от радиочастотных помех от его контактов.

В 1893 году физик В. Крофт выставил эксперименты Бранли на собрании Физического общества в Лондоне. Крофту и другим было неясно, реагируют ли опилки в трубке Бранли на искры или свет от искр. Джордж Минчин заметил, что трубка Бранли может реагировать на волны Герца так же, как его солнечная батарея, и написал статью "Действие электромагнитного излучения на пленки, содержащие металлические порошки.".[5][6] Эти статьи прочитал английский физик. Оливер Лодж которые видели в этом способ создать значительно улучшенный детектор волн Герца. 1 июня 1894 года, через несколько месяцев после смерти Генриха Герца, Оливер Лодж прочитал мемориальную лекцию о Герце, где продемонстрировал свойства «волн Герца» (радио), в том числе передачу их на короткое расстояние, используя улучшенную версию Трубка для опилок Бранли, которую Лодж назвал «когерером», в качестве детектора. В мае 1895 г., прочитав о демонстрациях Лоджа, русский физик Александр Попов построил детектор молний на основе "волны Герца" (радиоволны) с использованием когерера. В том же году итальянский изобретатель Гульельмо Маркони продемонстрировал систему беспроводной телеграфии с использованием волн Герца (радио), основанную на когерере.

В приемниках когерер заменен на более простой и чувствительный. электролитический и кристаллические детекторы примерно в 1907 году и стал устаревшим.

Одним из незначительных примеров использования когерера в наше время был японский производитель игрушек из жести Matsudaya Toy Co., который в 1957 году использовал когерер. передатчик искрового разрядника и приемник на основе когерера в ряде радиоуправляемых (RC) игрушек, называемых игрушками Radicon (сокращение от Radio-Controlled). Было продано несколько различных типов, использующих одну и ту же систему дистанционного управления, в том числе Radicon Boat (очень редко), Radicon Oldsmobile Car (редко) и Radicon Bus (самый популярный).[7][8]

Операция

Схема приемника-когерера, записывающего полученный код на бумажный магнитофон Морзе.

В отличие от современных AM-радиостанций, которые передают непрерывную радиочастоту, амплитуда (мощность) которой равна модулированный по аудио сигнал, первый радиопередатчики переданная информация беспроводной телеграф (радиотелеграфия ) передатчик был включен и выключен (включение-выключение ) для получения немодулированных импульсов разной длины. несущая волна сигнал, «точки» и «тире», которые означают текстовые сообщения в азбука Морзе. В результате ранние устройства для приема радиосигналов должны были просто обнаруживать наличие или отсутствие радиосигнала, а не преобразовывать его в аудио. Устройство, которое это сделало, называлось детектор. Когерер был наиболее успешным из многих детекторных устройств, которые были опробованы на заре развития радио.

Работа когерера основана на явлении сопротивление электрического контакта. В частности, в виде металлических частиц согласовываться (держатся вместе), они намного лучше проводят электричество после того, как радиочастота электричество. Радиосигнал от антенны подавался прямо на электроды когерера. Когда входил радиосигнал от «точки» или «тире», когерер становился проводящим. Электроды когерера также были прикреплены к ОКРУГ КОЛУМБИЯ схема с питанием от батареи, которая создавала звук "щелчка" в наушниках или телеграфный эхолот, или отметку на бумажной ленте для записи сигнала. К сожалению, снижение когерера электрическое сопротивление сохраняется после удаления радиосигнала. Это было проблемой, потому что когерер должен был быть готов немедленно получить следующую «точку» или «тире». Следовательно, декогерер Был добавлен механизм, который касался когерера, механически возмущая частицы, чтобы вернуть его в состояние с высоким сопротивлением.

Когерентность частиц радиоволнами - непонятное явление, которое не совсем понятно даже сегодня. Недавние эксперименты с когерерами частиц, похоже, подтвердили гипотезу о том, что частицы объединяются в результате явления микросварки, вызванного радиочастота электричество протекает через небольшую площадь контакта между частицами.[9][10] Основной принцип так называемых когереров "несовершенного контакта" также не совсем понятен, но может включать в себя своего рода туннелирование из носители заряда через несовершенное соединение между проводниками.

Заявление

Когерер, разработанный Маркони, состоял из металлических опилок (точек), заключенных между двумя наклонными электродами (черными) на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга, подключенных к клеммам.

Когерер, используемый в практических приемниках, представлял собой стеклянную трубку, иногда эвакуирован, который был примерно наполовину заполнен остро обрезанными металлическими опилками, часто серебро и часть никель. Серебро электроды контактировал с металлическими частицами на обоих концах. В некоторых когерерах электроды были наклонены, так что ширину зазора, занятого опилками, можно было изменять, вращая трубку вокруг ее длинной оси, таким образом регулируя ее чувствительность к преобладающим условиям.

В процессе работы когерер включен в две отдельные электрические цепи. Один из них - это цепь антенны и заземления, показанная на схеме ненастроенного приемника ниже. Другой - цепь реле звукового оповещателя батареи, включая батарею. B1 и реле р на диаграмме. Радиосигнал от цепи антенна-земля "включает" когерер, обеспечивая протекание тока в цепи батареи-звукового оповещателя, активируя звуковой сигнализатор, S. Катушки, L, действовать как РФ задыхается для предотвращения утечки мощности радиочастотного сигнала через цепь реле.

Схема радиоприемника с использованием когерерного детектора (С). «Отводчик» (декогерер) не показан.

Один электрод, А, когерера, (C, на левой схеме) подключается к антенна а другой электрод, B, к земля. Последовательная комбинация аккумулятор, B1, и реле, р, также прикреплен к двум электродам. Когда сигнал от передатчик искрового разрядника При получении опилки имеют тенденцию прилипать друг к другу, уменьшая сопротивление когерера. Когда когерер проводит лучше, батарея B1 обеспечивает достаточный ток через когерер для активации реле р, который подключает аккумулятор Би 2 к телеграфный эхолот S, давая слышимый щелчок. В некоторых приложениях пара наушников заменяла эхолот телеграфа, будучи гораздо более чувствительным к слабым сигналам, или записывающее устройство Морзе, которое записывало точки и штрихи сигнала на бумажную ленту.

Когерер с управляемым электромагнитом "ответвителем" (декогерером), построенный ранним исследователем радио Эмилем Гуарини около 1904 года.

Проблема того, что опилки продолжали слипаться и проводиться после удаления сигнала, была решена путем постукивания или встряхивания когерера после прихода каждого сигнала, встряхивания опилок и повышения сопротивления когерера до исходного значения. Этот аппарат получил название декогерер. Этот процесс назывался «декогерентностью» устройства и претерпел множество нововведений за время существования популярного использования этого компонента. Тесла, например, изобрел когерер, в котором трубка непрерывно вращалась вдоль своей оси.

В более поздних практических приемниках декогерер был колотушкой, похожей на электрический звонок, управляемый электромагнит питается от самого тока когерера. Когда радиоволна включала когерер, постоянный ток от батареи протекал через электромагнит, притягивая руку, чтобы коснуться когерера. Это вернуло когерер в непроводящее состояние, отключив ток электромагнита, и плечо отскочило назад. Если бы радиосигнал все еще присутствовал, когерер немедленно включился бы снова, потянув за колотушку еще раз, чтобы снова его выключить. Результатом было постоянное «дрожание» хлопушки в течение всего периода, когда был включен радиосигнал, во время «точек» и «тире» сигнала кода Морзе.

An система автоматического торможения для рельсовых локомотивов, запатентованный в 1907 году, использовал когерер для обнаружения электрических колебаний при непрерывном движении антенны по рельсовому пути. Если блокировать впереди поезда были заняты, колебания были прерваны, и когерер, действуя через реле, подал предупреждение и затормозил.[11]

Несовершенный когерер соединения

Есть несколько вариантов так называемого когерера несовершенного перехода. Принцип работы (микросварка), предложенный выше для когерера опилок, может быть менее применим к этому типу, потому что нет необходимости в декогерентификации. Вариант этого устройства из железа и ртути был использован Маркони для первого трансатлантического радиосообщения. Более ранняя форма была изобретена Джагдиш Чандра Бос в 1899 г.[12] Устройство состояло из небольшой металлической чашки, в которой находилась лужа Меркурий покрыт очень тонким изоляционный фильм о масло; над поверхностью масла небольшой утюг диск приостановлен. С помощью регулировочного винта нижний край диска соприкасается с покрытой маслом ртутью с давлением, достаточно небольшим, чтобы не проколоть масляную пленку. Принцип его действия не совсем понятен. Действие обнаружения происходит, когда радиочастотный сигнал каким-то образом разрушает изолирующую масляную пленку, позволяя устройству работать, управляя приемным звуковым сигналом, подключенным последовательно. Эта форма когерера самовосстанавливается и не требует декогерентизации.

В 1899 г. Боз объявил о разработке "железо-ртутно-железный когерер с телефон детектор"в документе, представленном на Королевское общество, Лондон.[13] Позже он также получил Патент США 755840 , "Детектор электрических помех"(1904 г.), для конкретного электромагнитный приемник.

Антикохерер

Ограничения когереров

Поскольку они являются детекторами порогового напряжения, когерерам было трудно различать импульсные сигналы датчики искрового разрядника, и другие импульсные электрические шумы:[14]

Это устройство [когерер] был объявлен прекрасным, и он был удивительно беспорядочным и плохим. Он не работал, когда должен, и работал сверхурочно, когда не должен.

— Роберт Марриотт

Все это была рыба, которая попадала в сеть когерера, и самописец довольно беспристрастно записывал комбинации точек и тире для достоверных сигналов, статических помех, скольжения тележки в нескольких кварталах от него и даже включения и выключения света в здании. Перевод ленты часто требовал гениальной фантазии

— Гринлиф Уиттиер Пикард

Когереры также были привередливы в настройке и не очень чувствительны. Другая проблема заключалась в том, что из-за громоздкого механического механизма «декогерентизации» когерер был ограничен скоростью приема 12-15 слов в минуту кода Морзе, в то время как телеграфные операторы могли передавать со скоростью 50 слов в минуту, а машины с бумажной лентой - со скоростью 100 слов в минуту.[15][16]

Что еще более важно для будущего, когерер не мог обнаружить ЯВЛЯЮСЬ (радио) передачи. Как простой переключатель, который регистрировал наличие или отсутствие радиоволн, когерер мог обнаруживать включение-выключение из беспроводной телеграф передатчики, но он не мог исправить ни демодулировать формы волны ЯВЛЯЮСЬ радиотелефон сигналы, с которыми начали экспериментировать в первые годы 20 века. Эта проблема была решена за счет возможности исправления барреттер с горячей проволокой и электролитический детектор, разработан Реджинальд Фессенден около 1902 года. Они были заменены кристаллический детектор около 1907 г., а затем около 1912-1918 гг. вакуумная труба такие технологии как Джон Амброуз Флеминг с термоэмиссионный диод и Ли Де Форест с Audion (триод ) трубка.

Один из первых когереров, созданных Эдуардом Бранли. Построен его помощником.
«Шаровой» когерер, разработанный Бранли в 1899 году. Этот несовершенный тип контакта содержал серию слегка соприкасающихся металлических шариков, установленных между двумя электродами.
Треножный когерер, построенный Бранли в 1902 году, еще один несовершенный тип контакта. Хотя большинство когереров функционировали как «переключатели», которые включали постоянный ток от батареи в присутствии радиоволн, это может быть одним из первых выпрямителей (диод ) детекторы, потому что Бранли сообщил, что может производить постоянный ток без батареи.
Еще один детектор штатива, созданный Бранли

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • Филлипс, Вивиан Дж. (1980). Ранние детекторы радиоволн. Лондон: Inst. инженеров-электриков. ISBN  0906048249.. Исчерпывающее описание радиодетекторов вплоть до создания вакуумной лампы со многими необычными типами когереров.
  • Манжета, Томас Марк (1993). Когереры, обзор. Филадельфия, Пенсильвания, Университет Темпл, магистерская работа. Технический исторический отчет об открытии и развитии когереров и когероподобного поведения с 1800-х по 1993 год, включая исследования в 1950-х годах использования когереров в тогда еще новой области цифровых компьютеров. В этой диссертации исследуются сходства между когерерами и электролитическими радиочастотными детекторами, «диодами» MOM (металл-оксид-металл), используемыми в лазерном гетеродинировании, и STM (сканирующим туннельным микроскопом).

Рекомендации

  1. ^ Л. В. Тернер, Справочник инженера-электронщика, Butterworth-Heinemann - 2013, страницы 2-3, 2-4
  2. ^ Питер Самуэль Мунк аф Розеншольд, ассистент лектора по химии в Лундском университете, родился в Лунде в 1804 г. и умер в 1860 г. письма, Williams & Norgate - 1899, стр. 54)
  3. ^ а б Эрик Фалькон и Бернард Кастен, Электропроводность в гранулированной среде и когерер Бранли: простой эксперимент, стр. 1
  4. ^ а б Т. К. Саркар, Роберт Майлу, Артур А. Олинер, М. Салазар-Пальма, Дипак Л. Сенгупта, История беспроводной связи, John Wiley & Sons - 2006, страницы 261-262
  5. ^ а б Сунгук Хонг, Беспроводная связь: от черного ящика Маркони к Audion, стр. 4
  6. ^ а б Грин, Развитие когерера и некоторых теорий действия когерера, Scientific American: Дополнение, том 84 - 1917, стр. 268
  7. ^ Ли, Томас Х. (2004). Планарная микроволновая техника: практическое руководство по теории, измерениям и схемам. Лондон: Издательство Кембриджского университета. п. 11. ISBN  0521835267.
  8. ^ Финдли, Дэвид А. (1 сентября 1957 г.). «Игрушки с радиоуправлением используют искровой разряд» (PDF). Электроника. Макгроу-Хилл. 30 (9): 190. Получено 11 ноября, 2015.
  9. ^ Э. Фалькон, Б. Кастен и М. Крейссель: Нелинейная электропроводность в одномерной гранулированной среде, Лаборатория физики Лиона, UMR 5672-46 all'ee d’Italie, 69007 Лион, Франция
  10. ^ Фалькона, Эрик; Бернар Кастен (апрель 2005 г.). «Электропроводность в гранулированной среде и когерер Бранли: простой эксперимент» (PDF). Американский журнал физики. США: Американская ассоциация учителей физики. 73 (4): 302–306. arXiv:cond-mat / 0407773. Bibcode:2005AmJPh..73..302F. Дои:10.1119/1.1848114. Получено 14 ноября 2013.
  11. ^ США 843550, Фрэнк Вятт Прентис, «Электрическая сигнальная система», опубликовано 5 февраля 1907 г. 
  12. ^ Статья Бозе Варуна Аггарвала
  13. ^ Bondyopadhyay (1988)
  14. ^ цитируется в Дуглас, Алан (апрель 1981 г.). «Кристаллический детектор». IEEE Spectrum. Нью-Йорк: Inst. инженеров-электриков и электронщиков: 64. Получено 2010-03-14. на Оставайтесь с нами на сайте
  15. ^ Мавер, Уильям младший (август 1904 г.). "Беспроводная телеграфия сегодня". Ежемесячный обзор обзоров в Америке. Нью-Йорк: Обзор Reviews Co. 30 (2): 192. Получено 2 января, 2016.
  16. ^ Эйткен, Хью Г.Дж. (2014). Непрерывная волна: технологии и американское радио, 1900-1932 гг.. Princeton Univ. Нажмите. п. 190. ISBN  1400854601.

внешняя ссылка