Реле 1830-х

Термин «реле» (relay) первым употребил Сэмюэл Морзе в своем патенте на электрический телеграф, но управляющее устройство, которое при событии в одной цепи производит действие с другой цепью, в 1830-х годах сконструировали независимо друг от друга несколько изобретателей.

Рассматривая историю техники, как отмечает создатель и единственный автор замечательного сайта technicshistory.com Крис Макдональд, «мы склонны уделять большое внимание системам, а компонентами скорее пренебрегать». Реле - как раз такой компонент, и чтобы исправить допущенную по отношению к нему несправедливость, Макдональд посвятил первым реле отдельную главу своей книги на английском The Switch, которую публиковал с 2016 года на сайте как серию статей, а в 2021-м издал целиком.

В числе изобретателей реле Макдональд называет великого физика Джозефа Генри, создателей первого коммерчески успешного телеграфа Уильяма Кука и Чарльза Уитстона, их конкурента Эдварда Дэви и, разумеется, Сэмюэла Морзе, которому принадлежит термин. Но где же, вправе спросить россиянин, наш соотечественник барон Павел Львович (или, как его называют на Западе, Пауль Людвиг) Шиллинг (см. «Энерговектор», № 2/2014, с 15)? Разве не на его «дальноизвещающей машине» был основан телеграф Кука и Уитстона, и разве английские изобретатели не заимствовали оттуда вызывное устройство? О телеграфе Шиллинга Макдональд пишет в предыдущей статье - «Предприниматели» (The Entrepreneurs) - и в подписи к рисунку упоминает, что звонок, извещавший оператора о начале передачи, подключался по отдельной цепи. Именно эту мелкую деталь изменили Кук и Уитстон. Но сначала несколько слов об исследованиях Генри.

Научный эксперимент

Джозеф Генри (1797-1878), профессор математики и естественной философии в Академии Олбани, первым в истории применил технологию создания электромагнита с использованием обмоток из изолированного провода, намотанного на железный сердечник, и с её помощью создал для Йельского университета самый мощный электромагнит своего времени. Экспериментируя с электромагнитами, Генри смог в 1831-1832 годах построить прототип телеграфа, действовавший на расстоянии в полторы мили. Другим его достижением было создание электромагнитов с огромной - вплоть до сотен килограммов - подъёмной силой, и такой магнит он примерно в 1835 году задействовал в установке, которую историки техники считают первым реле. Мощный электромагнит под током удерживал на весу массивный груз, а включением и отключением тока управляла отдельная цепь с небольшим электромагнитом. Когда в эту вторую цепь подавался ток, маленький электромагнит притягивал тонкую металлическую проволочку, которая размыкала цепь первого электромагнита, и груз, к восторгу студентов, с оглушительным грохотом срывался вниз. Трудно усмотреть прямую связь между этой конструкцией и первыми реле телеграфных систем, решавшими задачи, далёкие от подъема грузов, но идея у них общая.

Эксперимент Генри с электромагнитами

Сэкономить провод

Вернемся в Европу. В телеграфной системе Шиллинга, вдохновившей британского изобретателя и предпринимателя Уильяма Кука (который позднее привлек в качестве партнёра физика Чарльза Уитстона), задействовалось в общей сложности восемь проводов. Шесть их них соединяли клавиши передатчика со стрелочными гальванометрами мультипликаторного приёмника, седьмой использовался для вызова, а восьмой - для обратного тока (заземление ещё не было изобретено).

Пятистрелочный телеграф, запатентованный Куком и Уитстоном в 1837 году, отличался от исходной модели Шиллинга в двух главных отношениях. Наиболее заметной его особенностью был, как сказали бы сейчас, интуитивно понятный интерфейс, отвечавший пожеланиям главных тогдашних заказчиков - железных дорог: стрелки принимающего устройства находились на размеченной доске с буквами, так что пара стрелок прямо указывала на нужную букву. (У Шиллинга над стрелками висели двухцветные кружки, которые в зависимости от переданных сигналов поворачивались к оператору чёрной или белой стороной, и буквы нужно было расшифровывать по кодовой таблице - «телеграфной азбуке».) На практике операторы довольно быстро научились обходиться без разметки, что позволило изобретателям в 1838 году перейти к двухстрелочной, а в дальнейшем - к однострелочной модели, сократив число дорогостоящих проводов, но и усложнив код. Было, впрочем, развитие и в противоположном направлении: в 1840 году партнёры разработали «алфавитный указательный» (ABC Pointer) аппарат; в 1858-м Уитстон (уже один, без Кука, поскольку к тому моменту они рассорились) его усовершенствовал, добившись большого успеха на рынке.

Однако уже в самой первой, пятистрелочной модели использовалось шесть, а не семь проводов: изобретатели избавились от отдельной цепи вызывного устройства, заменив её подключением по схеме, которую мы сейчас называем релейной. Сигнал вызова передавался по одному из основных проводов, стрелка соответствующим образом поворачивалась, и её задний конец замыкал вспомогательную звонковую цепь. Остальные положения стрелки использовались обычным образом при приёме сообщений.

«Почтовая станция»

Сэмюэл Морзе к осени 1837 года смог создать работающий аппарат, однако малая (порядка нескольких сотен метров) дальность передачи сообщений препятствовала развитию проекта: чтобы получить финансирование от американского правительства, следовало продемонстрировать конгрессу систему, способную в принципе охватить весь континент.

Идею того, как преодолеть ограничение, изобретателю предложил профессор Леонард Гейл, друг Джозефа Генри, преподававший химию в Университете Нью-Йорка. При участии Гейла Морзе вставил в телеграфную линию дополнительные контуры с собственными электромагнитами и батареями, которые назвал relay - от французского relais de poste, почтовая станция, то есть место, где курьерам, почтовым служащим и обычным путешественникам меняли уставших лошадей на свежих. (В середине XIX века это ещё была востребованная услуга во Франции - и в России, разумеется, тоже). Когда по линии проходил сигнал, электромагнитное реле открывалось, батарея подавала в линию дополнительный ток и сигнал усиливался. Вскоре Морзе провёл успешный эксперимент с оборудованной реле линией длиной в 10 миль (16 км).

Примерно в то же время идея реле, усиливающего сигнал, пришла в голову Эдварду Дэви, который самостоятельно экспериментировал с телеграфной линией длиной в одну милю в Риджентс-парке на северо-западе Лондона. Устройство (Дэви назвал его «электрическим обновителем» - electrical renewer) находилось внутри катушки электромагнита: при прохождении тока через катушку кончик намагниченной иглы погружался в ртуть и замыкал контакт. Изобретатель запатентовал свой телеграф в 1838 году, но в 1839-м жизненные обстоятельства вынудили его бежать из Англии в Австралию, и свои проекты он так и не осуществил.

* * *

В заключение отметим, что книгу The Switch (как и многие другие статьи Макдональда) можно найти на сайте «Хабр» в переводе Вячеслава Голованова. Переводчик поделил её на три серии, и первую из них, охватывающую начальный период развития электросвязи, озаглавил «История реле». Ключевая глава у него названа оригинально - «А вот, наконец, и реле».