Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity Katedra technické a informační výchovy
Úvod do studia historie elektroniky
PaedDr. Ing. Josef Pecina, CSc. Mgr. Pavel Pecina, Ph.D.
2007
Cíl kapitoly Student: -
Objasní smysl studia historie elektroniky
-
Vysvětlí pojem tvůrčí osobnost a popíše vznik nového objevu.
-
Vyjmenuje mezníky ve vývoji bezdrátového přenosu zpráv
-
Vysvětlí, co se v příslušné době podařilo objevit a zkonstruovat.
Ta věc, s níž se můžeme setkat, je tajemno. Je to základní cit, který stojí u kolébky skutečného umění a skutečné vědy. Ten, kdo to neví a už se ničemu nediví, nad ničím nežasne, je na tom stejně jako mrtvá, sfouknutá svíce. ALBERT EINSTEIN, ldeas and Opinions, New York 1954 Minulost formuje lidské myšlení. Je spjata s vývojem jednotlivých vědních oborů, tedy i s elektrotechnikou. Avšak: Známe tuto minulost? Dovedeme ji správně hodnotit? Zacházíme zodpovědně s jejím odkazem?
V průběhu uplynulých 150ti let prošla elektrotechnika mohutným dynamickým rozvojem. Ten byl umožněn jen díky intenzivnímu odhalování přírodních zákonů a jejich aplikacím při řešení elektrotechnických projektů. Nejrůznější vědecké a technické objevy učinily náš život pohodlnějším a příjemnějším. Vědění a objevování mohou učinit náš život šťastnějším.
1.1. Jak chápat a proč studovat dějiny elektrotechniky
Některé věci lze lépe posuzovat z dálky než z blízka. V obrazárnách dodržuje tuto zásadu skoro každý. Nehledí na jednotlivé tahy štětce, ale na celkový dojem. S tímto odstupem budeme sledovat, jak vznikaly i jak zanikaly vědecké názory, hypotézy a teorie o podstatě elektromagnetických jevů a jak byly uplatňovány ve společenské praxi. Dějiny elektrotechniky lze v časovém nadhledu přirovnat k říčnímu toku. Začíná drobným, nenápadným praménkem, mohutní četnými přítoky a jeho cesta není přímočará, klikatí se četnými meandry
a slepými rameny. Znalost pramenů soudobé elektrotechniky i peripetií jejího vývoje by měla být neoddělitelnou součástí vzdělání technické inteligence. Je smutné, jak málo stop zanechali pionýři elektrotechniky v mozkové kůře i poměrně vzdělaných lidí a zvláště mládeže. Historie elektrotechniky může být nástrojem, který umožňuje činit prognózy o vývoji a tím správně směrovat výzkum a nalézat vhodnou orientaci při vytyčování nových projektů. Kdo pochopí minulost, může se lépe orientovat v nynějším složitém světě, plném rozporů, ale i vzájemných souvislostí. Pohledy do minulosti elektrotechniky by neměly být pouhou rekonstrukcí konkrétních událostí, neměly by být pouhým faktografickým popisem významných objevů a ovšem ani pouhým připomenutím veselých či smutných příběhů ze života objevitelů. Na pozadí historie elektrotechniky nahlédneme do vnitřních zákonitostí jejího vývoje a pokusíme se o nástin filosofie myšlení v elektrotechnických vědách. Pokusíme se načrtnout dobovou atmosféru, v níž vznikala elektrotechnika, neopomeneme pohled na společenské podmínky a všimneme si ekonomických akceleračních a retardačních vlivů, které určují dynamiku vývoje. Posouvat hranice lidského poznání, odhalovat nové přírodní zákony a hledat způsoby jejich využívání je tvrdou, náročnou a vyčerpávající činností. Je však zároveň velkým fascinujícím dobrodružstvím. Posláním této knížky je nejen prohloubit znalosti čtenářů o některá zajímavá fakta z historie elektrotechniky, ale též iniciovat jejich objevitelské aktivity a vzbudit jejich zájem a entuziasmus pro odkrývání netradičních cest vedoucích k novým poznatkům. Ukázat, že v dosahování těchto velkých cílů mnozí nalezli smysl a náplň svého života.
Vydejme se tedy po stopách našich předchůdců, kteří svým úsilím v oblasti elektrotechniky ovlivnili celou dnešní civilizaci.
1.2. Naše myšlení je poplatné minulosti Stále se zrychlující životní tempo a naléhavost soudobých úkolů nás plně zaměstnává aktuálními problémy a potlačuje v našem vědomí pocit kontinuity s minulostí. Avšak minulost ovlivňuje naše myšlení zpravidla mnohem hlouběji, než si uvědomujeme. Po našich předcích jsme zdědili nejen náš vnější fyzický svět v němž žijeme, ale též svět psychický a způsoby našeho vnímání a myšlení. Stejně jako se v každodenním životě pohybujeme po ulicích a žijeme ve stavbách, které mají svůj původ mnohdy až ve středověku, tak také při své práci používáme pojmy, představy a
myšlenková schémata, které vznikaly často v dosti vzdálené minulosti. Při řešení technických problémů se naše povědomí zpravidla vytrvale omezuje na jisté myšlenkové okruhy, které jsou dědictvím předchozího vývoje. Je třeba si uvědomit působení těchto mechanizmů, neboť tradiční myšlení při řešení technických problémů může být velkou bariérou při hledání originálních a efektivních koncepcí. Jen málo jedincům se podaří vymanit se z používání tradičních metod, jen nemnohým se podaří zůstat vnitřně nezávislým a nalézat nové, nekonformní způsoby řešení.
1.3. Jak vznikají nové objevy Cesty k novým objevům, novým konstrukcím a novým technologiím byly vybudovány z nesčetných příspěvků více či méně anonymních pracovníků. Nové objevy však nevznikají pouhým spojitým navršováním dílčích poznatků. Teprve když poznání dosáhlo jistou úroveň, teprve pak vstoupí na scénu tvůrčí osobnost, která ovšem musí být vybavena nezbytnou mírou talentu, vzdělání a dalších individuálních kvalit, a uvede svůj objev. Isaac Newton to vyjádřil výstižně, když komentoval svojí teorii kosmické mechaniky slovy: " Viděl jsem dále než ostatní, protože jsem stál na rame11OU obrů (c. (Pozoruhodné je, že toto tvrzení se samo potvrzuje, protože Newton jej též převzal od svých předchůdců) Newton si uvědomoval, že čím více věda poznává, tím více se rozšiřují i obzory nepoznaného. Přirovnával se k malému chlapci, který si jen hraje s pěknými oblázky a mušličkami na břehu nekonečného oceánu poznání.
Velké objevy a vynálezy jsou motivovány potřebami společnosti. Téměř vždy vznikají po dlouhém a tvrdém zápase a s tímto zápasem bývají spojeny fascinující osobní osudy. Vznik nového díla je vždy svázán s minulostí. Je vždy více či méně adekvátním obrazem své doby a jeho velikost nemůže přesáhnout možnosti, které jsou determinovány vědeckoekonomickou úrovní společnosti. Není tedy zvláštní "náhodou", že mnohé významné objevy a vynálezy učinili různí badatelé, nezávisle na sobě, a to téměř ve stejné době. S konkrétními případy se seznámíme v
následujících kapitolách. A naopak, mnohé objevy byly dlouho považovány za bezvýznamnou fyzikální hříčku, a až když společenské vědomí dosáhlo vyšší úroveň, staly se základem vynálezu, který zasáhl do celé naší civilizace. Příkladem může být objev elektromagnetických vln a jejich využití pro přenos informací.
Jisté nahodilosti se ovšem v procesu poznávání a objevování mohou uplatnit. Dějiny vědeckých objevů a technických vynálezů jsou často doprovázeny legendami, v nichž nahodilé jevy sehrály rozhodující úlohu. Příkladem může být historka o tom, že jablko, které spadlo na hlavu Isaaca Newtona, jej posléze přivedlo k objevu zákona gravitace. To by ovšem byl jen velmi povrchní pohled na mechanizmus vzniku objevů. Náhoda může nahrát příležitost jedinci připravenému učinit významný objev. Proces poznávání probíhá často intuitivně: objevitel jako by prostě "uhádl" správné řešení. Intuice však není projevem jakési mystické poznávací schopnosti objevitele, nýbrž je formou zvratu dříve nashromážděných poznatků a zkušeností v novou kvalitu.
V úvodu se budeme zabývat pouze prvními fázemi vývoje elektrotechniky. V tomto období sehrály dominantní roli osobnosti, které ovlivnily vývoj a dávaly mu nové impulsy a myšlenky. Hybnou silou vývoje byla geniální schopnost objevitele, která mu umožnila povšimnout si a správně zhodnotit jevy a souvislosti, které unikaly jeho předchůdcům i současníkům. V průběhu 20. století došlo k dramatickému zrychlení vývoje elektrotechniky. Nacházíme se v nové "průmyslové revoluci", v níž čip a počítač mění svět radikálněji než parní stroj a dynamo. Novými prvky vývoje techniky jsou informační a telekomunikační technologie.
Stává se téměř pravidlem, že u velkých výzkumných projektů se uplatňují poznatky nejen z různých oblastí elektrotechniky, ale nezřídka i z dalších vědních oborů. Při realizaci komplexních projektů ustupuje jedinec do pozadí, a jejich řešení přebírají pracovní týmy specialistů. Jednou z hlavních podmínek jejich úspěšnosti je, vedle dobrého materiálního zajištění, dokonalá organizace jejich spolupráce. Na velkých vynálezech současné doby připomeňme například počítače, videokameru, digitální fotopřístroj, mobilní telefon a mnohé další - se podílel velký počet tvůrčích pracovníků, do značné míry anonymních. Širší veřejnost zpravidla ani nezná jejich jména. Pojednání o novodobých dějinách elektrotechniky snad bude náplní další knížky, která je v současné době připravována.
1.4. Dějiny přenosu zpráv na dálku
1.4.1 Edwin Howard Armstrong První rozhlasový vysílač zahájil svůj provoz na začátku 20. let. Pro tehdejší generaci byl poslech rozhlasu zprvu senzací podobně, jako pro generaci dnešních šedesátníků první televizní vysílání u nás. Poslech byl zprvu na primitivní sluchátka, později se používaly rozměrné magnetické reproduktory a o prostorovém vnímání zvuků nikdo ani nepřemýšlel.. Tyto technické možností objevil až americký technik, pracující v oblasti vysokofrekvenční techniky, Edwin Howard Armstrong. Jeho výzkumy prokázaly technickou možnost stereofonního přenosu zvuků.
Narodil se 18. 12. 1890 v New Yorku. Již během svých studií na Kolumbijské univerzitě pochytil první impulsy tehdy se rozvíjející rozhlasové techniky a zabýval se vylepšováním a úpravami zapojení některých přístrojů. V roce 1913 po absolvování vysoké školy se stal asistentem u Michailo Idvorsky Pupina a pokračoval v rozšiřování a prohlubování svých znalostí.
Během první světové války sloužil Armstrong jako major u spojovací jednotky, která po vstupu USA do války byla nasazena ve Francii. Ihned po válce však dále pokračoval ve své práci na Kolumbijské univerzitě. Mezi jeho úspěchy (ještě v oblasti amplitudové modulace, která tehdy vládla) lze zařadit objev. superheterodynu v roce 1919 a o rok později objev principu superreakční zpětné vazby.
Málo je o Armstrongovi známo, že byl vášnivým radioamatérem vysilačem, který se věnoval i rozvíjejícímu se amatérskému vysílání na krátkých vlnách.
Výsledky Pupinových prací daly základ k založení nového oboru na univerzitě a Armstrong byl na základě svých vědeckých prací roku 1934 jmenován profesorem.
V roce 1933 poprvé demonstroval využití širokopásmové kmitočtové modulace k rozhlasovému přenosu. Tento princip dále rozpracovával a v roce 1935 si jej nechal patentovat. Jeho dalším vskutku epochálním vynálezem z roku 1948 byl objev vícenásobného
využití vysílačů FM k rozhlasovým účelům, což byl první krok k praktické realizaci stereofonního vysílání a prostorovému přenosu hudby.
Až do své smrti 1. 2. 1954 pracoval v New Yorku a spolupracoval s nejrůznějšími rozhlasovými společnostmi zakladateli rozhlasového průmyslu, kteří využívali a dále rozvíjeli jím objevené principy. Jeho přínos v oblasti rozvoje stereofonního vysílání a VKV rozhlasové techniky vůbec je nezastupitelný.
1.4.2 Lee De Forest Když v roce 1910 světoznámý italský tenor Enrico Caruso.(1873 až1921) zpíval v Newyorské Metropolitní opeře nadšeným posluchačům, vešlo spolu s ním do povědomí tisíců američanů i jméno amerického vysokofrekvenčního technika Lee de Foresta, který se zasloužil o první bezdrátový přímý přenos hudby pomocí rozhlasu.
Lee se narodil 26. 8. 1873 v Council Bluffs ve státě Iowa. Krátce po jeho narození se celá rodina odstěhovala do Alabamy, kde jeho otec vedl školu pro barevné. Lee měl od mládí velký zájem o vše; co souviselo s elektrotechnikou. Navštěvoval inženýrskou školu v New Havenu (stát Connecticut) a pak studoval přírodní vědy ve Shefieldu, v letech 1896 až 1899 „vědeckou školu“ a tak postupně realizoval své dávné přání věnovat se technickým vědám.
Praktickou životní dráhu začal po studiích v Chicagu u společnosti Western Electric. Okamžitě měl úspěchy, o čemž svědčí více než 300 patentů, které postupně získal. Jako'první např. uvedl do praxe elektrolytický detektor, který umožnil poslech telegrafních signálů na sluchátka. Předtím musely být tyto signály zaznamenávány pomocí magnetického pisátka.
Snad největším jeho činem bylo vložení kruhového děrovaného kotoučku mezi katodu a anodu do diody. Tato Forestova elektronka, kterou sám nazval audion, dokázala jako první na světě ovlivňovat anodový proud napětím na mřížce, jak byl děrovaný kotouček nazván. Později Robert von Lieben (1878 až 1913) poznal, že tuto elektronku je možné použít k zesilování signálů. Elektronka se pak běžně nazývala trioda a byla patentována 15. 1. 1907 spolu se zapojením audionu, který je rovněž Forestovým objevem.
Během'konce'1. světové války Forest prodal svá patentová práva na audion a za získanépeníze se věnoval dalším výzkumům. V roce 1919 přišel na vylepšený systém zvukového filmu a pro komerční využití tohoto objevu založil společnost De Forest Phonofilm Company. V dalších letech vylepšoval přístroje pro záznam zvuku, telefonní techniku, obrazovou telegrafii, televizní techniku a nakonec i radarovou techniku. V Americe je znám jako "otec amerického rozhlasu" a zemřel v Holywoodu30.6.1961.
1.4.3 Christian Hǚlsmeyer Nejrůznější typy t radarových přístrojů byly nedávno velmi dobře popsány v seriálu "Vojenská tajemství II. světové války" v časopise Amatérské rádio, v části zabývající se historií.
Jenže to je tak říkajíc novodobá historie - její začátky však sahají až do prvního desetiletí minulého století, do doby, kdy ještě nebyla známa ani trioda a její princip.
Skutečným otcem myšlenky zjišťovat objekty pomocí elektromagnetických vln byl Christian Hulsmeyer, který žil v letech 1881 až 1957. Pochopitelně byly jeho teorie poplatné tehdejší úrovni technického poznání, o to jsou však zajímavější skutečně dosažené výsledky.
Hǚlsmeyer se narodil poblíž Brém v roce 1881 a po absolvování školy začal pracovat v jedné z odboček firmy Siemens & Halské jako technik. Zajímal se intenzivně o tehdejší objevy, z oblasti radiotechniky a pokoušel se opakovat pokusy, které popisoval Heinrich Hertz (viz [4]). Obzvláště jej zaujaly práce, ve kterých popisoval odrazy elektromagnetických vln.
Hertz již v roce 1888 poukázal na to, že elektromagnetické vlny o délkách kolem jednoho metru nebo ještě kratší mají vlastnosti, které se dají přirovnat k některým vlastnostem světla a platí pro ně podobné vztahy; jako pro geometrii světelných paprsků. Jako příklad lze uvést soustředění světelného toku do jednoho směru parabolickým zrcadlem. Hǚlsmeyer domýšlel praktický význam Hertzových pokusů, a aby měl lepší podmínky ke své práci, odstěhoval se v roce 1902 do Dǚsseldorfu. Měl na mysli především sledování lodí a jejich bezpečnou plavbu v noci a za mlhy.
Skutečně se mu podařilo za pomoci z dnešního hlediska primitivních přístrojů sestrojit aparaturu, kterou nazval TELEMOBILOSKOP. Dne 30. 4. 1904 podal patentovou přihlášku na"způsob sledování vzdálených předmětů prostřednictvím elektrického vlnění". V patentovém spise objasňuje, jak získat odraz elektromagnetických vln od vzdáleného kovového předmětu s pomocí tehdejší dostupné techniky: jiskrového vysílače a na přijímací straně kohereru (jeho princip popsal E. Branly v roce 1890-91) v obvodu relé. Předpokládal, že jak vysílač, tak přijímač budou umístěny co nejvýše na lodním stožáru a že oba budou "v syntonii" - tedy naladěny na jeden kmitočet (způsob jak to zajistit, popsal již v roce 1897 anglický profesor Oliver Lodge). Přístroj si v praxi představoval takto (viz nákres lodního radaru na 2. stránce obálky)- indukční cívka (d) byla v patě stožáru, vysoké napětí bylo nahoru vedeno kabelem a do vlastního jiskrového systému přiváděno přes kolektor. Natočení vysílací antény ve tvaru konkávního zrcadla bylo indikováno přístrojem podobným kompasu.
Zdálo by se, že se jedná pouze o bujnou fantazii technického snílka, ale Hǘlsmeyer skutečně podle těchto nákresů sestrojil aparaturu, kterou veřejně předváděl 18. 5. 1904 v Kolíně, kde svůj přístroj umístil na mostě a dokázal na vzdálenost několika set metrů indikovat přiblížení lodi, plující po Rýnu, rozezněním zvonku. Pochopitelně taková událost neušla pozornosti místního tisku, a když se o pokusech dozvěděl obchodník jménem Mannheim, věnoval na vývoj a zdokonalení Telemobiloskopu neuvěřitelných 5000 zlatých marek, což byla na tehdejší dobu ohromná suma. Byla také založena Hǘlsmeyer-Mannheimova společnost.
Pochopitelně to mělo příznivý vliv na pokračování výzkumů, a tak již v červnu téhož roku přihlašuje další patent- a 11. listopadu 1904 třetí, ve kterém na rozdíl od předchozích, které uvažovaly se zjišťováním polohy jen v horizontální rovině, poprvé popsal způsob, jak soustředit paprsky i do žádaného vertikálního směru. To by v podstatě umožnilo pomocí triangulace upřesnit polohu cíle jednak příjmem přímých odražených paprsků, jednak paprsků odražených i od vodní hladiny. Ovšem tyto úvahy byly skutečně jen teoretické - v praxi by to znamenalo ohromně vysoké stožáry, což nebylo prakticky proveditelné.
Dalším popudem k pokračování výzkumů byl úspěch přednášky' na mezinárodní konferenci o lodní dopravě a pak další pokusy, které prováděl s vylepšenou verzí svého aparátu, umístěného na právě dokončené vlečné lodi "Columbus". Tímto přístrojem již dokázal indikovat lodi na vzdálenost až 3 km. Další verze přístroje umístěná na zaoceánské lodi to dokázala dokonce na vzdálenost 10 km!
Odborníci z řad loďařů byli nadšeni a tehdejší německý technický časopis Prometheus popisuje jeho přístroj jako "rozhlasový induktor" napájený baterií 65 V s proměnnou délkou jisker od 5 do 50 cm, s kondenzátorem vysílače o kapacitě 1,88 nF, s vysílací anténou o délce 30 m a přijímací s délkou 5 m, obě cik-cak nataženy v cylindrické rouře.
Mimo vylepšování aparátu jako celku se snažil také o vylepšení jednotlivých dílů, hlavně způsobu udržení konstantní citlivosti kohereru, což byl předmět jeho dalšího patentu. Velkou motivací k rychlé práci byl zájem nově vzniklé společnosti Telefunken, císařského válečného loďstva a francouzské a italské vlády. Jenže všechny pokusy, které prováděl, značně vyčerpali finanční rezervu a dnes prakticky nevíme, proč se tehdy nenašli další sponzoři, kteří by umožnili pokračování započatých prací. Není vyloučeno, že se o to zasadily tehdy vznikající monopoly jako byla Marconiho společnost apod. Možná k tomu také pfispělo to, že při železničním neštěstí na konci roku 1904 na hamburském hlavním nádraží byl zničen velký kufr s hlavními technickými částmi jeho přístrojů.
Hǘlsermeyerovy ideje upadly rychle v zapomenutí a teprve v červnu 1922 přichází Marconi se svým Radio echo systémem, na kterém pak pracovali další vědci hlavně na americkém kontinentě (A. H. Taylor, L. C. Young). V roce 1924 byl pak popsán impulsní radar (M. Tuve, G. Breit), výzkumy se postupně přesouvaly stále ke kratším vlnám a kratším impulsům, až H. Holman použil v letech 1932 až 1933 k inonosférickým výzkumům poprvé impulsů dlouhých jen mikrosekundy.
Ale to se již dostáváme do oblasti vojenského využití radarové techniky, o kterém byla zmínka v prvním odstavci tohoto pojednání. Hǘlsmeyer na tomto poli dále ve výzkumech nijak nepokračoval, víme však, že ještě navrhl způsob bezdrátového odpalování min. Věnoval se později zcela jinému odvětví činnosti a zemřel jako známý majitel továrny v Dǘsseldorfu. Některé části jeho původního přístroje a originální dobové dokumenty jsou umístěny v německém museu, ale jeho zásluhy byly vyzvednuty vlastně až dva roky po jeho smrti na kongresu zabývajícím se radarovou technikou v Mnichově v roce 1955. Přitom svými pokusy předběhl obdobné pokusy, konané na akustickém principu (sonar), které začaly až po katastrofě Titaniku v roce 1912.
První, zmínka o HǘIsmeyerovi jako otci radarové techniky se objevila v regionálním poválečném tisku v časopise Rheinische Post v roce 1948. Tam autor připomněl, že vynálezce radaru pochází z jejich regionu.
Otázky a úkoly •
Vysvětlete smysl studia historie elektroniky.
•
Popište, jak vznikají nové objevy.
•
Vyjmenujte mezníky z historie přenosu zpráv na dálku.
•
Co se v příslušných dobách podařilo objevit a zkonstruovat?
Literatura BARRET, R., Popov versus Marconi: The Centenaly of Radio. Proc. Of the Royal Indy., Vol 68, str. 317-325, Oxford University Press, Oxford 1997.
GŐSSEL, G. Fonogram. Praha: Nakladatelství Radioservis, 2001.
KEITHLEY, J.F. The story of Electrical and Magnetic Measurments. From 500 BC to the 1940s. New York: IEEE Press Marketing, 1999.
MAYER, D. Pohledy do minulosti elektrotechniky. České Budějovice: Kopp, 2004. ISBN 80-7232-219-2
