ИЗОБРЕТЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ТЕЛЕГРАФОВ

В конце XVIII в. в физике уже были изучены основные свойства электричества и обнаружена его способность с огромной скоростью распространяться по металлическим проводникам. Поэтому внимание экспериментаторов и изобретателей привлекло это новое явление. Статическое электричество было изучено раньше, чем явления электрического тока, и естественно, что техническая мысль сначала попыталась использовать для связи именно статическое электричество.

По-видимому, первым, кто сделал попытки использовать электростатические явления для связи, был шотландский изобретатель Чарлз Моррисон, опубликовавший в 1758 г. сообщение с предложением передавать по проводам электрические заряды, под действием которых металлические шарики на приемном аппарате притягивали легкие бумажные таблички с изображением букв алфавита.

К 1795 г. относится попытка французского инженера А. Бетанкура построить в Испании между Мадридом и Аранхуэсом линию электростатического телеграфа по проекту испанского инженера Франсиско Сальва. Оригинальную модель электростатического телеграфа соорудил английский физик и астроном Фрэнсис Рональде. Электростатические телеграфы были настолько громоздки, сложны и крайне неустойчивы в работе, что их существование не вышло за границы эксперимента.

Мысль изобретателей обратилась к открытию гальванического тока. В 1801г. упомянутый выше Ф. Сальва построил модель телеграфного аппарата, работа которого была основана на электрохимическом действии тока. Источником тока у Ф. Сальвы служил вольтов столб, а телеграфная линия состояла из нескольких хорошо изолированных проводов, присоединенных на приемном конце к вольтметрам.

К 1801-1804 гг. относятся опыты по созданию электрохимического телеграфа мюнхенским физиком и анатомом С. Земмерингом. Он использовал явление выделения пузырьков газа на электродах при пропускании через электролиты гальванического тока. Один из первых аппаратов Земмеринга [13] имел гальваническую батарею (вольтов столб) и переключатель, посредством которого батарея могла присоединяться к любым из тридцати пяти проводов (по числу букв немецкого алфавита), образующих телеграфную линию. Приемный аппарат состоял из стеклянной ванны с подкисленной водой, в которой находились концы проводов линии. При прохождении тока пузырьки водорода появлялись у соответствующей пары проводов и позволяли судить о том, какая буква передана. Земмеринг воспользовался этим же электрохимическим свойством тока для конструирования вызывного устройства, принцип действия которого состоял в том, что пузырьки водорода при подаче тока в вызывную пару проводов попадали в особую «ложку», которую они приподнимали, тем самым приводя в действие звонок. Телеграф Земмеринга должен был, по замыслу автора, обеспечить непосредственную передачу букв алфавита. Однако трудности построения линии из 35 проводов были настолько велики, что изобретателю не удалось добиться практического применения своего телеграфа. Даже уменьшение числа линейных проводов до 10 и введение кода (1811 г.), несколько упростившее конструкцию аппаратуры, не позволили электрохимическому телеграфу Земмеринга выйти из стен лаборатории. Работы Земмеринга, широко известные в научных кругах, вызвали большой интерес и стимулировали поиски новых методов передачи сообщений с применением электричества.

История электрических телеграфов является очень характерным примером того, как на основе достижений науки начала XIX в. создавались новые технические средства. К крупным заведениям естественных наук относятся открытие Л. Гальвани и изучение А. Вольта свойств электрического тока, а также изобретение последним вольтова столба.

Особенно важными для развития электрической телеграфии были исследования магнитных свойств электрического тока, проведенные А. Ампером, заложившим основы электродинамики, а также опыта датского физика X. Эрстеда, наблюдавшего в 1820 г. действие тока в прямолинейном проводнике на магнитную стрелку. Продолжая опыты Эрстеда, профессор Галльского университета И. Швейггер обнаружил усиление магнитного воздействия тока при свертывании провода в спираль, витки которой многократно опоясывали магнитную стрелку. В 1820 г. Швейггер сконструировал новый физический прибор - мультипликатор, т. е. многовитковую воздушную катушку с помещенной внутри магнитной стрелкой. Мультипликатор позволял обнаруживать очень слабые токи. Он не только вошел в арсенал важнейших физических и электроизмерительных приборов, но и стал родоначальником всех последующих устройств, включающих в себя электромагниты. Мультипликатор стал важнейшим элементом первых электромагнитных телеграфов.

В 1820 г. А. Ампер высказал мысль, что если использовать столько проводников со стрелками, сколько букв в алфавите, то можно, «помещая каждую букву на отдельной стрелке, устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба» [14]. Осуществляя идею Ампера, многие изобретатели того времени предложили несколько систем электромагнитного телеграфирования, однако ни одна из них не оказалась жизненной.

Изобретение практически пригодного электромагнитного телеграфа связано с именем русского ученого и изобретателя П. Л. Шиллинга. Этот выдающийся ученый вошел в историю науки как известный востоковед, знаток тибетской и монгольской письменности и изощренный шифровальщик. Он был членом-корреспондентом Петербургской академии наук по разряду изящной словесности [15]. В то же время своими работами по созданию электрических мин он снискал себе славу изобретателя и инженера-электрика. Но самым большим вкладом в мировую электротехнику и в практику техники связи стали его работы по созданию электромагнитных телеграфов.

Павел Львович Шиллинг (1786-1837 гг.)

Хорошо осведомленный о зарубежных работах в области телеграфирования и имевший глубокие познания в физике, П. Л. Шиллинг тщательно систематизировал известные ему сведения об оптических телеграфах и первых опытах по электрохимическому телеграфированию. Он четко представлял недостатки всех этих систем. Постепенно у него сложилась твердая уверенность в нецелесообразности дальнейших работ по оптическим и электрохимическим телеграфам, и ученый пришел к выводу, что наиболее перспективно использование электромагнитных свойств гальванического тока.

В 1828 г. П. Л. Шиллинг строит и испытывает конструкцию одно-стрелочного электромагнитного телеграфа, в котором сигнализация осуществляется двумя линейными проводами и одним мультипликатором на приемном конце. Успешные испытания системы позволили изобретателю выбрать в качестве главного элемента телеграфов мультипликатор. Не позже 1829 г. П. Л. Шиллинг разработал свой шестистрелочный телеграф, причем его усилия были одновременно направлены на отработку конструктивных элементов системы и на создание телеграфных кодов. Здесь ему пригодились познания в «шифровальном искусстве». В конце 1830 г. на квартире П. Л. Шиллинга в Петербурге состоялась первая публичная демонстрация его электромагнитного телеграфа, а пятью годами позже он сделал доклад о своем изобретении на съезде Немецкого общества естествоиспытателей и врачей в Бонне [16]. Еще через год он вместе со своим механиком И. А. Швейкиным проложил первую в России линию электромагнитного телеграфа длиной более 5 верст на территории Главного Адмиралтейства в Петербурге.

Шестистрелочный электромагнитный телеграф Шиллинга назывался так потому, что приемным устройством в нем служил сконструированный изобретателем сигнальный аппарат, состоящий из шести мультипликаторов с подвешенными на вертикальных шелковых нитях магнитными стрелками. Стрелки имели демпферы в виде пластинок, погруженных в сосуд со ртутью. В приемном устройстве находился еще один вызывной мультипликатор аналогичного устройства. Над каждой стрелкой на нити был закреплен легкий кружок, окрашенный с одной стороны в белый, а с другой - в черный цвет. Один конец каждой катушки мультипликатора присоединялся к соответствующему проводу телеграфной линии, а другие концы мультипликаторов, соединенные вместе, присоединялись к общему (обратному) проводу линии. Таким образом, телеграфная линия состояла из восьми проводов (шесть рабочих проводов к сигнальным мультипликаторам, один провод к вызывному мультипликатору и один общий провод).

Электромагнитный (шестистрелочный) телеграф П. Л. Шиллинга (1829 г.)

Передающий аппарат имел клавиатуру, состоящую из восьми пар черных и белых клавиш. Шесть пар основных сигнальных клавиш подключали гальваническую батарею через провода линии к сигнальным мультипликаторам. Одна пара была включена между батареей и обратным проводом. Последняя пара клавиш была соединена с вызывным мультипликатором. Телеграф работал таким образом, что при нажатии одной или нескольких основных клавиш, например, черного цвета и такой же обратной клавиши соответствующие кружки на приемном аппарате поворачивались к наблюдателю черной стороной. Нажатие белых клавиш поворачивало кружки белой стороной к наблюдателю. В положении покоя, когда токи через мультипликаторы не проходили, кружки были обращены к наблюдателю боковой стороной. При нажатии клавиш вызывного мультипликатора движение его стрелки на приемном аппарате воздействовало на спусковой механизм вызывного звонка.

Для своего шестистрелочного телеграфа П. Л. Шиллинг разработал очень простой код (для русского алфавита), который и с современных позиций может быть признан удобным, лаконичным и надежным. Чтобы передать каждую букву алфавита, требовалось нажать одну или две основные клавиши передающего аппарата (и такого же цвета общую клавишу). Цифры передавались по линии с помощью трех основных сигналов.

Работа шестистрелочного аппарата Шиллинга требовала линию из восьми изолированных проводов, создание которой было довольно сложной для того времени задачей. Предшествовавшие эксперименты Шиллинга с однострелочным телеграфом, имевшим всего один основной мультипликатор и линию с минимальным числом проводов, хотя и упрощали конструкцию телеграфной линии, однако, как считал Шиллинг, требовали более сложного кода. В однострелочном телеграфе буквы алфавита передавали несколькими последовательными сигналами. Например, букве «А» соответствовали одно отклонение кружков влево и одно отклонение вправо, букве «К» - три последовательных отклонения влево и т. д. Тем самым Шиллинг использовал своеобразный последовательный равномерный код, получивший распространение на более поздних этапах развития телеграфии. Однако изобретателю такой способ телеграфирования показался менее удобным, чем 6-стрелочный, и он от него отказался. История сохранила подлинные телеграфные шестистрелочные аппараты П. Л. Шиллинга. Они хранятся в Центральном музее связи в Ленинграде я в Политехническом музее в Москве. До нас дошло и составленное самим изобретателем описание его аппаратов, хранящееся в архиве Центрального музея связи [17].

После упомянутого доклада в Бонне в 1835 г. П. Л. Шиллинг передал профессору Гейдельбергского университета Г. Мунке комплект своей аппаратуры для демонстрации студентам на лекциях. По-видимому, из лекций Мунке о принципе действия телеграфов Шиллинга узнал отставной офицер Вильям Кук, который заинтересовался идеей электромагнитного телеграфирования и совместно с физиком Чарльзом Уитстоном организовал в 1837 г. компанию по постройке и эксплуатации телеграфов. Первые конструкции телеграфов Кука и Уитстона лишь незначительно отличались от предложенных Шиллингом. Впоследствии Куку и Уитстону удалось значительно улучшить конструкцию аппаратов, уменьшить число линейных проводов и добиться более надежной и эффективной работы аппаратов [18]. Телеграфы Кука и Уитстона применялись на английских железных дорогах. Они довольно длительное время были в эксплуатации, поначалу успешно конкурируя с появившимися позднее телеграфами Морзе. К сожалению, П. Л. Шиллингу не суждено было узнать о дальнейшем развитии его идей, и 1837 г. он скоропостижно скончался. Период 30-40-х годов XIX в. характеризуется быстрым развитием торговли и транспорта, широким распространением печати. Развитие телеграфии в этот период было особенно актуальным, и во многих странах велись работы в этой области.

Известны многие изобретения, которые также знаменуют начальный этап развития этой новой области электротехники. В России продолжателями работ Шиллинга были В. Кайданов и Б. С. Якоби. Во Франции известны работы по электромагнитной телеграфии Л. Бреге, в Германии - К. Гаусса, К. Штейнгеля и В. Вебера и, наконец, в Америке - С. Морзе,

Известный русский ученый, физик и электротехник, изобретатель многих электротехнических приборов и аппаратов Б. С. Якоби в 1840 г. предложил самозаписывающий электромагнитный приемный телеграфный аппарат с фиксацией сообщений на особой бумажной ленте электрохимическим способом. Однако этот аппарат не получил практического применения [19].

Б. С. Якоби изобрел также электромагнитный пишущий аппарат, в котором главным элементом был электромагнит с железным сердечником, приводивший в действие пишущее приспособление, оставлявшее ломаную линию на подвижном экране из белого матового стекла. Во время работы аппарата каретка с экраном с помощью часового механизма перемещалась по особым рельсам. Когда обмотка электромагнита была обесточена, грифель пишущего механизма находился в верхней части экрана, а при прохождении тока сдвигался в нижнее положение. Кроме того, каждое срабатывание электромагнита сопровождалось звонковым сигналом.

Борис Семенович Якоби (1801-1874 гг.)

К сожалению, точная дата создания пишущего телеграфа неизвестна. Считают, что он был построен не позднее 1841 г., когда была проложена телеграфная линия между зданиями Зимнего дворца и Генерального штаба в Петербурге [7, с. 136].

Основное преимущество пишущего телеграфа Якоби заключалось в том, что не требовалась многопроводная телеграфная линия. Однако, чтобы прочитать телеграмму, нужна была предварительная ее расшифровка. В дальнейшей своей работе изобретатель старался найти такой способ телеграфирования, чтобы телеграмму можно было прочесть без расшифровки. Ему удалось разрешить поставленную задачу, используя принцип прерывисто-шагового синфазного вращения стрелок в особом механизме, аналогичном механизму современных электрических часов.

В конце 1843 г. Б. С. Якоби сделал доклад в Петербургской академии наук о своем новом «стрелочном телеграфе». Приемный и передающий аппараты стрелочного телеграфа были устроены одинаково и имели циферблат с нанесенными по его окружности буквами алфавита и цифрами. Вращающаяся стрелка в центре каждого циферблата приводилась в движение пружинным или гиревым приводом. На оси каждой стрелки имелся храповик и особое контактное колесо, замыкавшее контакты при перемещении стрелки на каждое деление. Храповик позволял стрелке сдвигаться только на одно деление за каждое срабатывание от шагового электромагнита. Шаговые электромагниты приемного и передающего аппаратов соединялись в одну цепь последовательно с гальванической батареей посредством телеграфной двухпроводной линии. При каждом движении стрелки контактное колесо один раз подключало батарею через линию к шаговому электромагниту. При включении аппаратов (при условии, что стрелки на них находились в одинаковом положении) происходило синхронное прерывисто-шаговое движение стрелок до тех пор, пока на передающем аппарате стрелку не останавливали в каком-то положении. Для этого перед стрелкой вдвигали особый штифт, который прекращал замыкание контактного колеса, и ток через линию обрывался. Тогда стрелка на приемном аппарате также останавливалась точно в таком же положении, как и на передающем аппарате. Освобождение передающей стрелки вновь вызывало шаговое движение обеих стрелок до новой остановки передающей стрелки. В моменты остановок оператор на приемном аппарате записывал соответствующую букву или цифру. Таким образом, переданной считалась та буква или цифра, у которой оператор передающего аппарата вводил штифт, останавливающий стрелку. Перед началом работы стрелки синхронизировали, возвращая их в определенное исходное положение.

Пишущий телеграф Б. С. Якоби (1841 г.)

Б. С. Якоби создал несколько конструкций аппаратов с вертикальным и горизонтальным расположением стрелок. Вместо штифтов, которыми останавливались стрелки, он применил специальную клавиатуру, более удобную в работе [20]. Эти аппараты были надежны и безотказны, ими мог пользоваться любой человек, даже не имеющий специальных навыков. Кроме линии Зимний дворец - Главный штаб, где новые аппараты заменили предыдущие - пишущей конструкции, такие аппараты использовали и на новой линии Петербург - Царское Село. Во время военных маневров близ Нарвы в 1845 г. стрелочные аппараты с успехом применяли в армии [7, с. 189].

Стрелочный телеграфный аппарат Б. С. Якоби с вертикальным циферблатом (1843 г.)

Идея электроимпульсного шагового движения, заложенная в стрелочных аппаратах, была развита Б. С. Якоби и впоследствии воплощена в оригинальном буквопечатающем телеграфе, создание которого относится к 1850 г. В этом телеграфе в приемном аппарате одновременно со стрелкой двигалось особое «типовое» колесо, на поверхности которого имелись выпуклые литеры («типы»). Во время каждой остановки стрелки передающего аппарата к типовому колесу на приемном аппарате специальным печатающим электромагнитом прижималась бумажная лента и на ней отпечатывалась переданная буква. Затем ленту передвигали на одну позицию. Таким образом, переданная информация отпечатывалась буквами и цифрами на бумажной телеграфной ленте; изобретатель впервые осуществил автоматическую документальную запись передаваемых сообщений. Конструкция буквопечатающего аппарата Якоби отличается множеством остроумных инженерных решений. Этот аппарат своей оригинальностью и смелостью воплощенной технической мысли во многом опередил уровень техники своего времени [19, с. 22-25].

В начале XIX в. идея использования импульсных электрических токов, кодированных по длительности импульсов или по времени, завладела умами многих изобретателей различных стран. Во Франции в 1840 г. телеграфы стрелочного типа разработал Л. Бреге. В 1846 г. прусский офицер Вернер Сименс познакомился с конструкцией аппаратов Якоби и, пользуясь тем, что изобретение не имело патентной защиты, стал выпускать телеграфы аналогичной конструкции. Совместно с механиком И. Гальске он организовал телеграфную фирму, выросшую впоследствии в огромное европейское электротехническое предприятие.

К 1835 г. относятся первые опыты по электромагнитным телеграфам американского изобретателя, художника по профессии С. Морзе [21]. В это время он построил первую модель телеграфного аппарата, в котором электромагнит с железным сердечником под действием тока от батареи притягивал якорь и отмечал на бумажной ленте длинные и короткие черточки - кодовые отметки. С. Морзе пользовался электрическими импульсами различной продолжительности и разработал так называемый неравномерный код (азбука Морзе). Эта модель телеграфного аппарата не была удачной, но в 1837 г. изобретателю удалось построить удовлетворительно работающую аппаратуру. Передатчиком служил замыкатель (ключ Морзе), посредством которого оператор посылал в линию импульсы тока. На приемном аппарате электромагнит притягивал якорь, который с помощью грифеля отмечал на бумажной ленте знаки телеграфной азбуки. Лента двигалась непрерывно с помощью пружинного заводного механизма или гиревого привода.

Морзе удалось заинтересовать своим изобретением американское правительство, и уже в 1844 г. в США была построена телеграфная линия длиной 64 км между Вашингтоном и Балтимором. Через четыре года США уже имели телеграфные линии во всех, кроме одного, штатах к востоку от Миссисипи. В течение полувека телеграфы системы Морзе получили очень широкое распространение во всех странах мира, их выпускали многие промышленные предприятия. Применение неравномерного кода в виде точек и тире позволяло не только записьь вать телеграмму на ленту, но и осуществлять прием на слух, что было очень удобно при быстрых обменах информацией. Позже с появлением радиосвязи прием азбуки Морзе на слух стал одним из основных способов обмена.

Телеграфный аппарат С. Морзе (1837 г.)

На основе импульсного метода телеграфирования широко развилась буквопечатающая телеграфия. Кроме работ Якоби известны более поздние изобретения Д. Юза и Ж. Бодо. Однако все эти системы буквопечатающих телеграфов в своих основных чертах повторяли те конструктивные решения, которые сконцентрировал в своем аппарате в 1850 г. Б. С. Якоби [23].