Хаен Санчес Маркос

Поистине светлая идея. Эдисон. Электрическое освещение

Marcos Jaen Sanchez

Поистине светлая идея. Эдисон. Электрическое освещение

Наука. Величайшие теории: выпуск 39: Поистине светлая идея. Эдисон. Электрическое освещение. / Пер. с итал. — М.: Де Агостини, 2015. — 168 с.

Наука. Величайшие теории Выпуск № 39, 2015 Еженедельное издание

© Marcos Jaen Sanchez, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО “Де Агостини”, 2014-2015

ISSN 2409-0069

Введение

Имя Томаса Альвы Эдисона давно стало синонимом слова «изобретение». Оказавшись на переднем крае «коммуникационной революции», герой этой книги превратился в первого изобретателя, стяжавшего всемирную славу и ставшего легендой еще при жизни. Его образ также заботливо поддерживался прессой, превращавшей любое произнесенное им слово в афоризм.

Эдисона считали «волшебником» техники не только в родной стране, но и в Европе, и в конечном счете во всем индустриальном мире. Ему, в числе прочих, мир обязан стереотипом, согласно которому считается, будто на всей планете главное место, где совершается научный и технический прогресс, — это США. Данное мнение так или иначе до сих пор царит во многих умах. Эдисон и его последователи послужили всеобщему признанию мирового лидерства этой североамериканской страны в области промышленности и экономики, что придало ей достаточный вес в мире для того, чтобы в следующем столетии провозгласить себя арбитром в мировых политических делах.

В наше время историки науки подвергли ревизии и очистили от примесей мифы и легенды об Эдисоне, глубоко и критически пересмотрев распространенный взгляд на его дела и труды, поэтому сегодня гораздо легче отделить реальность от восторженных преувеличений и чистой выдумки, получив более точное представление о работе изобретателя. Таким образом, действительность предстает во всей своей чистоте, и можно сказать, что кроме обычного образа гения с «блестящими идеями», способного изменить жизнь людей вокруг него, фигура Эдисона интересна еще и с других сторон. Важность многих из его достижений для развития технологий и экономики, особенно в области электрического освещения и распределения электроэнергии, сравнима со значением самых великих открытий последних 200 лет, начиная с паровой машины и заканчивая интернетом. Влияние распространения электрических сетей, которые спроектировал Эдисон помимо своей знаменитой лампочки накаливания, было одним из важнейших факторов, приведших к переходу от индустриальной эры с ее «визитными карточками» — паром и углем — к эпохе постиндустриальной, где электричество (наряду с нефтью, легированными сплавами и двигателями внутреннего сгорания) создает «лицо» XX века. Следы той эпохи видны в нашей жизни и сейчас, хотя для нынешнего времени характерно развитие электронных устройств.

Вклада Томаса Альвы Эдисона в телеграфию — то есть создания автоматического телеграфа, а также дуплексного и квадруплексного телеграфа — уже было бы достаточно, чтобы специалисты признали его изобретателем самых важных электрических приборов своего времени. Однако, рассматривая изобретения Эдисона, мы получаем еще одну интересную возможность — больше узнать о самом феномене изобретательства, о его организации и о связях изобретений с их социальным, политическим и экономическим контекстом. Изучая детали процесса, с помощью которого Эдисон и его команда решили проблему внедрения практичной системы электрического освещения и функциональных сетей распределения электроэнергии, можно открыть принципы исследования и разработки, с того времени и до наших дней остающиеся магистральным путем технологических инноваций.

Блестящие успехи начального периода карьеры Эдисона дали изобретателю необходимые средства для постройки в небольшом городке Нью-Джерси единственной в своем роде лаборатории, первого «конструкторского бюро» в мире. В быстро ставшей легендарной лаборатории Менло-Парка Эдисон и группа его верных сотрудников создали, по его словам, настоящую «фабрику изобретений», отвечающих требованиям общества. Именно там свет увидели первые работающие и пригодные к продаже версии телефона и фонографа. Тем не менее это место больше знаменито как арена борьбы за разрешение проблемы, известной в то время как «распределение света», то есть задачи устройства и дистрибуции электрического освещения.

Усилия Менло-Парка по производству надежно работающей лампы накаливания вылились в длительные поиски подходящих для этого материалов и в то же время в упорную борьбу Эдисона с недоверием инвесторов, которые ожидали от него таких же быстрых и внушительных результатов, какие он демонстрировал ранее. Изобретатель вынужден был вложить в дело собственные сбережения, и в конце концов ему удалось разработать и успешно запустить систему электрического освещения на основе лампочки с нитью накаливания. Однако он допустил серьезную ошибку, настаивая на использовании в своей системе постоянного тока, хотя множество аргументов в пользу переменного тока ему предъявляли его же собственные эксперты. С другой стороны, не стоит забывать, что хотя изучение электричества во всех его проявлениях занимало большую часть времени изобретателя, Эдисон интересовался и другими отраслями промышленности. Он занимался производством цемента и химических реактивов, электромагнитной сепарацией железа. Кроме того, Эдисон внес значительный вклад в производство аккумуляторов для автомобилей. Несмотря на это, в данных областях ему не удалось добиться такой же лидирующей позиции, как в той сфере изобретений, где он более всего известен. Образ идеального изобретателя, которым представляется фигура Эдисона, служит не только для подтверждения непосредственной важности продвигаемых им технологий. Он выявляет и еще одну интересную особенность, объясняющую то, почему к персонажу этой книги приковано такое внимание. В ходе исследований Эдисон скрупулезно записывал все этапы своей работы. Когда в конце 1870-х годов перед ним встала фундаментальная задача развития электрического освещения и энергетической сети, рабочая документация, которая велась в лаборатории, была уже привычным элементом работы его команды. Поэтому сегодня у нас есть задокументированная история целой эпохи инноваций — неоценимая возможность глубже понять истоки нынешней цивилизации, основанной на технологиях.

В то же время изучение данного периода истории позволяет внимательнее рассмотреть процесс изобретения и факторы, на него влияющие. Они являются столь же важными как для разработки и применения, так и для самих исследований. Мы увидим это на примере с электроэнергией. Не приняв во внимание тесную связь между техническим развитием и развитием человечества, невозможно прийти к настоящему пониманию идеи прогресса. Записи, которые вел Эдисон в Менло-Парке и на своих предприятиях, представляют схематическое отображение того, что сейчас называется «научно-исследовательским процессом». Осознавая свою зависимость от инвесторов, Эдисон использовал грандиозную кампанию по поиску материалов, пригодных для применения в лампе накаливания, стремясь к достижению еще одной цели: изучить новые способы организации изобретательской деятельности. Сам он в дальнейшем использовал полученные уроки для создания исследовательского комплекса в Вест-Оранже (штат Нью-Джерси), где изготовил, среди прочих изобретений, кинетоскоп. Но еще более важно то, что весь этот «капитал знаний», собранный в записных книжках, письмах, патентах и других документах, впоследствии пригодился для создания самых больших креативных компаний в мире.

Точно так же работа Эдисона с 1878 по 1882 год, когда он запустил свою первую коммерческую электростанцию на нью- йоркской улице Перл-Стрит, предопределила широкий ряд современных технологий. Эдисон быстро осознал, что нужно развивать в целом всю систему электрического освещения. И в ходе данного развития — как видно из документов — это абстрактное осознание превратилось в глубокое понимание процесса создания сложных технологических систем. Впоследствии человечество увидит становление систем гораздо более масштабных и сложных, и еще придет черед для экономических инструментов, при взгляде на которые предпринимательская деятельность Эдисона покажется мелкой, однако своими усилиями он оказал огромное влияние на наше будущее.

Даже сегодня судьба Эдисона является примером жизни американского героя: как из-за истории восхождения изобретателя от нищеты к богатству, так и из-за преодоления им невежества на пути к гениальности. После Эдисона осталось более тысячи патентов, выданных на его имя, хотя, если не считать фонографа, нельзя сказать однозначно, какие из изобретений были полностью его творением. Сам Эдисон без колебаний признавал, что главный его талант заключался в умении распознавать, в каких изобретениях есть потребность, и убеждать инвесторов вложить деньги в производство, пока он сам искал способы произвести их или — что случалось чаще — находил кого-то, способного ему в этом помочь. Детально разобраться в работе Эдисона и его соратников, стремившихся разрешить всевозможные технические и предпринимательские проблемы при создании своих изобретений,— это первый шаг в увлекательной экспедиции по изучению истории инновационных (как принято называть их сегодня) технологий.

1847 В Майлене, штат Огайо, родился Томас Альва Эдисон.

1853 Семья Эдисонов переезжает в Порт- Гурон, штат Мичиган.

1859 Эдисон работает продавцом газет на железнодорожной станции Гранд- Транк.

1862 Получает специальность телеграфиста. Во время Гражданской войны работает телеграфистом, объездив большую часть США.

1869 Первый патент: автоматический счетчик голосов. Оставляет работу в компании «Голд энд Сток Телеграф», чтобы основать собственную фирму — «Поуп, Эдисон и Ко».

1870 Открывает первую лабораторию в Ньюарке, штат Нью-Джерси.

1871 Изобретает универсальный печатный аппарат для биржевых котировок и женится на Мэри Стиллвелл.

1872-1874 Разрабатывает автоматический телеграф и квадруплексный телеграф 1876 Основывает легендарную лабораторию в Менло-Парке, штат Нью- Джерси.

1877 Совершенствует телефон Белла, применив в нем угольный микрофон, и изобретает фонограф с цилиндром, покрытым оловянной фольгой.

1878 Начинает работы над «распределением света».

1879 Появление первой лампы накаливания, способной работать более 40 часов. Первая публичная демонстрация системы электрического освещения в Менло-Парке.

1880 Эдисон патентует лампочку накаливания с угольной нитью.

1882 Введена в эксплуатацию первая в США электростанция на улице Перл-Стрит, Нью-Йорк.

1883 Получен патент на лампочку с «эффектом Эдисона».

1884 Умерла Мэри. Спустя два года Эдисон женится на Мине Миллер.

1887 Эдисон создает большой исследовательский комплекс в Вест-Оранже (штат Нью-Джерси), где дорабатывает свой фонограф.

1888-1892 Команда Эдисона работает над кинетоскопом. Первые кинематографические съемки в студии « Черная Мария» с помощью «кинетографа» — кинокамеры.

1893 Мировая премьера кинетоскопа.

1927 Эдисон отдает правление своей фирмой в руки сыновей Чарльза и Теодора.

1931 Смерть Эдисона 18 октября в его резиденции в Глемонте, Вест-Оранж.

ГЛАВА 1

Легенда о вундеркинде

Миф об изобретателе Эдисоне состоит из набора известных историй, призванных объяснить будущую блестящую судьбу героя, хотя большинство из них не имеют отношения к действительности. И все же можно установить основные события его детства: он родился в североамериканском пограничье в семье пионеров.

Семья обеднела из-за постройки железной дороги, так что Томас вынужден был работать с детских лет, а учиться ему пришлось самостоятельно и урывками: будущий изобретатель поставил себе цель завоевать новый мир, в котором царствуют технологии.

Томас Альва Эдисон родился 11 февраля 1847 года в американском городке Майлен (штат Огайо), на берегу реки, вытекающей из озера Гурон. Это была золотая эра плаваний по каналам Великих Озер на территории, граничащей с Канадой, в то время еще британской колонией. Томас стал седьмым сыном в браке Нэнси Элиот и Самуэля Огдена Эдисона. Его мать (1810-1871), происходившая из англо-шотландской семьи, до замужества работала школьной учительницей. Она была женщиной с характером, весьма умной и увлекающейся науками, несмотря на строгое религиозное образование, полученное от отца, баптистского проповедника. Семья Элиотов эмигрировала из Коннектикута в Канаду после американской войны за независимость (1775-1783) в поисках лучшей жизни. Прадед Элиот сражался под командованием генерала Джорджа Вашингтона в рядах Континентальной армии — ополчения, сформированного тринадцатью североамериканскими колониями, впоследствии превратившимися в Соединенные Штаты Америки.

Самуэль Огден Эдисон (1804-1896) происходил из семьи, среди членов которой были представители совершенно разных политических взглядов. Прадед Томаса Альвы бежал в Канаду, так как был приговорен к виселице за свои симпатии к англичанам во время войны за независимость. Его сын пошел по стопам своего отца и служил капитаном в английской армии во время войны против США 1812 года.

Сам же Самуэль Огден принял участие в восстании против преданного монархии правительства Канады, из-за чего ему пришлось, спасая свою жизнь, бросить семью и бежать в США. Эдисонам удалось вновь соединиться в Майлене, где они достигли процветания и — в известной степени — спокойствия, потому что пограничные конфликты между Канадой и США в то время пошли на убыль и вся область переживала экономический бум. Городок лежал на пути переселенцев, двигающихся с Востока на Запад, здесь останавливались дилижансы, полные золотоискателей и семей, отправившихся на поиски новой жизни. Кроме того, это был один из важнейших хлебных портов страны: по каналам на пароходах и парусниках зерно везли до озер Гурон и Эри, а дальше до самого Нью-Йорка. Отец Томаса Альвы обладал коммерческой жилкой и был полон предпринимательского духа. Когда родился его седьмой сын, он управлял лесопилкой, где вместе с ним работал канадский лесоруб, приплывший по морю к своему американскому другу, по имени Альва Бредли, в честь которого ребенок и получил свое второе имя. У Ала — как звали в детстве Эдисона — были красивые голубые глаза, круглое лицо и необыкновенно большая голова. Соседи считали его трудным ребенком, потому что он постоянно выкидывал разные штуки. Например, в возрасте шести лет Томас поджег амбар, «чтобы посмотреть, что будет», после чего чуть не сгорел весь городок. Отец называл его «маленьким занудным вопрошателем», потому что мальчик не переставая задавал разные вопросы, которые Самуэлю казались бессмысленными.

ПРИШЕСТВИЕ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Благополучие семьи Эдисонов кончилось неожиданно, как и процветание всего Майлена, — это случилось в 1853 году, когда по берегу озера Эри провели железную дорогу. Опасаясь нового вида транспорта, власти города решили, что линия должна обойти Майлен стороной. Очень скоро выяснилось, насколько серьезную ошибку они допустили: вместе с поездами в обход города пошел и поток грузов. Самуэль Огден Эдисон не смог больше продолжать свою деятельность, и его семья начала стремительно скатываться в нищету. Надо было начинать все с нуля, и Эдисоны переехали в Порт-Гурон — портовый город, процветающий благодаря значительным запасам дров, угля и соли.

Семья переживала трудные времена. Именно тогда маленький Ал заболел скарлатиной, из-за чего стал терять слух. Одним из осложнений болезни мальчика было плохо залеченное воспаление среднего уха. В восемь лет Эдисон пошел в школу Порт-Гурона, где, как говорят, из-за слабого слуха и рассеянного внимания слыл последним учеником. Через три месяца его учитель решил, что нет смысла тратить на него время. Очевидно, оскорбленная мать забрала сына из школы и стала заниматься с ним дома. Мальчик демонстрировал большую тягу к знаниям и к девяти годам уже был заядлым читателем, хотя и в своеобразном стиле: его не слишком интересовали орфография и грамматика — дисциплины, к которым он будет равнодушен и когда станет взрослым.

Свое истинное призвание Эдисон открыл, когда мать подарила ему книжку о началах физики и химии, озаглавленную «Школьный сборник естественной и экспериментальной философии» педагога и популяризатора науки Ричарда Грина Паркера (1798-1869). Томас заперся в подвале и поставил там все опыты, которые описал автор. Многочисленные эксперименты, которые он проводил в детстве к неудовольствию родных, основывались на этой книге. В возрасте И лет юный Эдисон взялся за постройку домашнего телеграфа и научился бегло пользоваться азбукой Морзе. Он протянул телеграфную линию почти на километр от своего дома до дома своего друга с помощью стальной проволоки, пропущенной через дымовую трубу. В качестве прерывателя тока Томас использовал куски бронзы, а электрические батареи сделал сам. Похоже, все устройство функционировало без каких-либо проблем.

Когда Эдисону исполнилось 12, финансовое положение семьи заставило его пойти работать. Он начал свою трудовую деятельность на железной дороге, продавая газеты и бутерброды пассажирам поезда, следующего в Детройт. Поезд отправлялся из Порт-Гурона каждый день в 7:00 утра и прибывал в Детройт в 10:00. Так как обратный поезд отправлялся в 16:30, у мальчика было шесть с половиной свободных часов в Детройте, которые он проводил, ходя по магазинам и мастерским, а также читая книги в публичной библиотеке. Именно там он увлекся Виктором Гюго и прочитал фундаментальный труд Исаака Ньютона (1642-1727) «Математические начала». Ньютоновская физика, как впоследствии утверждал Эдисон, вызвала у него отвращение к математике, которое не покидало его всю оставшуюся жизнь. Главным талантом Эдисона было формулировать концепцию изобретения или, лучше сказать, понимать, как его можно реализовать и где найти специалистов, способных это сделать, пока сам он занимался поиском меценатов и убеждал их финансировать его проекты.

Единственный способ чего-нибудь добиться — это попробовать.

Томас Альва Эдисон

О работе Эдисона на железной дороге сохранилось множество историй, но одна из них оказалась решающей для его будущего. В конце 1862 года Ал заметил, что двухлетний сын Джеймса Маккензи, начальника станции Маунт-Клеменс, слишком близко подошел к путям перед приближающимся поездом. Мальчик со всех ног кинулся к маленькому ребенку и вытащил его почти из-под самого паровоза. Маккензи в знак признательности обучил Эдисона специальности телеграфиста и пообещал найти ему работу. Это был лучший подарок из всех, которые он мог сделать, потому что в 1861 году началась война за отделение южных штатов, и телеграфисты-операторы внезапно стали самыми востребованными специалистами.

Как и многие мальчишки его времени, Ал восхищался телеграфом, считая его величайшим изобретением в истории человечества. Он изводил станционных телеграфистов бесконечными вопросами, пытаясь понять, как с помощью электричества можно передавать сообщения по проводам. Но телеграфисты мало чем могли помочь Томасу, так как даже серьезные ученые того времени не могли похвастаться хорошим пониманием предмета, ведь оно подразумевало знания о строении атома и природе электрического заряда. Мальчик выяснил, что частичная глухота не мешает ему слышать зуммер телеграфа: напротив, она даже давала ему преимущество, позволяя ясно воспринимать сигнал передачи, не отвлекаясь на посторонние шумы. Возможно, под влиянием матери он никогда не воспринимал слабость своего слуха как недостаток: напротив, это помогало ему сконцентрироваться на чтении или опытах, повышая его внимательность.

«УИКЛИ ХЕРАЛЬД»

Работая на железной дороге, Эдисон заинтересовался типографским делом и журналистикой. Он купил маленький устаревший печатный пресс и начал выпускать в почтовом вагоне что-то вроде местной газеты под названием «Уикли Херальд»(«Еженедельный вестник») — первое в мире издание, печатающееся в поезде. Газета была маленькой по формату, не больше носового платка, и состояла из одной страницы. В ней писали об изменениях в железнодорожном расписании, помещали местные новости и объявления дирекции железной дороги. Иногда в этом листке появлялись и новости, пришедшие «по проводу», потому что у Эдисона были друзья среди станционных телеграфистов, которые сообщали ему различные сведения до того, как те появлялись в «серьезных» газетах. Он был сам себе журналистом, корректором, печатником и продавцом. Как следствие, публикации страдали стилистическим несовершенством, орфографическими ошибками и плохим качеством печати. Говорят, что он бросил это дело после того, как стал помещать в листке сплетни, из-за которых возникли конфликты с затронутыми ими людьми.

К 16 годам, приобретя определенный опыт работы с телеграфом и с азбукой Морзе, Эдисон решил попробовать себя в качестве «бродячего телеграфиста», странствующего по истерзанной кровавой Гражданской войной стране. За пять лет он исколесил тысячи километров по всей территории США и Канады, живя в съемных чуланах и превращая их в мастерские-лаборатории. Охваченный желанием раскрыть тайны электричества, Эдисон много времени посвящал чтению старых номеров Scientific American, записывая на бумаге приходящие ему идеи и строя электрические цепи. Родня будущего изобретателя с опаской наблюдала за его страстью к разнообразным железкам, проводам и клеммам, которыми постоянно были набиты карманы Томаса, хотя временами, когда возникала какая- нибудь техническая проблема, они оказывались полезными.

В эти годы Эдисон, работая телеграфистом в печатных изданиях, познакомился с серьезными журналистами и издателями, например с главой агентства «Ассогииэйтед Пресс». Кроме того, Томас разработал систему свободной записи сообщений типографскими буквами, что невероятно облегчило чтение телеграмм. Работая в своем телеграфном офисе в Индианаполисе, он изготовил своего рода ретранслятор электрических сигналов, который отправлял сообщения с помощью синхронизированных старых кодификаторов Морзе. Телеграммы можно было получать со скоростью 50 слов в минуту и отправлять со скоростью 25 слов в минуту. У изобретателя не было ни времени, ни денег на то, чтобы развить свои идеи, но он приобрел известность как телеграфист и талантливый телеграфный техник. В 1867 году Эдисон решил, что наступило время найти себе стабильную работу в крупном телеграфном агентстве: хорошая зарплата позволила бы ему помогать родителям, а также заниматься своими проектами. Телеграф должен был послужить пропуском в лучшую жизнь.

ТЕЛЕГРАФИЯ: СОЮЗ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИИ

В середине XIX века западный мир вступил в эпоху неудержимой индустриализации, основы которой были заложены на полвека ранее и которая продолжалась затем еще полвека. Изобретение телеграфа стало одним из первых практических применений электричества.

Мать Эдисона, Нэнси Элиот, лично занималась его образованием. Книга о физике и химии, которую она подарила ему, помогла Эдисону найти свое призвание.

Фотография юного Эдисона в те времена, когда он работал продавцом газет.

Дом Эдисонов в Майлене, штат Огайо.

Первые телеграфные провода протянулись по тем линиям, которые уже были намечены раньше: вдоль железных дорог, использующих паровую тягу. И те и другие бурно распространялись, покрывая все большие пространства своими сетями, сокращая, как казалось, расстояния и изменяя при этом такие категории, которые в течение веков оставались практически незыблемыми — время и скорость.

О статическом электричестве было уже давно известно, но его использование оставалось весьма ограниченным. Такое электричество невозможно было генерировать и передавать в достаточном количестве и в достаточной мощности, чтобы оно смогло приводить в движение какие-нибудь устройства. То есть для практического применения статическое электричество было непригодно, оставаясь до того времени исключительно лабораторным явлением. Изобретенная в 1745 году двумя профессорами — немцем Эвальдом Георгом фон Клейстом (1700-1748) и голландцем Питером ван Мюссенбруком (1692-1761) — «лейденская банка» представляла собой первый электрический конденсатор, с помощью которого можно было накапливать большое количество энергии в виде статического заряда.

В 1753 году в журнале «Скоте Мэгазин» вышла статья о телеграфии, подписанная «аноним», автором которой был, по всей видимости, шотландский физик Чарльз Моррисон. Она содержала подробное описание первого телеграфного аппарата, основанного на статическом электричестве. Система состояла из стольких пар металлических проводов, сколько букв насчитывается в английском алфавите, то есть 26 пар изолированных друг от друга проводов. Каждая пара заканчивалась шариком, вырезанным из сердцевины бузины, который, электризуясь, притягивал листок с изображением соответствующей буквы, когда на другой конец проводов подавался электрический разряд, вырабатываемый электростатической машиной. Телеграф Моррисона являлся весьма несовершенным механизмом: он был способен передавать сообщения лишь из одной комнаты дома в другую — из-за малой мощности и плохой управляемости статического электричества. Во второй половине XVIII века и в начале следующего столетия многие исследователи предпринимали попытки передавать сообщения с помощью электрического сигнала, идущего по проводам.

ЭЛЕМЕНТ ВОЛЬТА

Заинтересовавшись открытиями, сделанными в 1791 году анатомом Луиджи Гальвани (1737-1798) и связанными с электрическими импульсами в мышцах животных при их контакте с разными металлами, Вольта решил, что причина кроется в протекающей в мышечных тканях определенной химической реакции. Он начал свои эксперименты с поисков комбинаций веществ, вырабатывающих электричество. Вольта ставил опыты с различными сочетаниями металлов, обеспечив контакт между ними не через мышечные ткани, а через различные растворы. Ученый помещал металлические элементы в банки с раствором поваренной соли или кислотой. Чтобы жидкость не разливалась, банки он заполнял чередующимися дисками из меди и цинка, которые разделялись пропитанными электролитом дисками из картона или войлока. Вольта открыл, что такие пачки-батареи дисков производят непрерывный электрический ток благодаря протекающей в электролите (жидком элементе) окислительно-восстановительной реакции, при которой электроны от электрода-восстановителя переходят к электроду-окислителю. Гальванические батареи стали первым в истории устройством, вырабатывающим электрический ток.

Электростатические генераторы производили электричество путем трения (например, кожи о стекло), но они не могли выработать достаточное количество энергии для использования ее в промышленных целях. По этой причине требовалось найти способ надежной и постоянной генерации электричества.

РИСУНОК 1: Эффект Эрстеда.

Когда компас помещают возле провода, по которому течет электрический ток, его стрелка отклоняется и принимает положение, перпендикулярное проводу.

РИСУНОК 2: Ампер открыл, что намотанный на цилиндрическую катушку провод, по которому пропущен ток, ведет себя как магнит. Катушка с обмоткой из изолированного провода называется соленоидом.

Появление электрической батареи Алессандро Вольты (1745-1827) в 1800 году дало новый импульс электрической телеграфии. Батарея Вольты производила постоянный электрический ток, в первых моделях — низкой мощности, но в количестве значительно большем и в гораздо более удобном для использования виде, чем статическое электричество, применявшееся ранее. Сразу же такие батареи стали основным источником электричества для ученых и изобретателей. Тем не менее, чтобы сконструировать полностью работоспособную телеграфную систему связи, необходимо было сделать еще несколько важных научных открытий. Как только стал доступен эффективный источник энергии, возникла еще одна проблема: при передаче электричества часть его терялась, проходя по проводнику. Ее решение стало намечаться, когда английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) обнаружил потери электроэнергии в виде выделения тепла. Но даже и после открытия этого эффекта науке и технике не сразу удалось справиться с его негативными последствиями.

И вот в 1811 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) открыл явление, свидетельствующее об определенной связи между электричеством и магнетизмом: протекающий по проводнику электрический ток отклонял стрелку компаса, которая представляла собой не что иное, как магнит (см. рисунок 1). Француз Андре-Мари Ампер (1775-1836) продолжил исследования Эрстеда. Он обнаружил, что провод, через который проходит электрический ток, ведет себя подобно магниту: два параллельных провода, через которые ток протекает в одном направлении, притягиваются, а если ток в них течет в противоположных направлениях, то они отталкиваются. Французский ученый выяснил, что провод, намотанный на цилиндрическую катушку, по которому пропущен электрический ток, ведет себя как намагниченный брусок: он притягивает или отталкивает намагниченные предметы (см. рисунок 2). Все особенности магнитных явлений могут быть объяснены с помощью взаимных сил, возникающих при движении электрических зарядов.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Когда электрический ток протекает по проводу, он создает вокруг себя магнитное поле, однако поле, возникающее вокруг одиночного проводника, довольно слабое (А). Если обмотать провод вокруг катушки, то количество линий магнитного поля возрастает, так что поле получается более интенсивным (В).

Магнитное поле становится еще более сильным, если внутрь катушки поместить железный стержень (С).

В 1825 году экспериментатор в области электричества Уильям Стёрджен (1783-1850) изобрел электромагнит. Его новаторская идея состояла в том, чтобы взять кусок железа в форме подковы и обмотать его проволокой. Когда через обмотку пропускался ток, индуцируемое железом магнитное поле могло поднять вес в 20 раз больше, чем вес самого устройства. Если ток прекращался, магнитные свойства исчезали. Стёрджен регулировал мощность своего электромагнита путем изменения силы тока. Таким образом, это стало первым опытом по применению электрической энергии, способной выполнять контролируемую работу. Изобретение электромагнита в дальнейшем не только открыло дорогу телеграфу, но и дало возможность построить электродвигатель и множество других устройств, на которых основывались технологии последующих лет.

ДЖОЗЕФ ГЕНРИ

Американский ученый Джозеф Генри (1797-1878) открыл электромагнитную индукцию, опираясь на опыт датчанина Эрстеда, лишь затем, чтобы вскоре узнать, что англичанин Майкл Фарадей опередил его всего на несколько месяцев. Электромагнитная индукция заключается в том, что изменяемое магнитное поле создает электродвижущую силу и в состоянии привести в движение электрические заряды. В 1831 году, когда Фарадей использовал это явление при создании первого в мире электрического генератора, Генри довел свои опыты до логического конца, явив миру противоположный по отношению к изобретению его коллеги прибор — электродвигатель. В жизни Фарадея и Генри прослеживалось и много других параллелей: оба они происходили из бедных семей и оба рано пошли работать, вынужденно оставив учебу. Тем не менее они пробили себе дорогу благодаря своим способностям и таланту. В честь Генри в Международной системе единиц названа единица индуктивности «генри». Один генри (Гн) определяется как электрическая индуктивность в замкнутом контуре, в котором создается электродвижущая сила, равная 1 вольту, когда электрический ток, проходящий через контур, изменяется со скоростью 1 ампер в секунду.

Около 1825 года американский ученый и изобретатель Джозеф Генри усовершенствовал электромагнит Стёрджена, использовав железную проволоку с изоляцией, что позволило наматывать ее гораздо плотнее и увеличивало количество витков без риска вызвать короткое замыкание. Так он увеличил силу магнитного поля и тем самым мощность электромагнита. Кроме того, важным элементом стало реле, которое Генри изобрел несколько позднее (см. рисунок 3). Комбинация этих двух компонентов позволила ему создать первую работающую систему электрической телеграфии.

Реле — это электромеханическое устройство, используемое как размыкатель электрического контура. С помощью электромагнита оно приводит в действие контакты, которые позволяют замыкать и размыкать электрические цепи. Генри применил реле в своем телеграфе для преобразования входного сигнала низкой мощности в новый сигнал. Таким образом стало возможным отправлять на большие расстояния сообщения, составленные из цепочки электрических импульсов. Это произошло в начале 1830-х годов.

Электромагнитное реле Джозефа Генри в двух разных положениях.

ТЕЛЕГРАФ МОРЗЕ

Как случалось во многих областях техники во время промышленной революции, многочисленные изобретатели из разных стран работали параллельно друг с другом над развитием эффективных систем электрической телеграфии. В годы, последовавшие за изобретением Генри, появилось множество других похожих изобретений, которые не работали. В этот период новаторской лихорадки первый, кто публиковал свои научные изыскания, тем самым устанавливал свое авторство, и в то же время тот, кто первым получал патент на изобретение, владел всеми правами, дававшими экономические выгоды. Джозеф Генри, который в 1831 году изобрел телеграф, не хотел патентовать его, считая, что любое знание должно свободно распространяться по миру. И только Самуэль Финли Морзе (1791-1872), взяв для этого кредит, изготовил первую надежно работающую модель телеграфа в 1844 году. Он воспользовался помощью Генри, предоставленной ему без колебаний, — помощью, которую Морзе нехотя вынужден был принять.

Морзе не являлся ни ученым, ни изобретателем: он был художником — пейзажистом и портретистом — с определенным интересом к науке, и постепенно его захватила страсть к электричеству. Когда он учился в Йельском университете, то заметил, что при размыкании электрического контура, по которому течет ток, возникают искры в прерывателе, и задумался о том, как этот эффект можно использовать для коммуникации.

В своем путешествии по Европе с 1829 по 1832 год Морзе познакомился с последними достижениями в области электрической телеграфии, а на обратном пути из Лондона в Нью-Йорк придумал собственную систему. Он слышал о работе, которую англичанин Фарадей опубликовал об индукции, и в своем долгом плавании на пароходе через Атлантику нашел способ применения нового элемента — электромагнита. Морзе не знал, что Джозеф Генри уже использовал его в своей модели телеграфа. В январе следующего года он устроил первую публичную демонстрацию своего прибора. В возрасте 41 года Морзе оставил живопись и полностью посвятил себя экспериментам, чтобы сконструировать телеграф, который можно было бы использовать с коммерческой выгодой, и привлечь к своим работам внимание публики и правительства. Для достижения этой цели требовалась помощь специалиста.

АЗБУКА МОРЗЕ

Сигналы азбуки Морзе состоят из комбинаций точек и тире, с помощью которых обозначаются все буквы алфавита и цифры.

Чтобы разработать ее, Морзе и Вейл взялись за детальное изучение английского языка. Буквам, используемым в этом языке чаще других, они присвоили более короткие сочетания символов, а встречающимся реже — более длинные. Однако нынешняя система довольно сильно отличается от первоначальной.

Из-за особенностей конструкции первого телеграфа Морзе при передаче невозможно было произвести длинные импульсы, так что тире изображалось двумя точками, интервал между которыми был больше обычного. Например, буквы о и i кодировались двумя точками каждая, а отличались длиной пробела между ними: более длинный в «о», и более короткий в «i» Уже в XIX веке европейские операторы считали, что изначальный код Морзе провоцирует слишком много ошибок, и стремились усовершенствовать его. Таким образом, нынешняя система сигналов, состоящих из очень кратких импульсов и импульсов чуть длиннее, была принята уже после Морзе и имеет европейские корни. В сегодняшнем коде одно тире равно по длительности трем точкам, пробел между сигналами одной буквы равен точке, пробел между двумя буквами равен трем точкам, то есть одному тире, а пробел между двумя словами — пяти точкам.

Таким экспертом стал Альфред Л. Вейл (1807-1859), приглашенный Морзе в качестве компаньона, — они оба вложили в дело свои собственные средства. Вейл помог Морзе оформить его идеи, и вместе они сконструировали телеграфную систему, которая вскоре была принята во всем мире из-за своей простоты и легкости в управлении. Даже изобретение, до сих пор носящее имя Морзе, то есть азбука из точек и тире, на самом деле является плодом сотрудничества двух компаньонов. В эти годы изобретатель часто общался с Генри и внимательно следил за результатами его работ в данной области. Морзе долго не удавалось заручиться поддержкой для проводки телеграфных линий в США, но в конце концов он добился того, что Конгресс одобрил проект закона, по которому на постройку телеграфной линии длиной 60 км выделялись 30 тысяч долларов.

Наконец, 24 мая 1844 года Морзе послал из Верховного суда США (Вашингтон) в Балтимор (Мэриленд), где в этот момент находился Альфред Вейл, свое первое знаменитое сообщение, цитату из Библии: What hath God wrought («Что сделал Бог»). Правительство одобрило принятие телеграфа Морзе.

Схема ключа телеграфа Морзе. А: связь с одним из проводов линии, подсоединенным к рычагу. В: контакт, замыкающий контур на приемном аппарате. С: контакт, направляющий электрический ток в линию. О: пружина, удерживающая ключ в незамкнутом состоянии.

Данная система имела ряд преимуществ по сравнению с альтернативами, появившимися примерно в это же время. Хотя некоторые конкурирующие модели превосходили телеграф Морзе по скорости передачи или не нуждались в последовательной передаче, у них имелись другие проблемы: например, они генерировали много ошибок или же были сложны в использовании. После разработки кодировки (с ее небольшими улучшениями в дальнейшем) система Морзе оказалась самой простой и эффективной.

Телеграфный аппарат Морзе в общем состоял из двух элементов: ключа и приемника. Ключ (см. рисунок 4) представлял собой металлический рычаг с точкой опоры, связанной с одним из проводов линии, качающийся между двумя контактами. Один из них был связан с другим проводом линии через батарею, а другой соединен с приемником собственной станции. Пружина удерживала рукоятку рычага в верхнем положении, замыкая контур приемника. Когда оператор приводил в действие рычаг, приемник оказывался выключенным из цепи другим контактом. Таким образом на другую станцию направлялся электрический импульс, регистрируемый ее приемником. На ключ надо было давить в вертикальном направлении, нажимая на рукоятку. Скорость операторов могла достигать 20-25 слов в минуту, они работали без перерыва максимум полчаса, после чего делалась пауза: такую деятельность часто сопровождали боли в плече и предплечье, которые, бывало, становились постоянными, особенно это касалось проблем с сухожилиями.

Приемник телеграфа Морзе работал следующим образом. Когда на ключ (М) передающей станции давили, замыкался электрический контур, который связывал передающую станцию с принимающей — обе были заземлены (Т). Ток проходил из батареи (В) передающей станции по линии передачи (L) до электромагнита (Е) принимающей станции. Электромагнит притягивал металлическую деталь, на конце которой находилась игла (Р), так что она придавливала бумажную ленту (С) к ролику, смоченному чернилами (RI). Бумажная лента протягивалась специальными валиками (RA) таким образом, что в зависимости от длительности импульса на ленте оставалась точка или тире.

Приемник представлял собой еще один рычаг (см. рисунок 5). Возле него был электромагнит, а на его конце располагалась игла, которая в пассивном состоянии находилась на очень маленьком расстоянии от бумажной ленты, намотанной на барабан, приводившийся в движение часовым механизмом. Когда электромагнит (соединенный с линией при разомкнутом положении ключа) получал электрический импульс, он притягивал рычаг, что изменяло положение иглы. Она опускалась на бумажную полосу и придавливала ее к смоченному чернилами ролику. На полоске оставался след, длина которого зависела от длительности импульса: так получались точки, тире и пробелы между ними.

Телеграфная связь стала большим бизнесом. Она заменила курьеров, посыльных, почтовые клиперы и вообще все средства связи, которые предполагали физическое перемещение сообщения. Так как создание крупных телеграфных сетей требовало титанических вложений, то в конце концов дело оказалась в руках огромных корпораций, и прежде всего главного гиганта в этой области — компании «Вестерн Юнион Телеграф», которая возвращала свои инвестиции, получая деньги от пользователей телеграфа. После долгой истории исследований, проб и ошибок информацию, наконец, можно было передавать по проводам на большие расстояния практически мгновенно.

ПЕРВОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ ЭДИСОНА: СЧЕТЧИК ГОЛОСОВ

Конец Гражданской войны принес с собой экономический бум в северных штатах страны, и в крупных городах благосостояние людей стало заметно расти. Бостон превратился в экономический и культурный центр, а также в город, где жили многие американские изобретатели. С помощью своего друга Эдисон устроился на работу в местное отделение огромной корпорации «Вестерн Юнион», которая еще во время войны закончила прокладку первой трансконтинентальной телеграфной линии. В Бостоне Эдисон, в поисках разных деталей и инструментов, посещал городские мастерские, где завел знакомства с некоторыми изобретателями и начал делиться с ними своими идеями предпринимательских проектов. Так он получил поддержку бизнесменов и помощь технических специалистов, позволившую ему разработать свое первое оригинальное и коммерчески перспективное изобретение: автоматический счетчик голосов. Первый свой патент Эдисон получил 1 июня 1869 года.

В эпоху, когда голосования проводились подсчетом поднятых рук, что оставляло место для многочисленных ошибок, его изобретение позволяло быстро регистрировать выбор каждого члена в законодательной палате с помощью двух кнопок: ДА и НЕТ. Депутаты нажимали на кнопку, а количество голосов считалось автоматически в течение нескольких секунд, причем составлялся список проголосовавших так или иначе.

РИС. 6

Изобретение отличалось крайней простотой (см. рисунок 6). Кнопки, расположенные перед каждым депутатским местом, посылали сигнал в центральную регистрирующую машину, деталями которой были штампы с фамилиями всех депутатов. Машина распределяла штампы на две колонки по формату обычной страницы: ДА и НЕТ.

Оператор помещал лист химически обработанной бумаги на эту страницу и прокатывал роликом. Благодаря химическим реагентам имена отпечатывались на бумаге. Как можно видеть на рисунке 6, А обозначает две колонки с именами членов палаты на металлических штампах, одна озаглавлена словом ДА, другая — НЕТ. Обе содержат имена всех голосующих, то есть по два штампа с каждым именем, один напротив другого. В — это металлический цилиндр, он перемещается по двум направляющим из каучука или твердой резины (С), a D — источник энергии. Устройство работает так: панель с именами и валик включены в цепь с помощью проводов, которые можно видеть на рисунке. Когда голосующие нажимают на свои кнопки, штампы с их именами замыкают одну из цепей (колонку ДА или колонку НЕТ). При движении валика по направляющим из изолирующего материала на обработанной химическими реактивами бумаге отпечатываются только имена со штампов, находящихся под напряжением.

Эдисон представил свое изобретение на рассмотрение комиссии Конгресса США, которая его отвергла. По-видимому, во время демонстрации устройство работало не слишком надежно, и кроме того, председатель комиссии утверждал, что лучше подсчитывать голоса медленно, с помощью поднятия рук, отмечая по очереди каждого из голосующих — «чтобы иметь возможность убедить наших коллег изменить мнение, если они ошиблись». Несмотря на эту начальную неудачу, данная конструкция стала предшественником современных систем подсчета голосов.

Это изобретение — последнее, что нам тут нужно.

Член Конгресса США — о счетчике голосов Эдисона

Последующие попытки Эдисона в Бостоне занять место в мире изобретателей также не имели успеха. Страдая от постоянной нехватки денег, он уже подумывал о том, чтобы попробовать себя на каком-нибудь другом поприще. В июне он сел на корабль до Нью-Йорка, куда и прибыл на рассвете следующего дня. В кармане у него было пусто — последние свои доллары, взятые взаймы, Эдисон потратил на билет в один конец.

УКАЗАТЕЛЬ КОТИРОВОК

В то время когда телеграф завоевывал США, посвященные в таинства азбуки Морзе составляли своего рода братство. Прибыв в Нью-Йорк, Эдисон связался с инженером-телеграфистом Франклином Л. Поупом (1840-1895), которого знал по работе в «Вестерн Юнион» в Бостоне. Поуп объездил всю страну в качестве художника и журналиста знаменитого журнала Scientific American. Впоследствии он стал одним из самых известных инженеров-электриков в стране, а также председателем Института инженеров-электриков (английская аббревиатура AIEE), важнейшего нормативного органа в области электрической энергии в США.

УКАЗАТЕЛЬ ПРОТИВ ПЕЧАТАЮЩЕЙ МАШИНЫ

С самого начала торговли золотом на бирже Нью-Йорка по улицам, где находились банки, акционерные общества и брокерские конторы, с максимально возможной скоростью носились курьеры, доставляя сведения о котировках. В 1867 году Самуэль С. Лоу (1824-1921) совместно с Франклином Л. Поупом изобрел механический указатель цен на золото. Это устройство представляло собой результат эволюции телеграфа и показывало котировки с помощью пластинок с гравированными цифрами, которые, вращаясь, складывались в числа. Прибор быстро распространился по брокерским фирмам на абонементной основе, что стало весьма выгодным бизнесом. Вскоре появилась его усовершенствованная версия. Эдвард А. Калахан (1838-1912) из компании «Американ Телеграф» изобрел первый телеграфный указатель, который мог распечатывать данные, то есть первую машину, печатающую котировки. Именно листок с данными из телеграфной печатающей машины породил известный биржевой термин — тикер (от англ, stock ticker).

Поуп принял Эдисона в своем доме в Элизабет (штат Нью- Джерси) и стал его учителем. В тот период он работал на компанию «Голд Индикатор», которая распространяла оперативную информацию о ценах на золото с помощью указателей котировок — автоматических телеграфов, постоянно посылавших котировки, что позволяло следить за изменениями на рынке. Во время войны за отделение южных штатов золото было очень востребованным товаром, а в послевоенный период инфляции и нестабильности услуги указателей котировок стали продаваться сотням биржевых агентов, у которых от них зависел успех коммерческих операций. Поуп привел своего юного друга в «Голд Индикатор», чтобы тот попытался получить там работу.

Президент «Голд Индикатор» Самуэль С. Лоу принял Эдисона на должность технического инспектора в июне 1869 года с окладом, который тогда казался целым состоянием и который молодой человек по большей части вложил в реализацию своих изобретений и проектов. Три месяца спустя, 24 сентября 1869 года, разразилась «черная пятница». Финансисты-спекулянты Джей Гулд (1836-1892) и Джеймс Фиск (1834-1872) попытались приобрести огромное количество золота, чтобы манипулировать его ценой и захватить рынок. В течение недели цены на этот металл скакали в невероятном диапазоне, что сказалось и на стоимости зерна, и в пятницу, когда по приказу президента Улисса С. Гранта вмешалось правительство, цены рухнули. Через некоторое время после этих лихорадочных дней, за которыми последовала череда судебных процессов, Самуэль Лоу решил оставить фирму и продал свои патенты компании «Вестерн Юнион», составившей новое акционерное общество под названием «Голд энд Сток Телеграф Компани».

Новый президент интересовался инновационными и оригинальными идеями и предложил хорошую должность Эдисону, который уже продемонстрировал свою техническую компетентность и изобретательность, внеся несколько усовершенствований в аппараты фирмы. Эдисон знал, что он может и больше. Он был убежден: старый указатель, только показывающий котировки, является весьма несовершенным инструментом, и можно изобрести устройство, превосходящее его по характеристикам, то есть машину, печатающую котировки, которые отображаются на бумажной ленте, — как те, что уже были в ходу, только лучше. Тем не менее у него не было желания дарить такой улучшенный аппарат крупной корпорации вроде «Вестерн Юнион». Если уж им надо, пусть платят. Эдисон отказался от должности и присоединился к Франклину Поупу. В конце концов молодой человек стал независимым изобретателем, приобретшим свои знания в сердце самого большого мегаполиса США, в Нью-Йорке. Фирма «Поуп, Эдисон и Компания» родилась вместе с желанием смело броситься в гущу битвы за новейшие технологии, такие как печатающая машина для котировок или телеграфные системы в целом. А молодой Эдисон, казалось, уже был готов поймать свой успех за хвост.

ГЛАВА 2

Война телеграфов

Эдисон быстро добился успеха благодаря своей увлеченности работой и предпринимательской жилке. Это помогло ему воплотить в жизнь свою идею индустриализации научных исследований, идею мастерской-лаборатории, нацеленной на коммерческое применение результатов. Впервые он опробовал свою концепцию в Ньюарке, где добился значительного прогресса в телеграфии, втянувшись в так называемую «войну телеграфов».

Во время деятельности компании «Поуп, Эдисон и Компания» Эдисон с обычной своей увлеченностью трудился в магазине, переделанном под мастерскую-лабораторию. Он проводил за работой все дни: с шести утра до часа ночи.

За первый год своей жизни фирма получила полдюжины патентов, среди которых — на аппарат, печатающий биржевые сводки, а также на сеть аппаратов, передающих информацию о курсе золота и фунта стерлингов, сконструированных специально для импортеров и биржевых агентов.

Оба компаньона проявили недюжинные стратегические способности, когда отказались от продажи своего изобретения более крупным фирмам, а занялись прямой его реализацией. Они поставляли соответствующую аппаратуру на правах аренды, что для клиентов было более удобно, нежели ее покупка. Эта бизнес-модель оказалась весьма плодотворной. Через шесть месяцев к ним обратилась компания «Голд энд Сток Телеграф», желавшая принять участие в их бизнесе, но «Поуп, Эдисон и Компания» объединились с филиалом «Вестерн Юнион». Однако здесь пути компаньонов разошлись, потому что молодой изобретатель счел, что его обошли при разделе прибылей, и решил стать независимым предпринимателем. Возможно, на его решение повлиял тот факт, что от «Beстерн Юнион» ему давно поступали предложения выполнять работы для них за определенную комиссию.

УНИВЕРСАЛЬНОЕ ПЕЧАТНОЕ УСТРОЙСТВО ЭДИСОНА

В 1871 году Эдисон по поручению нового президента «Голд энд Сток» Маршалла Леффертса (1821-1876) разработал универсальный печатающий аппарат (см. рисунок 1). Это была улучшенная версия телеграфной печатной машины, передающей биржевые сводки, с использованием более простого механизма по сравнению с предшественниками, но в то же время отличающаяся более высокой эффективностью. Кроме того, машина была менее подвержена поломкам. Главным ее преимуществом было то, что в ней удалось решить проблему синхронизации в сети, которая в целом мешала всем системам телеграфа печатать котировки. Благодаря своим характеристикам этот аппарат стал идеальным средством для фирм, далеких от Нью-Йорка: теперь при его использовании у них отпала необходимость обращаться к техникам.

Устройство могло получать и отправлять сообщения. Для последней функции у него имелась своего рода полукруглая клавиатура, буквы на которой соответствовали буквам на печатающем колесе (см. рисунок 2). Как и в счетчике голосов, печать документа выполнялась на химически обработанной бумаге и происходила в горизонтальной плоскости. Эдисон усовершенствовал конструкцию рулона бумаги, чтобы сделать его более легким и облегчить его вращение, и использовал более тонкую бумагу, что, в свою очередь, позволило механизму работать быстрее и с меньшими затратами энергии. Как и со всеми своими изобретениями, Эдисон впоследствии многократно модифицировал начальную конструкцию аппарата, получив ряд патентов на последовательные улучшения.

Главным стержнем данного изобретения был синхронизирующий винт (см. рисунок 3), который составлял часть колеса с буквами. Часто в сети печатающих котировки устройств отдельные машины не поспевали за передающим устройством, так что некоторые буквы терялись. В сообщениях, которые появлялись на узких полосках бумаги, такие потери букв могли оказаться фатальными. Чтобы разрешить эту проблему, было испробовано много механических систем, но единственным эффективным решением оказался синхронизирующий винт Эдисона.

Этот маленький элемент помещался на оси машины (а) и представлял собой часть самого колеса с буквами (b). Когда печатающий аппарат запаздывал, свободный конец рычага отходил от винта (с) и встречался с ограничителем (d), который блокировал вращение оси и возвращал на первоначальное место колесо с буквами вплоть до следующей активации печатающего рычага. Тогда аппарат вновь приводился в действие, но уже автоматически синхронизировался со всей сетью.

РИС. 1

РИС. 2

РИС.З

НЬЮАРКСКАЯ МАСТЕРСКАЯ

В мастерской в Ньюарке Эдисон впервые воплотил в жизнь свою концепцию промышленной лаборатории — фабрики по производству научных исследований, где производство поддерживало бы исследовательскую деятельность и наоборот. Мастерская функционировала 24 часа в сутки; возглавлявший ее команду Эдисон следил за работой своих механиков, посвящая остальное время экспериментам и разработке новых изобретений. В конце концов он получил возможность подбирать талантливых людей, разделяющих его взгляды на работу. Среди них выделялся молодой англичанин по имени Чарльз Бэчлор (1845-1910), способный рисовальщик и механик, научившийся этому ремеслу на текстильной фабрике. Он остался рядом с Томасом на долгие годы. Команда Эдисона была интернациональной, потому что изобретатель принимал в нее разных талантливых европейцев, таких как чертежник Джон Отт (1850-1931), соотечественник Бэчлора, швейцарский часовщик Джон Крузи (1843-1899) и немецкий механик Зигмунд Бергман (1851-1927). Все эти люди под руководством своего американского учителя добились больших результатов и со временем уже самостоятельно сделали блестящую карьеру. Некоторые вернулись в Европу и основали там фирмы, которым предстояло стать крупнейшими в Старом Свете компаниями по производству электрического оборудования. Несмотря на молодость, Эдисон в это время уже считался выдающимся специалистом в телеграфном деле, и его сотрудники гордились тем, что они работают у него.

Здание, вмещавшее мастерскую Эдисона в Ньюарке, в архитектурном отношении интереса не представляло, но оно располагалось на одной из центральных улиц, Вард-Стрит, и прекрасно подходило для размещения там 300 человек, занятых производством.

Успех эдисонова винта заключался в том, что он не был сконструирован как отдельная деталь машины, а был полностью интегрирован в механизм самого печатного аппарата. Автор понимал суть своего изобретения именно так: «интегральная система моментальной связи». Синхронизирующие винты контролировали каждую из осей печатающих аппаратов.

Эдисон взялся за это дело, не обсудив ни величину своего гонорара, ни то, кому будут принадлежать права на патенты. В конце работы генерал Леффертс спросил его, сколько он хочет. Молодой изобретатель не знал, что ему отвечать, и, не желая брать на себя решение, спросил, сколько ему готовы предложить. Ответом прозвучало 40 тысяч долларов — невероятное по тем временам состояние для Эдисона, — однако с условием: любое изобретение или улучшение, связанное с печатным аппаратом, станет собственностью «Голд энд Стокс». Через месяц полученный капитал закончился (он весь был истрачен на оборудование), но с этого момента звезда Эдисона начала свое стремительное восхождение.

От «Вестерн Юнион» изобретатель получил заказ на 1200 аппаратов общей суммой в полмиллиона долларов. В это время он располагал мастерской с 18 сотрудниками. Для выполнения заказа требовалось увеличить число работников хотя бы в три раза, поэтому компания «Вестерн Юнион» предложила ему в коммерческие партнеры Уильяма Унгера. Эдисон был осведомлен о сомнительной репутации гигантского треста: все знали, что телеграфные магнаты не церемонятся в выборе методов конкуренции, так же как и крупные железнодорожные компании. И все же, хотя принять в компаньоны Унгера означало поступиться своей нынешней самостоятельностью, потому что он стал бы защищать интересы «Вестерн Юнион», нельзя было отрицать, что это поспособствует активизации исследований, а значит, любое изобретение и малейшее улучшение, сделанное Эдисоном, гораздо быстрее попадет на рынок. Таким образом, изобретатель принял предложение основать товарищество, хотя в некоторых его биографиях утверждается, что у него просто не было выбора. В любом случае патенты Эдисона привели к тому, что «Вестерн Юнион Телеграф Компани» заняла лидирующее положение на рынке.

Печатающий аппарат без синхронизирующего винта [Эдисона] был бы бесполезным, и его никто бы не покупал.

Эдвард Калахан, изобретатель первого аппарата, печатающего котировки

Новое акционерное общество «Эдисон и Унгер* сняло офис на третьем этаже здания на Вард-Стрит в Ньюарке, штат Нью- Джерси. Там Эдисон организовал свою первую серьезную мастерскую, воплотив идею мастерской-лаборатории, которую он уже давно вынашивал. Так начался активный период его жизни в качестве изобретателя и производителя электрической техники, когда Эдисон мог свободно развивать свой талант и подбирать сотрудников по собственному усмотрению. Всего год назад Томас приехал в Нью-Йорк никому не известным, без гроша в кармане и без перспектив на получение работы, и вот он уже успешный предприниматель.

Весной 1871 года дела Эдисона в Ньюарке шли прекрасно. Он не появлялся дома три года и отправил родителям письмо, в котором рассказывал о своих удачах, предлагал деньги и сообщал, что хочет вскоре их навестить. Уже собираясь в дорогу, Эдисон получил телеграмму о смерти матери. После похорон он вернулся в Ньюарк и погрузился в работу, стараясь ни о чем больше не думать. Потеря матери надолго вывела его из равновесия.

РИС. 4

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ТЕЛЕГРАФ

Компания «Аутоматик Телеграф» была основана в Нью- Йорке с целью использовать патенты на автоматический телеграф британца Джорджа Литтла.

Этот аппарат был сконструирован, чтобы передавать сообщения с гораздо большей скоростью, чем та, которая достигалась с помощью телеграфа Морзе, и он претендовал на то, чтобы заменить своего предшественника. Оператор ручного телеграфа мог передавать от 25 до 40 слов в минуту, в то время как английские автоматические телеграфы достигали скорости 60-120 слов.

Основной принцип работы автоматического («быстрого») телеграфа состоял в перфорации бумаги (см. рисунок 4). Используя клавиатуру, сходную с клавиатурой пишущей машинки, или же вручную, в бумажной ленте пробивались последовательности точек и тире, соответствующие сообщению, передаваемому азбукой Морзе. Когда лента с большой скоростью проходила через передатчик, возникали электрические импульсы в соответствии с этими точками и тире. Передатчик состоял из вращающегося цилиндра (А) и металлической иглы (В). Когда при прохождении бумаги игла попадала на точку или тире, она вступала в электрический контакт с цилиндром под лентой, замыкая цепь. На другом конце провода автоматический приемник получал эти «скоростные» сигналы, и они подавались на другую металлическую иглу (С). Последняя касалась бумажной ленты, обработанной химическими реактивами, так, чтобы реагировать на контакт с иглой, которая оставляла после себя точки и тире, образующие буквы азбуки Морзе.

РИС. 5

И все-таки, хотя быстрота передачи была выше, автоматические телеграммы нуждались в длительной подготовке текста на перфорированной бумаге, а после получения их приходилось расшифровывать и переводить из азбуки Морзе в обычный текст. Аппарат оказался отлично приспособленным для передачи длинных текстов, например новостей «Ассогииэйтед Пресс». А вот с короткими сообщениями лучше было обращаться к ручным операторам, которые могли читать недлинные написанные клиентом фразы и тут же переводить их в азбуку Морзе. Несмотря на существующие проблемы, руководители «Аутоматик Телеграф» пребывали в убеждении, что в целом будущее — за автоматической телеграфией и аппаратом Литтла. Должным образом доработанное, это устройство могло изменить правила игры в мире телеграфии, и поэтому его привезли в Ньюарк.

ЧТО ТАКОЕ РЕОСТАТ?

Реостат — это электрический прибор, назначение которого — изменять сопротивление в цепи. Таким образом, его функция подобна потенциометру, но в данном случае речь идет о приборе с двумя клеммами, который может выдерживать значительно большие напряжение и силу тока, но не выполняет функции делителя напряжения. Он используется для запуска двигателей или любого действия в пределах электрического контура, требующего изменения сопротивления при условиях высокого напряжения и силы тока.

Основой аппарата Литтла был электрохимический механизм. Так как химически обработанная бумага была очень непрочной, ее реакцию могли вызвать самые слабые импульсы. В таком телеграфе электрические импульсы были слишком мощными и оставляли на бумаге слишком размазанные следы, поэтому символы не различались или же «налезали» друг на друга. Эдисон придумал систему, которая регулировала количество тока, протекающего через бумагу, и обеспечивала регулируемое изменение тока в конце импульса, что устраняло любые искажения и гарантировало ясное различение любого отображенного символа.

Эта цель была достигнута с помощью цепи (см. рисунок 5), в которой батарея (а) связывалась через передатчик (b) с линией (с) с обычным заземлением (d). Между линией и приемником (е) было сделано ответвление цепи с реостатом, то есть переменным сопротивлением (ƒ), и батареей (А). Ответвление отводило часть электрического сигнала, а реостат регулировал количество тока, который должен пройти через него, с учетом сопротивления бумаги. Полюса батареи А располагались так, чтобы проводить электрический ток в направлении, противоположном основной линии, через цепь 1, е, 2, ƒ и 3. Это ослабляло мощность сигнала, и с уменьшением перфорации бумаги символ становился ясно виден. Второй реостат (ƒ) был подключен к полюсам батареи А, чтобы на бумагу подавался только необходимый для произведения нужного эффекта ток.

РИС. 6

Еще одной проблемой телеграфа Литтла являлась значительная длина проводов на линии. Быстрая телеграфия подразумевала очень интенсивный трафик, который перегружал линию. Перегруженная линия, то есть такая, где циркулирует слишком много носителей электрического заряда (электронов), производила слишком большой заряд статического, «паразитного» электричества в проводе. Статическое электричество вело к искажению символов, отпечатывающихся на бумажной ленте приемника. Единственный способ избежать этого заключался в снижении скорости передачи, что уничтожало идею быстрой связи, которой хотелось достичь.

СЕМЬЯ ЭДИСОНОВ РАСТЕТ

Во время работы над совершенствованием автоматического телеграфа Эдисон жил в съемных комнатах. Именно тогда он познакомился с Мэри Стиллвелл, 16-летней девушкой из бедной семьи, работавшей учительницей в воскресной школе и разнорабочей в одной из мастерских Ньюарка. Пара поженилась 25 декабря 1871 года.

Изобретатель купил большой дом с восемью комнатами в Ньюарке, где планировалось разместить будущую семью, которая, как ожидали оба супруга, должна быть многочисленной.

У Томаса и Мэри родились три сына.

Первым двум Эдисон дал «телеграфные» имена: их звали Дот и Даш (Точка и Тире). Некоторое время спустя обитателей дома стало больше — с ними стал жить отец Эдисона. Самуэль Огден Эдисон, хотя и был уже весьма пожилым человеком, все еще отличался бодростью, как и 40 лет назад, когда бежал из Канады. Через некоторое время он включился в работу сына.

Мэри Стиллвелл.

Для решения данной проблемы Эдисон предложил применить модифицированную версию своего реостата (см. рисунок 6). От главной линии (а) он устроил ряд ответвлений (с) с реостатами (d) и батареями (е), более слабыми, чем те, что использовались в передатчике (ƒ), которые вырабатывали ток противоположной полярности. Применив этот обратный электрический ток, Эдисон снизил интенсивность тока (то есть на самом деле уменьшил величину электрического заряда в единицу времени), проходившего через линию, и, следовательно, снизил излишний статический заряд, не мешая при этом прохождению сигнала от передатчика. В сущности, при направлении слабого обратного тока снижалась электрическая интенсивность входящего тока, и заряд в проводе накапливался медленнее, что снижало его воздействие.

Часто одним из главных этапов работы Эдисона и его сотрудников в ходе процесса изобретательства было исследование материалов. Команда Эдисона погружалась в долгие поиски веществ, чьи свойства подходили бы для решения нужной задачи. Поняв, что автоматический телеграф точнее передает сообщения и может работать с большей скоростью, освобождая линии, ньюаркская команда пришла к выводу: нужно получить бумагу, соответствующую скорости работы приемника. Химический раствор, которым пропитывалась бумажная лента в аппарате Литтла, реагировал с недостаточной быстротой, что заставляло снижать скорость передачи. Кроме того, он был слишком дорог.

Дайте мне задачу, отведите на ее решение шесть месяцев, и я сделаю любое изобретение.

Томас Альва Эдисон

В поисках решения этой задачи Эдисон на долгие месяцы погрузился в изучение химических свойств бумаги. Как и всякий хороший исследователь, он собрал все возможные документы и материалы, невзирая на их цену или место, где их можно было достать: Париж, Лондон, Нью-Йорк... Через несколько месяцев Эдисон прочел все, что когда-либо было опубликовано на данную тему, и поставил сотни опытов. Результатом стало применение раствора соли железа, которая вступала в реакцию очень быстро и в то же время была весьма стабильна. Кроме того, упомянутое вещество имело еще и дополнительное преимущество: раствор стоил всего пять-шесть центов за галлон. Эдисон назвал получившуюся бумагу «угольной». Со временем с помощью такого типа химической обработки стали производить парафинированную бумагу.

ДЖЕЙ ГУЛД

Джейсон «Джей» Гулд (1836-1892) был одним из главных промышленных деятелей, ответственных за развитие железнодорожной сети, и весьма непопулярным финансовым спекулянтом.

Его считают одним из «баронов-грабителей» — бессовестных и беспринципных капиталистов. Это уничижительное прозвище применялось в отношении американских дельцов XIX века, использовавших при сколачивании своих состояний сомнительные методы.

Обычная стратегия Гулда состояла в том, чтобы захватывать контроль над национальными ресурсами, использовать всеми способами политическое влияние, платить как можно меньше налогов, скупать конкурирующие фирмы с целью получить монополию и манипулировать рынком с помощью сомнительных биржевых операций. В железнодорожном секторе Гулд основал акционерное общество совместно с биржевым маклером и финансовым игроком Джеймсом Фиском. Вместе они осуществили несколько операций для захвата контроля над железными дорогами и были ответственны за «черную пятницу» 24 сентября 1869 года, которая едва не обрушила экономику США, заставив вмешаться федеральное правительство. На вершине своей карьеры Гулд диверсифицировал капитал и вложил средства в телеграфию, что привело к «войне телеграфов» против огромной компании «Вестерн Юнион», находящейся в собственности семьи Вандербильт, хотя упомянутая борьба более всего ассоциируется с именем президента этого акционерного общества Уильямом Ортоном (1826-1878).

В ходе этой работы люди из команды Эдисона сделали намного больше, чем просто усовершенствовали быстрый телеграф. Они полностью изменили его конструкцию и разработали совершенно новую систему автоматической телеграфии, способную отсылать от 500 до 1000 слов в минуту, причем все компоненты данной системы были защищены патентами. Эдисон стал главным изобретателем своего времени, показав всем, что его идея промышленной лаборатории приносит ожидаемые результаты. Группа его единомышленников, специалистов в разных областях, улучшила процесс пошагового совершенствования, который обычно длился несколько лет и сопровождался получением различных патентов, пока устройство не достигало стадии рабочей версии, готовой для выпуска на рынок.

Как бы то ни было, жизнь автоматического телеграфа длилась недолго. Когда велась подготовка к запуску его в серийное производство, «Атлантик энд Пасифик Телеграф», телеграфная компания финансиста Джея Гулда, купила «.Аутоматик Телеграф» и вместе с тем все права и патенты Эдисона. Гулд собирался развивать долгосрочную стратегию по ослаблению «Вестерн Юнион», чтобы в конце концов купить эту компанию. Он не выказал особого интереса к автоматическому телеграфу и в открытую заявлял, что будет продолжать использовать ручную отправку сообщений, несмотря на то что новое изобретение доказало свою высокую эффективность. В конечном итоге Гулд вообще отказался от него, мотивировав это недостатками в работе аппарата, хотя на самом деле в то время, когда сети автоматического телеграфа контролировал Эдисон, они работали прекрасно. В описываемый период быстрая телеграфия увеличила выручку компании. К концу 1880-х годов «Атлантик энд Пасифик» располагала 22 автоматическими станциями, которые достигли совместной скорости в 2000 слов в минуту. В то же время перфорированная бумага могла обеспечить скорость в 22 слова в минуту. Тем не менее использование автоматического телеграфа в итоге сошло на нет.

КВАДРУПЛЕКСНЫЙ ТЕЛЕГРАФ

Вскоре после 1870 года объем передаваемых телеграфных сообщений начал расти с огромной скоростью, и многие изобретатели работали над созданием систем, позволяющих увеличить пропускную способность при передаче и тем самым снизить ее себестоимость. С середины века изучалась возможность отправлять несколько телеграфных сообщений одновременно по одному проводу. Эта исследовательская задача стала и одним из главных полей битвы в «войне телеграфов».

Универсальное печатное устройство биржевых котировок, разработанное Эдисоном в 1871 году.

Портрет Уильяма Ортона.

Эдисон в окружении сотрудников. Сидят, справа налево: Фред Отт, Эдисон и Жорж Гуро. Стоят, слева направо: Уильям Л. Диксон, Чарльз Бэчлор, Теодор Вангеманн, Джон Отт и Чарльз Браун.

У Эдисона всегда были прекрасные отношения с Уильямом Ортоном. Оба они неоднократно выказывали друг другу взаимное уважение, и Эдисон признавался, что именно от Ортона он узнал все, что ему известно о патентах. Незадолго до того времени «Вестерн Юнион» освоил дуплексную систему американского изобретателя Джозефа Баркера Стирнса (1831-1895), президента компании «Франклин Телеграф», которая отправляла одновременно по два сообщения или же передавала по одному сообщению сразу в двух направлениях, уменьшая или увеличивая силу тока. Такая система быстро утвердилась в Европе и США, вплоть до того, что через Атлантику был протянут дуплексный кабель, а компания «Вестерн Юнион» приобрела права на нее у Стирнса. Тем не менее в 1872 году Ортон поручил Эдисону исследовать альтернативные системы с целью получения на них патента как «защиты от конкуренции», то есть для обеспечения монополии.

Обычно дуплексные телеграфы определяют как системы, способные передавать сообщения в обоих направлениях одновременно, то есть в них передача и прием производятся по одной линии, в отличие от связи, в которой есть отдельные линии для передачи и приема. Фундаментальная проблема, стоявшая перед конструкторами дуплексного телеграфа, была отнюдь не простой. Им следовало избежать ситуации, когда сильный электрический ток на выходе, направляющийся на далекую станцию, приводит в действие зуммер (то есть звонок, делающий слышимым переключение реле, чтобы сигналы азбуки Морзе можно было воспринимать на слух), но при этом требовалось, чтобы гораздо более слабый входящий ток, пришедший с удаленной станции, активировал реле. Многие изобретатели искали решение этой задачи. К 1870 году телеграф использовался во все мире, однако никто не смог найти эффективный способ преодолеть данную трудность.

РИС. 7

Идея Стирнса состояла в применении так называемого дифференциального дуплекса (см. рисунок 7). Изобретатель использовал тот факт, что интенсивность магнитного поля, образованного катушкой, пропорциональна количеству витков обмотки, через которую пропускается электроток. Если пустить этот ток в противоположных направлениях, индуцируемые магнитные поля взаимно гасят друг друга. Стирнс разделил катушку реле зуммера на две половины, чтобы поделить ток на две равные части, направив его в одной половине через контур, где заряд временно аккумулировался в конденсаторе. Таким образом, ток на выходе был недостаточно мощным для активации реле зуммера. А вторичный контур, отходящий от ключа, приводил в действие местный зуммер, чтобы телеграфист мог слышать то, что он передает.

Система, в сущности, основывается на направлении сигнала меньшей мощности и на двух зуммерах — одном на входе, другом на выходе. Идея использовать зуммер с разделенной катушкой и ответвление цепи давно витала в воздухе, и в Европе уже было известно несколько прототипов. Заслуга Стирнса состояла в том, что он применил конденсатор.

Главный элемент дуплекса Стирнса, который можно увидеть на рисунке 7, — это разделенная катушка (R) зуммера. Ток на выходе, генерируемый при замкнутой цепи с ключом (К), разделяется в катушке и течёт с одной стороны вправо, по направлению к главной линии (L), а с другой стороны влево, по направлению к ответвлению контура, где сопротивление (X) помещено параллельно конденсатору (С). Полярность катушек выбрана так, чтобы в одной половине ток тек по часовой стрелке, а в другой — против. В результате индуцированное магнитное поле взаимоуничтожается, и зуммер не реагирует на сигналы на выходе.

РИС. 8

Сложность цепи ключа определяется тем, что в нем присутствует местный зуммер (T) со своим собственным реле (RL), что образует контур с собственным сопротивлением и другими элементами. Зуммер служит для того, чтобы оператор слышал свое сообщение, в то время как вышеописанный контур — это контур входа, который активируется, только когда получает сигнал, приходящий от удаленной станции на главной линии.

В качестве альтернативы системе Стирнса Эдисон разработал «дуплексно-диплексную» систему, то есть такую, которая могла одновременно пересылать сообщения в разных направлениях или же отправлять два сообщения в одном направлении (см. рисунок 8). Изобретатель называл ее просто дуплексным телеграфом, «своим» дуплексом. Эти системы могут функционировать в двух рабочих режимах, позволяющих одновременную передачу по амплитуде (как в системе Стирнса, то есть при разной силе тока) или по частоте, то есть удваивая периодичность циклов электрических сигналов.

Обычная «диплексная» конфигурация использовала комбинацию батарей разной мощности для генерирования слабых и сильных сигналов, которые приводили в действие одно или другое приемное реле. Тем не менее на практике было очень трудно регулировать чувствительность реле так, чтобы они не реагировали на все поступающие сигналы. Эдисон попробовал применить новый подход, добавив в свою систему элемент, часто используемый им в разных своих проектах: поляризованное реле. Он не отказался от обычного, то есть нейтрального реле, реагировавшего только на силу тока, но интегрировал в систему второй приемник, снабженный поляризованным реле, то есть таким, которое реагирует на изменение направления тока.

Найти альтернативу дуплексу Стирнса было не самой трудной частью задачи. Амплитуда тока на выходе изменялась просто изменением сопротивления линии заземления, снабженной реостатом. С помощью таких изменений амплитуды оператор на этом конце управлял нейтральным реле. Последнее представляло собой простой рычажный прерыватель (однополярный, двухпозиционный), что вынудило Эдисона удвоить количество батарей и электромагнитов, пустив ток по более сложной схеме (двойная катушка, более высокий порог).

ПОЛЯРИЗОВАННОЕ РЕЛЕ

Стандартное реле состоит из электромагнита, который при прохождении электрического тока притягивает горизонтальный подпружиненный рычаг, замыкая или размыкая контакты в зависимости оттого, находятся они без тока в положении NA или NС (то есть замкнуты они или разомкнуты). Данные контакты можно считать прерывателем, позволяющим току протекать между двумя пунктами на разных концах цепи. Поляризованное реле — это конструкция, состоящая из электромагнита и постоянного магнита, который помещается между двумя катушками. На постоянный магнит приходится точка опоры рычага, который может быть наклонен влево или вправо. Рычаг — это южный полюс постоянного магнита, а катушки намотаны так, чтобы их верхний конец представлял собой противоположный полюс. Таким образом, когда подается ток, полюс электромагнита притягивает один конец рычага и отталкивает другой, когда же ток прерывается, рычаг наклоняется в другую сторону. Главное преимущество описываемого устройства состоит в том, что поскольку основная сила, отклоняющая рычаг, создается постоянным магнитом, реле может реагировать на относительно слабые токи. Поляризованное реле не имеет положений собственно NA или NС, а сила постоянного магнита удерживает рычаг в крайней позиции, если через катушки не пропущен ток.

Изменения силы тока не влияли на поляризованное реле, которое являлось сердцем системы.

Работая над данной схемой, Эдисон быстро понял, что у него в руках первый квадруплексный телеграф. Оставалось только интегрировать в дуплексный контур дуплексную схему, чтобы получить возможность пересылать сообщения в двух направлениях и иметь, таким образом, в каждом проводе по четыре телеграммы одновременно. Идея была не нова. Некоторые европейские физики, такие как голландец Иоганн Босха (1831-1911) из Лейденского университета, предлагали ее уже в середине века. Аналогично вышеописанному принципу, позволяющему передавать одновременные сигналы, можно воспользоваться тем фактом, что электрический ток отличается по силе и по направлению. Если два электрических прибора работают каждый лишь на одном из этих принципов, то есть один изменяет только направление тока, не меняя его силу, а другой наоборот, то они могут действовать совместно, не мешая друг другу, так как их реле чувствительны каждое к своей переменной — силе тока или его полярности. Однако, пока этим не занялся Эдисон, никто не смог разработать схему и компоненты, необходимые для реализации этой идеи, и довести ее до практического использования.

РИС. 9

Принцип работы квадруплексного телеграфа был основан на использовании мостового контура — схемы, которая иногда применялась как альтернативная форма дуплексного телеграфа (см. рисунок 9). Смысл ее был в том, чтобы изолировать зуммер, расположив его на мосту между основной линией и ответвлением. Мост аккуратно соединялся с источником тока, так чтобы ток на выходе не оказывал воздействия на зуммер. Когда ключ замыкал контакт, отправляя сигнал, то зуммер не работал. Такая альтернатива не очень широко применялась в дуплексных телеграфах, поскольку из-за меньшей чувствительности данная схема была менее надежной. Ключевой идеей, позволившей Эдисону соединить в своем устройстве дуплекс по амплитуде/полярности с мостовым дуплексом Стирнса, заключалась в том, что любой элемент, размещенный на хорошо отрегулированном мосту, был не в состоянии реагировать на напряжение на выходе. Таким образом, изобретатель вставил в цепь зуммер с поляризованным реле и нейтральное реле с повышенным порогом регулировки. В этой схеме резонатор был изолирован от тока на выходе, но на входе получал ток, который приходил от ответвления моста. Данная схема работала как дуплекс, поскольку не допускала локального возбуждения зуммера, позволяя отправлять два сообщения в противоположных направлениях, и, как и дуплекс, могла пропускать два сообщения одновременно в одном направлении — одно с изменением полярности, другое с изменением амплитуды. Используя такую систему с двух концов линии, можно было отправлять одновременно по два сообщения в обоих направлениях. Естественно, полноценно функционирующий квадруплекс требовал и напряженной работы целой команды операторов. И тем не менее использование инверсии тока в качестве фильтра тоже не обошлось без проблем. Так как перемена полярности вызывала кратковременное снижение напряжения, это приводило к бездействию нейтрального реле как раз тогда, когда оно должно было действовать. Эдисон решил бороться с упомянутым эффектом электромеханическим способом, чтобы он не нарушал сигнала. Вместо того чтобы препятствовать отключению нейтрального реле в тот момент, когда при инверсии напряжение падало до нуля, Эдисон использовал его для активации местного реле, расположенного между ним и реле ключа. Это местное реле было отрегулировано так, чтобы реагировать на сигнал медленней. В сущности, Эдисон не устранил проблему падения напряжения, а просто обошел ее (как он часто делал, когда сталкивался с серьезными затруднениями), применив каскад электромагнитов.

Квадруплексный телеграф позволил «Вестерн Юнион» получить огромное преимущество, резко повысив пропускную способность передающих линий, то есть количество сообщений, которые по ним можно было передавать, не протягивая дополнительных проводов. Система представляла собой также решение части традиционных проблем телеграфной связи, таких как «узкие места», перегрузка линий, возникающая в случае экстренных событий или в определенное время года, когда увеличивалось количество сообщений. В скором времени самые важные линии были заняты квадруплексными телеграфами, и в 1878 году «Вестерн Юнион» располагала уже 20 900 км линий квадруплексной связи, где на каждом конце линии сидели по четыре телеграфиста — два на передаче и два на приеме. Но даже в таком виде квадруплекс не являлся столь же эффективным средством связи, как четыре отдельных провода.

ЭЛЕКТРОМОТОГРАФ

Принцип так называемого электромотографа Эдисон в дальнейшем будет с успехом использовать в различных областях, однако сначала он применил его именно в телеграфии. В 1874 году самым часто используемым в телеграфах типом реле была модель, разработанная Чарльзом Графтоном Пейджем (1812- 1868), ученым и исследователем электромагнетизма, современником Майкла Фарадея и Джозефа Генри. Несмотря на то что повсеместное распространение этого устройства во всех телеграфных системах сделало его важнейшей деталью телеграфа, права на него долгие годы лежали нетронутыми в патентном бюро, пока адвокаты Гулда не обратили его внимание на данное обстоятельство. Финансист немедленно выкупил патент.

Гулд подал в суд на «Вестерн Юнион» за использование реле Пейджа. В результате Ортон поручил Эдисону найти альтернативу, с помощью которой можно избежать использования этого патента (а значит, и платы за него). Задание получилось не из легких, так как единственным на тот момент известным способом привести в действие рычаг реле считалось использование магнита. Эдисон принялся заново изучать свойства материалов, в результате чего появилось реле с меловым барабаном, которое он назвал «электромотографом».

РИС. 10

Еще ранее изобретатель обратил внимание на интересное явление: если кусок металла, подключенный к батарее, натереть влажным мелом и положить на другой металлический предмет, соединенный с другим полюсом батареи, то действие тока значительно снижает силу трения между двумя кусками металла. И наоборот, если изменить полярность тока, то трение возрастает.

Данный принцип Эдисон использовал при разработке реле, работающего без магнита, заменив этот элемент меловым барабаном, который вращался при помощи небольшого электродвигателя и связывал зуммер с металлическим язычком, приделанным над барабаном. Меловое реле представляло собой первый пример использования в электротехнике этого материала. Рисунок 10 показывает разрез электромотографа по вертикали. Меловой барабан (а) движется, продвигая бумажную полоску с помощью ролика (b). Металлическая головка (с) давит на бумагу так, что от трения вибрирует. Чтобы такая вибрация стала возможной, головка удерживается рычагом (d) с натяжным механизмом (е). Когда меловой барабан двигается в направлении, указанном стрелкой 1, трение перемещает головку в направлении стрелки 2. При пропускании электрического тока между а и с трение уменьшается таким образом, что сила натяжного механизма его преодолевает и головка сдвигается назад. Если ток прекращается, с снова смещается в направлении 2. Таким образом, вместе с возрастанием или уменьшением силы трения в зависимости от наличия тока в цепи вибрирующий элемент сдвигается в одну сторону или в другую. Пружина (ƒ) и два контакта (g, h) замыкают контур, поэтому движение вибрирующей головки можно использовать как реле в любой электрической системе. Осознавая, что Эдисон спас его империю от краха, Ортон предложил ему 100 тысяч долларов за патент, с уплатой по 6000 долларов ежегодно в течение 17 лет.

В конце 1874 года скупка долей собственности, прав, а также мелких компаний со стороны крупных телеграфных корпораций вылилась в финальную схватку. Не слишком задумываясь, Эдисон подписал много запутанных договоров и завязал деловые отношения с обеими конкурирующими в области телеграфии фирмами, иногда в беспорядке смешивая изобретения. Конфликт разразился, когда изобретатель заявил о просрочке платежа за квадруплексный телеграф со стороны «Вестерн Юнион», а эта компания, испытывавшая трудности в связи с упадком в делах, не спешила с уплатой, несмотря на то что данная система принесла ей миллионные прибыли. Так, из-за недостатка наличности изобретатель вынужден был отправиться на поклон к Гулду.

За то, чтобы получить половину прав на квадруплексный телеграф, Гулд предложил ему соблазнительные условия: 30 тысяч долларов, акции на сумму 250 тысяч и пост главного инженера-электрика. Хотя при продаже прав положение Эдисона становилось весьма шатким, ему отчаянно не хватало денег. В 1875 году дошедшие до «Вестерн Юнион» слухи о предложении Гулда вызвали в компании панику, и ее акции обвалились до минимальной стоимости. Только на этом, говорят, Гулд заработал в 30 раз больше, чем он заплатил молодому изобретателю.

«Вестерн Юнион» запоздало отреагировала, предложив Эдисону выплатить ему задолженную сумму, но он отказался. Тогда компания подала в суд на Гулда, добиваясь, чтобы тот отказался от прав на квадруплексный телеграф. На процессе Эдисон оказался под перекрестным огнем адвокатов обеих сторон, его объявили беспринципным дельцом и мошенником, способным продать свои права много раз разным контрагентам. В конце концов в проигрыше оказались все, кроме Гулда: Эдисон не получил ничего из оговоренного ранее, все акционеры «Аутоматик» потеряли свои капиталы, а компаньон изобретателя сбежал в Англию с деньгами, которые предназначались для уплаты долгов кредиторам. Эдисон определенно потерпел крах как предприниматель.

Через несколько лет Гулду удалось захватить контроль над телеграфной связью. После смерти Уильяма Ортона в 1881 году «Атлантик энд Пасифик» и «Вестерн Юнион» слились путем обмена акциями. К этому времени Эдисон понял, что прогресса в телеграфном деле ожидать не стоит, так как Гулд вел свои дела вовсе не ради общественного блага — его интересовали только деньги и власть. Вместе с другими пострадавшими он подал против финансиста иск, который ждал своего вердикта 30 лет, и судебное решение последовало уже тогда, когда виновник был давно мертв. Правосудие решило дело в пользу истцов. Эксперт оценил ущерб потерпевших в 1 доллар.

Плачевное состояние финансовых дел Эдисона привело его к решению сконцентрироваться на изобретательстве и ни в каком виде не заниматься более производством. Он выстоял в эти бурные годы, что удалось далеко не всем, и теперь чувствовал все возрастающее желание закрыть данный период своей жизни, уйдя из сферы телеграфной связи. Эдисон начал интересоваться «акустической телеграфией», которой занимались в это время американец Илайша Грей (1835-1901) и шотландец Александр Грэхем Белл (1847-1922). В тот период изобретатель обратил внимание на маленький городок в 20 км от Нью-Йорка. Он назывался Менло-Парк.

ГЛАВА 3

Революция в коммуникации: телефон

В мастерской-лаборатории в Менло-Парке появились на свет самые значительные изобретения Эдисона, начиная с работоспособной модели телефона.

Прямой потомок телеграфа, он стал самым великим изобретением среди простых электрических приборов. Спор о первенстве в создании этого устройства берет свое начало с середины XIX века, и полемика не прекращается по сей день. Патенты Эдисона стали решающими вехами в превращении телефона в инструмент, который изменил коммуникацию во всем мире.

Стоящий на отшибе городок Менло-Парк был выбран Эдисоном в качестве новой резиденции для исследований. В 1876 году изобретатель отправил своего отца, Самуэля Огдена Эдисона, рассмотреть место и возможность постройки там лаборатории по его собственному проекту. С приходом весны Эдисон закрыл свою лабораторию и все офисы в Ньюарке и отправился туда со своими основными сотрудниками, которые сразу наводнили маленький поселок, с тех пор ставший известным просто как «деревня Эдисона».

Узкое и длинное здание, в котором разместилась лаборатория, выглядело снаружи как большая конюшня. В нем было два этажа: на нижнем располагались офис, маленькая библиотека и чертежный зал. На верхнем находилась та самая лаборатория, где члены команды Эдисона работали среди машин, аккумуляторов и химикатов. Со временем эта простая и тесная деревянная постройка вошла в легенды. Для своей семьи Эдисон купил деревенский трехэтажный дом, располагавшийся рядом с новой лабораторией. На обширной площадке стояли хлев, мельница, большой сад и широкий луг, служивший местом игр для его детей. Лаборатории в Менло-Парке предстояло стать местом научно-исследовательских работ, нацеленных на создание практических изобретений самых разных типов. Эдисон называл свое детище «фабрикой изобретений». Здесь на свой страх и риск он систематически исследовал все научные идеи в поисках способов их возможного применения в новых изобретениях. Последние он разрабатывал с прицелом на их немедленное коммерческое использование. Здесь Эдисон принимал заказы на разработку изобретений и их производство от частных и государственных организаций. Менло-Парк стал первой промышленной исследовательской лабораторией в США, а Эдисон — первым из великих изобретателей-ученых, опирающихся на принцип инноваций, направленных на коммерческое использование.

Черт возьми, здесь нет никаких правил... Мы просто пытаемся что-то получить!

Томас Альва Эдисон

Менло-Парк был тем нервным узлом, из которого расходились по миру открытия команды инженеров и ученых, работавших там. Как только Эдисон устроился в новой резиденции, он сразу получил прозвище «волшебник Менло-Парка». Компания «Вестерн Юнион» сделала ему предложение, подкрепленное авансом в 500 долларов ежемесячно, не считая будущих гонораров, взяться за работу над новым средством связи — телефоном.

АКУСТИЧЕСКАЯ ТЕЛЕФОНИЯ

До изобретения электромагнитного телефона уже существовали акустические устройства на механических принципах, способные передавать звук голоса или музыку на расстояние, в которых передача осуществлялась с помощью труб из металла или других материалов. Большой известностью пользовалось устройство под названием «голосовая труба», состоящее из двух конусов, соединенных с трубопроводом, по которому звук (голос) передавался на некоторое расстояние.

РИС. 1

Оно использовалось в основном на кораблях, чтобы с мостика можно было отдавать команды в машинное отделение и другие помещения, но в XIX веке подобные трубы стали устанавливать и в богатых домах, на фабриках и заводах, где их можно было встретить вплоть до второй половины XX века. Основные принципы акустической телефонии были известны уже много веков назад, свидетельство чему можно найти в детской игре с двумя стаканами или коробочками, соединенными веревкой, с помощью которых можно разговаривать. Диафрагма, то есть гибкая мембрана, способна улавливать звуки (воздушные колебания) и преобразовывать их в механическую вибрацию, как это происходит в человеческом ухе. Веревка или провод передают такую вибрацию по всей своей длине, сохраняя ее характеристики, и ее воспроизводит вторая диафрагма, или, иными словами, она вновь превращает механические колебания в воздушные (в звук).

В акустическом телефоне волны передаются по линии по тому же принципу, по которому работает струна в музыкальных инструментах. Различная длина звуковой волны воспринимается нами как изменение высоты звука: более длинная волна означает более низкий звук, более короткая — высокий (см. рисунок 1).

Первые формальные опыты над воспроизведением и передачей звука провел между 1664 и 1685 годами британский ученый Роберт Гук (1635-1703), пионер микроскопии и автор биологического термина «клетка». В 1667 году во время работы архитектором, в ходе реконструкции Лондона после сильного пожара 1666 года, английский эрудит изготовил очень простое устройство — акустический телефон, с помощью которого он исследовал свойства звука. Это открыло большие возможности в области передачи человеческого голоса, однако применить их на практике современная ему наука и технология были еще не готовы. Дальнейшее развитие телефонии стало возможным только с применением электричества.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛН

Пространство вокруг нас заполнено различными волнами, имеющими механическую или электромагнитную природу. Основными характеристиками этих волн являются: длина волны (расстояние между двумя ее пиками), амплитуда (максимальный размах волны) и частота (количество повторений волны в единицу времени, то есть количество вибраций в секунду).

СЛУШАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Люди, занимавшиеся разработкой телеграфа, задавались вопросом, можно ли превратить звук в изменяемый электрический ток и передавать его на большие расстояния по проводам так же, как передаются по металлической проволоке электрические сигналы, в которых зашифрованы символы. Работы по этой теме начались только в середине XIX века. В ходе своих исследований над возможностью изготовления автомата, имитирующего человека, в 1844 году итальянец Инноченцо Манзетти (1826-1877) выдвинул идею «говорящего телеграфа» (см. рисунок 1) и даже взялся за изготовление его прототипа. Источники расходятся во мнениях, удалось ли ему построить и испытать его; до нас дошли лишь смутные описания системы, которая «напрямую передает слова по обычным телеграфным проводам с помощью устройств, более простых, чем современный телеграф.

Музыка передается великолепно, а что касается слов, то самые отчетливые из них хорошо слышны». И только французский инженер Шарль Бурсель (1829-1912) в точности описал, хотя и теоретически, конструкцию, которую считают первой системой электрической передачи звука. В 1854 году Бурсель изложил в журнале «Иллюстрасьон» (в статье «Электрическая передача слов» от 25 августа 1854 года) основной принцип электрической телефонии и предсказал, что в скором времени звук можно будет передавать с помощью электричества:

«Представьте себе, что вы говорите рядом с подвижным диском, достаточно гибким, чтобы не пропустить ни одной вибрации, производимой голосом. Представьте себе, что этот диск последовательно замыкает и размыкает электроцепь. В таком случае можно поставить на большом расстоянии другой такой диск, который будет воспроизводить эти вибрации».

РИС. 2

Как и в телеграфе, система передачи сообщения основывалась на размыкании электрической цепи, в данном случае с помощью движений гибкого диска, упомянутого в тексте. Этот метод получил название «on/off» («вкл/выкл»).

Статья Бурселя была переведена на многие языки и получила широкое распространение. Она стала источником вдохновения для немецкого ученого и изобретателя Иоганна Филиппа Рейса (1834-1874). В 1861 году Рейс представил во Франкфуртском физическом обществе грубо изготовленное устройство, разработанное по принципам, изложенным Бурселем. Оно состояло из «горшка» без дна: на него с одной стороны была натянута мембрана из кишки, по центру которой была прикреплена подпружиненная швейная игла. Колебания, возникающие от вибрации мембраны, передавались на другой конец иглы и замыкали контакт с проводником, связанным с основной линией, питавшейся от батареи. Этот контакт замыкал и размыкал цепь, приводя в действие другую подобную иглу, связанную с катушкой. Игла вибрировала, производя звук. Рейс усовершенствовал эту примитивную модель, изменив материал мембраны и заменив иглу на изогнутый токопроводящий рычаг (см. рисунок 3). Вместо иглы в приемнике он использовал длинную металлическую пластину, которая гораздо эффективнее передавала звук. На самом деле чем более длинной и широкой она была, тем лучше воспринимала звуковые волны, так как больше становилась поверхность, соприкасавшаяся с воздухом. В некоторых моделях использовался деревянный ящик-резонатор.

Такая конструкция могла передавать музыку и определенные звуки, но не человеческую речь. В первые годы своего развития телефония исследовалась в основном на предмет передачи музыки и пения, хотя передача слов была куда важнее для будущего изобретения. Воспроизвести музыкальные звуки получилось практически сразу, но человеческая речь, гораздо более сложно устроенная из-за различной высоты и интенсивности звука, подобным техническим приборам не давалась.

РИС.З

Передатчик: коническая труба (а), мембрана (b), изогнутый рычаг, приводимый в движение мембраной (с, d), регулятор тока (е). Приемник: электромагнит (f), вибрирующая пластина (g), крепление пластины (h), регулировочные винты (i и j).

Райс продолжал работу над своим изобретением вплоть до того, что у него стала получаться передача гласных и некоторых согласных, но качество звуков оставалось очень плохим. Главная проблема этого устройства была проста и в то же время труднопреодолима: метод «вкл/выкл» Бурселя, взятый из телеграфа, не позволял правильно запечатлеть слово, так как оно представляет собой непрерывную меняющуюся волну, а не набор отдельных независимых импульсов. Практическое воспроизведение речи требует, чтобы передатчик поддерживал постоянный контакт с электрическим контуром, изменяя ток в зависимости от акустического давления, которое он регистрирует.

Альтернативное решение, пусть и несовершенное, не заставило себя ждать. В 1857 году американский изобретатель итальянского происхождения Антонио Меуччи (1808-1889) сконструировал примитивный прибор, главным компонентом которого являлся вибрирующий элемент, связанный с электромагнитом. Он изготовил его, чтобы соединить свою лабораторию, расположенную в полуподвале собственного дома в Статен-Айленде (Нью-Йорк), со своей спальней на втором этаже, где лежала его жена-инвалид. Он назвал свое изобретение телектрофоном и представил его публике в 1860 году. Данное событие было отмечено только итальянскими газетами Нью- Йорка и не вызвало особого интереса. Оно произошло за год до первой демонстрации прибора Рейса во Франкфуртском физическом обществе.

Телектрофон (см. рисунок 4 на следующей странице) состоял из двух картонных конусов, соединенных медным проводом и снабженных мембранами из кожи, обработанной бихроматом калия, с металлическими дисками по центру. В систему был включен индуктор, собранный вокруг железного сердечника цилиндрической формы, — техническое новшество для того времени, учитывая, что оно будет использовано для связи на дальних расстояниях только несколько десятилетий спустя.

Впоследствии изобретатель утверждал, что никогда не думал следовать принципу Бурселя «вкл/выкл», а всегда искал решение проблемы непрерывной передачи сигнала, которая не прерывала бы электрического тока. Этот пункт до сих пор остается предметом горячих споров в вопросе об авторстве конструкции телефона, потому что если все подробности, которые представил Меуччи в ходе дальнейшего разбирательства, верны, то его система была первым электромагнитным телефоном, появившимся значительно раньше, чем конструкция Белла.

РИС. 4

Электромагнитный телефон основывается на взаимодействии магнита и электрического тока, что делает возможным преобразование звуковых волн (голоса, звука) в волны электромагнитные, которые, таким образом, можно отправлять по проводам. Магнитное поле магнита формирует замкнутые линии от одного его полюса к другому. Если поместить металлическую мембрану в поле действия магнитного поля вблизи от полюса магнита, то речь, заставляющая ее вибрировать, будет возмущать магнитное поле. Изменения этого поля у одного полюса влияют на магнитное поле у противоположного полюса магнита. Если два магнита связаны одной электрической цепью так, что они используют один источник электроэнергии, то колебания одной мембраны оказывают влияние на другую, заставляя ее колебаться таким же образом, потому что магнитные поля обоих полюсов магнита изменяются синхронно. На этом основан принцип электромагнитного телефона — прибора для кодировки, передачи и воспроизведения сообщения от передатчика к приемнику и обратно.

АНТОНИО МЕУЧЧИ

Великое, но незаслуженно забытое имя в истории телефона — Антонио Меуччи (1808-1889). Он был человеком, принявшим активное участие в объединении Италии, движении Рисорджименто, которое боролось за освобождение полуострова от власти Австрии и Испании и владычества Габсбургов и Бурбонов. Меуччи приговорили к тюремному заключению, и он вынужденно эмигрировал на американский континент, поначалу поселившись на Кубе, где поставил свои первые опыты в области телефонной связи. В своем доме на Статен-Айленде (Нью-Йорк), куда Меуччи переехал в 1850 году, он принимал итальянских политических беженцев, в том числе самого Гарибальди, с которым его связывала долгая дружба. Таким образом изобретатель стал весьма уважаемым человеком в итальянской диаспоре. Кроме телектрофона, появившегося на свет в 1854 году, он создал систему фильтров для очистки воды и предложил использовать парафин для производства свечей. Тем не менее по складу ума Меуччи предпринимателем не был.

Совершенствуя телектрофон, Меуччи в то же время боролся со своим английским соперником и собственной неопытностью в предпринимательской и финансовой области, но без особого успеха. Он получил сильные ожоги во время пожара на паровом катере, что вынудило его жену продать его прототипы за бесценок. В 1874 году у него не оказалось 250 долларов, чтобы заплатить за патент на свое изобретение, и он смог получить только caveat — просто официальное подтверждение его приоритета в развитии изобретения. Это был не слишком подробный документ, но caveat Меуччи описывал характеристики телектрофона и содержал его чертежи в общем виде. Проблема заключалась в том, что такое свидетельство действовало только в течение одного года. Меуччи попытался заинтересовать компанию «Вестерн Юнион» своим изобретением и отправил туда один из прототипов и предложение о создании филиала фирмы, которое ее руководство отвергло. Компания не вернула ему эти материалы, заявив, что они утеряны. Два года спустя, в 1876 году, шотландец Александр Грэхем Белл опубликовал свой патент на телефон, моментально став знаменитостью и заключив выгодный контракт с «Вестерн Юнион».

ТЕЛЕФОН БЕЛЛА

К 1870 году еще не существовало надежно работающей модели телефона, пригодной для коммерческого использования. Одним из исследователей, которых в 1874 году Уильям Ортон привлек к работе для поисков решений в области многоканальной телеграфии, был Илайша Грей (1835-1901), чья компания «Вестерн Электрик» стала одним из важнейших подрядчиков «Вестерн Юнион». В том же году в ходе экспериментов с акустической телеграфией Грей случайно обнаружил способ передавать звуки человеческой речи. Тем не менее, хотя передача слов казалась интересной задачей, это не было главной целью его жизни, и он не придал своему открытию серьезного значения.

Шотландский ученый и изобретатель Александр Грэхем Белл, недавно прибывший в США, напротив, придерживался другого мнения: он занимался теми же явлениями, что и Грей, но обладал иным багажом знаний — опытом акустических экспериментов с человеческой речью и слухом. Он происходил из семьи логопедов и теоретиков устной речи, а некоторые его родственники были глухими, поэтому с первых же своих работ Белл проявлял интерес к механике звука и речи.

ТЕЛЕФОН ИЛАЙШИ ГРЕЯ

Прототип телефона, разработанного Илайшей Греем, воспроизводил звук с достаточно большой громкостью и надежностью, используя для изменения силы тока давление воды, которая выступала в роли передатчика. Его устройство могло воспроизводить разные тона одновременно без искажений, что было невозможно для телефона Рейса. Схема устройства показана на рисунке. Говорящий располагается у рупора передатчика, его голос вызывает вибрацию мембраны, связанную с линией, соединяющей обе станции. Вибрация мембраны воздействует на металлическую иглу: она отходит от ее центра, а другой ее конец погружен в воспринимающее устройство, заполненное водой. Основание этого устройства подсоединено к батарее. Чем больше амплитуда колебаний, тем сильнее сжимается вода, что изменяет ее электрическое сопротивление. На приемной станции ток приводит в действие электромагнит, и таким образом колебания мембраны в передающем устройстве вызывают колебания мембраны в приемном.

Как раз в 1874 году он напряженно работал над двумя фундаментальными изобретениями: «гармоническим телеграфом» (устройством, одновременно отправляющим несколько телеграфных сообщений, используя разную частоту сигнала) и «фоноавтографом», который на основе принципов гармонического телеграфа был призван вернуть слух глухим людям. Разрабатывая данные устройства, Белл получил много знаний, которые впоследствии помогли ему изобрести прибор, сделавший его знаменитым.

«Фоноавтограф» был своего рода «искусственным ухом». Он состоял из мембраны, колебания которой двигали рычаг, рисующий «облик слова» в форме волны на закопченом стекле. Белл считал возможным сделать так, чтобы мембрана изменяла интенсивность электрического поля, следуя «образу» произнесенных слов. Ток должен был передавать слова на другую мембрану. Речь шла не о режиме «вкл/выкл» (бинарное состояние), а о его изменении (континуум возможных состояний). Белл открыл фундаментальный принцип телефонии, основанный на изменяемом сопротивлении, не дожидаясь, пока Грей придет другим путем к тому же результату. Однако у Белла еще несколько лет ушло на то, чтобы понять, как применить эту идею на практике.

Возможность передавать слова электрическим способом превратилась у Белла в навязчивую идею. С подачи пионера электромагнетизма Джозефа Генри, в то время секретаря в престижном Смитсоновском институте, который когда-то работал вместе с Морзе над его телеграфом, Белл понял: ему нужна помощь инженера-электротехника, чтобы выпестовать то, что Генри назвал «ростком великого изобретения». И его сотрудником стал блестящий Томас Уотсон (1854-1934).

В июне 1875 года состоялись испытания гармонического телеграфа. Уотсон должен быть отправлять звук определенного тона, а Белл — принимать его на удаленной станции. Но когда Уотсон привел в действие коммутатор, посылавший звук на приборную панель передатчика, Белл услышал не музыкальную ноту, а шум, производимый самим Уотсоном, двигающим рычаг. Как такое было возможно? Хотя гармонический телеграф работал на принципе замыкания и размыкания тока, вышло так, что в тот момент контактный винт оказался затянут слишком сильно, и ток потек без прерываний. Когда Белл понял суть происходящего, он бросил свой гармонический телеграф и посвятил себя изучению возможностей этого эффекта телефонной связи. Уотсон всего за один день изготовил первый прототип, вставив туда по указанию Белла важнейший элемент — мембрану. И все-таки устройство еще не могло передавать слова, на его выходе получались лишь едва различимые звуки. Оба исследователя поняли, что их ждет долгая экспериментаторская работа.

РИС. 5

Зимой 1875/1876 года Белл пребывал в уверенности: хотя ему еще не удалось сделать прототип своего прибора, который мог бы передавать слова, он может в точности описать его. Патентное бюро в 1870 году отказалось от требования представлять для получения патента работающие модели, поэтому шотландец заполнил патентную заявку, описав свой прибор как «устройство по передаче телеграфным способом звуков голоса и любого другого вида» и отправил своего адвоката в бюро. Это было 14 февраля 1876 года. В то же утро, но на два часа позже, Илайша Грей представил в патентное бюро свою caveat — предварительную заявку, — сообщив об изобретении прибора, который передает человеческий голос с помощью изменения давления в жидком растворе. В марте Беллу и Уотсону удалось изготовить первый прототип (см. рисунок 5), способный передавать слова. Чтобы добиться этого, они применили жидкостной передатчик, формула которого в патенте не упоминалась, так как она не была ни раскрыта, ни даже ясно описана в caveat Грея. Между двумя патентными заявками было в действительности много сходства. Кроме того, главный пункт в заявке Белла — упоминание принципа переменного сопротивления — был кое-как нацарапан на полях, поэтому некоторые считали, что он изменил запрос задним числом. Мембрана в основании воронки заставляла колебаться пруток, погруженный в слабый раствор кислоты, находящийся в металлическом сосуде.

ВЕЛИКИЙ ТЕЛЕФОННЫЙ СПОР: БЕЛЛ ПРОТИВ МЕУЧЧИ

Как и большинство изобретений того времени, появление телефона стало результатом работы многих исследователей, а вопрос о его авторстве вызвал жестокий и запутанный спор, который закончился в суде. В первые годы существования компании «Белл Телефон»против нее было подано 600 исков о плагиате, из которых она проиграла только один — против Меуччи.

Когда Белл обнародовал свой телефон, Меуччи немедленно подал против него иск. Сначала дело Меуччи шло очень хорошо: иск поступил в верховный суд, где против Белла были выдвинуты обвинения в мошенничестве. В сентенции утверждалось, что Белл работал в той самой лаборатории «Вестерн Юнион», которая «потеряла» прототипы Меуччи. Однако других материальных улик не существовало, a caveat Меуччи уже был просрочен, поскольку у него не нашлось десяти долларов, чтобы его обновить. Когда Меуччи умер в 1889 году, нищий и всеми забытый, судебное дело умерло вместе с ним. И только в июне 2002 года Конгресс США одобрил резолюцию, согласно которой именно его признали автором телефона, а Белл лишался такого звания. Сегодня история Меуччи и информация о его первенстве в исследованиях, которые привели к изобретению телефона, известны, однако в общественном мнении Белл все равно остается изобретателем этого прибора.

Александр Грэхем Белл.

Пруток был связан с приемником с помощью провода, а через другой провод на сосуд подавалось питание от батареи, в результате чего получалась электрическая цепь. Вибрация изменяла электрическое сопротивление в цепи (в зависимости от размеров той части металлического прутка, которая контактировала с раствором), так что проходящий через прибор ток менялся в зависимости от акустических характеристик звука. Этот меняющийся ток поступал к приемнику, который тоже имел мембрану, и заставлял ее вибрировать, что, в свою очередь, производило звук. Белл и Уотсон довольно быстро забросили идею жидкостного передатчика и стали работать над полностью электромагнитной моделью.

После представления патентной заявки и разработки прототипа швейцарский изобретатель выступил с серией демонстраций и конференций, чтобы известить всех о своем изобретении, благодаря чему ему удалось получить поддержку научного сообщества и широкой публики. Уже через десять лет только в США работали более 100 тысяч телефонных аппаратов. Через 25 лет там были один миллион абонентов и два миллиона линий, по которым ежегодно совершалось два миллиарда разговоров. К моменту смерти Белла количество проданных телефонов достигло 30 миллионов. Однако, чтобы данное устройство стало по-настоящему рабочим и коммерчески успешным, потребовалось вмешательство «волшебника из Менло-Парка».

УГОЛЬНЫЙ МИКРОФОН

На Всемирной выставке в Филадельфии 1876 года, где праздновался юбилей Декларации независимости США, телефон Белла произвел фурор. Знаменитые люди того времени, такие как император Бразилии Педро II (1825-1891), британский физик и математик Уильям Томсон (более известный как лорд Кельвин) и даже великий шотландский физик-теоретик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), создатель классической электродинамики, изъявляли свое восхищение им, что было аршинными буквами отражено в газетах по всему миру. Успех «говорящего телеграфа» в следующем году засвидетельствовала и королева Виктория, приобретя один аппарат.

Тем не менее у этого прибора был широкий ряд ограничений: говорящий, даже если линия составляла пару километров, должен был кричать слова в микрофон по многу раз, чтобы вызвать колебания мембраны и быть услышанным на другом конце провода. Кроме того, приходилось говорить и слушать с помощью одного и того же устройства, то есть постоянно прикладывая к нему во время беседы попеременно то рот, то ухо. В этом смысле предложение Илайши Грея являлось гораздо более продвинутым, так как в нем присутствовали отдельный микрофон и динамик.

В 1877 году компания «Вестерн Юнион» владела 400 000 км телеграфных линий, которые простирались на расстояние 160000 км и обеспечивали ее клиентам быструю автоматическую многоканальную телеграфную связь. Она, по мысли Уильяма Ортона, не могла быть заменена на такую научную диковинку, как телефон. В компании продолжали придерживаться такого мнения вплоть до того, как дочерняя компания «Голд энд Сток Телеграф» не проинформировала их, что ее клиенты заменяют аппараты «Вестерн Юнион» на усовершенствованные модели телефона, устанавливаемые «Белл Телефон Компани» (ВТС). Последняя буквально за несколько месяцев своего существования продала 3000 устройств и развивалась неимоверными темпами благодаря умной политике продажи лицензий на установку телефонов другим фирмам.

Похоже, что в мире гораздо больше возможностей, чем способности ими воспользоваться. Хороший результат получается, когда возможность встречается с готовностью.

Томас Альва Эдисон

Ортон встретился с Франклином Поупом с целью изучить, насколько действительны патенты Белла. После придирчивого анализа всех статей и исследований по передаче звука Поуп в своем докладе заключил, что патенты действительны и для производства телефона не существует лучшей системы, чем у Белла. Он рекомендовал купить патенты. Однако Ортон поступил иначе, организовав компанию «Американ Спикинг Телефон Компани»(ASTC) и обратившись к Томасу Альве Эдисону с предложением улучшить телефон Белла и получить на это ряд собственных патентов.

Внешний и внутренний вид мастерской- лаборатории в Менло-Парке, 22 февраля 1880 года. Здесь можно увидеть некоторых сотрудников Эдисона.

На фото внизу, слева направо: Л. К. Бём, К. Л. Кларк, Чарльз Бэчлор, Уильям Кармен, С. Д. Мотт, Джордж Дин, Френсис Йель, Джон Лоусон, Чарльз Фламмер, К. П. Мотт и Дж. В. Маккензи.

Эдисон уже имел опыт подобного рода. Изучение звука вызвало у него огромный интерес (возможно, по причине его глухоты), еще когда он только услышал об изобретении Белла. Перед тем как взяться за работу, Эдисон со своими сотрудниками решили выполнить ряд практических экспериментов с оригинальным аппаратом Белла в присутствии правления и технического начальства ASTC. Испытания проводились на линии, связывавшей Нью-Йорк и Вашингтон, и окончились плохо: шумы и малая интенсивность звуков речи практически не позволяли расслышать ничего из сказанного на другом конце провода. Эдисон решил, что хотя, без сомнений, заслуги изобретателя огромны и его вклад неоценим, устройство аппарата придется основательно переделывать. В первую очередь, по его мнению, следовало использовать схему Илайши Грея, имевшую отдельные микрофон и динамик. Требовалось предварительно поработать над обоими элементами, чтобы повысить качество приема, передачи и воспроизведения голоса, а также убрать или снизить до минимума нежелательные шумы, в основном вызванные статическим электричеством.

Сначала Эдисон принялся за работу над микрофоном. Ему надо было найти более надежный способ улавливать звуковые волны и увеличить возможности преобразования, чтобы таким образом улучшить передачу разговора. Для этого он использовал свое недавнее изобретение, которое не пригодилось по назначению (великолепный пример гениальной способности Эдисона извлекать пользу из своих провалов). Работая над квадруплексным телеграфом, он изучал проводниковые свойства различных материалов и обнаружил, что сопротивление угля зависит от оказанного на него давления. К сожалению, такое сопротивление изменялось под воздействием любого звука, и его невозможно было использовать для поставленных в то время целей. Но именно эта чувствительность оказалась нужной Эдисону в данном случае.

Команда Менло-Парка работала в течение года над использованием изменения сопротивления угля в микрофоне телефона. В начале 1877 года Эдисону удалось свести шумы в телефоне Белла к минимуму, однако главным достижением стало увеличение надежности восприятия звука мембраной с помощью капсулы с угольной крошкой, расположенной рядом с ней.

В угольном микрофоне мембрана представляет собой тонкую пластинку из гибкого металла. За ней располагается небольшой кусок угля (в первых моделях это был индийский каучук), представляющий собой своего рода кнопку, оказывающую легкое давление на расположенный за ним блок компонентов. Этот блок состоит из диска, содержавшего крошку (гранулы) угля, сжатую двумя пластинками, которые являются контактами цепи. Когда на контакты подается ток, он проходит через угольный диск.

РИС. 6

УГОЛЬНЫЙ РЕОСТАТ

Команда Эдисона продолжала изучать возможные применения изменяемого сопротивления угольной пыли. Первым из них стал угольный реостат, который разрабатывался для замены обычных реостатов. Устройство состояло из пустого эбонитового цилиндра, где помещались примерно 50 шелковых дисков и графитовый порошок. Они придавливались металлической пластиной с помощью регулировочного винта, что приводило к изменению электрического сопротивления в цепи в диапазоне от 400 до 6000 Ом.

Механизм работы устройства (рисунок 6) следующий: когда кто-то говорит перед мембраной, она начинает колебаться под воздействием акустических волн. Вибрация мембраны действует на «кнопку» из угля, а эта последняя — на задний контакт, передавая в каждый момент времени на него колебательный образ звуковой волны. Данные колебания действуют на электрический ток, проходящий через угольный диск, вызывая изменения сопротивления, в точности соответствующие рисунку волны. Таким образом, звук превращается в изменяемый электрический ток. Сила тока увеличивается или уменьшается в зависимости от изменения давления звуковых волн.

Как видно на рисунке 6, звук, преобразованный в изменяемый электрический ток, пересылается как любой электрический сигнал по проводам телефонной линии до приемного устройства, где он воздействует на электромагнит. Последний включается и выключается в зависимости от изменения силы тока. Электрический ток преобразуется в колебания мембраны, и таким образом воспроизводится оригинальный звук. Эдисон подал патентную заявку на микрофон 27 апреля 1877 года, но патент был выдан ему лишь 15 лет спустя, что вызвало много проблем с изобретателем «Белл Телефон Компани» по имени Эмиль Берлинер (1851-1929), немецким эмигрантом и инженером-самоучкой, недавно прибывшим в США: он представил свою заявку на две недели раньше. Эдисон описал усовершенствованный микрофон, с помощью которого в следующем месяце ему удалось установить двустороннюю связь между телефонами, находящимися на расстоянии 170 км друг от друга. Таким образом, он превзошел телефон Белла, способный установить связь только на 30 км. В 1892 году Федеральный суд Бостона вынес решение в пользу хронологического приоритета Эдисона перед Берлинером в отношении передачи речи на расстоянии. Угольный микрофон был признан изобретением Эдисона.

МЕЛОВОЙ ПРИЕМНИК

Угольный микрофон послужил началом стремительной коммерциализации телефона. Как уже было сказано, первые телефонные системы имели электромагнитный приемник. Компании ВТС и ASTC объединились, что дало компании Белла приоритет на североамериканском рынке телефонии и прибыль около трех с половиной миллионов долларов. Увидев в таком объединении для себя ущерб, Эдисон потребовал и получил компенсацию в 6000 долларов в год на период действия своего патента, то есть на 17 лет. Тем не менее в 1878 году компания Белла подала на него в суд за нарушение патентных прав на их электромагнитный приемник в Англии.

Изобретатель взялся за усовершенствование альтернативного типа приемника и за улучшение приема телефонных сообщений с помощью системы усиления звука, которая позволяла бы слышать его в телефоне с такой же громкостью, как оригинальную речь. Эдисон использовал принцип, уже примененный им при конструировании меловых реле,— электромотограф: сила трения металла о мел, который становится проводником при пропитке нужным составом, обратно пропорциональна пропускаемому между ними току. Его конструкция увидела свет в 1879. году, это был меловой приемник.

РИС. 7

Эдисон разместил внутри приемника вращающийся меловой цилиндр: по его поверхности скользила подпружиненная игла, связанная с мембраной (см. рисунок 7). Мел пропитывался раствором, состав которого мог сильно различаться, хотя чаще всего использовался раствор бромистого или йодистого калия. Реакция в растворе, начинавшаяся под действием тока, влияла на силу трения между иглой и мелом. Данные изменения передавались на мембрану, что порождало звук. В первых моделях слушателю приходилось крутить барабан маленькой ручкой все время разговора, но это неудобство было устранено в следующих моделях с помощью часового механизма. Меловой приемник получил известность как «электромотографический приемник», или просто «мотограф». Однако сам Эдисон любил называть его «музыкальным телефоном», потому что, отличаясь большими размерами, прибор имел достаточную мощность, чтобы позволить аудитории слышать музыку, улавливаемую угольным микрофоном, как в нынешних музыкальных динамиках. Как бы то ни было, в Англии коммерческие агенты продавали его под названием «громкоговорящий телефон».

Комбинация мелового приемника и угольного микрофона в «громкоговорящем телефоне» Эдисона привела к тому, что на английском рынке он обошел продукцию Белла. Тем не менее в 1881 году «Белл Телефон Компани» и «Эдисон Телефон Компани» (компания изобретателя, учрежденная для продажи телефона в Европе) слились, и меловой приемник вышел из употребления, потому что был очень дорогим и сложным устройством и в конечном счете его разработка была вызвана не техническими причинами, а сложностями с патентными правами.

В конце концов функциональная модель телефона, завоевавшая мир, представляла собой смешанное устройство, объединяющее угольный микрофон Эдисона и улучшенную версию приемника Меуччи, патентом на который владел Белл. Поскольку эта схема сочетала патентные права всех сторон, претендующих на первенство в телефонии, она не могла быть реализована, пока не закончились патентные войны первых лет, и две компании не пришли к согласию.

С наступлением 1880-х годов Томас Альва Эдисон достиг возраста 30 лет и благодаря как своим успехам, так и неудачам (большинство из которых в результате закончилось в его пользу), стяжал себе славу «волшебника из Менло-Парка». Его лаборатория напряженно работала над десятками проектов одновременно, так что команда Эдисона не только добивалась поставленных целей, но и попутно делала множество открытий, в известном смысле случайных. Естественно, Эдисон направлял все усилия на разработку практически применимых продуктов, хотя парадоксальным образом они стали поводом и мотивацией, приведшим к его наиболее оригинальному изобретению. Во время работы над улучшением телефона системы Белла он вместе с командой открыл способ записи речи. Первой идеей Эдисона при этом было создать машину, которая выполняла бы роль телефонной секретарши и записывала речевые сообщения, впоследствии прослушиваемые. Изначальная концепция прибора, названная им «фонографом», являлась результатом ошибки, но она стала первым шагом в новый мир — в эру записи и воспроизведения звуков.

ГЛАВА 4

Рождение индустрии развлечений: фонограф

Фонограф был первым большим оригинальным изобретением Эдисона, самым ценным из его творений. Именно с него начался миф о «волшебнике» технологий. Однако первая модель этого прибора в коммерческом смысле оказалась провальной: она осталась на уровне любопытной технической диковинки и ярмарочного аттракциона. Потребовались десять лет и появление жесткой конкуренции, чтобы Эдисон принялся за совершенствование фонографа и довел свое изобретение до того легендарного коммерческого успеха, о котором он мечтал.

Можно подумать, что идея фонографа возникла из изучения методов записи звуков, но на самом деле все было наоборот: процесс воспроизведения звука предшествовал идее его записи. Концепция фонографа начала оформляться у Эдисона после наблюдений, сделанных его командой в ходе разработки телеграфных устройств, и более всего телефона. Для изготовления последнего они должны были глубоко исследовать свойства мембраны, воспроизводящей звуковые волны, и ознакомиться с научным опытом в области акустики, накопленным в Европе к середине века. Благодаря этому аккумулированному знанию Эдисон смог сделать первые наброски чертежей прототипа, который впоследствии продемонстрировал удивительную эффективность и простоту.

Между 1872 и 1874 годами, в последний период своей работы над автоматическим телеграфом, Эдисон и его сотрудники занимались различными усовершенствованиями этой системы, которые в результате не нашли применения. Эдисон потратил много времени и денег на поиски способа печатать телеграфные сообщения непосредственно обычным латинским алфавитом, стремясь избежать сложного процесса зашифровки их азбукой Морзе и последующей расшифровки. Хотя его усилия и не достигли поставленной цели, они позволили ему сделать очень интересное наблюдение. В системе Эдисона буквы были обозначены рельефными точками и тире на бумажной ленте, проходившей над рычагом, и эти рельефные выступы замыкали электрический контакт, посылая сигналы по линии. Изобретатель и его сотрудники заметили, что когда лента проходит с определенной скоростью над контактом, рычаг начинает вибрировать, издавая звук определенной высоты, воспринимаемый как музыкальная нота. Зная о предыдущих акустических экспериментах, Эдисон начал размышлять, возможно ли отпечатать на бумажной ленте образ звуковых волн, чтобы затем он каким-то образом воздействовал на электрический контур.

Если устройство не выполняет возложенной на него задачи, это не значит, что оно бесполезное.

Томас Альва Эдисон

С другой стороны, исследуя способы автоматической телеграфной передачи, которые превосходили бы перфорированную бумажную ленту, команда Эдисона опробовала систему, где сообщения вырезались на бумажном круге, помещенном на вращающийся диск. На диске была проделана бороздка спиральной формы — на нее клали бумажный круг. Рычаг, на конце которого был расположен электромагнит и маленький резец, прижимался к диску так, что резец прорезал на бумажном круге сигналы, поступавшие на электромагнит. Затем круг помещали на похожую машину, где резец поменьше повторял записанные сигналы. Подобная система позволяла передавать несколько сотен слов в минуту.

Следующая деталь пазла появилась в 1877 году во время опытов, которые команда Эдисона производила уже в Менло- Парке для изучения поведения мембраны в ходе усовершенствования телефона Белла. Эдисон спроектировал маленькую автоматическую систему: если громким голосом говорить в раструб, колебания мембраны с помощью небольшого рычага двигали колесико, постоянно вращавшее валик. Этот валик был связан с помощью провода с игрушкой из папье-маше, изображавшей человечка с пилой у бревна. Колебания мембраны приводили в движение человечка, и он пилил бревно. При изготовлении этой игрушки Эдисон объединил все вышеописанные пункты: он начал разрабатывать идею, что регистрация движения мембраны может помочь в воспроизведении воздействовавшего на нее человеческого голоса. Впервые он пришел к мысли, что запись можно осуществить с помощью вырезания или гравировки на подложке так, чтобы вибрации, производимые при прохождении по ней подвижной поверхности, копировали колебания мембраны.

ПРЕДШЕСТВЕННИКИ: ЛАБОРАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ

Акустика — как важный элемент коммуникации — интересовала ученых в течение всего XIX века. Многие из них исследовали свойства звука и пытались воспроизвести все тона и оттенки человеческой речи, что требовало использования весьма сложных механизмов. Наиболее важный вклад в данной области был сделан немецким физиком Германом фон Гельмгольцем (1821-1894), чьи исследования акустики представляли собой первый шаг по пути к воспроизведению звука.

Гельмгольц изготовил прибор для анализа сочетания тонов, составляющих естественные сложные звуки. «Резонатор Гельмгольца» представлял собой устройство для акустического поглощения, которое устраняло широкий ряд частот, позволяя услышать отдельно звук определенной частоты. Резонатор состоял из ряда пустых шаров различного размера, которые сначала изготовляли из стекла, а затем из меди, с двумя горлышками: перед одним из них помещали источник звука, а рядом с другим находился слушатель. Каждая сфера, или полость, выделяла одну конкретную частоту, так что весь прибор целиком позволял изучать отдельно разные частоты, составляющие звук. То же явление можно наблюдать, дуя перпендикулярно горлышку бутылки: звук входящего в бутылку воздуха составлен из широкого ряда частот, но резонирует она, издавая звук одной конкретной частоты, который тем ниже, чем больше объем бутылки.

Затем немецкий исследователь сделал следующий шаг: он изобрел машину, производящую эффект, обратный резонатору. «Синтезатор Гельмгольца» (см. рисунок 1) создавал сложные звуки, напоминавшие разные музыкальные инструменты или человеческий голос. Он состоял из ряда камертонов, располагающихся соответственно своим частотам. У каждого из камертонов имелся резонатор в виде барабана с регулируемым отверстием. Два электромагнита заставляли колебаться каждый камертон соответственно компонентам имитируемого звука. Эту конструкцию можно считать первым электронным синтезатором в истории. Фактически сам термин «синтезатор» был введен Гельмгольцем, который назвал так свое устройство, потому что с его помощью происходил синтез ряда простых звуков в один сложный, в то время как его резонаторы осуществляли анализ — разделение звука.

Большинство своих акустических экспериментов Гельмгольц провел между 1855 и 1858 годами. В 1857 году он представил большую часть своей работы на конференции в Боннском университете. В ней участвовал и молодой Иоганн Филипп Рейс, на которого доклад Гельмгольца произвел глубокое впечатление, после чего он решил посвятить себя исследованиям в данной области. Гельмгольц полностью не публиковал результаты своих долголетних изысканий вплоть до 1863 года. Он сделал это в книге, которая называлась «Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки», оказавшей огромное влияние на музыковедение и последующие акустические исследования.

Пока Гельмгольц занимался своими опытами, во Франции рождалось первое устройство, способное регистрировать звук: фоноавтограф. Оно не записывало звуки в современном смысле этого слова, однако делало их видимыми, рисуя их. Основой служила зачерненная бумага, которая, естественно, затем не могла воспроизвести звук. Изобретатель прибора, француз Эдуард Леон Скотт де Мартинвилль (1817-1879), запатентовал его в 1857 году с намерением повторить со звуком результат (и успех), достигнутый несколько ранее с фотографией. Однако его творение не нашло пути на рынок развлечений, но было оценено как лабораторный прибор, облегчающий акустические исследования: его использовали для определения частоты и музыкального тона, а также для изучения свойств звуковых колебаний.

РИС. 1

РИС. 2

Схема фоноавтографа. ВС: раструб, открытый со стороны С. с: металлическое кольцо с мембраной и стилусом b и с регулятором контакта а. d: рукоятка для вращения цилиндра (А), вокруг которого обернута зачерненная сажей бумага.

Чтобы разработать свой прибор (см. рисунок 2), Скотт де Мартинвилль стал изучать механические средства записи голоса и заинтересовался анатомией человеческих органов слуха. Взяв за образец работу человеческого уха, он заменил барабанную перепонку эластичной мембраной, а слуховые косточки — набором рычагов, двигающих специальный стилос. Звуковые волны собирались воронкой и направлялись на мембрану, колебания которой фиксировались стилосом на поверхности покрытой сажей бумаги, обернутой вокруг вращающегося рукояткой цилиндра.

И только после появления фонографа стало понятно, что рисунки, сделанные фоноавтографом, действительно представляют собой изображения звуковых волн, которые, если иметь соответственную аппаратуру, можно снова превратить в звук. В 2008 году группа историков оцифровала эти самые старые «фоноавтограммы» и смогла воспроизвести их. Таким образом, французская народная песенка А и clair de la lune («В свете луны»), спетая некоей девушкой 9 апреля 1860 года, за 17 лет до первой звукозаписи Эдисона, теперь является самой старой известной записью человеческого голоса.

ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ

Звуковая волна представляет собой механическую волну продольного типа, в которой колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны. Она распространяется в упругой и непрерывной среде, такой как воздух, создавая местную разницу в давлениях и плотности, и имеет сферическую периодическую или полупериодическую форму. Изменения давления, влажности или температуры среды приводят к смещению составляющих ее молекул, так что каждая молекула передает колебания соседним с ней, вызывая по цепочке их смещение. Поэтому звуковые волны для распространения нуждаются в материальной среде, такой как воздух, вода или твердое тело, поскольку именно такая среда производит и поддерживает распространение звуковых волн вместе с областями сжатия и расширения среды, вызванными соответственно концентрацией или рассеянием частиц, которые составляют среду. Следовательно, быстрее всего звуковые волны распространяются в твердых телах, и медленнее всего — в воздухе, и естественно, они не могут распространяться в вакууме. Это распространение движения молекул среды производит в слуховых органах человека ощущение, которое называют звуком. Известно, что человеческий слух может воспринимать звуковые волны с частотами от 20 до 20000 Гц. Частотой волны называется количество колебаний в единицу времени. Единица измерения частоты в Международной системе единиц — 1 герц (Гц).

ПЕРВЫЙ ФОНОГРАФ: ОЛОВЯННЫЙ ВАЛИК

Хотя Эдисон был захвачен работой над телефоном, он раз за разом возвращался к идее записи и воспроизведения звука.

РИС. 3

РИС. 4

Схема работы фонографа. А: рукоятка. В: ось привода. С: картонный цилиндр, обернутый оловянным листом. D: стилос. Е: мембрана. F: акустические раструбы записи и воспроизведения. Звуковые волны улавливаются акустическим раструбом и заставляют колебаться мембрану, и связанная с ней игла нарезает дорожку.

Впоследствии, всю оставшуюся жизнь, он признавался, что именно фонограф стал его главным изобретением, которому он посвятил всего себя и в успех которого он вложил все свои надежды и энтузиазм. На этом Эдисон всегда настаивал.

К концу 1877 года у изобретателя уже сформировались основные принципы, с помощью которых можно было сложить все куски этого пазла, так что он представил проект небольшой и очень простой машины своему сотруднику Джону Крузи. На иглу передавались движения мембраны, но записывались они не на диске, как в экспериментах по автоматической телеграфии, а на тонком листе олова (очень мягкого металла), обернутом вокруг цилиндра, как в аппарате Скотта де Мартинвилля. Идея состояла в том, чтобы изготовить прототип и посмотреть, как он будет работать.

Говорят, что когда Крузи закончил прототип, он испытал его, записав на оловянном листе первые строки детской считалки Mary had a little lamb («У Мэри был барашек»). Когда иглу поставили на воспроизведение и аппарат проиграл запись, все застыли от изумления, услышав ясный человеческий голос, читавший стишок. Изобретение прекрасно заработало с первой попытки благодаря применению основных принципов акустической теории.

ЧТО ТАКОЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Преобразователь — это устройство, превращающее некое физическое явление, такое как давление или температура, в какой-либо тип сигнала, чаще всего в электрический. Микрофон и приемник являются электроакустическими преобразователями, потому что они превращают колебания давления воздуха, звуковые волны или вибрации в электрическую энергию, то есть в изменение напряжения, и наоборот. Акустический раструб таких звуковых систем, как фонограф, тоже представляет собой преобразователь, поскольку он улавливает звуковые волны и заставляет колебаться мембрану, чтобы связанная с ней игла прорезала дорожку на валике. Сами человеческие органы слуха также можно назвать преобразователем, в данном случае электроакустическим, так как их работа состоит в превращении механического импульса звуковых волн в электрические сигналы, поступающие на обработку в мозг (что мы и воспринимаем как звук). Ушная раковина улавливает и собирает звуковые волны, которые по слуховому проходу доходят до барабанной перепонки — гибкой мембраны, колеблющейся вместе с ними. Вибрация усиливается цепочкой маленьких косточек и передается во внутреннее ухо через овальное окно. Там оно воздействует на два жидких содержимых улитки (перилимфу и эндолимфу), раздражая чувствительные клетки внутри нее. Эти клетки превращают звуковые волны в электрические импульсы, которые по слуховому нерву передаются в слуховую кору — зону головного мозга, ответственную за распознавание звуков.

Фонограф (см. рисунок 3) использовал систему аналоговой механической записи, то есть когда звуковые волны превращаются в механические колебания с помощью акустическо-механического преобразователя. Первый созданный прототип содержал разные механизмы для записи (см. рисунок 4) и для воспроизведения (см. рисунок 5), которые в следующих моделях были объединены.

Устройство приводилось в движение вручную вращением рукоятки, при этом валик вращался вокруг своей оси и передвигался вдоль нее (см. рисунок 4: 1). Записываемый говорил в акустический раструб, и звуковые волны вызывали вибрацию мембраны (2). Вокруг цилиндра был обернут оловянный лист, на который воздействовала игла, связанная с центром металлической мембраны, прорезавшая на этом листе спиральную дорожку (3). Рисунок этой дорожки представлял собой цепочку маленьких зазубрин, воспроизводивших вибрирующий эффект звуковых волн.

Воспроизведение (см. рисунок 5) было столь же простым. Проигрывающая игла ставилась в начало записи, нарезанной на валике, и затем валик приводили в движение, вращая рукоятку (1). Игла двигалась вдоль дорожки, следуя всем ее неровностям (2). Движения иглы в дорожке цилиндра производили колебания мембраны, которые усиливались коническим акустическим раструбом.

НЕСОВЕРШЕННОЕ УСТРОЙСТВО

Полностью представляя себе, какое впечатление может оказать его изобретение на широкую публику, Эдисон не стал тянуть с демонстрацией. Уже через несколько часов после изготовления первого рабочего прототипа он представил его журналистам, так что на следующий день заметками о фонографе были полны все газеты. Эдисон отправился в путешествие, чтобы показать миру все более совершенные модели своего прибора. Демонстрации собирали толпы народа, изумленные простотой механизма и принципа его работы. Во время посещения Вашингтона для демонстрации фонографа в Конгрессе США президент Резерфорд Хейз (1822-1893) пригласил изобретателя в Белый Дом, чтобы он показал прибор и там.

Привлеченные ожидаемым успехом фонографа, различные предприниматели и финансисты кинулись к Эдисону с заманчивыми предложениями по его производству. Однако, хотя изобретатель имел далеко идущие планы на свое творение, правда заключалась в том, что в своей первоначальной форме весь потенциал фонографа ограничивался получением прибыли от театрального эффекта и изумления публики. Компания «Эдисон Спикинг Фонограф», основанная с целями производства, продажи и предоставления в аренду фонографов, в конце концов ограничилась почти исключительно их поставкой в качестве аттракциона на мероприятиях все ниже и ниже рангом, вплоть до деревенских ярмарок.

РИС. 6

Самой известной моделью на пике «фонографомании» являлась одна из усовершенствованных версий прототипа (см. рисунок 6). Устройства для записи и воспроизведения были объединены и состояли из одного акустического раструба, одной мембраны и одной иглы, так что требовалось просто слегка передвинуть раструб в вертикальное положение, чтобы получить резонатор для прослушивания записанного звука. На оси рукоятки появился маховик, чтобы легче удавалось поддерживать постоянную скорость вращения.

Своим успехом прибор в большей степени был обязан рекламной кампании, чем своим качествам, так как из-за многочисленных механических дефектов его практическое использование представлялось весьма проблематичным. Поскольку валик вращался вручную, требовалось поддерживать его вращение с постоянной скоростью, пока кто-то говорил в раструб для записи. Скорость записи плавала в довольно широком диапазоне даже если рукоятку крутил все время один и тот же человек. Как следствие, возможность записывать и проигрывать музыку в удовлетворительном качестве была очень ограниченной. Да и способ записи на оловянный лист не стал наилучшим выбором из-за хрупкости материала. Если эта фольга неплотно прилегала к цилиндру, она немедленно рвалась, а такое случалось часто, ведь для того, чтобы вставить ее нужным образом в продольную щель на цилиндре и закрепить там фиксатором, требовалась немалая сноровка. Кроме того, оловянная фольга (слишком мягкий материал) затиралась уже после нескольких прослушиваний. Поскольку было невозможно снять ее и быстро заменить новой без риска порвать, пользователи обычно прослушивали запись сразу после того, как она была сделана, поэтому она очень быстро стиралась.

Эдисон думал о грандиозном будущем своего изобретения, которое вовсе не ограничивалось бы простым научным интересом к нему и представлениями с его участием. Ему казалось, что главной областью применения фонографа станет мир бизнеса, где им будут пользоваться для написания писем и для диктовки без помощи стенографистки. В мире образования оно потребуется для записи лекций и обучения произношению, в академическом мире — для сохранения языка путем точной консервации произношения. Кроме того, Эдисон предвидел и широкое его использование для развлечения, например для прослушивания музыки, создания игрушек, сохранения семейных записей или для того, чтобы дать возможность слепым слушать звуковые книги. Кроме того, он был уверен, что сможет применить свое изобретение в часовом механизме, который будет сообщать владельцу время, или в сочетании с телефонном для записи разговора.

Однако для того чтобы задействовать фонограф во всех вышеперечисленных областях, необходимо было развить и усовершенствовать его, что требовало немалых затрат времени и денег. Кроме всего прочего, публика стала уже понемногу уставать от этой новинки, а практические недостатки прибора оказались слишком значительными для того, чтобы надеяться на коммерческий успех. Эдисон был полностью убежден в своих способностях и собирался работать дальше, но как раз в описываемый период он добился серьезного прорыва в разработке электрического освещения — еще неизведанной территории, ждущей своего завоевателя, — и мудро решил посвятить ему все свои силы. Он только что получил подряд на устройство городской электросети Нью-Йорка.

Эдисон позирует рядом с одной из первых моделей фонографа, относящейся к 1878 году (слева). Хотя первоначально прибор не имел ожидаемых качеств, десять лет спустя Эдисон представил свой улучшенный фонограф (внизу), с которым он наконец добился коммерческого успеха.

ДЕСЯТЬ ЛЕТ СПУСТЯ: ВОСКОВОЙ ЦИЛИНДР

Почти десять лет фонограф Эдисона оставался в своем первоначальном состоянии, в основном присутствуя в виде иллюстрации в текстах о механизме, который может записывать звуки. Однако коммерческий потенциал подобного устройства не остался без внимания.

В 1879 году тесть Александра Грэхема Белла, управляющий и инвестор «Эдисон Спикинг Фонограф Компани», глубоко разочарованный коммерческим провалом изобретения, смог заинтересовать шотландского изобретателя идеей разработки звукозаписывающего устройства, которое превосходило бы оригинал. Белл принялся за работу вместе со своими товарищами по Лаборатории Вольта, расположенной в Вашингтоне, — химиком Чичистером Беллом (1848-1924) и инженером Чарльзом Самнером Тейнтером (1854-1940). Уже в 1881 году они изготовили машину для записи и воспроизведения звука, превосходившую фонограф. Однако заявку на патент они подали только в 1885 году. Изобретатели несколько лет совершенствовали свою модель, и в итоге она довольно сильно отличалась от системы Эдисона.

Гений — это 1 процент вдохновения и 99 процентов пота.

Томас Альва Эдисон

«Графофон» вышел на рынок в качестве продукции «Вольта Графофон Компани» в 1886 году. Его главным отличием от фонографа, помимо некоторых деталей внутреннего устройства, являлось то, что дорожка нарезалась на восковых валиках, а не на оловянной фольге; цилиндр же вращался с помощью механической системы вместо простой рукоятки. Восковые валики были более прочными и намного более простыми в обращении. Кроме того, они позволяли делать записи гораздо большей длительности и более высокого качества. С другой стороны, первые модели приводились в движение ножным приводом и часовым механизмом, которые впоследствии заменили электромотором. От этого устройства происходит «диктофон», оказавшийся коммерчески очень выгодным для акционеров.

РИС. 7

Наконец, начиная с 1887 года, у Эдисона появилось время, чтобы с новой энергией приняться за работу над изобретением, которое он сам называл своим любимым творением. Рассердившись на появление его «жалкой копии», какой он считал графофон, он поставил себе цель устранить все дефекты этой модели и победить конкурентов в борьбе за господство на рынке. Со своей обычной одержимостью он работал над фонографом до 1890 года, сумев превратить этот аппарат в успешный коммерческий продукт, как он и мечтал когда-то.

Обновленный фонограф (см. рисунок 7) основывался на первоначальной идее. Довольно быстро было замечено, что использование одной иглы и для записи, и для воспроизведения плохо сказывается на его работе, потому что нарезка дорожки требует очень твердого инструмента, а для удовлетворительного и многократного воспроизведения необходима игла, которая оказывает как можно меньшее давление. После множества экспериментов Эдисон выбрал иглу для записи, представляющую собой стилос в форме маленькой стамески, или скальпеля с лезвием кривой формы. Игла для воспроизведения, напротив, имела головку в форме мелкого шарика. Стилос осуществлял запись в виде ряда канавок с закругленными бортами переменной глубины и ширины, по которым круглая головка иглы могла следовать без соскальзывания. Позднее иглы стали изготовлять из сапфира (очень твердого и не подверженного окислению камня), потому что он хорошо сохраняет форму, а значит, и способность воспроизводить звук.

От идеи записи на бумаге отказались, будь то фольгированная бумага, парафинированная или вощеная. Вместо нее Эдисон ввел цельную деталь: цилиндр с поверхностью для записи, покрытой веществом, похожим на воск. Такие цилиндрические блоки легко снимались и многократно проигрывались — хотя и они в конце концов изнашивались. И наоборот, можно было стирать дорожку специальным инструментом, входившим в механизм фонографа, чтобы получить гладкую поверхность и вновь сделать на ней запись, как на древних восковых табличках. Поскольку стенки валика были толщиной около 6 мм, а глубина дорожки — только 0,03 мм, записи можно было производить много раз.

Важнейшей технической задачей стало отрегулировать записывающую иглу так, чтобы она проникала в воск на минимальную глубину, а иглу воспроизведения — чтобы она cледовала по дорожке, оказывая на нее минимальное давление. Прибор, с одной стороны, имел проблемы с приспособлением к размеру валика, так как атмосферные изменения приводили к его деформации, а с другой — с тем, чтобы поверхность валика всегда была идеально ровной, поэтому при ее выравнивании следовало соблюдать величайшую точность. Справиться с данной задачей в конце концов помогло остроумное решение: связать иглы записи и воспроизведения с мембраной через кусочек резины — на нее не влияют очень быстрые колебания от звуковых волн, но она сглаживает неровности или изменения поверхности цилиндра. Величина этого куска была подобрана так, чтобы игла записи погружалась в материал на заданную глубину, а игла воспроизведения сохраняла нужное расстояние от поверхности.

ГОВОРЯЩИЕ ИГРУШКИ

Самое оригинальное применение фонографа, пришедшее на ум Эдисону, засвидетельствовано в записке, датированной 1877 годом, хотя запатентовано изобретателем оно было только в 1890 году. Идея состояла в том, чтобы вставить уменьшенную модель фонографа в куклу или другую игрушку, которая, таким образом, смогла бы разговаривать. Говорящие куклы с фонографом внутри латунного корпуса поступили в продажу по цене 10 долларов. На фабрике игрушек на восковые валики записывали колыбельные. Однако идея говорящих кукол слишком опережала технический уровень того времени, как засвидетельствовали их многочисленные недостатки: резкий и скрипучий тембр звуков, способный напугать детей, неработающие куклы или издающие слишком слабые звуки, хрупкость конструкции игрушки.

ДИСКИ ПРОТИВ ЦИЛИНДРОВ

Война дисков против цилиндров велась не за качество звука — это был производственный вопрос. В отношении всего, что касалось качества, первые диски ничем не превосходили валики. На самом деле технологию записи Эдисона можно назвать более совершенной, чем у Берлинера. Устройства, использующие валики, поддерживали постоянную скорость при воспроизведении, а у дисков скорость была выше у края и ниже в центре. Тем не менее преимуществом дисков была их технологичность. Их было легко штамповать, что упрощало их массовое производство, а Эдисон смог печатать свои записи только начиная с 1901-1902 годов — с развитием золотого тиснения на цилиндре. С другой стороны, диск требовал меньше места при переноске и хранении, а его использование представлялось гораздо более удобным. Кроме того, поскольку технология изготовления диска совершенно отличалась от применяемой в фонографе, данная сфера не покрывалась патентными правами Эдисона, и поэтому здесь мог вырасти целый новый коммерческий сектор. Постепенно, со снижением цены на диски и при отлично проведенных рекламных кампаниях, звукозаписывающие компании добились того, что диски стали самым популярным носителем: сам Эдисон начал выпускать их, с 1929 года полностью прекратив выпуск цилиндров. Граммофон записывал звук благодаря системе, аналогичной фонографу. Звуковые волны превращались в механические колебания с помощью мембраны и передавались на иглу, которая нарезала спиральную дорожку на поверхности металлического или воскового диска. Потом с помощью осаждения на него металла в электролитической ванне изготавливался штамп. С его помощью печатались копии на материале, в основе которого лежал шеллак (позднее его сменил винил). При воспроизведении на соответствующем приборе диск вращался с помощью рукоятки, и на него опускалась игла. Пробегая по дорожке крутящегося диска, игла передавала механические колебания на мембрану, расположенную на проигрывающей головке рычага, где эти колебания превращались в звуковые волны и усиливались раструбом.

Естественно, Эдисон и его команда провели испытания многочисленных усовершенствований, одно за другим отвергнутых. К окончательной рабочей модели они пришли в 1889 году, после пяти лет затворничества всего коллектива сотрудников. В 1893 году Эдисон получил 75 патентов на улучшения фонографа. В обновленный фонограф добавили двигатель, примитивный микрофон и динамики — все это располагалось в ящике, который при транспортировке просто накрывался крышкой. Самые простые модели стоили от 10 до 30 долларов, аппараты же для стенографирования в фирмах — до 200 долларов.

Электромотор был тяжелым и дорогим, поэтому его включали не во все модели, но он требовался для выполнения качественной записи и надежного воспроизведения звука, необходимых для стимуляции рынка того, что стало называться «записями», то есть избранных музыкальных произведений, ростка будущей музыкальной индустрии. С коммерческой точки зрения рынок «записей» стал самым значительным результатом появления фонографа. Аппарат интенсивно развивался с 1890 по 1898 год, при этом было решено множество технических проблем. Теоретически восковые валики можно было тиражировать, производя тысячи копий с оригинального цилиндра, но на практике размеры дорожки и толщина материалов были так малы, что потребовалось много усилий и денег, чтобы разработать эффективный промышленный процесс. Валики с «записями» совершенствовались и являлись самым популярным носителем вплоть до Первой мировой войны.

На этом поле не могло вскоре не появиться и других изобретателей и производителей, самый опасный из которых представил миру новый носитель. В 1887 году американский изобретатель немецкого происхождения Эмиль Берлинер запатентовал граммофон, однако вывести его на рынок ему удалось лишь в 1895 году. В своем приборе он вместо валиков использовал диски — идею, которую Эдисон уже опробовал за 20 лет до этого. Из длительной борьбы против валика диск вышел победителем благодаря своим несомненным преимуществам. В любом случае работа этих двух изобретателей, а также многих других в то время, создала основу музыкальной промышленности — одного из главных столпов сегодняшней индустрии развлечений.

ГЛАВА 5

Чудо столетия: электрический свет

Когда Эдисон увидел лабораторную модель сети электрического освещения, он понял, что стоит на пороге будущего, и начал работать над усовершенствованием ламп. Труды по созданию функциональной лампы накаливания вовлекли его в длительное исследование материалов и заставили бороться с недоверием инвесторов. В конце концов он вложил в дело собственное состояние и добился успеха: разработал систему электрического освещения, создав таким образом один из фундаментальных столпов современного мира.

В 1878 году Томасу Альве Эдисону исполнился 31 год, а за спиной у него были уже три великих изобретения, которые оказали огромное влияние на общество того времени: многоканальный телеграф, доработанная версия телефона и фонограф. Мировая печать признала его успехи, окрестив изобретателя «волшебником из Менло-Парка», а имя Эдисона было столь же известно среди финансистов Уолл-Стрит, сколь и среди любителей науки и техники.

К концу весны того же года изобретатель чувствовал себя измотанным. Воспользовавшись приглашением принять участие в научной экспедиции, собиравшейся наблюдать полное солнечное затмение в Скалистых горах, он решил взять паузу впервые за десять лет. Несколько недель Эдисон прожил среди некоторых из самых выдающихся ученых США, и общение с ними пробудило в нем интерес к электрическому освещению.

После возвращения он, по рекомендациям, посетил фабрику «Уоллес энд Санс» — крупное предприятие, занимавшееся литьем из меди и латуни. Оно было особенно известно благодаря выпуску проводов и другой продукции в области связи, а его хозяин, Уильям Уоллес (1825-1904), провел десяток лет за экспериментами с электричеством и с 1874 года производил динамо-машину собственной конструкции. Незадолго до визита Эдисона он начал работать над системой освещения, основанной на дуговой лампе, питаемой от мощного электрического генератора. Лаборатория Уоллеса в Ансонии (штат Коннектикут) служила лучшим примером того, что могли предложить США в области использования электрической энергии.

Первый шаг — это найти идею... А вот дальше начинаются сложности.

Томас Альва Эдисон

Когда Эдисон увидел, как при включении генератора разом загорелись все лампочки Уоллеса, это показалось ему чудом. Его ум сразу принялся за подсчеты мощности, стоимости за час и прочего. Перед ним раскрывались самые манящие коммерческие возможности из всех, которые когда-нибудь встречались ему на пути. Даже начальные инвестиции, необходимые для разрешения всех возможных технических проблем и создания электрической сети, не должны были быть слишком значительными. На следующий день изобретатель усадил всю команду Менло-Парка, включая и себя самого, работать исключительно над созданием электрического освещения.

ДУГА ИЛИ НАКАЛИВАНИЕ?

Хотя эта область и была новой для Эдисона, электричество уже являлось частью истории науки. В 1808 году британский химик Гемфри Дэви (1778-1829), считающийся одним из основателей электрохимии наряду с Вольтой и Фарадеем, использовал мощную электрическую батарею, чтобы продемонстрировать в Королевском институте, что электричество может производить свет двумя основными способами: создавая искру в форме дуги между двумя раздельными проводниками или нагревая тугоплавкий металл до раскаленного состояния. С тех пор возможность создания эффективной электрической лампы занимала многих исследователей и изобретателей, но ограниченная доступность и огромная цена электрического тока до начала 1860-х годов мешали какому-либо прогрессу в их деле. Хотя патенты на дуговые лампы и лампы накаливания выдавались начиная с 1840-х годов, никто так и не смог разработать функциональную модель лампочки, пригодную для использования на практике.

По большей части исследования концентрировались на дуговых лампах. Дэви использовал два куска угля, чтобы продемонстрировать: мощный электрический ток может производить постоянную электрическую дугу, испускающую очень яркий свет (см. рисунок 1). Эффективность работы лампы, то есть яркость света, зависела от зазора между кусками угля. Несмотря на простоту устройства, дуговая лампа не была лишена серьезных проблем. Прежде всего оставалось непонятным, как сделать так, чтобы сильный жар от дуги не расплавлял кончики угольных электродов при каждом включении источника питания. Кроме того, требовалось найти метод сохранения постоянного расстояния между электродами при их износе, происходящем в процессе испускания света.

РИС. 1

В 1878 году ученые уже хорошо знали основные технологические принципы дуговой лампы, и в ее конструкции был достигнут прогресс, позволявший использовать ее на практике. Уильям Уоллес рассказал Эдисону про самую последнюю новинку в этой области: электромагнитный регулятор, удерживающий угольные электроды на постоянном расстоянии друг от друга, благодаря чему при пропускании тока получался ровный яркий свет. В то время встречались дуговые лампы, освещающие общественные здания и магазины, но они не подходили для домашнего использования, потому что были слишком мощными. Для освещения частных домов, нуждавшихся в гораздо меньшей интенсивности света, вполне удовлетворительным вариантом считались газовые лампы.

По сравнению с дуговой лампой развитие технологии ламп накаливания сильно отставало. Дэви показал: электрический ток может нагреть вещество до такой температуры, что оно начнет светиться. Но основная проблема состояла в том, что рабочая температура должна быть достаточно высока, чтобы вызвать свечение, и в то же время она не должна вызвать окисление и сгорание вещества. Исключение представлял собой уголь, который не плавился при высоких температурах, однако благодаря своим свойствам мог легко вспыхнуть, из-за чего эксперименты с ним слишком далеко не продвинулись. Платина, обладающая высокой сопротивляемостью окислению, являлась еще одним материалом с приемлемыми качествами. Но она дорогая, и, что особенно важно, ее трудно довести до температуры свечения, которая очень близка к температуре плавления (около 1770 °С).

Во второй четверти XIX века многие исследователи изучали проблему лампы накаливания, разрабатывая нити из различных комбинаций платины или иридия и угольных прутков, заключенных в стеклянные сосуды с откачанным или частично откачанным воздухом.

ЧТО ТАКОЕ СВЕТ

Согласно определению, свет можно рассматривать как электромагнитную волну либо как поток фотонов (элементарных частиц). Он всегда служил одним из главных объектов физических исследований, в которых отметились такие известные ученые, как Ньютон, Гюйгенс, Френель, Юнг, Милликен, Эйнштейн и много других. Изучение световых явлений показывает, что свет обладает двойственной природой: волновой (то есть ведет себя как волна), когда он распространяется, и корпускулярной (то есть ведет себя как поток частиц), когда взаимодействует с материей. Этот постулат — один из базовых принципов квантовой механики. С одной точки зрения, основанной на корпускулярной природе света, фотоны определяются как сгустки энергии, обладающие импульсом, но не имеющие массы. Такие частицы могут испускаться атомом. Чтобы понять процесс, благодаря которому это становится возможным, необходимо ввести понятие атомных орбит. Электроны в атоме связаны с атомным ядром. В расширенном смысле можно сказать, что они занимают определенные области вокруг ядра, электронные орбиты, в зависимости от их уровня энергии. В целом электроны, расположенные на более высоких энергетических уровнях, движутся по орбитам, более удаленным от ядра. Процессы испускания фотонов (света) объясняются следующим образом: когда электрон принимает или получает энергию, например из-за столкновения с другими частицами (1), он может перескакивать на орбиту с более высоким энергетическим уровнем (2). Эта ситуация называется «возбужденное состояние» и длится мельчайшие доли секунды (переходное состояние). Почти сразу электроны стремятся к базовому энергетическому уровню (с меньшей энергией), возвращаясь на свою первоначальную орбиту. При этом энергия, соответствующая разнице между энергетическими уровнями, высвобождается в виде фотона (3).

Первый патент на такое устройство получил в 1841 году английский изобретатель Фредерик де Молейнс (1804-1854) со своим комбинированным проектом, где были задействованы уголь и платина в вакууме, созданном в стеклянной колбе. В 1845 году американский изобретатель Джон Старр (1822-1846) запатентовал две лампочки, в которых использовались, соответственно, два разных материала, и устроил их демонстрацию. К сожалению, вскоре он умер, не дожив и до 25 лет и не дождавшись подтверждения, что его лампы совершенно функциональны. За три десятилетия из лабораторий изобретателей всего мира вышли разнообразные осветительные устройства, но никто из них не смог разрешить фундаментальную проблему лампы накаливания, то есть понять, как довести материал до белого каления, чтобы это не привело к его разрушению.

ДОЛГИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

После того как Эдисон поставил перед своей командой задачу найти светоиспускающий материал для производства рабочей лампы накаливания, успешные, как казалось, результаты не заставили себя ждать. Это убедило изобретателя в том, что цель будет достигнута очень скоро. Первые эксперименты проводились с целью выяснить причины неудач предыдущих изобретателей. Уголь представлялся наиболее простым и экономичным решением, но благодаря своей хрупкости он оказался явно непригодным в качестве элемента накаливания. Эдисон решил, что вместо того чтобы искать способ защиты его от сгорания, проще найти метод автоматической регулировки температуры нагрева металла.

В течение нескольких дней он представил в патентное бюро caveat, содержащий 44 разных способа саморегуляции температуры металлов при накаливании в зависимости от пропускаемого через них тока. Главной идеей Эдисона было использовать температурное расширение металлов, чтобы выключить или снизить подаваемый ток при приближении к точке плавления. Он предлагал сделать это либо в самой накаливаемой спирали либо с помощью дополнительной металлической детали.

История создания фонографа дала ему большой опыт в области рекламы и продвижения своей продукции. Так что, как только у него в руках оказалась лампочка, работавшая всего несколько минут и совершенно неприменимая на практике, он, тем не менее, тут же разместил эту новость в газетах, сопроводив ее описаниями грандиозного будущего электрического освещения. На фабрике Уильяма Уоллеса генератор смог питать электричеством десяток лампочек. Эдисон уверял, что он разрабатывает настолько экономичную и эффективную лампу, что в сети один генератор сможет обеспечить током «тысячи, а может, и десяток тысяч» ламп. Печать и рынок уже привыкли серьезно реагировать на заявления Эдисона, ожидая каждое новое его изобретение как эпохальное событие. Его слова сразу же вызвали широкую волну энтузиазма, и акции компаний, производящих светильный газ, на нью-йоркской и лондонской биржах резко пошли вниз. Финансисты с Уолл-Стрит, связанные с телеграфией, газом и другими стратегическими секторами, среди которых были и управляющие «Вестерн Юнион», и члены семьи Вандербильтов, начали наперебой предлагать Эдисону основать совместное акционерное общество. В итоге появилась «Эдисон Электрик Лайт Компани», целью которой стало поддержать опытные разработки электрического освещения, проводимые Эдисоном в Менло-Парке, и получить соответственные патенты.

ЧТО ТАКОЕ НАКАЛИВАНИЕ?

Накаливанием называется явление испускания света из-за нагревания материала. Все тела испускают тепловое излучение, которое распространяется в виде электромагнитных волн. Некоторые материалы, когда их температура значительно возрастает, достигают так называемого состояния накала, краснея или белея под воздействием тепла и испуская излучение, которое воспринимается человеческим глазом. То же самое происходит в лампочке накаливания. Тепловое излучение, возникшее в результате нагрева спирали под действием тока, испускается в виде электромагнитных волн, воспринимаемых нами в том числе и как тепло. Спектр света зависит напрямую от температуры нагрева тела: при температуре около 1600 °С оно испускает красно-оранжевый свет, при 5000 °С — белый, переходящий затем даже в светло-голубой (8000-9000 °С).

Изначальный подход, предложенный изобретателем,— идея применения нитей или спиралей из платины с системами регуляции мощности на основе теплового расширения нагреваемого металла — начал сталкиваться со все возраставшими проблемами. Через несколько месяцев уже было ясно, что одно дело — сформулировать концепцию электрического света в рамках системы освещения и энергопитания, и совсем другое — должным образом решить все технические трудности при воплощении такой системы.

В Менло-Парке начался период интенсивных экспериментов. К саморегулирующимся спиралям из платины добавились регуляторы дуговых ламп, карбидные и калильные лампы (использовавшиеся в театре); были перепробованы все типы механической саморегуляции, как, например, диафрагмы в качестве выключателей, оказавшиеся слишком сложными, чтобы быть рентабельными. Список материалов, испробованных Эдисоном по отдельности или в сочетании друг с другом, весьма обширен: иридий, рутений, хром, алюминий, кремний, вольфрам, молибден, палладий, бор, титан, марганец... Никакой из них не показал приемлемых результатов. Были перепробованы все виды металлов и регуляторов температуры, а также всех прочих механических компонентов, во всех возможных вариантах. Понимание, что задача оказалась куда сложнее, чем они представляли себе поначалу, заставляло акционеров нервничать, и они оказывали на Эдисона давление, желая поскорей увидеть результаты.

В 1879 году изобретатель полностью отдавал себе отчет в том, что дело, захватившее его, требует значительно более серьезных ресурсов, чем те, которыми он располагает. Кроме того, поиск материалов стал сложным мероприятием и с точки зрения предпринимательской стратегии, когда Эдисон старался успокоить акционеров, предоставляя им доказательства своих успехов. В то же время для достижения прогресса ему необходимо было привлекать все больше средств для все более сложных и изощренных исследований.

В апреле акционеры компании Эдисона настояли, чтобы он устроил демонстрацию лампочки с платиновой нитью. В итоге демонстрация потерпела полное фиаско. Лампочка потребляла огромное количество электроэнергии, ее производство являлось слишком дорогим, и она очень быстро перегорала. Акции «Эдисон Электрик Лайт Компани» тут же упали, а вверх снова пошли акции компаний по производству светильного газа, которые с весны проводили в печати кампанию по шельмованию Эдисона, открыто называя его шарлатаном.

Одна из первых лампочек Эдисона.

Эдисон с моделью своей динамо-машины •Мэри Энн» в 1906 году, Оранж, штат Нью-Джерси.

Фотография 1880 года, изображающая первую в мире фабрику по производству электрических ламп, изобретенных Эдисоном, которая располагалась в Менло-Парке.

Однако сам изобретатель, совершенно не смущаясь вышеперечисленными обстоятельствами, вложил собственные средства в развитие лампы накаливания. Менло-Парк серьезно расширили, там были достроены еще три здания: офис с библиотекой и приемной, машинный зал с двумя паровыми машинами по 80 л.с. каждая и стеклодувная мастерская. Штат сотрудников также качественно улучшился, в него были включены ученые и инженеры с высшими академическими званиями, среди которых находились химик Эдвард Ачесон (1856-1931), впоследствии открывший карбид кремния, и Фрэнк Спрейг (1857-1934), считающийся одним из главных изобретателей электромотора. По настоятельному требованию совета директоров компании «Эдисон Электрик Лайт» в качестве начальника научного отдела Эдисон взял физика и математика Фрэнсиса Эптона (1852-1921), с которым у него, несмотря на его недоверие к теоретикам, впоследствии сложилась крепкая дружба. Вскоре Эптон стал ключевой фигурой в исследованиях, особенно потому, что он производил расчет электрического сопротивления волокон и проводов электрической сети.

КАРБОНИЗИРОВАННОЕ ВОЛОКНО БАМБУКА

В истории лампы накаливания не случилось эпического момента прозрения, когда Эдисон ясно увидел перед собой правильный путь. Он возник в результате суммирования знаний, полученных в ходе систематических экспериментов. Исследовательская работа постепенно привела команду Менло-Парка к осознанию, что нужно отойти от подхода, который использовался большинством изобретателей, то есть от поиска накаливаемого тела с высокой точкой плавления и малым сопротивлением следует перейти к исследованию материалов с высоким электрическим сопротивлением и низким потреблением энергии. Это понимание пришло с усовершенствованием вакуумных насосов, позволявшим теперь создавать лучший вакуум во внутреннем пространстве лампы, и обнаружением новых веществ, например осмия.

Вакуум обычно понимают как полное отсутствие вещества в определенном пространстве, но когда в науке и технике говорят об искусственно созданном вакууме, имеют в виду просто объем, где плотность частиц очень низкая, или, иными словами, замкнутое пространство, где давление воздуха или другого газа значительно ниже атмосферного. Эдисон взял на работу немецкого стеклодува Людвига Карла Бёма (1859-1907), который ранее сотрудничал с физиком Генрихом Гейслером (1814-1879), создателем вакуумных трубок, носящих его имя.

С помощью Бёма команда Менло-Парка интенсивно работала над максимально возможным увеличением уровня вакуума в лампе, то есть максимально возможным снижением давления внутри нее, и им удалось разработать подходящие для этой цели инструменты.

Ошибка большинства изобретателей состоит в том, что они сунутся пару раз туда-сюда и сразу отступают. Я же, наоборот, никогда не сдаюсь, пока не получу то, чего хочу.

Томас Альва Эдисон

После неудачи с металлами Эдисон снова вспомнил про ранее забракованные элементы накаливания из чистого угля с температурой плавления около 3500 °С. У них было более высокое электрическое сопротивление, чем у платиновых, и эксперименты с ними возобновились. Согласно расчетам Эдисона и Эптона, эти элементы должны были иметь диаметр максимум 0,4 мм и длину около 15 см. Задача заключалась в полной изоляции их от воздуха, чтобы они не могли окисляться. Образцы помещались в запечатанный сосуд и нагревались снаружи. Днем и ночью шло изучение зависимости между формой угольных элементов накаливания, их механической прочностью, электрическим сопротивлением и излучением тепла. И тем не менее пока такие элементы могли работать всего лишь один-два часа.

Два дня, 21 и 22 октября 1879 года, обугленная хлопковая нить накаливания светилась в течение 40 часов в вакуумной стеклянной колбе, давление в которой составляло одну миллионную долю атмосферы (нормальное атмосферное давление, 1 атмосфера, — это давление воздуха на высоте уровня моря, эквивалентное 760 мм ртутного столба). Впоследствии удалось довести время свечения обугленной хлопковой нити до целых 70 часов. Четвертого ноября Эдисон зарегистрировал патент на лампу с угольным элементом накаливания, патентная документация занимала две страницы. В последнюю ночь года, 31 декабря 1979-го, в Менло-Парке состоялась публичная презентация: Эдисон триумфально зажег 60 лампочек в лаборатории, а также на некоторых улицах и в окрестных домах. Система работала несколько дней, за которые ее посмотрели более 3000 человек, так что Пенсильванская железнодорожная компания вынуждена была пустить дополнительные поезда в этот небольшой городок. Эдисон не изобретал первой лампы накаливания, но благодаря сочетанию уже известных элементов он создал значительно улучшенный источник света, который можно было производить в промышленных масштабах и который мог быть доступен каждому.

Однако создателю новой лампочки накаливания предстояло справиться с последним препятствием. Как только все технические подробности этого устройства стали общественным достоянием, американский изобретатель Уильям Сойер (1850-1883) подал жалобу в федеральное патентное бюро, утверждая свое первенство в использовании обугленного хлопкового волокна в качестве элемента накаливания. Эдисону пришлось искать новый материал, который в результате оказался гораздо лучше.

Он открыл, что нити из бамбука — древесного материала с почти параллельными геометрически волокнами и без сердцевины — имеют время свечения, достигающее 1200 часов, что намного больше, чем у всех известных на тот момент нитей накаливания. Со свойственной ему склонностью к рекламе Эдисон в 1884 году на свои средства отправил группу экспертов в Японию, Китай, Индокитай, а также в Центральную и Южную Америку. Приключение, широко освещаемое прессой, оказалось невероятно дорогим предприятием и не привело к находке лучшего растительного волокна, но позволило завязать в Японии контакты с одним из производителей бамбука и договориться о широкомасштабных поставках.

В патенте от 27 января 1880 года Эдисон лаконично объяснял, что его изобретение состоит в применении светящегося тела в виде угольной нити, скрученной или иным способом расположенной для того, чтобы оказывать большое сопротивление проходящему через нее току и в то же время иметь меньшую поверхность для излучения как можно меньшего количества тепла. Отсутствие воздуха в содержащей нить стеклянной колбе позволяло предотвратить ее окисление. Ток проводился внутрь колбы с вакуумом через изолированные провода (см. рисунок 2).

РИС. 2

РИС. 3

ЛАМПОЧКА СВАНА

В 1850 году английский физик и химик Джозеф Уилсон Сван начал работать над лампой, в которой он использовал нити из обугленного хлопчатобумажного волокна, помещенные в стеклянную колбу с созданным в ней вакуумом. В 1860 году он произвел демонстрацию своего прибора и получил на него британский патент. Тем не менее ему удалось создать в своей лампе лишь частичный вакуум, к тому же в то время не существовало подходящих источников электроэнергии, поэтому его лампочка имела очень небольшой срок службы. В 1875 году Сван вновь устроил презентацию своей лампы уже с более совершенным вакуумом и с нитью из обугленного волокна. В улучшенной лампе Свана небольшое количество кислорода, остававшееся в вакуумной трубке, использовалось, чтобы зажечь волокна, что позволяло устройству светить очень ярко, практически белым светом, не вспыхивая при этом пламенем. Сван получил британский патент на свое изобретение в 1878-м, за год до Эдисона. В 1881 году Эдисон вынужден был заключить со Сваном соглашение: британец, более заинтересованный в развитии своего изобретения, чем в получении денег, удовольствовался английским рынком. Как бы то ни было, для преодоления проблем, все еще затруднявших разворачивание электрических сетей, в 1883 году на свет появилась совместная компания «Эдисон энд Сван Юнайтед Электрик Лайт». Это предприятие, более известное под названием «Эдисван», продавало усовершенствованную лампочку Свана, которую тот разработал в 1881 году, с нитью из целлюлозы. Различные варианты целлюлозной нити стали стандартом в этой области, но не для «Эдисон Компани». Эдисон продолжил использовать нити из бамбукового волокна вплоть до слияния в 1892 году крупных американских электрических компаний и основания «Дженерал Электрик», когда целлюлоза использовалась уже повсеместно.

Кроме того, в патенте описывался способ изготовления лампы, который подразумевал создание в ней нужного уровня вакуума, что было одним из фундаментальных факторов для получения необходимого результата. Прежде всего изготавливалось внутреннее устройство (см. рисунок 3). Нити придавалась форма спирали (я), ее концы покрывались смесью гудрона и сажи (с' с), защищающей место контакта с двумя платиновыми проводами (d'd). При обугливании нить и ее покрытие отвердевали, превращаясь в результате в композитный материал с прекрасным электрическим контактом. Затем надевалась колба. Платиновые провода находились внутри, закрепленные двумя зажимами (х' х), под которыми платина соединялась с двумя медными проводами (е' е), выходившими из колбы и соединявшими лампу с электрической цепью. В верхней части создавался вакуум с помощью усовершенствованного ртутного насоса, затем стекло обрезалось, и внутренность герметично запечатывалась. В первых лампах была заметна характерная маленькая «ножка» в верхней части, которая оставалась от стеклодувной трубки.

Эдисону удалось сделать свою рабочую модель лампочки, но ему еще многое нужно было прояснить для решения задачи создания системы распределения света. Без усовершенствования динамо-машин, распределительной сети, переключателей, предохранителей, контактов, розеток и других компонентов лампа накаливания оставалась технической игрушкой. Таким образом, на повестке дня встала проблема создания работающей системы электрического освещения.

РАБОТА НАД ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СЕТЯМИ

С того самого момента, как у Эдисона сложилось его видение будущего мира, озаренного системой электрического освещения, и когда он начал работать над этим, в голове его возникла концепция распределительной сети. Он отталкивался от уже существующей схемы поставки газа, которым в то время освещали улицы и дома. Его система строилась вокруг центрального распределительного пункта, который снабжал улицы и дома, а также других точек распределения энергии. Как заявлял в печати Эдисон, данная система могла бы полностью обеспечить освещение нижней части Манхэттена, питаясь от одного генератора мощностью 500 л.с., с помощью подземных кабелей, которые передавали бы электричество в здания, используя для этого уже существующую газовую инфраструктуру. Первые проекты распределительных сетей включали сложные сочетания электромагнитов, переключателей, сопротивлений и рычагов, то есть элементов, оставшихся в наследство от телеграфных технологий, так хорошо знакомых Эдисону.

РИС. 4

РИС. 5

РИС. 6

Вплоть до 1878 года единственным известным способом распределения электрического тока по сети являлась последовательная схема (см. рисунок 4), где все элементы были подключены друг за другом и для электротока существовал единственный возможный путь. Сопротивление такой цепи — это арифметическая сумма сопротивлений всех ее элементов, а напряжение в ней равно сумме напряжений на всех клеммах ее компонентов. Ток в такой цепи неизменен в любой ее точке.

В последовательном контуре генератор напрямую соединяет индуктор с внешней цепью. Индуктор — это вращающаяся часть машины, где производится превращение механической энергии в электрическую путем электромагнитной индукции. Катушки данного генератора состоят из нескольких витков твердого железного провода низкого сопротивления. Это нестабильно работающая система, в которой напряжение плавает при изменении нагрузки, так что добавление или исключение из цепи ламп вызывает изменение света в остальных. Поскольку электрическое освещение имело практическое значение в местах поселения множества людей, Эдисон знал, что должно быть возможным зажигать и тушить каждую лампу независимо, не влияя на остальные компоненты цепи.

Изобретатель спроектировал параллельную цепь (см. рисунок 5), в которой конфигурация компонентов строилась таким образом, чтобы ток делился между ними. Если в последовательном контуре сила тока являлась величиной постоянной, а напряжение зависело от нагрузки, то в параллельном постоянным было напряжение, а сила тока, который подводился к каждому конкретному прибору, изменялась при подключении или выключении дополнительных элементов цепи или параллельного ответвления.

Главным элементом схемы Эдисона являлся генератор, мощность которого должна была удовлетворять потребности системы. Недовольный существующими конструкциями генераторов, Эдисон поставил задачу команде Менло-Парка разработать устраивающую его динамо-машину. Первая машина Эдисона имела неповторимый вид (см. рисунок 6). Ее катушки располагались вертикально почти на длину человеческого роста, поэтому она заработала прозвище «длинноногая Мэри Энн». Принцип работы аппарата был таким же, как и у любого двухполюсного генератора постоянного тока. Однако его схема обеспечивала исключительно низкое сопротивление, и если поддерживать постоянную скорость вращения, то напряжение генератора оставалось (с небольшими колебаниями) на уровне 110 вольт — величина, рассчитанная Эптоном для системы электрического освещения.

Согласно Эдисону, «Мэри Энн» могла работать на максимальной мощности без перегрева, превращая до 90 % механической энергии в электрическую. Иными словами, КПД генератора составлял 90%. Несмотря на это, многие ученые критиковали его расчеты, находя их ошибочными. В то время считалось доказанным, что отношение между внутренним сопротивлением динамо-машины и сопротивлением нагрузки не позволяет генератору достичь эффективности более 50%.

РИС. 7

Схема трехпроводной системы, включающей два провода под нагрузкой и один нулевой.

Скоро стало ясно: «вопрос экономии», как называл его сам Эдисон, вовсе не второстепенен. Простая цепь с определенным количеством лампочек нуждалась в электрическом токе большой силы, для чего требовалось огромное количество меди. Акционеры Эдисона торопили его, желая получить конструкцию всей системы освещения нужных масштабов, с целью оценить ее рентабельность и возможные слабые стороны. С зимы 1879 года команда из 100 специалистов работала над монтажом электрической распределительной сети в окрестностях Менло-Парка. Ей предназначалось служить моделью будущих сетей, гораздо больших по масштабу. В 1880 году появилась система, включающая одну электростанцию и 425 лампочек, работающих с той же рентабельностью, что и прежние газовые лампы, поскольку употребление меди было снижено в восемь раз по сравнению с первоначальным. Впоследствии его удалось снизить еще на 64 % за счет так называемой трехпроводной распределительной системы, которая удваивала пропускную способность цепи без необходимости в четыре раза увеличивать объем проводов, так как в нее добавили «нулевой» провод (см. рисунок 7).

ПОЕЗД НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГЕ

Весной 1880 года Эдисон велел построить короткую железнодорожную линию длиной 350 м, на которой опробовал первый электрический локомотив длиной 1,90 м, шириной 1,20 м и мощностью 8,1 кВт (11 л.с.). Таким образом, встал вопрос о первом электровозе больших размеров. Генри Виллард, король железных дорог, был так впечатлен демонстрацией, что выделил 40 тысяч долларов на разработку более мощного и быстрого локомотива. Эдисон не замедлил представить поезд, достигавший скорости 65 км/ч и снабженный электрической тормозной системой. Тем не менее консервативно настроенные железнодорожные магнаты не верили в возможность заменить паровозы локомотивами на электрической тяге, и идея электрического поезда не получила развития. Несколько лет спустя Эдисон потерял интерес к этой теме: патенты не окупались, а поддержка Генри Вилларда исчезла с крахом его компании «Норзен Пасифик Рейлроуд». И все-таки проект не оказался заброшенным полностью: пока Эдисон занимался освещением, он поручил Фрэнку Спрагу продолжить работу над электродвигателем для городского трамвая, и в данной области были достигнуты значительные успехи.

В том же году железнодорожный магнат Генри Виллард (1835-1900), акционер «Эдисон Электрик Лайт Компани», выдал Эдисону подряд на установку автономной системы освещения на пароходе «Колумбия», самом быстром корабле того времени длиной 110 м и водоизмещением 3200 тонн. Цепь, включающая 115 лампочек, питалась группой из четырех генераторов типа «Мэри Энн». В тесных корабельных помещениях электрический свет был удобнее газового. Несмотря на небольшие размеры, можно считать, что это была первая коммерческая электростанция, так как впервые система Эдисона была установлена за пределами Менло-Парка.

Инвесторы «Эдисон Электрик Лайт», однако, отказались вкладывать в дело те несколько миллионов долларов, которые запрашивал Эдисон для начала массового производства и продажи на рынке электрических установок и аксессуаров к ним. Они хотели продавать лицензии третьим лицам и получать с таких сделок проценты, а не решать сами разнообразные проблемы при запуске производства. Инвесторы знали, что нужно еще разработать огромное количество компонентов, например новые паровые и динамо-машины, и, кроме того, множество видов дополнительных элементов, включая изоляторы.

Эдисон отдавал себе отчет: он сможет воплотить свою мечту и остаться на лидирующих позициях в том секторе, куда уже стали проникать сильные конкуренты, только если спроектирует и построит сам все необходимые элементы для установки домашнего освещения, вплоть до самой мелкой детали. И вот в 1880 году, в возрасте 33 лет, он рискнул поставить на это все свои деньги. Эдисон, со своими сотрудниками Джонсоном, Бэчлором и Эптоном, выступавшими в качестве миноритарных акционеров, превратил старый сарай поблизости от Менло-Парка в фабрику по производству электрических лампочек. Вместе они основали в Нью-Йорке компанию «Эдисон Машин Воркс» для производства ламповых патронов, выключателей, предохранителей, цоколей и, уже во вторую очередь, динамо-машин. Впоследствии была создана компания «Эдисон Электрик Иллюминейтинг», которая специализировалась на освещении домов и улиц Нью-Йорка от большой электростанции. Увидев определенные успехи изобретателя, главные банковские финансисты, а также железнодорожные и телеграфные инвесторы на сей раз согласились вложить в фирму свои капиталы. Полный энтузиазма и энергии, Эдисон переехал в Нью-Йорк, чтобы приняться за трудную задачу электрификации города.

В феврале 1881 года Эдисон приобрел роскошную виллу в четырех остановках от Пятой Авеню (одного из самых престижных районов Нью-Йорка), собираясь устроить там свою штаб-квартиру и выставочный зал для презентаций своих новых изобретений. Электрическая система освещения этого здания в дальнейшем стала образцом тех, которые устанавливались в жилых помещениях, начиная с резиденций самых могущественных семейств Вандербильтов и Морганов.

ЭФФЕКТ ЭДИСОНА

В 1883 году Эдисон совершил открытие физического эффекта, который считается его единственным собственно научным достижением. Несколькими годами ранее он заметил, что внутренняя поверхность стеклянной колбы лампочки накаливания чернеет и что это явно происходит из-за осаждения на ней угольных частиц нити накаливания. Поскольку срок службы и яркость свечения лампочек под воздействием данного явления снижались, изобретатель попытался найти объяснение такому перемещению частиц с нити накаливания на внутреннюю поверхность колбы. Обнаружив, что частицы улетают только с части нити, подсоединенной к отрицательному полюсу лампы, Эдисон в 1882 году разработал лампу со встроенным в нее электродом, который должен был притягивать летящие частицы. Модель очень напоминала вакуумные трубки с двумя электродами (диоды), появившиеся значительно позже. В 1883 году Эдисон открыл, что электричество стабильно течет через вакуум внутри лампы, и отметил: интенсивность движения тока пропорциональна температуре раскаленного проводника, или, иными словами, световой отдаче лампы. Воспользовавшись данным явлением, изобретатель запатентовал устройство, которое могло регулировать напряжение, и предположил, что с помощью такой регуляции можно создать звуковой телеграф. Ни Эдисон, ни его современники не знали: в этой примитивной вакуумной трубке освобождаются электроны раскаленного катода и через вакуум текут к положительному электроду (аноду), замыкая тем самым цепь. Об электронах вообще никто не знал до 1897 года, когда британский физик Дж. Дж. Томсон (1856-1940) ввел это понятие и доказал их существование, изучая как раз так называемый «эффект Эдисона». В то время результаты Эдисона были с интересом восприняты научным сообществом, удивленным тем фактом, что ток может проходить через вакуум. Этот первый «электронный» прибор в дальнейшем обеспечил возможность появления таких аппаратов, как вакуумные лампы, телевидение, радары и многие другие устройства новой технологической эры.

Придуманное Эдисоном устройство, позднее названное диодом.

Эдисон выбрал район, представлявший собой квадрат стороной 800 м, ограниченный Уолл-Стрит и Ист-Ривер. Там проживали многие финансисты и предприниматели. Чтобы приобрести клиентуру, он предлагал им заменить газ электричеством по цене газа и, опираясь на расход газа, регистрировавшийся в каждом доме, рассчитывал потребность в электроэнергии.

В муниципальных строениях 104 и 106 по Герк-Стрит, недалеко от порта, была организована фабрика тяжелого машиностроения, где началось производство нового поколения динамо-машин, над которыми работала сотня рабочих. До этого времени генераторы Эдисона могли обеспечить энергией 60 лампочек, то есть вырабатывали в современных терминах по 6 кВт — слишком мало для планируемой им электростанции.

Эдисон хотел разработать генератор, способный соединяться с паровой машиной напрямую, без необходимости использовать ременную или другую передачу. Однако чтобы обеспечить напряжение 110 вольт, машинам следовало работать с большой скоростью, около 1000 оборотов в минуту, что далеко превосходило возможности паровой машины. Эдисону нужно было сконструировать паровую машину мощностью от 120 л.с., которая вращалась бы со скоростью 350 об/мин, приводя в движение новые генераторы, способные питать 1200 ламп.

Электрическая станция должна была располагаться в центре городской сети. Эдисон выбрал два здания — 255 и 257 по Перл-Стрит, — чтобы установить там первую электростанцию в США. На верхнем этаже, на железном каркасе, можно было расположить до шести новых динамо-машин разного веса и мощностью вплоть до 147 кВт (200 л.с.). За свои гигантские размеры они получили имя «Джамбо» в честь знаменитого слона (см. рисунок 8).

Котлы паровых машин, которые двигали генераторы, располагались этажом ниже. По соображениям безопасности Эдисон проложил под землей 25 км электрических проводов, использовав для этого трубы по 6,8 м длиной.

Первый запуск двух из динамо-машин в июле 1882 года закончился фиаско: скорость вращения не поддавалась нужной регулировке, из-за чего эти машины мешали друг другу.

РИС. 8

Схема динамо-машины электростанции. А: чугунное основание; В: электромагнит; С: высокоскоростной двигатель; F: ось индуктора; а, b: опоры оси индуктора; G: ось двигателя; с, d: опоры оси двигателя; М: маховик; Н: соединение осей; E: верхняя опора двигателя; X: щетки; е: ремень; f штанга; g: кривошип; h: шатун.

Данная проблема была решена позже с помощью центробежного регулятора. В сентябре, из предосторожности, в преддверии официального открытия станции, была введена в строй только одна машина: вместо того чтобы, как задумывалось изначально, подавать электричество в тысячи домов, она смогла зажечь только 400 лампочек у 85 клиентов. Дооборудование станции Эдисоном проходило медленно и осложнялось различными инцидентами, в частности пожарами, вызванными коротким замыканием.

Пройдет еще немало лет, прежде чем электричество станет доступным во многих населенных пунктах. Система, спроектированная Эдисоном и работающая на постоянном токе, нормально функционировала в крупных городах и на изолированных предприятиях, где достаточно было подавать электричество в одно здание — на фабриках или в магазинах. Проблема состояла в том, что при протяженности линии примерно больше одного километра потери тока делали ее неэффективной. Эдисон увеличил расстояние, на которое можно было передавать энергию, добавив третий нейтральный провод, но даже тогда он в 1885 году вынужден был столкнуться с конкуренцией со стороны переменного тока. Переменный ток был более экономичен при передаче на большие расстояния, так как его напряжение очень легко увеличить с помощью трансформатора, что позволяет уменьшить потери при транспортировке, а затем его напряжение так же легко понизить, чтобы сделать ток пригодным для домашнего использования. На самом деле динамо-машина Эдисона производила переменный ток, но щетки превращали его в постоянный. Однако изобретатель упрямо отказывался разрабатывать системы на переменном токе. На самом деле он вложил слишком много денег в установку текущей системы и не мог просто так сдаться. Битва, которую изобретатель повел против адептов переменного тока — питтсбургского магната Джорджа Вестингауза (1846-1914) и изобретателя и инженера Николы Тесла (1856-1943), — вошла в историю как «война токов». Когда акционеры его электрической компании обязали Эдисона применить при создании самоходного экипажа технологии переменного тока (в 1891 году), было уже поздно. В феврале 1892 года финансисты электрического сектора промышленности принудили «Эдисон Электрик Лайт Компани» к слиянию с другой компанией, «Дженерал Электрик», в результате чего Эдисона отодвинули на второй план.

ГЛАВА 6

Движущиеся картинки: кинетоскоп

Последним местом, где создавались изобретения Эдисона, стал большой научно- исследовательский комплекс, построенный им в Вест- Оранже, в штате Нью-Джерси. Там Эдисон разработал новаторский кинематографический аппарат — кинетоскоп, и питал в отношении его весьма амбициозные планы, задумываясь о звуковых фильмах и трехмерном изображении. С помощью предприятий, контролируемых им, Эдисону предстояло найти себе нишу в индустрии развлечений. Однако на волне успеха он удержался скорее благодаря своим предпринимательским способностям, нежели новым изобретениям.

Мэри Эдисон, первая жена изобретателя, умерла в 1884 году, не дожив и до 30 лет. Эдисон — старше ее на шесть лет — отреагировал на эту потерю с головой уйдя в работу. Миллионер и управляющий крупнейшими промышленными компаниями, он тут же стал одним из самых завидных женихов страны. В 1885 году Эдисон познакомился с 18-летней девушкой по имени Мина Миллер, которой удалось пробудить в нем интерес к жизни за пределами лаборатории. Пара поженилась в начале следующего года.

Объездив несколько мест в поисках летнего домика, новобрачные наконец увидели большую виллу Гленмонт в дворцовом стиле, расположенную в Вест-Оранже, штат Нью-Джерси. Очарованный этим местом, изобретатель решил не только поселиться там со своей новой семьей, но и построить поблизости обновленную, более просторную лабораторию и жилой комплекс для сотрудников. Так в 1888 году в Вест-Оранже появилась самая большая — в десять раз крупнее Менло-Парка — и самая совершенная исследовательская лаборатория в мире.

Главное здание исследовательского комплекса представляло собой четырехэтажную кирпичную постройку 76 м длиной. В нем помещались библиотека на 10000 томов, коллекция химических веществ, механические мастерские, склады, моторный зал и электрическая лаборатория. Огороженный колючей проволокой периметр патрулировался охраной. Исследовательская команда состояла из научных экспертов, чертежников и проектантов. Ее численность достигала 60 человек. Каждое утро ответственные по отделам информировали лично Эдисона о продвижении исследований. Лабораторные ассистенты распределялись по разным проектам, а Эдисон руководил общим процессом, участвуя в нем на разных уровнях и стараясь каждый день посещать все отделы. Иногда он удалялся в уединенный флигель, чтобы там спокойно заниматься опытами.

Задача, поставленная Эдисоном перед своей лабораторией, заключалась в том, чтобы изобретать полезные, нужные всем вещи, которые люди хотели бы покупать по приемлемой цене. Но несмотря на обширные площади и современные установки, Эдисону так и не удалось превзойти те изобретения, которые родились в спартанском деревянном бараке Менло- Парка. Достигнув вершин в производстве электрооборудования, он посвятил себя окончательному совершенствованию фонографа — как уже говорилось, пытаясь вернуть себе позиции в индустрии развлечений. Эдисон все еще был с головой погружен в борьбу за свои фонографические «записи» против угрозы со стороны дисков, когда натолкнулся на новый революционный тип устройств, суливший такие коммерческие возможности, о которых он даже не смел мечтать: прибор для показа движущихся картинок.

ПЕРВЫЕ ШАГИ КИНЕМАТОГРАФА

Идея изобразить движение уходит корнями в древность. Египтяне были знакомы с научным принципом «визуальной инерции», о чем свидетельствуют рисунки на фасадах некоторых их храмов, где изображены фигуры в разных фазах движения: если смотреть на них со скачущей лошади, возникает оптическая иллюзия, будто они движутся. Но для рождения настоящего кинематографа требовались вмешательство науки и технологический уровень, которого удалось достичь только в XIX веке. В 1824 году секретарь Лондонского королевского общества Питер Марк Роже (1779-1869), врач, физик и математик, опубликовал труд «Инерция зрения при движущихся объектах», в котором утверждал, что глаз сохраняет изображение какую- то долю секунды после того, как человек уже не видит предмет. Таким образом, мозг обладает порогом восприятия, за которым изображения кажутся непрерывными. Кинематографический стандарт — 24 кадра в секунду — укладывается в этот порог восприятия, на который накладывается стробоскопический эффект (изученный позже), что облегчает ментальную связь между кадрами и позволяет видеть серию статических изображений как единое и непрерывное движение.

РИС. 1

В последующие годы многие изобретатели, вдохновленные теорией Роже, придумали свои устройства (в их названии обычно присутствовали древнегреческие корни), направленные на создание иллюзии движения. Чаще всего такие изобретения становились игрушками. Самым совершенным из подобных аппаратов был праксиноскоп (см. рисунок 1) французского изобретателя Эмиля Рейно, появившийся в 1878 году. Он состоял из вращающегося барабана с кольцом из зеркал в центре. Рисунки располагались на внутренней стенке барабана, и когда он вращался, их отражение в зеркалах создавало иллюзию непрерывного движения.

РИС. 2

Через несколько лет Рейно разработал усовершенствованную модель, которая была предназначена для массовых демонстраций и стала известна как оптический театр (см. рисунок 2). С помощью «волшебного фонаря» — прибора, проецирующего на экран картинки посредством системы линз, — изобретатель создал то, что некоторые считают первыми мультфильмами. «Светящиеся пантомимы» состояли из неподвижного фона, на котором двигались рисунки, размещенные на длинной ленте с более чем 500 кадрами, перфорированной так, чтобы колесо могло быстро ее протягивать. В США и в Европе начали делать анимированные фильмы, нарисованные от руки на прозрачной пленке, которые быстро завоевали любовь зрителей среднего класса. Выяснилось, что если нарисовать 16 рисунков и прокрутить их за секунду, инерция зрения объединяет их в одно непрерывно движущееся изображение.

ИГРУШКИ ВИКТОРИАНСКОЙ ЭПОХИ

Первым из изобретений викторианского времени, которое создавало иллюзию движения, был тауматроп, изготовленный в 1824 году Джоном Айртоном Парисом (1785-1856). Он представлял собой картонный диск, подвешенный на нити и вращающийся так, что рисунки на обеих его сторонах сливались в одно изображение. Фенакистископ бельгийского физика Жозефа Плато (1801-1883) состоял из диска с рисунками по внешнему краю, которые при его вращении казались движущимися. Стробоскоп австрийского изобретателя Симона фон Штампфера (1792-1864) включал в себя два диска: первый с прорезями, а второй — с рисунками, на которых изображены стадии непрерывного действия, так что когда на вращающийся диск с рисунками смотрят через прорези, создается иллюзия движения. Зоотроп, придуманная английским математиком Уильямом Джорджем Хорнером (1789-1837). Она состояла из ряда рисунков, напечатанных на горизонтальной бумажной полосе, которая помещалась на внутреннюю сторону вращающегося на оси барабана с вертикальными прорезями. Когда барабан крутился, при взгляде через прорези казалось, что рисунки движутся.

Тауматроп

Фенакистископ

Стробоскоп

Зоотроп

Однако на самом деле своим появлением кинематограф полностью обязан фотографии. Собственно, кинематография определяется как искусство представления движения посредством фотографии. Путь к кинематографу начался в первой четверти XIX века, когда французский химик Нисефор Ньепс (1765-1833) в поисках путей улучшения техники литографии обнаружил, что некоторые изображения в камере-обскуре можно химически зафиксировать. Его первая фотография появилась в 1826 году и представляла собой пейзаж, на экспозицию которого ушло восемь часов. Незадолго до смерти Ньепс поделился своими идеями с изобретателем Луи Дагерром (1787-1851). Последнему удалось снизить время экспозиции до 30 минут, из-за чего именно он считается отцом фотографии, получившей название «дагерротип».

Новое изобретение быстро завоевало популярность в Европе, и с 1850 года фотография начала заменять живопись в изображении действительности. Как только скорость химического воздействия реактивов увеличилась, то есть когда фотография стала быстрее реагировать на свет, проходящий через объектив фотоаппарата, стало возможно фотографировать объекты в движении, а не в фиксированных позах, изображающих такое движение. Начиная с этого времени многие фотографы делали снимки движущихся объектов. Первым значительным вкладом в будущее появление кинематографа стала серия фотографий движущихся объектов, сделанная Эдвардом Мейбриджем (1830-1904) между 1872 и 1877 годами. Губернатор Калифорнии предложил ему увековечить движение лошади на скачках, проводимых в Пало-Альто, и разрешить вопрос, давно стоявший перед любителями лошадей. Речь шла о том, чтобы проверить, действительно ли при галопе лошадь в какие- то моменты не касается земли копытами. Мейбридж протянул поперек движения животного ряд веревок, каждая из которых была соединена с одним из 24 фотоаппаратов. При движении лошадь задевала за веревки, а те открывали объективы фотокамер. Таким образом Мейбридж получил серию фотографий с отдельными стадиями лошадиного бега и поместил ее затем в стробоскоп, воспроизведя в точности движения лошади. Его работа и идеи побудили многих изобретателей заняться разработкой подобных систем.

УИЛЬЯМ ЛОРИ ДИКСОН

Изобретатель шотландского происхождения Уильям Лори Диксон (1860- 1935) считается одним из отцов кинематографа. Он родился во Франции и, согласно семейным преданиям, был дальним родственником английского художника Уильяма Хогарта (1697- 1764). Диксон получил образование инженера-электрика и еще в Европе проявил интерес к входившей в моду технической новинке — фотографии.

Вскоре вместе с семьей он эмигрировал в США в поисках лучшей жизни, где устроился на работу к Эдисону в Вест- Оранж. В качестве начальника команды сотрудников Диксон внес основной вклад в появление кинетоскопа и кинематографа в то время, когда участие Эдисона в разработке изобретений стало сводиться только к стратегическому руководству. Впоследствии Диксон прекратил сотрудничество с изобретателем, чтобы основать собственную компанию. Став независимым исследователем, он создал новый фотоаппарат и проекционную систему. Кроме изготовления съемочных аппаратов, его «Америкен Мутоскоп энд Биограф Компани>» занималась производством собственных фильмов, в роли режиссера которых часто выступал сам Диксон, и вскоре стала одной из самых больших кинематографических студий своего времени.

СОЗДАНИЕ КИНЕТОСКОПА

В феврале 1888 года Мейбридж собрал конференцию, где устроил демонстрацию своего зоопраксископа — устройства, с помощью которого он проецировал последовательность изображений со стеклянного диска. Эдисон в это время находился в своей лаборатории, расположенной неподалеку, вместе со своим официальным фотографом Уильямом Лори Диксоном. Пару дней спустя Мейбридж посетил комплекс в Вест- Оранже, где представил свое изобретение, так как он предполагал объединить фонограф со своим прибором, чтобы звук и изображение воспроизводились одновременно.

Хотя Эдисон и отклонил его предложение, в следующие месяцы он представил устройство, делавшее «для глаз то же, что фонограф для ушей», в качестве составной части аудиовизуальной системы, которая позволяла «видеть и слышать все так, будто это находится у вас перед глазами». Свое изобретение он назвал «кинетоскопом» — от греческих слов kinetos (движущийся) и scopeo (смотреть).

Изобретатель поставил Диксона во главе проекта, дав ему в подчинение группу ассистентов. Изначальная идея заключалась в том, чтобы поместить маленькие фотографии на цилиндр с коллодием — сенсибилизированным нитратом серебра. Коллодий — это раствор нитроцеллюлозы в смеси эфирных спиртов, отличающейся высокой скоростью высыхания, после которого остается прозрачная пленка из материала, сходного с целлофаном. Данная технология использовалась на заре фотографии, но была не слишком практичной, потому что для нее требовалось готовить раствор и покрывать пластинку перед каждым фотоснимком. Кроме того, система работала с очень маленькими фотографиями, а значит, даже при не слишком большом увеличении сама фоточувствительная эмульсия портила результат.

В 1889 году начались работы по поиску более приемлемого варианта: в ход пошли листы целлулоида, которыми обертывался цилиндр. В то время с помощью кинетоскопа были созданы первые в США фильмы на фотопленке. Речь идет об экспериментальных коротких записях, сделанных не для коммерческих целей, на которых члены лабораторной команды изображали разнообразные жесты. На одной такой записи, с трехсекундным приветствием, появился и сам Диксон. Однако попытки синхронизовать звук с изображением очень быстро были прекращены ради решения более насущных проблем.

Рекламная фотография, на которой можно видеть способ использования и внутреннее устройство кинетоскопа, предшественника современного кинопроектора. Его первое появление на публике произошло 9 мая 1893 года.

Система кинетофона Эдисона.

Поездка Эдисона в том году на Всемирную выставку в Париже оказалась весьма плодотворной. Там он посетил ученого и пионера фотографии Жюля Маре (1830-1904), в то время разрабатывавшего «фотографическое ружье» — первую портативную кинокамеру. Устройство использовало ленту из гибкой пленки, на которой можно было запечатлеть до 12 кадров в секунду. Эдисон побывал также в оптическом театре Рейно и видел перфорированную ленту с его рисунками. После возвращения изобретатель применил обе идеи в своем кинетоскопе, с того момента заряжая его гибкой лентой, снабженной перфорацией, что позволяло протягивать ее с помощью зубчатого колеса. Сначала на полоски разрезались целлулоидные листы, которые использовались раньше, но в августе предприниматель и изобретатель Джордж Истмен (1854-1932) представил новую пленку — достаточно прочную, тонкую и гибкую, чтобы она могла протягиваться с необходимой скоростью без разрывов, что сразу же решило главную проблему первых кинематографических аппаратов. Диксон немедленно задействовал ее в своем прототипе.

Гений — это просто талантливый человек, который хорошо делает свою работу.

Томас Альва Эдисон

В Париже Эдисон познакомился и с электротахископом немецкого изобретателя и фотографа Оттомара Аншютца (1846-1907). Это был проекционный аппарат, использующий носители в виде дисков, но вопрос проекции не возбудил в Эдисоне большого интереса, в отличие от другого важного новшества, заложенного в данном изобретении. В соответствии с теорией инерции зрения проекционный аппарат использовал мигающий свет, который «замораживал» изображение каждого кадра на долю секунды. Подобный прием облегчал сохранение изображения на сетчатке глаза и создавал совершенную иллюзию непрерывного движения. Эдисон применил в кинетоскопе и эффект «прерывистого изображения».

В 1890 году кинетоскоп окончательно оформился (см. рисунок 3). Его механическое ядро было заключено в деревянный ящик. Пленка шириной 19 мм, расположенная горизонтально, с катушки через ряд роликов проходила перед увеличительным объективом. Перфорацию наносили на пленку только с одной стороны, с ней вступали в зацепление зубцы шестеренки, которая вращалась электродвигателем. За пленкой располагалась лампочка, проецируя изображение в линзы объектива. Через отверстие в верхней части шкафа, снабженное окуляром наподобие используемых в микроскопах, зритель мог видеть увеличенное линзами изображение. Быстро вращающийся обтюратор давал настолько короткие световые импульсы, что каждый кадр казался «замороженным». Этот ряд быстро сменяющих друг друга фотографий производил впечатление непрерывного движения благодаря эффекту инерции зрения. Внутренние детали кинетоскопа закрывались деревянной доской так, чтобы мотор был отделен от вертикально движущейся ленты.

РИС.З

СЪЕМОЧНАЯ КАМЕРА

Команда Диксона, помимо прочего, разработала камеру с мотором: кинетограф — первый аппарат, позволяющий записывать изображение на перфорированную пленку. Главной проблемой, вставшей при изготовлении аппарата подобного типа, было то, как устроить прерывистое движение пленки, чтобы она останавливалась на достаточное для экспозиции время, а затем быстро (за 1/460 секунды) перемещалась на один кадр. Диксон решил эту проблему, применив механизм прерывистого движения — систему, превращающую равномерное вращательное движение в скачкообразное. Отсюда — например, звук «тик-так», издаваемый часами. Такой механизм в кинокамере обычно представляет собой «женевское колесо» или «мальтийский крест»: они превращают непрерывное круговое движение в прерывистое и являются стандартным устройством в подобной технике для перемещения пленки с высокой скоростью.

Оставалось решить вопрос, сколько фотографий в секунду следует использовать для записи и воспроизведения. В целом чем больше было кадров в секунду, тем больше были плавность и качество воспроизведения, но, в свою очередь, длительность воспроизведения при этом снижалась, так как метров пленки требовалось больше. Эдисон уверял, что он «может в одной машине достичь скорости 46 кадров в секунду, но не хочет приспосабливать свое изобретение к такой скорости работы, поскольку 30 кадров в секунду вполне достаточно».

В 1891 году все компоненты системы были отработаны, и она оказалась готова к коммерческому производству. Кроме того, была изучена возможность получения стереоскопического изображения. Первый стереоскоп был сделан в 1840 году британским ученым и изобретателем Чарльзом Уитстоуном (1802-1875) для создания глубины изображения с помощью картинок со слегка смещенным изображением для каждого из глаз, как бывает при естественном человеческом зрении. Впрочем, от подобных попыток Эдисон очень быстро отказался. Второй проект, гораздо менее амбициозный, но определенно более практичный, имел больший успех. Речь идет о модифицированном аппарате, который работал при опускании в небольшую щель пятицентовой монетки.

Осенью 1891 года проект кинетоскопа был закончен. В нем использовалась пленка шириной 35 мм с кадрами, расположенными в вертикальной плоскости. Сбоку от каждого из них находились по четыре отверстия — формат, который впоследствии был принят во всей киноиндустрии и применяется до сих пор (см. рисунок 4).

РИС. 4

ПЕРВАЯ КИНОСТУДИЯ

Студия «Черная Мария» появилась в 1892 году. Она представляла собой темную комнату, полностью отделанную листами просмоленного картона. Так как места в ней было мало и работать там было неудобно, она быстро получила имя, которым в то время называли полицейские фургоны — тесные, темные и соответствующего цвета. В комнате располагалось большое окно, которое открывалось, чтобы увеличить освещение, так как первые камеры требовали большого количества света. Все это сооружение находилось на платформе на колесиках, чтобы его можно было перемещать в поисках более освещенных мест. Произведенные на «Черной Марии» фильмы начиная с 1893 года стали собирать в Библиотеке Конгресса США — для сохранения авторских прав на них. Первой картиной в истории кинематографа, охраняемой законами об авторских правах, стала снятая на этой студии рекламная лента «Чихание Фреда Отта», где сотрудник Эдисона комически чихал.

ЗАВОЕВАНИЕ РЫНКА

Мировая премьера кинетоскопа состоялась 9 мая 1893 года. Она задержалась из-за других дел Эдисона, а также из-за нервного срыва Диксона, вследствие которого он почти три месяца не появлялся в лаборатории. Первый показанный фильм назывался «Кузнецы», в нем три человека изображали работу в кузнице. Режиссером картины выступал Диксон, а оператором — один из его ассистентов. Фильм был снят на студии, построенной Эдисоном и названной им «Черная Мария». Это сооружение стало первой киностудией в США.

Первый кинетоскопический салон на Бродвее в Нью- Йорке открылся 14 апреля 1894 года. Он считается первым коммерческим кинозалом. За 25 центов — обычная цена входного билета в театр варьете — публика могла смотреть фильмы, выстроившись в очередь. За полдоллара можно было увидеть все зрелище в индивидуальном порядке. Эдисон изготовлял аппараты и снимал фильмы, но коммерческой стороной дела занималась новая фирма «Кинетоскоп Компани», руководимая предпринимателями из индустрии развлечений. В тот период американская жизнь и культура начали подвергаться сильным изменениям и влиять — учитывая нарождающуюся новую индустрию — на весь остальной мир. Кинетоскоп немедленно стал пользоваться успехом. Вскоре были открыты новые постоянные залы в Чикаго и Сан-Франциско, а также временные салоны по всей стране. Выгодный бизнес по открытию таких салонов привел к рождению множества фирм, которые запрашивали права на демонстрацию фильмов. В первый год прибыль всех участников рынка составила сотни тысяч долларов.

Одна из компаний, «Кинетоскоп Эксибигин Компани»> решила объединить возможности, предоставляемые популярностью кинетоскопа и бокса, предложив ряд важных новшеств. Кинетограф — то есть съемочная машина — мог отснять только 15 м негатива со скоростью записи около 40 кадров в секунду (к/с). При 52 кадрах на метр максимальная длительность записи составляла около 19-20 секунд, при 30 к/с фильм длился 26-27 секунд. Фильмы, снятые со скоростью 16 к/с, преодолевали барьер 40-45 секунд. Но даже на минимальной скорости длительности записи не хватало, чтобы запечатлеть боксерский раунд или поединок. Кроме того, при 16 к/с быстрые движения теряли свою непрерывность. Кинетограф и кинетоскоп требовалось модифицировать по запросу новой фирмы, чтобы можно было использовать пленку в три раза длиннее обычной.

В июне в « Черной Марии» засняли схватку из шести коротких раундов между двумя боксерами со скоростью 30 к/с на самой длинной из используемых на тот момент пленок. В августе она была представлена публике, запись разбили на отдельные раунды, просмотр каждого из них стоил 10 центов, а всего поединка — 60. После успеха демонстрации компания сняла целый ряд поединков, хотя, по всей вероятности, они были постановочными. По этому поводу фирма заключила эксклюзивный контракт со знаменитым супертяжеловесом Джеймсом Корбеттом (1866-1933), не позволявший ему сниматься в фильмах других компаний,— первый контракт со звездой в истории кинематографа.

Феномен кинетоскопа завоевал популярность и по другую сторону Атлантики, что имело весьма положительное влияние на развитие кинематографа. Летом 1894 года в Париже прошла демонстрация, на которой присутствовали братья Люмьер, с 1892 года работавшие над возможностью фотографировать объекты в движении. В октябре в Лондоне был открыт первый кинетоскопический зал вне территории США, после чего система быстро распространилась по всей Европе, где ее копировали многие производители. Эдисон не стал защищать свои патенты за пределами Штатов, потому что на самом деле его технология сочетала в себе инновации, с которыми он познакомился за границей, и он хорошо осознавал, что его заявки на патенты встретят там многочисленные проблемы. После двух лет борьбы за патенты на другие изобретения он предпочитал всеми силами избегать судебных баталий.

ФОРМИРОВАНИЕ ИНДУСТРИИ РАЗВЛЕЧЕНИЙ

Кинетофон был первой попыткой Эдисона и Диксона создать звуковую систему для кино. Первая проба была произведена в «Черной Марии» на рубеже 1894 и 1895 годов и изображала человека, играющего на скрипке, а также пару, танцующую под звуки его музыки. Из-за возникшего в 1914 году в лаборатории Вест-Оранжа пожара данная запись осталась единственным звуковым фильмом, пережившим эпоху кинетофона.

Для изобретательства нужно только хорошее воображение и много места.

Томас Альва Эдисон

Эта и другие попытки показывали, что идею синхронизации изображения и звука сложно воплотить в жизнь, учитывая степень развития технологий того времени. Весной данное устройство выпустили на рынок. Это был обычный кинетоскоп: его ящик был расширен, чтобы туда поместился фонограф, и никакой синхронизации между ними не было. Зритель слушал звук через резиновую трубку или наушник фонографа, где звучали соответствующая музыка и подходящие по сюжету звуки — обычно танцевальные мелодии или марши, которые демонстратор мог менять по своему усмотрению. Всего было изготовлено 45 кинетофонов.

В описываемый период среди предпринимателей преобладало мнение, что будущее кинематографа как средства развлечения принадлежит проекционной технике. Эдисон отвергал данную идею, считая, что это значит «убивать курицу, несущую золотые яйца». Как производитель он полагал, что зритель будет платить только за эксклюзивное, исключительно для него устраиваемое зрелище. Если бы картину смотрело огромное число зрителей одновременно, то всей стране хватило бы весьма ограниченного количества проекционных аппаратов. Однако акционеры пытались надавить на Эдисона, чтобы он начал разработку проекционной системы. В раздражении он откомандировал одного из своих техников в «Кинетоскоп Компани», не поставив в известность Диксона, и тот обиделся. Эта обида прибавилась ко многим разочарованиям Диксона за все время работы с Эдисоном, что ускорило их разрыв в 1895 году.

В том же году, 22 марта, братья Люмьер — Огюст (1862— 1954) и Луи (1864-1948) — представили обществу «Сосьете д’Анкуражман а л’Индустри Националь» систему, названную ими кинематографом и работающую одновременно и как кинокамера, и как кинопроектор. Они показали знаменитый фильм «Выход рабочих с фабрики Люмьер», снятый тремя днями ранее. Первая коммерческая — то есть платная — публичная демонстрация состоялась только в декабре, однако в течение года братья устраивали множество презентаций в научных обществах и в университетах, так что новость об их достижении была на слуху у всех специалистов новорожденной индустрии.

Акционеры Эдисона ясно поняли: кинетоскоп проиграл битву проекционному аппарату. За второй год его коммерческой эксплуатации прибыли от кинетоскопа стремительно упали, а некоторые сотрудники покинули лабораторию в Вест- Оранже, собираясь учиться использованию проекционной техники в других компаниях или устраиваться как-нибудь иначе.

Самой большой потерей стал уход Диксона, который присоединился к компании «Кинетоскоп Эксибигин», чтобы организовать вместе с ними «Америкен Мутоскоп энд Биограф Компани». Новая фирма разработала проекционную систему, названную «эйдолоскопом», с помощью которой 2 мая в Нью-Йорке был произведен первый коммерческий показ кинофильма — раньше, чем это сделали братья Люмьеры. Его темой выбрали то, что весьма интересовало публику, — боксерский матч длительностью 4-8 минут.

К счастью, акционеры Эдисона компенсировали недостаток его коммерческой хватки своей собственной. В конце 1895 года двое молодых изобретателей — Чарльз Френсис Дженкинс (1867-1934) и Томас Армат (1866-1948) — представили проект под названием «фантоскоп», для коммерческого воплощения которого им нужна была поддержка серьезной фирмы. Управляющие «Кинетоскоп Компани», доходы которой уменьшались из-за того, что Эдисон не воспринимал всерьез идею проекции, заключили с ними контракт, чтобы купить права на использование их изобретения, не дожидаясь одобрения Эдисона. «Эдисон Мануфактуринг Компани» должна была изготовить проектор и снять для него фильмы — с условием, что будет объявлено, будто это новое изобретение Эдисона.

Выпускаемый под маркой Эдисона разрекламированный «витаскоп» присоединился к многочисленной армии проекторов, все стремительней набирающих популярность в качестве развлечений на ярмарках и в театрах самых больших городов США. Тем не менее всего год спустя Эдисон начал разработку собственной системы. Результатом ее стал «проектоскоп», за которым последовали различные версии кинетоскопа, приспособленные для проекции, — с их помощью фирмы Эдисона пытались любой ценой удержаться в индустрии развлечений.

И все-таки Эдисон со своим обычным упрямством продолжал разрабатывать идею звукового кино. После нескольких лет успеха его кинематографической продукции, такой как «Нападение на поезд» (1903) — первого в истории вестерна, новаторского с точки зрения аудиовизуального ряда, — Эдисон вновь принялся за исследования. Но результаты по-прежнему не спешили появляться.

ИНСТИТУТ ЭДИСОНА

В 1929 году автомобильный магнат Генри Форд (1863-1947) заложил в Дирборне (штат Мичиган) грандиозный комплекс-музей изобретений, посвященный его большому другу Томасу Альве. В Институте Эдисона разместилась обширная коллекция технических аппаратов, разработанных изобретателем, которые можно было увидеть в действии, а сам он раскинулся в центре экспозиции, детально отображающей их родную страну — с фабриками, церковью, тавернами и школой, известной как «Гринфилд-Виллидж». Центром этого музейного комплекса, вскоре ставшего местом паломничества почитателей Эдисона, стало точное и детальное воспроизведение легендарной лаборатории в Менло-Парке, с оригинальными деревянными столами и даже глинистой землей, привезенной поездом из Нью-Джерси. Вокруг нее был воссоздан жилой комплекс Менло-Парка, а также станция Мичиган, где Эдисон работал в юности, и паровоз «Гран Транк» с почтовым вагоном, который фигурирует во многих легендах о маленьком Эдисоне. Все это можно увидеть и сегодня в разросшемся, самом большом в США музейном комплексе, который посвящен инженерному делу и составляет часть Музея Генри Форда в Гринфилд-Виллидж.

В 1908 году изобретатель запатентовал систему, которая повторяла в общих чертах его старую идею, соединяя проектор и фонограф, расположенный позади экрана. Идея была не слишком удачной, и Эдисон потратил несколько лет на ее усовершенствование. В 1913 году он представил новый кинетофон, где фонограф с кинетоскопическим проектором были соединены ремнями и системой металлических рычагов, как в первых его экспериментах 1890-х годов. Подобно всем экстравагантным звуковым системам этого времени, изобретение первоначально вызвало интерес, но он быстро угас. У операторов возникали сложности при наладке синхронизации, а система не решала проблем ни с усилением звука, ни с плохим его качеством. В декабре 1914 года в комплексе в Вест-Оранже случился пожар, разрушивший все оригиналы с изображением и звуком для кинетофона, что ознаменовало смерть звуковой системы Эдисона.

Осенью 1926 года, в возрасте 79 лет, Эдисон объявил о своем намерении уйти на покой, назначив своего сына Чарльза главой компании «Томас Альва Эдисон Инк.»у объединявшей все его фирмы, а другого сына Теодора — членом правления и техническим директором. При его сыновьях компания достигла своего расцвета.

В 1929 году изобретателя, уже отошедшего от дел, сразило тяжелое воспаление легких, отягощенное проблемами с пищеварением и почками. Болезнь не оставляла Эдисона до самого конца. Он скончался 18 октября 1931 года. Известие о его смерти облетело весь мир по телеграфу, телефону и радио. По инициативе президента США множество граждан этой страны на две минуты потушили свет, чтобы проводить в последний путь человека, который превратил лампочку в символ идеи, воображения и гениального творческого духа.

Список рекомендуемой литературы

Bodanis, D., El universe electrico, Barcelona, Planeta, 2006.

Capilla, A. у Vidal, N., Ongenes del cine, Valladolid, Divisa, 2007. Friedel, R. e Israel, P., Edison’s electric light: the art of invention, Baltimore, John Hopkins University Press, 2010.

Vogtle, E, Edison, Barcelona, Salvat, 1994.

Weightman, G., Los revolucionarios industrials; la creacion del mundo modemo 1776-1914, Barcelona, Ariel, 2008.

The Thomas Edison Papers, Rutgers, The State University of New Jersey, Piscataway (documentation у patentee originales de Edison): http://edison.rutgers.edu/index.htm.

Указатель

акустическая телефония 70-72

Ампер, Андре-Мари 26

Аншютц, Оттомар 152

атмосферное давление 103,127

Белл, Александр Грэхем 66, 78, 82-84,86,89,91,108

Берлинер, Эмиль 89,112,114

Бём, Людвиг Карл 127

Бурсель, Шарль 73-75

Бэчлор, Чарльз 44, 55,85,136

вакуум 101,120,121,127-130,137

Вейл, Альфред Л. 31-32

«Вестерн Юнион Телеграф

Компани» 34,36,38,41,45,46,

53-56,62-65, 70,78,82,84,123

Вест-Оранж 10,13,141,143,144, 149,158-160

витаскоп 160

вкл/выкл, метод 73, 75

война за отделение [американская

Гражданская война] 13, 21,34

Вольта, Алессандро 25, 26,108,118

восковой цилиндр 108-114

Гальвани, Луиджи 25

Генри, Джозеф 28-31,63,80,161

Гленмонт 13,143

говорящая кукла 111

«Голд энд Сток Телеграф

Компани» 13,38,41,42,46,84

граммофон 112,114

графофон 108, 109

Грей, Илайша 66,78-81,86

громкоговорящий телефон 90

Гулд, Джей 38, 53, 54,63,65, 66

Дагерр, Луи 148

дагерротип 148

«Дженерал Электрик» 130,140

Джоуль, Джеймс Прескотт 26

Диксон, Уильям Лори 55,149,150, 152,154,155,157-159

динамо

Джамбо 138

Мэри Энн 125,133,134

диск (носитель) 112-114,144

Дэви, Гемфри 118

закон Фарадея 28

звуковые волны 71, 72, 74, 76,86, 88,95,96,100-104,112

зоопраксископ 148

изменяемое сопротивление 49,80, 88

индуктор 132,139

Истмен, Джордж 152

Калахан, Эдвард 37,46

кинематограф 159

кинетограф 13,149,154,156,157

кинетоскоп 10,13,141,148-160

«Кинетоскоп Компани» 156,158, 159

«Кинетоскоп Эксибишн Компани» 156,159

кинетофон 151,157,158,160

код 19, 21,30-32,36,47,48, 56,95

коллодий 150

корабль «Колумбия» 134

Крузи, Джон 44,102

лампа дуговая 118-119,124

лампочка накаливания 9,10,13, 115,122,124,126,128,130

«лейденская банка» 24

Литтл, Джордж 47-50,52

Люмьер, братья 157,159

Майбридж, Эдвард 148,149

Майлен 13,17-19, 23

Маккензи, Джеймс 20,85

Манзетти, Инноченцо 73

Мари, Жюль 150

меловой приемник 89-91

Менло-Парк 8-10,13, 66, 67,69, 70,83,85,86,91,96,117,118, 123-128,133-136,143,144,161

мерцающая картинка 152

Меуччи, Антонио 75-78,82,91

Миллер, Мина 13,143

Молейнс, Фредерик де 121

Морзе, Самуэль Финли 30,31,80

накаливание 9,10,13,115,118—124,126,128,131,136,137

Ньепс, Нисефор 146

Ньюарк 13,39,44-47,49,51, 52, 69

оловянный валик 13,101-104,106, 108,110

оптический театр 145,150

Ортон, Уильям 53-55,56,63,65, 66,78,84

Отт

Джон 44, 55

Фред 55,156

парафинированная бумага 52

Перл-Стрит 10,13,138

платина 120,121,123,124,127, 130

Порт-Гурон 13,19, 20

Поуп, Франклин Л. 36-38,84

праксиноскоп 145

проектоскоп 160

резонатор 62,97-99,105

Гельмгольца 97

Рейно, Эмиль 145,150

Рейс, Иоганн Филипп 74-75,79, 98

реле 29,56-64,89

реостат 49, 50,51, 59,88

Роже, Питер Марк 144,145,147

Сван, Джозеф Уилсон 130

синтезатор Гельмгольца 98

синхронизирующий винт 42, 44-46

Скотт де Мартинвилль, Эдуард-

Леон 98,100,102

Старр, Джон 121

стереоскопия 153

Стиллвелл, Мэри 13,51

стробоскоп 145

счетчик голосов 13,34-36,42

телеграф

автоматический 8,13,39,47, 51-54,95,102

дуплексный 54,57, 56-59,61, 62

квадруплексный 13,54-62,65

телектрофон 75, 77

телефон Белла 13, 75, 78-84,86, 88-91,96

Тесла, Никола 140

ток

переменный (СА) 9,139,140

постоянный (СС) 9, 26,133, 138,140

электрический 19,25-28,30, 32,33,51,56,60,61,65,73, 76,79,80,88,90,118,119, 128,131,133,137

трехпроводная система

распределения 134

угольная нить 13,128, 129

угольный микрофон 13,83-91

Уикли Херальд 21

указатель котировок 36,37

Унгер, Уильям 46

универсальная печатающая

машина Эдисона 13,42-47

«Уоллес энд Санс» 117

Уоллес, Уильям 117-119,122

Уотсон, Томас 80-83

фантоскоп 159

Фарадей, Майкл 28,30, 63,118

фоноавтограмма 101

фоноавтограф 79,80,98,100

фонограф 9, 11, 13,91,93-114,117, 122,144,149,158,160

фонографические записи 91,96, 97,100-103,105,108-110,112, 113,144

фотон 120,121

фотопленка 150,152-155,157

фоторужье 150

цепь

параллельная 133

последовательная 131-133

«Черная Мария» 13,155-157

«черная пятница» 38,53

«Эдисон Мануфактуринг Компани» 159

«Эдисон Машин Воркс» 136

Эдисон, Самуэль Огден 17-19, 51,69

«Эдисон Спикинг Фонограф Компани» 105,108

«Эдисон Телефон Компани» 90

«Эдисон Электрик Иллюминейтинг Компани» 136

«Эдисон Электрик Лайт Компани» 123,124,126,134,135,140

эйдолоскоп 159

электрическая батарея 26-27,49, 50,59,63, 74

электрический поезд 135

электромагнетизм 63,80,83

электромагнит 27-30,33,58-60, 62,74,79,87,88,96,98,99,109, 131,139

электромотограф 63-66,89-90

электростанция 10,13,134-139

электротахископ 152

Элиот, Нэнси 17, 23

Эптон, Френсис 126,127, 134,136

Эрстед, Ханс Кристиан 26,28

эффект

Жюля 26

Эдисона 13,137

Эрстеда 26

Томас Альва Эдисон - один из тех людей, кто внес наибольший вклад в тот облик мира, каким мы видим его сегодня. Этот американский изобретатель, самый плодовитый в XX веке, запатентовал более тысячи изобретений, которые еще при жизни сделали его легендарным. Он участвовал в создании фонографа, телеграфа, телефона и первых аппаратов, запечатлевающих движение, - предшественников кинематографа. Однако нет никаких сомнений в том, что его главное достижение - это электрическое освещение, пришедшее во все уголки планеты с созданием лампы накаливания, а также разработка первой электростанции. Его способ работы - организация крупных центров с привлечением туда множества лучших специалистов своего времени - создал важный прецедент для возникновения нынешних научно-исследовательских институтов.

ISSN 2409-0069

Content

Хаен Санчес Маркос Поистине светлая идея. Эдисон. Электрическое освещение

Marcos Jaen Sanchez Поистине светлая идея. Эдисон. Электрическое освещение

Введение

ГЛАВА 1 Легенда о вундеркинде

ГЛАВА 2 Война телеграфов

ГЛАВА 3 Революция в коммуникации: телефон

ГЛАВА 4 Рождение индустрии развлечений: фонограф

ГЛАВА 5 Чудо столетия: электрический свет

ГЛАВА 6 Движущиеся картинки: кинетоскоп

Список рекомендуемой литературы

Указатель