Pohľady na rozvoj elektrotechniky v prvej polovici 20. storočia – výber dôležitých a zaujímavých udalostí

Magneticky mäkké materiály sú všadeprítomné v aktuálnej elektrotechnike, resp. elektronike založenej na ekonomickom využití energie elektromagnetického poľa. Kremíková (FeSi) oceľ bola vyvinutá na začiatku dvadsiateho storočia v Británii a čoskoro sa stala preferovaným materiálom jadier pre veľké transformátory, motory, a generátory. Výskum FeSi zliatin začal R. A. Hadfield a poukázal na rad ich zaujímavých vlastností (publikoval ich v r. 1882). Neskôr sa objavili správy iných autorov, napríklad W. F. Barretta, W. Browna (1900), K. Hondu, S. Shimizua, S. Kusakabeho (1902). Zistilo sa, že prídavok 2 – 2,5 % Si vylepšuje magnetickú mäkkosť zliatiny: koercivita Hc takejto zliatiny poklesla takmer na polovičnú hodnotu, než akú malo štandardné železo, ktoré sa predtým používalo v jadrách transformátorov. To podnietilo E. Gumlicha a Fyzikálno-technický inštitút v Nemecku na priemyselné uplatnenie týchto zliatin, takže od r. 1903 ich nemecké firmy vyrábali v značnom množstve.

Zlepšenia elektromagnetických vlastnosti FeSi zliatiny boli: 1. zväčšenie hodnoty permeability; 2. zmenšenie hysteréznych strát znížením Hc; 3. zmenšenie strát vírivými prúdmi v dôsledku zvýšenia elektrického odporu; 4. zlepšenie vlastností ohľadom starnutia. Ocele obsahujúce kremík sa používajú ako magneticky mäkké materiály v elektrických spotrebičoch a zaradeniach, Si sa teda pridáva kvôli zníženiu strát elektrickej energie, keď sú magnetované v striedavom elektromagnetickom poli. Elektrotechnická oceľ vyrobená bez špeciálneho spracovania na riadenie orientácie kryštálov (neorientovaná oceľ) má obyčajne obsah kremíka od 2 do 3,5 % a podobné magnetické vlastnosti vo všetkých smeroch, t. j. je izotropná.

V súvislosti so šírením elektromagnetických vĺn bolo viacero vizionárov, ktorí videli, že tieto vlny by sa mohli používať na identifikáciu lodí. Jednoduché využitie ako vežový stožiar navrhol Richard Threlfall na mítingu v Sydney v r. 1890. Hertzov transmiter v majáku mohol pôsobiť ako svetelná pochodeň, ktorá by mohla byť identifikovaná aj cez hustú hmlu vtedy, keď sa Geisslerova trubica použije ako detektor. Podobnú ideu podporujúcu lodnú komunikáciu v hmlistých dňoch navrhol aj Alexander Pelham Trotter v článku uverejnenom v The Electrician (1891). Avšak úplné možnosti vyžitia „Hertzových“ vĺn predpovedal William Crookes v článku publikovanom vo Fortnightly Review v r. 1892. Alexander Stepanovič Popov zostrojil prístroj na registráciu atmosférických výbojov (1895) a v r. 1899 Ruská admiralita použila tento prístroj na záchranu stroskotanej lode. G. Marconi inštaloval bezdrôtový telegraf na loď St. Paul, takže prvé rádiové núdzové volanie sa uskutočnilo z lode do Anglicka. Nemecký vynálezca Christian Hulsmeyer v r. 1904 pokračoval v myšlienke uvedených vynálezcov na zisťovanie polohy lodí cez hmlu a tmu pomocou elektromagnetických vĺn a detekciou ich ozvien. Dňa 30. apríla prihlásil nemecký patent na „Prostriedky na ohlasovanie vzdialených kovových telies pozorovateľovi použitím elektrických vĺn“ (Means for reporting distantmetallic bodies to an observer by use of electric waves). Hoci demonštroval účinnosť jeho „telemobiloskopu“ na vzdialenosť 3 km, žiaden námorný alebo lodiarsky producent neprejavil o zariadenie záujem. Približne v r. 1930 najmenej osem krajín vyvíjalo radarové systémy, avšak na varovanie pred útokom, nie na navigáciu lodí. Názov radar, akronym pre rádiové vyhľadávanie a meranie, nebol navrhnutý až do r. 1940.

Britský inžinier John Ambrose Fleming vynašiel v r. 1904 diódu, vákuovú dvojelektródovú elektrónku, ktorá usmerňovala bezdrôtový signál podobne, ako by mohol byť detegovaný galvanometrom alebo telefónnym prijímačom. Dióda obsahovala žeravenú elektródu (katódu), ktorá emitovala elektróny, a studenú elektródu (anódu), ktorá zachytávala elektróny v evakuovanej sklenenej banke. Shatendranath Bose ukázal, že polovodiče sú tiež dobrými detektormi prúdu pri vysokom napätí. O dva roky neskôr v USA Lee de Forest urobil kľúčové zdokonalenie: vložil studenú mriežku ako elektródu medzi katódu a anódu do pôvodnej diódy. Táto elektróda môže riadiť tok elektrónov zo žeravenej elektródy a de Forest poukázal, že mriežka spôsobuje aj slabé zosilnenie elektrického prúdu, ale až do r. 1912 sa trióda používala len na detekciu rádiových vĺn.

Elektrotechnický inžinier Charles Kettering skonštruoval v r. 1910 štartér a demonštroval ho na automobile Cadillac; vo februári 1911 tiež ako prvý elektrifikoval kontrolnú pokladňu. Benzínový motor sa dovtedy ručne štartoval kľukou. Kvôli jednoduchšiemu štartovaniu si získali autá štartované pomocou batérie obľubu najmä medzi mestskými ženami. Ketteringov motor umožnil teda jednoduchšie štartovanie benzínového motora a s bežiacim motorom pracoval aj ako generátor na nabíjanie batérie a napájanie svetlometov. V novembri si firma Cadillac objednala 12 000 systémov pre svoj model 1912 a predávala ho ako „dámsku pomoc“. Elektrické dopravné prostriedky si držali iný výnimočný trh, zásobovacie nákladné automobily na používanie pre veľkomesto do r. 1920.

V r. 1912 inžinieri pochopili, že trojelektródová elektrónka (trióda) by mohla mať ďalšie využitie než len na detekciu rádiových vĺn. Fritz Loewenstein, L. de Forest v USA, rovnako Robert von Lieben a Otto von Bronk v Nemecku zistili, že trióda by mohla zosilniť slabé signály a pracovať tiež ako oscilátor. Tieto funkcie sa čoskoro začali využívať. V niektorých krajinách boli triódy navrhnuté do telefónnych zosilňovačov; retranslátor Western Electric bol daný do prevádzky medzi New Yorkom a Philadelphiou v októbri 1913. Počas prvej svetovej vojny triódové oscilátory generovali signály pre rádiové vysielače a používali sa v rádiových prijímačoch na heterodynový príjem.

Ernst Rutherford vytvoril planetárny model atómu (1911) krátko potom, ako objavil jadro atómu. Pojem jadro zaviedol v r. 1912, predpovedal a preukázal existenciu protónu ako elementárnej častice (1912 – 13). E. Rutherford a Wiliam Harkins vyslovili hypotézu existencie neutrónu. V r. 1921, počas práce s Nielsom Bohrom, E. Rutherford teoretizoval o existencii neutrónov, ktoré by mohli spôsobovať kompenzovanie odpudivého efektu od kladných nábojov protónov, a to pomocou pôsobenia príťažlivej jadrovej sily, ktorou sa mohli udržať jadrá v celku bez ohľadu na odpudivé sily medzi protónmi. Rutherfordovu teóriu neutrónov dokázal v r. 1932 jeho spoločník James Chadwick, ktorý zistil ich existenciu. Na základe kvantovania mechanických sústav s viacerými premennými Niels Bohr upravil model atómu, keď postuloval, že elektróny sa pohybujú po špecifických kvantovaných orbitách, a zaviedol kvantové orbitálne čísla (1922). Louis de Broglie predpokladal v r. 1924 vlnový charakter elektrónov a tiež predpokladal, že všetky látky majú vlnové vlastnosti.

Vynájdený bol jeden z najdôležitejších obvodov 20. storočia, a to spätne väzobný obvod, v ktorom niektorý z výstupov elektrónky je vrátený na jej vstup. Edwin Howard Armstrong, študent z Columbia University v N. Y. City, zistil, že môže získať oveľa vyššie zosilnenie z triódy pomocou prenosu časti prúdu z anódy – k signálu prichádzajúcemu na mriežku. Zistil tiež, že vzrastanie tejto spätnej väzby nad určitú hranicu prepojilo elektrónku na oscilátor, t. j. generátor kontinuálnych vĺn. V tom istom čase aj ďalší výskumníci vrátane Alexandra Meissnera v Nemecku a Henryho Rounda v Anglicku vytvorili rovnaké obvody. E. H. Armstrong sám (hoci jeho patent na spätnoväzobný obvod bol neskôr zrušený na základe problematického tvrdenia L. de Foresta) pokračoval s cieľom prispieť svojimi výsledkami k rádiovede vrátane superheterodynového obvodu a techniky frekvenčnej modulácie.

V r. 1914 predstavil Irving Langmuir elektrónku s dvomi mriežkami. Jeho prvé vedecké príspevky boli spojené s výskumom žiarovkovej banky a viedli k vytvoreniu vákuovej elektrónky. On a jeho kolega Lewi Tonks zistili, že životnosť volfrámového vlákna sa viacnásobne predĺži naplnením banky inertným plynom, napríklad argónom. Tiež zistil, že stočenie vlákna do tesnej cievky zvýši jeho efektivitu.

Armstrongov vynález superheterodynového rádioprijímača v r. 1918 bol pokrokový. Vstupný vysokofrekvenčný signál v ňom je konvertovaný na fixný medzifrekvenčný signál pomocou jeho zmiešavania s osciláciami generovanými pomocou elektrónky v prijímači. Následne medzifrekvenčný signál, ktorý vždy padne do toho istého frekvenčného pásma, je zosilňovaný skôr, ako je podrobený obvyklej detekcii a zosilňovaniu, ktoré produkuje audiosignál. Zapojenie poskytovalo zvýšenú citlivosť a rovnako ladenie pomocou otočenia jediného gombíka. Heterodyn sa stal a donedávna bol štandardným typom rádioprijímača. RCA predala prvý prijímač v r. 1924. V skutočnosti heterodynový princíp aplikoval v rádiu a potom nazval bezdrôtový Reginald Fessenden už v r. 1901. Jav bol dobre známy pri klavírových ladičoch: ak sú dva tóny frekvencie fA a fB kombinované, poslucháč počuje signál s frekvenciou fA – fB. R. Fesenden predpokladal, že to bude využité v rádioprijímači. Vstupné rádiofrekvenčné vlny mohli byť mixované s lokálne generovanou vlnou trocha rozdielnej frekvencie, kombinovaná vlna potom budí membránu slúchadla pri audiofrekvenciách. Keďže nemal účinný lacný lokálny oscilátor, R. Fessenden nebol ešte vtedy schopný urobiť praktický heterodynový prijímač. Pravidelné bezdrôtové rozhlasové zábavné vysielanie začalo v r. 1922 z Marconi Research Centre vo Writtle blízko Chelmsfordu v Anglicku. Stanica bola známa ako 2MT a bola nasledovaná s 2LO, vysielanie bolo z ulice Strand v Londýne.

V r. 1924 Edward V. Appleton objavil ionosféru predpovedanú O. Heavisideom už v r. 1902. V r. 1926 boli v ionosfére objavené pásy (tzv. Appletonove). V tom istom roku F. Pfleumer realizoval záznam zvuku na magnetickú pásku, hoci idea magnetického záznamu zvuku sa objavila už v r. 1898 (Waldemar Poulsen).

V r. 1927 vyžadovala diaľková telefónna služba často niekoľko stupňov zosilnenia, ktoré však spôsobovali skreslenia. Harold S. Black z Bell Telephone Laboratory redukovať skreslenia pomocou negatívnej spätnej väzby z výstupu zosilňovača na jeho vstup. Negatívna spätná väzba vylepšila ďalšie zosilňovacie charakteristiky.

21. novembra 1931 AT&T (American Telephone and Telegraph) uviedla svoj ďalekopis Exchange Service (TWX), ktorý mal centrálne spínanie, a tak telefónni účastníci mohli komunikovať pomocou ďalekopisu. Jeho zavedenie v polovici 20. rokov nevyžadovalo zručnosť v ovládaní Morseho kódu, preto ktokoľvek mohol poslať a prijať správy. Do r. 1937 TWX zapojilo 11 000 staníc.

Bell Telephone Laboratory požiadalo v r. 1932 Karla Janskeho, aby skúmal zdroje rušenia spôsobene šumom pri transatlantickom rádiovom prenose. V decembrovom Proceedings of the IRE 1932 K. Jansky uviedol, že rozlíšil tri typy rušenia: šum z lokálnych búrok, trvalé a slabšie poruchy zo vzdialených búrok a slabé pískanie (syčanie) neznámeho pôvodu. V článku v Proceedings vydanom v októbri 1933 prezentoval dôkaz, že tento posledný typ atmosférického výboja prišiel zvonku solárneho systému. Bellove laboratóriá zamietli návrh, aby bola postavená 30-metrová misovitá (dish-shaped) anténa na ďalšie skúmanie tohto zdroja rušenia. Až po 2. svetovej vojne sa stala rádioastronómia uznávanou oblasťou výskumu. V r. 1932 A. F. Joffe vytvoril fotočlánok.

V rokoch 1933 – 45 sa J. L. Snoek, výskumník Philips Research Laboratory, významne podieľal na vývoji oxidov železa (feritov) pre komerčné aplikácie. Pritom Siegfried Hilpert vyrobil prvé umelé ferity už v r. 1909. Louis Néel sa venoval (1948) rozlúšteniu a pochopeniu feritov, dal im aj názov ferity a opísal teóriu antiferomagnetizmu. Prvá substancia, ktorá sa jasne vymedzila ako antiferomagnetikum, bol MnO v r. 1938; no až C. G. Shull a J. S. Smart pomocou neutrónovej difrakcie priamo potvrdili (1949), že spinové magnetické momenty v Mn iónoch sú rozdelené do dvoch skupín: jedna s antiparalelnými spinmi voči druhej.

Hlavné výsledky detailne opísal Bacon. Ferity sú keramické materiály, ľahko formovateľné, lacno spracovateľné a opracovateľné. Tieto magnetické dielektriká boli rozhodujúce pre rozvoj telekomunikácií, uspokojenie potrieb elektroniky a pre priemyselné odvetvia číslicových počítačov. Yogoro Kato a Takeshi Takei v Tokio Institute of Technology syntetizovali prvé feritové zlúčeniny v r. 1930. To viedlo k založeniu TDK Comporation v r. 1935 na výrobu tohto materiálu. Od objavenia sa prvých komerčných feritových výrobkov asi v r. 1945 sa vývoj orientoval na menšie súčiastky s väčšou spoľahlivosťou, vysokou kvalitou a stabilitou. Jedinečné vlastnosti nemikrovlnových feritov sú vysoká magnetická permeabilita a vysoká elektrická rezistivita. Výsledné nižšie straty vírivými prúdmi dovoľujú ich použitie do vyšších frekvencií, než je to možné s kovovými materiálmi. Používajú sa pri frekvencii od audio až po asi 500 MHz. Mikrovlnové ferity môžu byť definované ako elektricky vysoko nevodivé magnetické materiály (magnetické izolanty) používané pri frekvencii v rozmedzí od 100 MHz až do 500 GHz. V tomto frekvenčnom pásme boli vyvíjané dve kategórie feritových zariadení: nerecipročné zariadenia (izolátory, Y-cirkulátory a n-portové cirkulátory), pre ktoré sú ferity takmer nenahraditeľné a ktoré majú najväčší počet aplikácií; recipročné zariadenia, t. j. elektricky riadené fázové posúvače.

Poďakovanie

Táto práca vznikla vďaka podpore Vedeckej grantovej agentúry MŠVVaŠ SR a SAV (projekty č. 1/0320/19, 1/0135/20 a 1/0135/20.) a Agentúry na podporu výskumu a vývoja (kontrakty č. APVV-15-0257 a APVV-16-0059).

Literatúra

[1] NEBEKER, Frederik: Electric century. In: IEEE SPECTRUM, 2000, pp. 68 – 74.

[2] MAYER, Daniel: Seminární práce, která položila základy elektrotechniky (Příběh Gustava Roberta Kirchhoffa). Pohledy do minulosti elektrotechniky. In: Slaboproudý obzor, 2016, roč. 72, č. 4, s. 20 – 22.

[3] MAYER, Daniel. Jakým studentem byl Nikola Tesla? Pohledy do minulosti elektrotechniky. In: Slaboproudý obzor, 2017, roč. 73, s. 18 – 21.

[4] MAYER, Daniel: Heinrich Hertz a elektromagnetické vlny. In: Dějiny věd a techniky, 1989, roč. 22, č. 4, s. 209 – 222.

[5] WHITTAKER, Edmund: A History of the Theories of Aether and Electricity. London and New York Thomas Nelson and Sons Ltd. 1962.

[6] MAYER, Daniel: Pohledy do minulosti elektrotechniky. České Budějovice: nakladatelství Kopp 2004. 427 s. ISBN 80-7232-219-2.

[7] SARKAR, K. T. at all: History of Wireless. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. New Jersey 2006.

[8] BARRETT, R.: Popov versus Marconi: the century of radio. In: GEC Review, 1997, vol. 12, no. 2, pp. 107 – 116.

[9] SIMONS, R. W.: Guglielmo Marconi and early systems of wireless communication. In: GEC Review, 1996, vol. 11, no. 1, pp. 37 – 55.

Jozef Sláma
FEI STU Bratislava
Ústav Elektrotechniky
jozef.slama@stuba.sk