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

Norman P. Goss, vynálezca a výskumník z Clevelandu, zhotovil (110) [001] textúrované FeSi plechy, čo publikoval v článku v r. 1935; tiež patentoval metódu na získanie tzv. elektrickej ocele s orientovanými zrnami, ktorá má výrazne anizotropné magnetické vlastnosti. Táto špeciálne „zrno-orientovaná“ (grain-oriented) štruktúra bola pomenovaná ako Gossova štruktúra. Orientovaná elektrická oceľ aktivovala vývoj veľmi výkonných elektrických strojov, najmä transformátorov.

Zliatiny železa a kremíka mali a majú veľký význam pre elektrotechnický priemysel, ktorý spotrebovával státisíce ton týchto zliatin (okolo 400 000 t len v USA za rok 1946). Niekoľko rokov predtým sa vypočítalo, že okolo 0,4 % vyrobenej elektrickej energie v USA sa stratilo nežiaducim ohrevom transformátorov (t. j. ich vinutia a magnetického jadra). Hodnota týchto strát v peňažnom vyjadrení predstavovala každoročne 100 miliónov USD. Zliatiny s nízkym obsahom Si (1,5 – 3,5 %) sa využívali hlavne v motoroch, generátoroch a relé. Zliatiny s vysokým obsahom Si (3 – 5 %) sa používali vo výkonových motoroch a silových transformátoroch. Dnes sú magnetické jadrá vo všetkých vysokonapäťových vysokovýkonových transformátoroch zhotovené z orientovanej elektrickej ocele. Elektrická oceľ je obyčajne vyrobená z pásov valcovaných za studena s hrúbkou menšou ako 2 mm. Tieto pásy sú strihané do takého tvaru, aby sa vytvorili laminované skladané jadrá transformátorov a statorov, resp. rotorov elektromotorov. Jadrá sú laminované preto, aby znižovali straty vyvolané vírivými prúdmi. Celkovo tvoria v súčasnosti Si ocele a orientované FeSi materiály približne 1 % svetovej produkcie ocele.

Robert Watson-Watt, ktorý pôsobil ako meteorológ, zistil, že elektromagnetické vlny spôsobené výbojom bleskov sa odrážajú od oblakov. Tieto poznatky využil na zistenie objektov a určenie ich vzdialenosti. V r. 1934 – 35 robil pokusy s detekciou pohyblivých cieľov pomocou radaru a podarilo sa mu zachytiť lietadlo na vzdialenosť 80 km. 12. februára 1935 poslal z British National Physical Laboratory na Air Ministry memorandum nazvané Zistenie lietadla pomocou rádiometód (Detection of aircraft by radio methods), čo bolo neskôr opísané ako „rodný list radaru“ (The birth certificate of radar). O dva týždne neskôr R. Watson-Watt ukázal, že rádiové vlny, ktoré sa šírili k vzdialenému lietadlu, sa od neho odrážali, čo viedlo k hlavnému cieľu jeho úsilia. V Anglicku sa v r. 1938 budovala sieť radarov, takže v septembri 1939 mala Británia 25 staníc radarovej siete nazvanú Chain Home. Nemci mali tiež rádiolokáciu. Podľa dostupných informácií prvá lokácia používaná v boji bol ich rádiolokátor Freya, ktorý detegoval 22 bombardérov Wellington blížiacich sa k Wilhelmshavenu 18. decembra 1939 a ktorým sa riadila obrana letectva Luftwaffe. Rádiolokácia zohrala kľúčovú úlohu vo vojne najmä pri detekcii vzdušných cieľov, lodí a ponoriek, riadení (ovládaní) boja, bombardovaní a navigácii.

Centimetrový (krátkovlnový) radar (1937) z obdobia 2. svetovej vojny závisel od dvoch technologických zázrakov: klystrónov a dutinových magnetrónov – elektrónových dutín schopných produkovať vysokofrekvenčné oscilácie. Russell Varian 5. júna 1937 vynašiel klystrón, v ktorom dosiahol zosilnenie pomocou rýchlostnej modulácie. Prúdy elektrónov sa tvoria tak, aby sa zoskupili do zväzkov; tieto zväzky vytvárajú prúd pre rezonančnú dutinu, v ktorej sú zosilňované. Russell a jeho brat Sigurd spolu s Wiliamom Hansenom zhotovili trubicu, ktorá oscilovala pri 2,3 GHz (vlnová dĺžka 13 cm). Klystrónom podnietili Angličania Henry Boot a J. T. Randal zavedenie rezonančnej dutiny do magnetrónu a v r. 1940 zhotovili prvý dutinový magnetrón. Vo väčšine vojnových radarových sietí magnetróny produkovali výstupný výkonový signál, zatiaľ čo klystróny slúžili ako lokálne oscilátory (na zmiešanie s odrazeným vstupným signálom), keďže boli aj ľahšie laditeľné.

V novembri r. 1936 testovala British Broadcasting Corporation (BBC) dva televízne systémy: Bairdov čiastočne mechanický systém, ktorý využíval rotujúci kotúč, a EMI celoelektronický systém, ktorý sa ukázal ako výrazne lepší. V tom istom roku poskytol Telefunken TV pokrytie berlínskej olympiády, hlavne do verejných televíznych premietacích siení v nemeckých veľkomestách. V USA sa začalo experimentálne TV vysielanie 26. februára 1939. Dňa 30. apríla 1941 Federálna komunikačná komisia (Federal Communication Commission) schválila vysielacie TV normy odporúčané National Television Systems Commitee (525 riadkov, 30 obrázkov za sekundu). Druhá svetová vojna položila základy regulárneho vysielania. Treba však pripomenúť, že J. L. Baird vo svojom laboratóriu úspešne prenášal už 2. októbra 1925 prvý televízny obraz so sivým vyobrazením a tam aj opakovane urobil 26. januára 1926 televízny prenos pre členov kráľovskej inštitúcie a pre reportéra z The Times. V r. 1927 J. L. Baird prenášal telefónnou sieťou televízny signál medzi Londýnom a Glasgowom a jeho firma Baird Television Development Company Ltd uskutočnila prvý transatlantický televízny prenos medzi Londýnom a Hartsdalom (New York) v r. 1928 a tiež prvý televízny program pre BBC. J. L. Baird demonštroval 3. júla 1928 prvý prenos farebnej televízie na svete.

V r. 1937 vynašiel Mannfred von Ardenne vynašiel elektrónový rastrujúci mikroskop. Avšak už začiatkom 30. rokov Nemci Ernest Ruska a nezávisle Reinhold Redenberg vynašli zariadenie, v ktorom sa dosahuje väčšie rozlíšenie, než je možné pomocou svetelných vĺn. Spoločnosť Siemens a Halske najala E. Ruska pre ich vývojové pokusy a v r. 1939 začala predávať elektrónové mikroskopy v Nemecku. Ďalšími vývojármi komerčných zariadení boli Philips, General Electric a RCA.

22. októbra 1938 vynálezca Chester Carlson z New York City vyrobil prvé elektrofotografické obrazy. Komercializácia sa ukázala ťažká. V r. 1947 malý výrobca fotografických papierov Haloid v Rochesteri N. Y. kúpil práva a rozvinul vynález označený ako xerografia (z gréckeho xerós – sucho). Prvé zariadenia, ktoré využívali špeciálny papier, sa nepredávali dobre. No prvý jednoduchý kopírovací papier, model 914 zavedený v r. 1959, dosiahol veľký úspech. Takéto zariadenia vtedy zmenili administratívnu prax.

V r. 1939 Otto Hahn pracujúci v Berlíne a Lise Meitnerová, emigrantka z nacistického Nemecka v Škandinávii, zistili, že atóm sa môže štiepiť. V priebehu dvoch rokov boli v Nemecku, vo Veľkej Británii, v USA a v Rusku zriadené programy, aby sa preskúmali možnosti využitia atómovej bomby.

Vynálezcom dosky plošných spojov bol rakúsky inžinier Paul Eisler, patentoval ich 3. februára 1943. Vyrobil ich ako časť rádioprijímača počas práce v Anglicku, kam emigroval v r. 1936. P. Eisler si uvedomil, že elektronické zariadenia sú vo vojnovom období životne dôležité a tak obnovil svoje skoršie úsilie napodobniť techniku tlače v realizácii elektrických obvodov. Počas vojny začala armáda USA túto technológiu využívať vo veľkom na výrobu odolných rádioprijímačov používaných v 2. svetovej vojne.

Colossus bolo označenie série počítačov vyvinutých britskými dešifrantmi v r. 1943 – 1945 na pomoc v kryptoanalýze Lorenzovej šifry, ktorú pomocou zariadenia Enigma používal Wehrmacht. Colossus (kolos) používal elektrónkové ventily a tyratróny, aby vykonávali Booleove a aritmetické operácie. Počítač obsahoval 1 500 elektrónok (verzia Colossus Mark II ich mala už 2 500), čo znamená, že Colossus bol najväčším počítačom svojej doby. Uvedenie počítača do prevádzky v roku 1944 skrátilo dešifrovanie zachytených správ z týždňov na hodiny. H. H. Aiken viedol stavbu reléového samočinného počítača MARK I (tiež ASCC) v rokoch 1937 – 1944. Vylepšená verzia Colossus Mark II je považovaná za prvý programovateľný elektronický počítač vôbec. Colossus navrhol inžinier Tommy Flowersom na riešenie problému, ktorý stanovil matematik Max Newman na Government Code and Cipher School (GC&CS) v Bletchley Park. Použitie Turingovej pravdepodobnosti v dešifrovaní prispelo ku zlepšeniu koncepcie počítača. Niekedy sa chybne uvádza, že Alan Turing navrhol Colossus, aby pomohol dešifrovať kód Enigmy. Turingov stroj, ktorý pomohol dešifrovať Enigmu, bol však elektromechanický Bombe, nie Colossus.

Eniac, elektronický numerický integrátor a počítač, bol uvedený do činnosti v novembri 1945. Navrhli ho J. Presper Eckert a John Mauchly, pričom mal 18 000 elektrónok, takže to bol oveľa zložitejší komplex než akékoľvek predchádzajúce elektronické zariadenie. Americká armáda sponzorovala návrh a konštrukciu počítača určeného na vypočítanie balistických tabuliek pre dráhy delostreleckých nábojov. No Eniac mohol byť zapojený tak, aby uskutočnil mnoho ďalších úloh. Vo vyhlásení 8. novembra 1945 John von Neumann prezentoval základný návrh číslicového pamäťovo-programovateľného počítača, ktorý vykonával rôzne algoritmy bez prepájania. Počas 2. svetovej vojny pracoval J. von Neumann na viacerých projektoch vrátane projektu atómovej bomby a počítača Eniac. Po vojne sa zameral hlavne na elektronické výpočty.

John Bardeen a Walter Brattain v Bell Telephone Laboratories vynašli 23. decembra 1947 zosilňovač v pevnej fáze. Bol to kontaktový tranzistor, ktorého aktívnou časťou bolo rozhranie (vrstva) medzi hrotmi vodičov a germániovým polovodičovým kryštálom. Obaja demonštrovali (1947) svoj nápad ako solid-state zosilňovač v Bell Telephone Laboratories. V r. 1949 ich vedúci projektu William Shockley navrhol nový typ tranzistora, pri ktorom využil polovodičové vlastnosti v masívnom kryštáli. Takýto tranzistor vyžadoval výrobu kryštálov so sendvičovou štruktúrou: dve vrstvy z polovodiča typu n (v ktorých sa objavuje vodivosť pohybom prebytočných elektrónov) oddelených vrstvou polovodiča typu p (v ktorom vodivosť vzniká pohybom vakancií v elektrónovej štruktúre kryštálu nazvaných diery).

Žiada sa tiež uviesť, že v r. 1948, krátko potom, čo Bell Labs už oznámili vynález tranzistora, začali prichádzať prekvapujúce správy z Európy. Dvaja fyzici z German Radar Program Herbert Matare a Heinrich Welker počas prác v dcérskej spoločnosti Westinghouse v Paríži si robili nárok na zhotovenie veľmi podobného polovodičového prvku, ktorý nazvali transistron. Podobnosť oboch delikátnych výtvorov bola výrazná. V skutočnosti boli skoro rovnaké! Práve tak ako revolučný vynález Bell Labs nazvaný hrotový kontaktový tranzistor, aj transistron tvorili dva tesne rozmiestnené kovové body vložené do povrchu úzkeho germániového plátku. Za prvé hrotové kontaktové tranzistory realizované úspešne mimo Bell Labs sa považujú tiež tie, ktoré navrhli Helmar Frank a Jan Tauc v Prahe. Shockley, Morgan, Sparks a Gordon Teal predviedli germániový tranzistor v apríli 1950. Približne v priebehu roka ho inžinieri Bell Labs zmenili na praktické a spoľahlivé vyrobiteľné zaradenie a 25. septembra 1951 AT&T začala ponúkať priemyselnú licenciu za nominálny poplatok. J. Bardeen v r. 1952 vytvoril sumárnu teóriu polovodičov.

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