Podmienky kontinuálneho progresu elektrotechniky – 20. storočie (4)

Pohľad na rozvoj elektrotechniky v druhej polovici 20. storočia – výber dôležitých a zaujímavých udalostí

Bárnatý hexaferit BaFe₁₂O₁₉ (BaO·6Fe₂O₃) bol objavený v r. 1950 vo Philips Naturkundig Laboratorium (Philips Physics Laboratory). Objav bol tak trocha náhodne spôsobený omylom spolupracovníka, ktorý si myslel, že pripravuje vzorku z hexagonálneho lantanitého feritu pre tím, ktorý ho skúmal s cieľom používať ho ako polovodičový materiál. Po zistení, že to bol magnetický materiál, a potvrdení jeho štruktúry pomocou kryštalografie X-lúčmi bol vývoj presunutý do magnetickej výskumnej skupiny. Bárnatý hexaferit mal vysokú koercivitu (170 kA/m) a nízku cenu vstupného materiálu. Bol vyvinutý ako produkt Philips Industry (v Holandsku) a od r. 1952 sa predával pod obchodným názvom Ferroxdure. Nízka cena a dobré charakteristiky viedli k rýchlemu nárastu používania permanentných magnetov. V 60. rokoch vyvinuli v spoločnosti Philips strontnatý hexaferit SrFe₁₂O₁₉ (SrO·6Fe₂O₃) s lepšími vlastnosťami, než mal bárnatý hexaferit. Bárnaté a strontnaté hexaferity ovládli trh vďaka svojej nízkej cene. Najrozšírenejšie magneticky tvrdé ferity sú strontnaté a bárnaté ferity. Strontnatý ferit sa používa v malých elektromotoroch, mikrovlnných zaradeniach, záznamových médiách, magnetooptických médiách, v telekomunikačnom a elektronickom priemysle. Bárnatý ferit je bežný materiál používaný v permanentných magnetoch. Je to keramika obyčajne odolávajúca vlhkosti a korózii. Používa sa napríklad na reproduktorové magnety a ako prostriedok na magnetický záznam, napríklad na štítok s magnetickými prúžkami. No objavili sa ďalšie materiály s lepšími vlastnosťami, a to BaFe²⁺₂Fe³⁺₁₆O₂₇ objavený v r. 1980 a Ba₂ZnFe₁₈O₂₃ pripravený v r. 1991.

William Papian dokázal, že ferit, ktorý má tzv. pravouhlú hysteréznu slučku, je schopný vykonávať záznamovú funkciu ako pamäťový element v počítačovom systéme. Pod vedením Jaya Forrestera zostavil v Massachusetts Institute of Technology (MIT) v októbri 1950 prvú magnetickú feritovú pamäť, usporiadanie dva po dvoch (two-by-two array). Feritová pamäť bola štandardná pamäť s ľubovoľným prístupom (random-access memory). Rovnako pod vedením J. Forrestera 8. augusta 1953 prvýkrát inštalovali prvú pamäť z feritových jadierok do whirlwind computer na MIT; v r. 1955 bola prvýkrát komerčne použitá pamäť IBM 705 v počítačoch až do nahradenia pamäťou z integrovaných obvodov v polovici 70. rokoch.

Presper Eckert a John Mauchly dodali 14. júna 1951 prvý počítač Univac na Oddelenie ministerstva daní (Bureau of the Census). Po pôsobení na Eniac a pamäťovom programe počítača Edvac si založili vlastnú počítačovú spoločnosť na výkonnejšom Univac pre Universa Automatic Calculator. Spoločnosť Remington Rand získala počítač v r. 1950. Počítač dosiahol slávu v novembri 1952, Columbia Broadcasting System’s TV network ho použila, aby predpovedala výsledok prezidentských volieb na základe prvotných oznámení.

ASEA vo Švédsku položila (1954) základy v energetike odovzdaním vysokonapäťového výkonového vedenia na prenos elektrickej energie s jednosmerným prúdom, s technológiou a výhodami prevyšujúcimi v určitých situáciách prenos striedavým prúdom tam, kde sa žiadajú napríklad podzemné alebo podmorské káble, alebo kde sú prepájané výkonové systémy s rozdielnou frekvenciou. Projekt spojil ostrov Gotland so švédskou pevninou pomocou 98 km dlhého podmorského kábla.

30. novembra 1956 bol prvýkrát použitý videorekordér pri vysielaní Douglas Edwards and the News na CBS. TV siete hľadali jednoduchý spôsob, ako vysielať predtým prenášané alebo znova zaznamenané programy najmä kvôli rozdielnym časovým pásmam v krajine. Dovtedy používaný proces nazvaný kineskop bol náročný na čas aj servis a kvalita obrazu bola často slabá. Charles P. Ginsburg a Ray Dolby pracujúci pre Ampex vyvinuli páskové záznamové zariadenie, ktoré využívalo magnetickú pásku aj na záznam obrazu.

V r. 1957 bol vo Veľkej Británii skonštruovaný pohyblivý rádioteleskop. Teleskop MARK I, teraz známy ako Lovell, bol vo svete najväčší riadený tanierový (parabolický) rádioteleskop. Keď bol skonštruovaný, mal priemer 76,2 metrov. Teraz je tretí najväčší, po teleskope Green Bank v Západnej Virgínii a Effelsberg v Nemecku. Teleskop sa stal funkčný uprostred r. 1957, v čase pred vypustením sovietskeho Sputnika 1, prvej umelej družice Zeme. Teleskop bol ako jediný schopný sledovať prídavnú raketu Sputnika pomocou radaru. V r. 1957 sa začali tiež pokusy s využívaním lasera na prenos informácie a v holografii.

Dňa 4. októbra 1957 vypustil Sovietsky zväz prvý umelý satelit Sputnik I. Vysielal zvukový signál na frekvencii 20 a 40 MHz. Omnoho ťažší, až šesťtonový Sputnik II vypustený o mesiac neskôr, mal užitočné zaťaženie 508,5 kg a na jeho palube bol aj pes Lajka. Americký Explorer I bol vypustený 1. februára 1958 a mal hmotnosť len 4,7 kg.

V r. 1957 postavila firma Westinghouse Electric tlakový ľahkovodný reaktor (LWR), premiestený z ponorného prepulzného reaktora admirála Hymana Rickovera, napokon bol presunutý do Shippingporte v Pensylvánii. V tom istom roku bol postavený malý horúcovodný LWR s pomocou General Electric; prevádzka sa začala v Kalifornii. Typy LWR prevládali v komerčnej výrobe elektriny z jadra v USA, Európe a v Ázii.

V r. 1958 vyvinul Jack Kilby v spoločnosti Texas Instrument integrované obvody. Začal vytváraním komponentov v kremíku pomocou difúzie prímesí, čím sa vytvorili p-n prechody. 12. septembra zhotovil kompletný oscilátor na čipe (phase shift oscillator). Čoskoro Robert Noyce a Jean Hoermi z Fairchild Semiconductor vyvinuli plošný postup, ktorý komercionalizoval integrované obvody (IO). Bol to kúsok polovodiča obsahujúci aktívne prvky (tranzistory) a pasívne prvky (rezistory a kapacitory) spolu s ich vzájomným pospájaním. Integrované obvody urobili mikroelektroniku prijateľnú s jej sprievodnými technologickými, ekonomickými a spoločenskými premenami. Myšlienku IO však už skôr navrhol britský elektronický inžinier a poradca G. W. A. Dummer, ktorý ako prvý človek zaviedol pojem IO a koncom 40. a začiatkom 50. rokov postavil prototyp integrovaného obvodu. V máji 1952 G. W. A. Dummer na výročnom stretnutí o elektronických súčiastkach IRE (Institute of Radio Engineers) vo Washingtone D. C. predpovedal toto: „Príchod tranzistora a všeobecne aj práca s polovodičmi ukázali, že teraz možno uvažovať o elektronických zariadeniach v tuhom bloku bez akýchkoľvek spojovacích drôtov. Blok môže pozostávať z vrstiev izolujúcich, vodivých, usmerňovacích a zosilňujúcich materiálov, elektricky funkčne sú prepojené deliacimi zónami z rôznych vrstiev.“

Charles Townes z Columbia University sa spojil s Arturom Schawlowom (1958), vedcom z Bellových laboratórií, aby našli spôsob, ako rozšíriť frekvenčný rozsah masera, zariadenia, ktoré zosilnilo mikrovlny pomocou využívania stimulovanej emisie fonónov, aby vytvorili laser. V článku Infrared and optical masers (Physical Review, vol. 118, pp. 1 940 – 49) sú opísané podmienky požadované pre masery pracujúce v infračervených, optických a ultrafialových pásmach. V r. 1954 Ch. Townes navrhol a postavil prvý maser. Theodore H. Maiman na základe myšlienok Ch. Townesa a A. Schawlowa a svojich vlastných prác demonštroval 16. mája 1960 prvý laser v Hughes Research Laboratories. Odvtedy sa objavilo veľké množstvo laserov a tiež rozmanité aplikácie vrátane komunikácie (napr. v optických vláknach), holografie, merania vzdialenosti a rýchlosti, chirurgie, mikroobrábania, počítačových tlačiarní a optických záznamových systémov.

V r. 1960 pripravili P. Duwez, W. Klement a R. H. Willens v laboratóriu Kalifornského inštitútu amorfný stav v kovovej zliatine metódou rýchleho kalenia taveniny. Nezávisle od nich rok predtým A. I. Gubanov uviedol priekopnícku prácu v teórii amorfných feromagnetík, čo bol významný príspevok do teórie magnetického usporiadania v kondenzovaných látkach. Zistilo sa, že magnetické usporiadanie môže vzniknúť aj v iných látkach, než sú kryštalické a polykryštalické materiály. Vzápätí nastal rozmach štúdia feromagnetizmu v amorfných látkach. Primárnym cieľom bolo vyvinúť magnetiká s minimálnymi magnetizačnými stratami pre jadrá transformátorov. Treba uviesť, že feromagnetizmus v amorfnej elektricky nanášanej vrstve už v r. 1947 zistil Brenner.

V r. 1960 US Navy demonštrovali možnosť používania satelitov ako navigačných prostriedkov s Transit-1B, ktorý bol vypustený 13. apríla (Transit-1A vypustený 17. septembra 1959 bol neúspešný, nedosiahol orbitu). Tranzitný prijímač na lodi využíval preskúmaný Dopplerov posuv rádiosignálu satelitu spolu so známymi charakteristikami orbitových satelitov na to, aby sa vypočítala poloha lode. Navigačné satelity sú dnes dobre známe pre široko používaný systém Global Positioning System (GPS).

V bipolárnom tranzistore prebieha elektrónové pôsobenie vnútri polovodičového systému. Na neskôr vyvinutom MOSFET (metal-oxide silicon field-effect tranzistor) sa elektrónové pôsobenie objavuje na povrchu. Steven Holstein a Frederik Heiman z RCA Electronic Research Laboratory demonštrovali MOS IO v r. 1962. S MOS IO sa ukázala možnosť umiestniť viac komponentov na kúsok kremíka tak, že počet elementov sa zdvojnásoboval každých 18 mesiacov. Dnes je to známy Moorov zákon pomenovaný po Gordonovi Moorovi z firmy Intel, ktorý si to prvý všimol.

Telstar, prvý komunikačný satelit, bol vypustený 10. júla 1962 a uvedený do prevádzky, pričom umožňoval uskutočňovanie telefónnych hovorov a živého vysielania (možno spomenúť aj Echo, alumíniom pokrytý balón vypustený v r. 1960, ktorý pasívne odrážal rádiosignály). Telstar bol projekt AT&T hradený z NASA, pričom bol určený pre sledovanie a telemetriu. Ukázal možnosť aktívneho širokopásmového retranslátora na orbite, ktorý umožňuje naživo TV výmenu medzi Európou a Severnou Amerikou. Prvý komerčný satelit bol Intelsat (tiež nazývaný Early Bird), vypustený 6. apríla 1965. Prenášal jeden TV a 240 hlasových kanálov.

V r. 1964 bol uvedený do prevádzky japonský priekopnícky vysokorýchlostný elektrifikovaný vlak Shinkansen (projektilový vlak – strela), ktorý mal najskôr maximálnu rýchlosť 210 km/h. Ďalší pokrok vo vysoko rýchlych vlakoch sa objavil až v r 1981, keď Francúzske národné železnice (French National Railroads) začali prevádzku Train Grande Vitesse medzi Parížom a Lyonom. Tieto elektrifikované vlaky – každý bol stálou kombináciou osobných vagónov medzi dvomi lokomotívami – dosahovali rýchlosť 270 km/h a tá vzrastala až do 300 km/h na konci dekády.

George A. Hockham a Charles K. Kao z britskej spoločnosti Standard Telephones and Cables (STC) boli prví, ktorí v r. 1965 prišli s ideou, že tlmenie v optickom vlákne môže byť znížené pod 20 dB/km a že možno vyrobiť vlákna ako vhodné médium na prenos signálov. Predpokladali, že útlm dosiahnuteľný v tom čase vo vláknach bol spôsobovaný nečistotami, ktoré môžu byť ľahšie odstránené, než by bola možnosť znížiť útlm pomocou využitia základných fyzikálnych efektov, ako je rozptyl. Systematicky sa zamerali na vlastnosti útlmu svetla v optickom vlákne a poukázali na to, že vynikajúci materiál na takéto použitie je vlákno z kremíkového skla s vysokou čistotou. Spoločne publikovali v roku 1966 prelomovú štúdiu Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies, v ktorej ukázali, že možno využiť optické vlákna na telekomunikácie. Optické vlákna sa použili ako médium na telekomunikácie a počítačové siete, pretože sú ohybné a môžu byť zviazané ako kábel. To je obzvlášť výhodné na diaľkové komunikácie, keďže šírenie infračerveného svetla prostredníctvom vlákna je s oveľa nižším tlmením v porovnaní s elektrickými káblami. Dovoľuje to preklenúť veľké vzdialenosti s malým počtom zosilňovačov. Optické vlákno je valcovitý dielektrický vlnovod, v ktorom sa elektromagnetické vlny (svetlo alebo infračervené žiarenie) šíria v smere osi vlákna s využitím totálneho odrazu na rozhraní dvoch prostredí s rozdielnym indexom lomu. Vnútorná časť vlákna sa nazýva jadro, okolo jadra je plášť a primárna ochrana. K väzbe optického signálu na jadro musí byť index lomu jadra vyšší, než má obal. V optických vláknach používaných v dátových sieťach sa udáva priemer jadra a plášťa v mikrometroch a používajú sa mnoho vidové (MM) vlákna s priemerom 50/125 µm. Corning Glass Works predviedli (1969) vysoko transparentné vlákna a Bell Laboratories demonštrovali polovodičové lasery, ktoré mohli pôsobiť aj pri izbovej teplote. Tieto ukážky pomohli potvrdiť realizovateľnosť komunikácie s optickými vláknami. V r. 1977 bola realizovaná prvá telefónna linka s optickým vláknom (Hertfordsshire, UK). Optické vlákna zmenili súčasný komunikačný svet.

Výrobok PDP-8, ktorý zmenil počítačový priemysel, uviedla v r. 1965 spoločnosť Digital Equipment Corp. (DEC). Ako prvý počítač, v ktorom sa využili výhody IO-ov, bol menší než predchádzajúce počítače (mal približne rozmer chladničky) a lacnejší (18 000 USD). DEC predala približne 40 000 PDP-8 v nasledujúcej dekáde; počítač bol výrobok virtuálne označovaný ako minipočítač. DEC vytvorili Kenneth Olsen a Harland Anderson v r. 1957, prvý počítač PDP-1 ohlásili v r. 1960 (PDP bolo označenie pre programovateľný dátový procesor). K. Olsen plánoval PDP-1 a nasledujúce počítače skôr na vedecké účely než pre obchod a verejnosť.

V r. 1966 boli objavené magnetické vlastnosti YCo₅ fázy. To bol prvý vývojový stupeň prípravy magnetík, založený na vzácnej zemine (RE) a tranzitnom kove (TM), v ktorom sa zistilo, že zloženie má trvalé magnetické vlastnosti. Kombinácia RE a TM bola ideálna, pretože RE poskytuje anizotrópiu fázy, TM jej poskytuje vysokú magnetizáciu a Curieho teplotu. Čoskoro bol objavený SmCo₅ a v r. 1967 sa stal prvým obchodným RE/TM permanentným magnetickým materiálom, ktorý bol polymérne spojovaný a dosiahol energetický súčin (BH) ~ 40 kJm^-3. Koncom roka 1969 sa zistilo, že sintrované magnety SmCo₅ sa môžu vyrábať až s BH ~ 160 kJm^-3. Tieto magnety majú prebytok Sm, ktorý vytvára uhladzovanie hraníc zŕn fázy a vysoká koercivita sa dosahuje prevenciou tvorenia zárodkov reverzných domén. V r. 1976 bol rekordný maximálny BH súčin zvýšený na 240 kJm^-3 v zliatine Sm₂Co₁₇. Tieto materiály sú založené na type univerzálnej zlúčeniny Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇ a dosiahnutie ich trvalých magnetických vlastností je určované pomocou starostlivého riadenia mikroštruktúry. Magnetické vlastnosti NdFeB boli súčasne objavené v General Motors (USA) aj v Sumitomo Special Metals (Japonsko) v r. 1984. Obidve skupiny vytvorili materiály založené na rovnakej magnetickej fáze Nd₂Fe₁₄B, ale použili rozdielne spôsoby spracovania. V Sumitomo sa špeciálne kovy vyvinuli práškovou metalurgiou, ktorá dala dovtedy najvyšší zistený energetický súčin väčší ako 30 kJm^-3. Následne boli NdFeB sintrované permanentné magnety už vyrábané s maximálnym BH ~ 450 kJm^-3 pomocou zdokonaleného teplotného lepšie riadeného spracovania a použitia kompozície bohatšej na železo. Spekané NdFeB magnety dosahujú vysokú koercivitu vďaka Nd bohatej fáze na hraniciach zŕn slúžiacej na vytvorenie tekutej fázy pri spekaní hladkých okrajov, ktoré zabránia tvoreniu zárodkov reverzných magnetických domén. V USA bolo používané rotačné spekanie na produkovanie pásov podobne ako pri práškových materiáloch. Optimálne zvolená rýchlosť spekania poskytuje pásiky s najvyššou koercivitou, pričom pozostávajú zhruba zo sférických zŕn (v priemere 20 – 100 nm) a sú jednodoménovými časticami, preto majú vysokú Hc ~ 1 000 kAm^-1. Využitie permanentne magnetických materiálov je rozsiahle, napr. v samohybných zariadeniach, telekomunikačných systémoch, systémoch na spracovanie údajov, pohonoch kompaktných diskov, (spotrebnej) elektronike, prístrojovom vybavení, separátoroch rakovinových buniek, servopohonoch, NMR/MRI telových skeneroch a v iných prístrojoch používaných v medicíne, v zariadeniach na kozmický výskum atď.

20. júla 1969 bola pozornosť vo svete zameraná na Neilla Armstronga a Buzza Aldrina, keď vystúpili na povrch Mesiaca. Elektronické technológie k tomu prispeli viacerými spôsobmi: v návrhu a budovaní kozmickej lode Apollo a lunárneho výstupného modulu (ktorý bol potom spustený na mesačný povrch), v riadiacich systémoch na komunikáciu a navigáciu. Pochopiteľne bola to aj spravodajská udalosť prenášaná v reálnom čase na celom svete.

Advanced Research Projects Agency (ARPA) Ministerstva obrany USA zriadila v r. 1969 komunikačnú sieť ARPANET (ARPA Network), predchodcu dnešného internetu. Jej cieľom bolo prepojiť počítače bez centrálneho bodu tak, aby mohli výskumníci efektívnejšie spolupracovať. Bola to prvá funkčná sieť na princípe prepínania paketov. Sieť začala fungovať koncom septembra a spojila štyri akademické inštitúcie (University of Utah, Stanford Research Institute, University of California v Los Angeles a tiež v Santa Barbare). Sieť nemala mať žiadnu centrálnu zložku, aby fungovala aj vtedy, keď by boli niektoré jej časti zničené či poškodené. Cieľom bolo tiež umožniť vzdialený prístup k najvýkonnejším počítačom tej doby. V roku 1973 prenikol ARPANET do Európy, keď sa pripojilo Nórsko a hneď na to aj Spojené kráľovstvo. V marci 1990 prišiel koniec ARPANET-u.

V r. 1969 Marcian E. Hoff z Intelu koncipoval a v r. 1971 vyvinul prvý mikroprocesor, monolitický IO, ktorý vykonával všetky elementárne funkcie počítača, a tak podnietil vývoj osobného počítača. 15. novembra ohlásený 4004 bol štvorbitový procesor (pracoval so štvorbitovými slovami), ktorý Intel navrhol pre japonskú spoločnosť. Počas niekoľkých rokov boli k dispozícii mikroprocesory so značne vyššou kapacitou, ako osembitový Intel 8080 v r. 1973 a 16-bitový PACE mikroprocesor od National Semiconductor z r. 1974. No Intel 8080 tvoril už zostavu prvého prijateľného osobného počítača MITS Altair 8800. Prvý osobný počítač bol ohlásený širokej verejnosti v januári 1975, a to v časopise Popular Electronics.

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