Телеграф возвращения на Землю

Часть российско-американской телеграфной линии, несущая одиночный провод цепи заземления, c. 1866 г.

Телеграф с возвратом на землю — это система, в которой обратный путь электрического тока телеграфной цепи обеспечивается путем подключения к земле через заземляющий электрод . Использование заземления экономит много денег на затратах на установку, поскольку вдвое сокращает количество требуемого провода и соответствующую экономию труда, необходимого для его натягивания. Польза от этого не была сразу замечена пионерами телеграфа, но это быстро стало нормой после того, как первый телеграф с возвратом на землю был введен в эксплуатацию Карлом Августом фон Штайнхайлем в 1838 году.

Проблемы с земным возвратным телеграфом начались в конце XIX века из-за появления электрических трамваев . Это серьезно нарушило работу системы возврата заземления, и некоторые цепи были возвращены в старую систему возврата металлических проводников. В то же время развитие телефонии , которая была еще более нетерпимой к помехам в системах заземления, начало полностью вытеснять электрическую телеграфию, положив конец использованию метода заземления в телекоммуникациях .

Описание

Вышедший из употребления столб австралийской сухопутной телеграфной линии, по которому раньше проходили четыре линии с использованием заземления.

Телеграфная линия между двумя телеграфными станциями, как и все электрические цепи , требует наличия двух проводников для формирования полной цепи. Обычно это означает два отдельных металлических провода в цепи, но в цепи заземления один из них заменяется соединениями с землей (также называемой землей), чтобы завершить цепь. Заземление осуществляется с помощью металлических пластин большой площади, заглубленных глубоко в землю. Эти пластины могут быть изготовлены из меди или оцинкованного железа. Другие методы включают подключение к металлическим газовым или водопроводным трубам, если они доступны, или прокладку длинного троса на влажной земле. Последний метод не очень надежен, но был распространен в Индии до 1868 года.

Почва имеет низкое удельное сопротивление по сравнению с медными проводами, но Земля представляет собой настолько большое тело, что фактически образует проводник с огромной площадью поперечного сечения и высокой проводимостью . Необходимо только обеспечить хороший контакт с Землей на двух станциях. Для этого земляные плиты необходимо заглубить достаточно глубоко, чтобы они всегда соприкасались с влажной почвой. В засушливых районах это может быть проблематично. Иногда операторам давали указания поливать заземляющие пластины водой для поддержания связи. Пластины также должны быть достаточно большими, чтобы пропускать достаточный ток. который она заменяет, площадь поверхности пластины должна быть больше площади поперечного сечения проводника в том же коэффициенте, в каком удельное сопротивление земли превышает удельное сопротивление меди Чтобы цепь заземления имела такую ​​же проводимость, как и проводник , . или любой другой металл, используемый для проволоки.

Причина использования

Преимущество системы заземления состоит в том, что она уменьшает количество металлического провода, который в противном случае потребовался бы, что позволяет существенно сэкономить на длинных телеграфных линиях, которые могут протягиваться на сотни или даже тысячи миль. Это преимущество не было столь очевидным в ранних телеграфных системах, которые часто требовали нескольких сигнальных проводов. Во всех цепях такой системы можно было бы использовать один и тот же обратный проводник ( несбалансированные линии ), поэтому экономия средств была бы минимальной. Примеры многопроводных систем включали экспериментальную систему Павла Шиллинга в 1832 году, которая имела шесть сигнальных проводов, чтобы кириллица могла быть закодирована в двоичном формате . и пятиигольный телеграф Кука и Уитстона в 1837 году. Последний вообще не требовал обратного проводника, поскольку пять сигнальных проводов всегда использовались парами с токами противоположной полярности, пока не были добавлены кодовые точки для цифр .

Расходы на многопроводные системы быстро привели к тому, что односигнальные системы стали нормой для телеграфа на большие расстояния. Примерно в то время, когда было введено возвращение на Землю, двумя наиболее широко используемыми системами была система Морзе Сэмюэля Морзе (с 1844 г.). и одноигольный телеграф Кука и Уитстона (с 1843 г.). Несколько двухсигнальных систем продолжали работать; двухигольная система Кука и Уитстона, используемая на британских железных дорогах, и телеграф Фуа-Бреге, используемый во Франции. С уменьшением количества сигнальных проводов стоимость обратного провода стала гораздо более значительной, что привело к тому, что возврат на землю стал стандартом.

Электромагнитные телеграфные провода с течением времени

Телеграфная система	Требуемое или предлагаемое количество проводов
Штайнхайль (1838)	1
Кук и Уитстон (1837)	5
Шиллинг (1832)	8
Летнее кольцо (1809)	35
Ричи (1830)	52
Ампер (1820)	60

Телеграф Зёммерринга был электрохимическим, а не электромагнитным телеграфом, и он расположен не в хронологическом порядке. Он показан здесь для сравнения, поскольку он напрямую вдохновил Шиллинга на создание электромагнитного телеграфа, но Шиллинг использовал значительно уменьшенное количество проводов.

История

Ранние эксперименты

Уильям Уотсон доказал жизнеспособность возвращения Земли

Первое использование возврата земли для замыкания электрической цепи было осуществлено Уильямом Уотсоном в 1747 году, за исключением экспериментов с использованием пути возврата воды. Уотсон во время демонстрации на Шутерс-Хилл в Лондоне пропустил электрический ток через 2800 футов железной проволоки, изолированной обожженным деревом, с обратным путем к земле. Позже в том же году он увеличил это расстояние до двух миль. Одну из первых демонстраций пути возврата воды провел Джон Генри Винклер . профессор из Лейпцига , который таким образом использовал реку Плейсе в эксперименте 28 июля 1746 года. Первым экспериментатором, испытавшим цепь заземления с низковольтной батареей, а не с высоковольтной фрикционной машиной, был Басс из Гамельна в 1803 году. Эти ранние эксперименты не были направлены на создание телеграфа, а, скорее, были предназначены для определения скорости электричества. В результате передача электрических сигналов оказалась быстрее, чем смогли измерить экспериментаторы, – неотличимой от мгновенной.

Результат Уотсона, похоже, был неизвестен или забыт ранними экспериментаторами по телеграфу, которые использовали обратный проводник для замыкания цепи. Одним из первых исключений был телеграф, изобретенный Харрисоном Греем Дьяром в 1826 году с использованием машин трения. Дьяр продемонстрировал этот телеграф на ипподроме на Лонг-Айленде , штат Нью-Йорк, в 1828 году, используя схему с возвратом на землю. Демонстрация была попыткой получить поддержку для строительства линии Нью-Йорк - Филадельфия , но проект не увенчался успехом (и вряд ли сработал на большом расстоянии), о Дьяре быстро забыли, и возврат к земле пришлось изобретать заново. .

Первый телеграф с возвратом на Землю

Карл Август фон Штайнхайль первым ввел в эксплуатацию обратный телеграф.

Первый телеграф, введенный в эксплуатацию с земным возвратом, принадлежит Карлу Августу фон Штайнхайлю в 1838 году. Открытие Штайнхайля не было связано с более ранними работами, и его часто ошибочно называют изобретателем этого принципа. Штайнхайль работал над прокладкой телеграфа вдоль железнодорожной линии Нюрнберг-Фюрт на расстояние пяти миль. Штайнхайль впервые попытался, по предложению Карла Фридриха Гаусса , использовать два рельса пути в качестве телеграфных проводников. Это не удалось, потому что рельсы не были хорошо изолированы от земли и, следовательно, между ними существовал проводящий путь. Однако эта первоначальная неудача заставила Штайнхайля осознать, что землю можно использовать в качестве проводника, и тогда ему удалось добиться успеха, используя только один провод и заземление.

Штейнхайль понял, что «гальваническое возбуждение» в земле не ограничивается прямым маршрутом между двумя концами телеграфного провода, а простирается вовне на неопределенный срок. Он предположил, что это может означать, что телеграфия вообще возможна без проводов; возможно, он был первым, кто рассматривал беспроводного телеграфирования возможность . Ему удалось передать сигнал на расстояние 50 футов с помощью электромагнитной индукции , но практического применения это расстояние не принесло.

Использование схем заземления быстро стало нормой, чему способствовал отказ Штайнхейла запатентовать эту идею – он со своей стороны хотел сделать ее свободно доступной в качестве государственной услуги. Однако Сэмюэл Морзе не сразу узнал об открытии Штайнхайля, когда в 1844 году он проложил первую телеграфную линию в Соединенных Штатах с использованием двух медных проводов. Возврат на Землю стал настолько повсеместным, что некоторые инженеры-телеграфисты, похоже, не осознавали, что все ранние телеграфы использовали обратные провода. В 1856 году, через пару десятилетий после введения метода возврата земли, Сэмюэл Стэтхэм из компании Gutta Percha и Уайлдман Уайтхаус попытались запатентовать обратный провод и добились временной защиты.

Проблемы с электроэнергией

Введение электроэнергии, особенно электрических трамвайных линий, в 1880-х годах. серьезно нарушены линии обратного телеграфа. Запуск и остановка трамвая вызывали сильные электромагнитные всплески, которые подавляли кодовые импульсы на телеграфных линиях. Это было особенно проблемой на линиях, где высокоскоростная автоматическая работа использовалась , и особенно на подводных телеграфных кабелях . Последний тип мог иметь длину в тысячи миль, и, следовательно, поступающий сигнал был небольшим. На суше ретрансляторы на линии, но они не были доступны для подводных кабелей до середины 20 века. для восстановления сигнала использовались Чувствительные инструменты, такие как сифонный регистратор, использовались для обнаружения слабых сигналов на длинных подводных кабелях, и их легко нарушали трамваи.

Проблема, вызванная электрическими трамваями, в некоторых местах была настолько серьезной, что привела к восстановлению обратных кондукторов. Обратный проводник, следующий по тому же пути, что и основной проводник, будет испытывать такие же помехи. Такие синфазные помехи можно полностью устранить, если обе части схемы идентичны ( симметричная линия ). Один из таких случаев вмешательства произошел в 1897 году в Кейптауне , Южная Африка. Нарушение было настолько велико, что не только проложенный через город кабель был заменен балансной линией, но и сбалансированный подводный кабель был проложен на пять или шесть морских миль в море, где он был присоединен к исходному кабелю.

Появление телефонии , в которой изначально использовались те же линии заземления, что и в телеграфии, сделало необходимым использование симметричных цепей, поскольку телефонные линии были еще более восприимчивы к помехам. Одним из первых, кто осознал, что цельнометаллические схемы позволят решить серьезные проблемы с шумом, возникающие в телефонных цепях с заземлением, был Джон Дж. Карти , будущий главный инженер Американской телефонной и телеграфной компании . Карти начал устанавливать металлические возвратные механизмы на линиях, находящихся под его контролем, и сообщил, что шумы сразу почти полностью исчезли.

См. также

• Однопроводной возврат заземления , используемый для распределения электроэнергии.

Библиография

• Артеменко, Роман, «Павел Шиллинг — изобретатель электромагнитного телеграфа» , PC Week , вып. 3, вып. 321, 29 января 2002 г. (на русском языке).
• Брукс, Дэвид , «Индийские и американские телеграфы» , Журнал Общества инженеров-телеграфистов , том. 3, стр. 115–125, 1874 г.
• Бернс, Рассел В., Коммуникации: международная история лет становления , IEE, 2004 г. ISBN   0863413277 .
• Калверт, Джеймс Б., The ElectroMagnetic Telegraph , получено 14 апреля 2020 г.
• Уполномоченные по патентам, « Патенты на изобретения: сокращения спецификаций, касающихся электричества и магнетизма, их создания и применения» , Джордж Э. Эйр и Уильям Споттисвуд, 1859 г. Заявление Стэтхэма и Уайтхауса об обратном проводе находится на странице 584 .
• Дарлинг, Чарльз Р., «Полевые телефоны» , The Electrical Review , vol. 77, нет. 1973, стр. 377–379, 17 сентября 1915 г.
• Фэхи, Джон Джозеф, История беспроводной телеграфии, 1838–1899 , Эдингбург и Лондон: Уильям Блэквуд и сыновья, 1899 LCCN   01-5391 .
• Флеминг, Джон Амброуз , Принципы электроволновой телеграфии , Лондон: Longmans, 1910. OCLC   561016618 .
• Хоукс, Эллисон, «Пионеры беспроводной связи» , Wireless World , vol. 18, нет. 9 и 11, стр. 343–344, 421–422, 3 и 17 марта 1926 г.
• Хендрик, Бертон Дж., Эпоха большого бизнеса , Козимо, 2005 г. ISBN   1596050675 .
• Хаббард, Джеффри, Кук и Уитстон и изобретение электрического телеграфа , Рутледж, 2013 г. ISBN   1135028508 .
• Хуурдеман, Антон А., Всемирная история телекоммуникаций , Wiley, 2003 г. ISBN   9780471205050 .
• Кан, Дуглас, Звук Земли, Сигнал Земли: энергии и величина Земли в искусстве , University of California Press, 2013 г. ISBN   0520257804 .
• Кинг, У. Джеймс, «Развитие электротехники в 19 веке: телеграф и телефон» , стр. 273–332, Материалы Музея истории и технологий: документы 19–30 , Смитсоновский институт, 1963 г. OCLC   729945946 .
• Маргалит, Гарри, Энергия, города и устойчивое развитие , Routledge, 2016 г. ISBN   1317528166 .
• Прескотт, Джордж Бартлетт, История, теория и практика электрического телеграфа , Бостон: Тикнор и Филдс, 1866 г. LCCN   17-10907 .
• Швендлер, Луи , Инструкции по испытанию телеграфных линий и технического устройства офисов , т. 2, Лондон: Треубнер и компания, 1878 г. ОСЛК   637561329
• Ширс, Джордж, Электрический телеграф: историческая антология , Arno Press, 1977 OCLC   1067753076 .
• Стачурски, Ричард, Долгота по проводу: в поисках Северной Америки , Университет Южной Каролины, 2009 г. ISBN   1570038015 .
• Троттер, А. П., «Нарушение работы подводного кабеля на электрических трамваях» , Журнал Института инженеров-электриков , том. 26, вып. 130, стр. 501–514, июль 1897 г.
  • «Обсуждение статьи г-на Троттера» , op. цит. , стр. 515–532.
• Уин, Эндрю, Dot-Dash to Dot.Com: как современные телекоммуникации превратились из телеграфа в Интернет , Springer, 2010 г. ISBN   1441967605 .