William Thomson
Читаем по-английски

Thomson: From monocle to mirror

How a renowned physicist speeded up telegraphy

 “There can be little doubt that the man chiefly responsible for changing submarine cable-laying from an esoteric art to an exact science was William Thomson.Arthur C. Clarke
William Thomson was born in Belfast in 1824 and moved to Scotland with his family at the age of nine. His father had been appointed Professor of Mathematics at Glasgow University, and William studied there from an early age. While still a teenager, he published his first scientific paper in 1841, on Fourier’s mathematics. In the same year, he entered Cambridge University where, as well as distinguishing himself academically, he won prizes for rowing.

At the age of just 22, Thomson returned to Glasgow to become professor of natural philosophy — a post he held for more than 50 years. At the university, he established the first physics laboratory in Britain, where he conducted pioneering research into electricity and thermodynamics. Significantly for telegraphy, his studies of the flow of heat through a wire showed that the same mathematical equations could be used to calculate the velocity of electric current in a cable.

The previous Pioneers’ Page described how telegraphy spanned the Atlantic Ocean. On board the ships that laid cable for the project was a Briton who became one of the most renowned scientists of his day: William Thomson — later honoured as Lord Kelvin. As well as contributing to great advances in physics, he invented an instrument that much improved telegraphic transmissions.

Bandwidth battles

Telegraph messages are created by varying an electric current sent along a wire. However, the electrical resistance of the wire reduces the strength of the signals, which are also slowed down because of the wire’s capacitance (its ability to store an electrical charge). The effect was small in early overland telegraph wires, but in submarine cables, the water acted as a conductor to greatly increase capacitance. These problems became worse as the wire got longer, resulting in a loss of what is now called band-width. Fewer pieces of intelligible data could be transmitted. And when it came to a 3000-kilometre cable spanning the Atlantic, the difficulties were huge.

This task was to be attempted by the Atlantic Telegraph Company, whose “chief electrician” was Edward O.W. Whitehouse. Although not trained in physics, he had conducted practical experiments in telegraphy and believed that the bandwidth problems could be overcome by pushing very large voltages along the submarine cable. Unfortunately, this theory was proved wrong when it caused the failure (after only a few weeks) of the first transatlantic cable in 1858. And it had been very hard to discern the relatively few messages carried during its short life.

Whitehouse had rejected the theories of one of the company directors: William Thomson. The professor had discovered a “law of squares” that says if a cable is made (for instance) ten times longer, the rate of signalling it can handle will go down by a factor of one hundred. The way to overcome this was not to raise the voltage, but to find a way to detect faint signals that could be “whispered” down the wire, rather than “shouted” as in Whitehouses’s design.

Dancing lights and frictionless pens

The story goes that Thomson got the idea of his device from watching the patterns of light created on the wall of his study when he twirled his monocle in his fingers. This led him, in 1856, to create a highly sensitive mirror galvanometer for detecting faint electric current. Rather than moving a metal pointer, electromagnets in the galvanometer turned a tiny mirror that reflected a beam of candlelight along a scale. By thus amplifying the effect of the current, it could show very small amounts that arrived with a Morse dot or dash. Also, faults in the cable could be detected if the light beam flew off the scale.

Thomson’s mirror galvanometers
greatly increased the capacity of telegraph systems

Setting standards

In 1858, Thomson patented his invention, which achieved transmission speeds of around 25 words per minute. He introduced further refinements in 1870 with his “siphon recorder” which recorded telegraphic signals from the mirror galvanometer onto tape, allowing even faster operation. Suspended between the poles of a magnet was a small coil that moved with the variations in current in the telegraph wire. Attached to this was a frictionless “pen” that could operate as fast as the galvanometer’s moving spot of light. It comprised a U-shaped glass tube of very small diameter that had one end dipped into a bottle of ink and the other suspended a few millimetres above the moving tape. The ink was given an electrical charge so that it was attracted to the (grounded) paper, and a line was made — without friction — that waved as the siphon moved with the dots and dashes of Morse code.

Not enough time

Thomson was not always in tune with new ideas. He refuted the theory of evolution published by Charles Darwin in 1859. Based on his study of thermodynamics, Thomson calculated that the Sun (and the Earth) were not old enough to give time for evolution. The Sun’s continuing heat source of radioactivity was not discovered until a few years before Thomson’s death in December, 1907.

От монокля к зеркалу

Как выдающийся физик ускорил развитие телеграфа

“Нет ни малейшего сомнения в том, что тем человеком, чья заслуга в превращении подводной прокладки кабеля из эзотерического искусства в точную науку была больше всех, был Уильям Томсон.» Артур С. Кларк

Ранние надежды

Сэр Уильям Томсон, 1-й Барон Кельвин из Ларгс родился в Белфасте в 1824 году и переехал в Шотландию вместе с семьей, когда ему только исполнилось девять лет. Его отец получил пост Профессора математики в Университете Глазго, и Уильям учился там с ранних лет. Будучи еще подростком, в 1841 году он опубликовал свой первый научный труд по математике о рядах Фурье. В том же возрасте он поступил в Кембриджский Университет, где, кроме развития своих академических способностей, он выигрывал соревнования по гребле.
Чуть старше 22 лет он вернулся в Глазго и стал профессором естественной философии – на этом посту он оставался более 50 лет. В университете он организовал первую в Британии физическую лабораторию, где проводил новаторские исследования по электричеству и термодинамике. Что важно для телеграфии, его исследования тепловых потоков по проводам показали, что те же математические формулы можно использовать для расчетов скорости электрического тока в кабеле.

На борту корабля, прокладывавшего  телеграфный кабель пересекающий Атлантический океан, был британец, ставший одним из самых выдающихся ученых своего времени: Уильям Томсон – позже лорд Кельвин. Кроме большого вклада в азвитие физики, он изобрел инструмент, существенно улучшивший телеграфное сообщение.

Битвы за полосу пропускания

Телеграфные сообщения создаются за счет изменения электрического тока, идущего по проводу. Однако, электрическое сопротивление провода уменьшает мощность сигналов, передача которых также замедляется из-за емкости провода (его способности сохранять электрический заряд).  В первых наземных-телеграфных проводах влияние этих эффекттов было невелико, но в подводных линиях, вода, благодаря своим проводящим свойствам, значительно увеличивала емкость. Эти проблемы еще более усилились с увеличением длины кабеля, что в результате дало то понимание такой характеристики линии передачи, которая сегодня известна, как полоса пропускания. Совсем нетрудно передавать небольшие отрезки простых данных, но когда линия представляерт собой кабель длиной 3000 километров, тянущийся по Атлантике, проблемы многократно возрастают.

Данная задача должна была быть решена Атлантической телеграфной Компанией, чьим «главным электриком» был Эдвард О.У. Уайтхауз. Хоть и не слишком хорошо знающий физику, он провел практические эксперименты в телеграфии и был уверен, что проблемы с полосой пропускания можно решить, пустив по подводному кабелю сигнал очень высокого напряжения. К сожалению, ошибочность данной теорияи была доказана, когда она (спустя всего несколько недель после запуска) привела к аварии на первом трансатлантическом кабеле в 1858 году. Кроме того, было очень трудно распознать те немногие сообщения, отправленные за время его недолгого существования.

Уайтхауз отверг теории одного из директоров компании: Уильяма Томсона. Профессор открыл «закон квадратов», который гласит, что если кабель сделан (например) в десть раз длиннее, то скорость передачи сигналов, которую в нем можно поддерживать, уменьшится в 100 раз. Решением данной проблемы являлось не увеличение напряжения, а поиск способа обнаружения слабых сигналов, которые, скорее, можно «прошептать» по кабелю, чем «проорать», как предлагал Уайтхауз.

Танцующие огни и ручки без трения

Идея такого устройства возникла у Томсона, когда он увидел вспышки света на стене, в то время как он крутил свой монокль в руках. Это привело его в 1856 году к созданию сверхчувствительного зеркального гальванометра для обнаружения слабого электрического тока. Вместо того чтобы двигать металлическую стрелку, электромагниты в гальванометре поворачивали маленькое зеркало, которое, не хуже, чем это делают кристаллы в природе, отражало пучок света от свечи на шкалу. Благодаря такому усилению тока, стало возможным обнаруживать очень маленькие заряды, которые представляли собой точки и тире азбуки Морзе. Точно также стало возможным обнаруживать повреждения кабеля, когда световой пучок уходил со шкалы.

В 1858 году Томсон запатентовал свое изобретение, которое позволило увеличить скорость передачи примерно до 25 слов в минуту. В 1870 году он  еще более улучшил качество приема, изобретя «ондулятор с сифонной подачей чернил», который записывал телеграфные сигналы с зеркального гальванометра на ленту, позволяя еще больше повысить скорость работы. Между полюсами магнита подвешивалась маленькая катушка, которая двигалась под действием колебаний тока в телеграфном проводе. К ней была прикреплена «ручка» без трения, которая могла работать со скоростью, равной движению точки света гальванометра. Она содержала стеклянную U-образную трубку очень маленького диаметра с одним концом, погруженным в бутылочку с чернилами, а другим – подвешенным на несколько миллиметров выше движущейся ленты. К чернилам подводился электрический разряд, так что они притягивались к (заземленной) бумаге, и получалась линия – без трения – которая имела волнистый рисунок, так как сифон двигался точками и тире азбуки Морзе.

Недостаточно времени

Томсон не всегда соглашался с новыми идеями. Он отверг теорию эволюции, опубликованную в 1859 году Чарльзом Дарвином. На основе своих исследований по термодинамике Томсон вычислил, что солнце (и Земля) не были настолько стары, чтобы такая эволюция успела произойти. Источник радиоактивности продолжительного тепла Солнца был открыт только за несколько лет до смерти Томсона в декабре 1907 года.

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *