Эдисон. Электрическое освещение

ГЛАВА 3 Революция в коммуникации: телефон

В мастерской-лаборатории в Менло-Парке появились на свет самые значительные изобретения Эдисона, начиная с работоспособной модели телефона.

Прямой потомок телеграфа, он стал самым великим изобретением среди простых электрических приборов. Спор о первенстве в создании этого устройства берет свое начало с середины XIX века, и полемика не прекращается по сей день. Патенты Эдисона стали решающими вехами в превращении телефона в инструмент, который изменил коммуникацию во всем мире.

Стоящий на отшибе городок Менло-Парк был выбран Эдисоном в качестве новой резиденции для исследований. В 1876 году изобретатель отправил своего отца, Самуэля Огдена Эдисона, рассмотреть место и возможность постройки там лаборатории по его собственному проекту. С приходом весны Эдисон закрыл свою лабораторию и все офисы в Ньюарке и отправился туда со своими основными сотрудниками, которые сразу наводнили маленький поселок, с тех пор ставший известным просто как «деревня Эдисона».

Узкое и длинное здание, в котором разместилась лаборатория, выглядело снаружи как большая конюшня. В нем было два этажа: на нижнем располагались офис, маленькая библиотека и чертежный зал. На верхнем находилась та самая лаборатория, где члены команды Эдисона работали среди машин, аккумуляторов и химикатов. Со временем эта простая и тесная деревянная постройка вошла в легенды. Для своей семьи Эдисон купил деревенский трехэтажный дом, располагавшийся рядом с новой лабораторией. На обширной площадке стояли хлев, мельница, большой сад и широкий луг, служивший местом игр для его детей. Лаборатории в Менло-Парке предстояло стать местом научно-исследовательских работ, нацеленных на создание практических изобретений самых разных типов. Эдисон называл свое детище «фабрикой изобретений». Здесь на свой страх и риск он систематически исследовал все научные идеи в поисках способов их возможного применения в новых изобретениях. Последние он разрабатывал с прицелом на их немедленное коммерческое использование. Здесь Эдисон принимал заказы на разработку изобретений и их производство от частных и государственных организаций. Менло-Парк стал первой промышленной исследовательской лабораторией в США, а Эдисон — первым из великих изобретателей-ученых, опирающихся на принцип инноваций, направленных на коммерческое использование.

Черт возьми, здесь нет никаких правил... Мы просто пытаемся что-то получить!

Томас Альва Эдисон

Менло-Парк был тем нервным узлом, из которого расходились по миру открытия команды инженеров и ученых, работавших там. Как только Эдисон устроился в новой резиденции, он сразу получил прозвище «волшебник Менло-Парка». Компания «Вестерн Юнион» сделала ему предложение, подкрепленное авансом в 500 долларов ежемесячно, не считая будущих гонораров, взяться за работу над новым средством связи — телефоном.

До изобретения электромагнитного телефона уже существовали акустические устройства на механических принципах, способные передавать звук голоса или музыку на расстояние, в которых передача осуществлялась с помощью труб из металла или других материалов. Большой известностью пользовалось устройство под названием «голосовая труба», состоящее из двух конусов, соединенных с трубопроводом, по которому звук (голос) передавался на некоторое расстояние.

РИС. 1

Оно использовалось в основном на кораблях, чтобы с мостика можно было отдавать команды в машинное отделение и другие помещения, но в XIX веке подобные трубы стали устанавливать и в богатых домах, на фабриках и заводах, где их можно было встретить вплоть до второй половины XX века. Основные принципы акустической телефонии были известны уже много веков назад, свидетельство чему можно найти в детской игре с двумя стаканами или коробочками, соединенными веревкой, с помощью которых можно разговаривать. Диафрагма, то есть гибкая мембрана, способна улавливать звуки (воздушные колебания) и преобразовывать их в механическую вибрацию, как это происходит в человеческом ухе. Веревка или провод передают такую вибрацию по всей своей длине, сохраняя ее характеристики, и ее воспроизводит вторая диафрагма, или, иными словами, она вновь превращает механические колебания в воздушные (в звук).

В акустическом телефоне волны передаются по линии по тому же принципу, по которому работает струна в музыкальных инструментах. Различная длина звуковой волны воспринимается нами как изменение высоты звука: более длинная волна означает более низкий звук, более короткая — высокий (см. рисунок 1).

Первые формальные опыты над воспроизведением и передачей звука провел между 1664 и 1685 годами британский ученый Роберт Гук (1635-1703), пионер микроскопии и автор биологического термина «клетка». В 1667 году во время работы архитектором, в ходе реконструкции Лондона после сильного пожара 1666 года, английский эрудит изготовил очень простое устройство — акустический телефон, с помощью которого он исследовал свойства звука. Это открыло большие возможности в области передачи человеческого голоса, однако применить их на практике современная ему наука и технология были еще не готовы. Дальнейшее развитие телефонии стало возможным только с применением электричества.

Пространство вокруг нас заполнено различными волнами, имеющими механическую или электромагнитную природу. Основными характеристиками этих волн являются: длина волны (расстояние между двумя ее пиками), амплитуда (максимальный размах волны) и частота (количество повторений волны в единицу времени, то есть количество вибраций в секунду).

Люди, занимавшиеся разработкой телеграфа, задавались вопросом, можно ли превратить звук в изменяемый электрический ток и передавать его на большие расстояния по проводам так же, как передаются по металлической проволоке электрические сигналы, в которых зашифрованы символы. Работы по этой теме начались только в середине XIX века. В ходе своих исследований над возможностью изготовления автомата, имитирующего человека, в 1844 году итальянец Инноченцо Манзетти (1826-1877) выдвинул идею «говорящего телеграфа» (см. рисунок 1) и даже взялся за изготовление его прототипа. Источники расходятся во мнениях, удалось ли ему построить и испытать его; до нас дошли лишь смутные описания системы, которая «напрямую передает слова по обычным телеграфным проводам с помощью устройств, более простых, чем современный телеграф.

Музыка передается великолепно, а что касается слов, то самые отчетливые из них хорошо слышны». И только французский инженер Шарль Бурсель (1829-1912) в точности описал, хотя и теоретически, конструкцию, которую считают первой системой электрической передачи звука. В 1854 году Бурсель изложил в журнале «Иллюстрасьон» (в статье «Электрическая передача слов» от 25 августа 1854 года) основной принцип электрической телефонии и предсказал, что в скором времени звук можно будет передавать с помощью электричества:

«Представьте себе, что вы говорите рядом с подвижным диском, достаточно гибким, чтобы не пропустить ни одной вибрации, производимой голосом. Представьте себе, что этот диск последовательно замыкает и размыкает электроцепь. В таком случае можно поставить на большом расстоянии другой такой диск, который будет воспроизводить эти вибрации».

РИС. 2

Как и в телеграфе, система передачи сообщения основывалась на размыкании электрической цепи, в данном случае с помощью движений гибкого диска, упомянутого в тексте. Этот метод получил название «on/off» («вкл/выкл»).

Статья Бурселя была переведена на многие языки и получила широкое распространение. Она стала источником вдохновения для немецкого ученого и изобретателя Иоганна Филиппа Рейса (1834-1874). В 1861 году Рейс представил во Франкфуртском физическом обществе грубо изготовленное устройство, разработанное по принципам, изложенным Бурселем. Оно состояло из «горшка» без дна: на него с одной стороны была натянута мембрана из кишки, по центру которой была прикреплена подпружиненная швейная игла. Колебания, возникающие от вибрации мембраны, передавались на другой конец иглы и замыкали контакт с проводником, связанным с основной линией, питавшейся от батареи. Этот контакт замыкал и размыкал цепь, приводя в действие другую подобную иглу, связанную с катушкой. Игла вибрировала, производя звук. Рейс усовершенствовал эту примитивную модель, изменив материал мембраны и заменив иглу на изогнутый токопроводящий рычаг (см. рисунок 3). Вместо иглы в приемнике он использовал длинную металлическую пластину, которая гораздо эффективнее передавала звук. На самом деле чем более длинной и широкой она была, тем лучше воспринимала звуковые волны, так как больше становилась поверхность, соприкасавшаяся с воздухом. В некоторых моделях использовался деревянный ящик-резонатор.

Такая конструкция могла передавать музыку и определенные звуки, но не человеческую речь. В первые годы своего развития телефония исследовалась в основном на предмет передачи музыки и пения, хотя передача слов была куда важнее для будущего изобретения. Воспроизвести музыкальные звуки получилось практически сразу, но человеческая речь, гораздо более сложно устроенная из-за различной высоты и интенсивности звука, подобным техническим приборам не давалась.

РИС.З

Передатчик: коническая труба (а), мембрана (b), изогнутый рычаг, приводимый в движение мембраной (с, d), регулятор тока (е). Приемник: электромагнит (f), вибрирующая пластина (g), крепление пластины (h), регулировочные винты (i и j).

Райс продолжал работу над своим изобретением вплоть до того, что у него стала получаться передача гласных и некоторых согласных, но качество звуков оставалось очень плохим. Главная проблема этого устройства была проста и в то же время труднопреодолима: метод «вкл/выкл» Бурселя, взятый из телеграфа, не позволял правильно запечатлеть слово, так как оно представляет собой непрерывную меняющуюся волну, а не набор отдельных независимых импульсов. Практическое воспроизведение речи требует, чтобы передатчик поддерживал постоянный контакт с электрическим контуром, изменяя ток в зависимости от акустического давления, которое он регистрирует.

Альтернативное решение, пусть и несовершенное, не заставило себя ждать. В 1857 году американский изобретатель итальянского происхождения Антонио Меуччи (1808-1889) сконструировал примитивный прибор, главным компонентом которого являлся вибрирующий элемент, связанный с электромагнитом. Он изготовил его, чтобы соединить свою лабораторию, расположенную в полуподвале собственного дома в Статен-Айленде (Нью-Йорк), со своей спальней на втором этаже, где лежала его жена-инвалид. Он назвал свое изобретение телектрофоном и представил его публике в 1860 году. Данное событие было отмечено только итальянскими газетами Нью- Йорка и не вызвало особого интереса. Оно произошло за год до первой демонстрации прибора Рейса во Франкфуртском физическом обществе.

Телектрофон (см. рисунок 4 на следующей странице) состоял из двух картонных конусов, соединенных медным проводом и снабженных мембранами из кожи, обработанной бихроматом калия, с металлическими дисками по центру. В систему был включен индуктор, собранный вокруг железного сердечника цилиндрической формы, — техническое новшество для того времени, учитывая, что оно будет использовано для связи на дальних расстояниях только несколько десятилетий спустя.

Впоследствии изобретатель утверждал, что никогда не думал следовать принципу Бурселя «вкл/выкл», а всегда искал решение проблемы непрерывной передачи сигнала, которая не прерывала бы электрического тока. Этот пункт до сих пор остается предметом горячих споров в вопросе об авторстве конструкции телефона, потому что если все подробности, которые представил Меуччи в ходе дальнейшего разбирательства, верны, то его система была первым электромагнитным телефоном, появившимся значительно раньше, чем конструкция Белла.

РИС. 4

Электромагнитный телефон основывается на взаимодействии магнита и электрического тока, что делает возможным преобразование звуковых волн (голоса, звука) в волны электромагнитные, которые, таким образом, можно отправлять по проводам. Магнитное поле магнита формирует замкнутые линии от одного его полюса к другому. Если поместить металлическую мембрану в поле действия магнитного поля вблизи от полюса магнита, то речь, заставляющая ее вибрировать, будет возмущать магнитное поле. Изменения этого поля у одного полюса влияют на магнитное поле у противоположного полюса магнита. Если два магнита связаны одной электрической цепью так, что они используют один источник электроэнергии, то колебания одной мембраны оказывают влияние на другую, заставляя ее колебаться таким же образом, потому что магнитные поля обоих полюсов магнита изменяются синхронно. На этом основан принцип электромагнитного телефона — прибора для кодировки, передачи и воспроизведения сообщения от передатчика к приемнику и обратно.

Великое, но незаслуженно забытое имя в истории телефона — Антонио Меуччи (1808-1889). Он был человеком, принявшим активное участие в объединении Италии, движении Рисорджименто, которое боролось за освобождение полуострова от власти Австрии и Испании и владычества Габсбургов и Бурбонов. Меуччи приговорили к тюремному заключению, и он вынужденно эмигрировал на американский континент, поначалу поселившись на Кубе, где поставил свои первые опыты в области телефонной связи. В своем доме на Статен-Айленде (Нью-Йорк), куда Меуччи переехал в 1850 году, он принимал итальянских политических беженцев, в том числе самого Гарибальди, с которым его связывала долгая дружба. Таким образом изобретатель стал весьма уважаемым человеком в итальянской диаспоре. Кроме телектрофона, появившегося на свет в 1854 году, он создал систему фильтров для очистки воды и предложил использовать парафин для производства свечей. Тем не менее по складу ума Меуччи предпринимателем не был.

Совершенствуя телектрофон, Меуччи в то же время боролся со своим английским соперником и собственной неопытностью в предпринимательской и финансовой области, но без особого успеха. Он получил сильные ожоги во время пожара на паровом катере, что вынудило его жену продать его прототипы за бесценок. В 1874 году у него не оказалось 250 долларов, чтобы заплатить за патент на свое изобретение, и он смог получить только caveat — просто официальное подтверждение его приоритета в развитии изобретения. Это был не слишком подробный документ, но caveat Меуччи описывал характеристики телектрофона и содержал его чертежи в общем виде. Проблема заключалась в том, что такое свидетельство действовало только в течение одного года. Меуччи попытался заинтересовать компанию «Вестерн Юнион» своим изобретением и отправил туда один из прототипов и предложение о создании филиала фирмы, которое ее руководство отвергло. Компания не вернула ему эти материалы, заявив, что они утеряны. Два года спустя, в 1876 году, шотландец Александр Грэхем Белл опубликовал свой патент на телефон, моментально став знаменитостью и заключив выгодный контракт с «Вестерн Юнион».

К 1870 году еще не существовало надежно работающей модели телефона, пригодной для коммерческого использования. Одним из исследователей, которых в 1874 году Уильям Ортон привлек к работе для поисков решений в области многоканальной телеграфии, был Илайша Грей (1835-1901), чья компания «Вестерн Электрик» стала одним из важнейших подрядчиков «Вестерн Юнион». В том же году в ходе экспериментов с акустической телеграфией Грей случайно обнаружил способ передавать звуки человеческой речи. Тем не менее, хотя передача слов казалась интересной задачей, это не было главной целью его жизни, и он не придал своему открытию серьезного значения.

Шотландский ученый и изобретатель Александр Грэхем Белл, недавно прибывший в США, напротив, придерживался другого мнения: он занимался теми же явлениями, что и Грей, но обладал иным багажом знаний — опытом акустических экспериментов с человеческой речью и слухом. Он происходил из семьи логопедов и теоретиков устной речи, а некоторые его родственники были глухими, поэтому с первых же своих работ Белл проявлял интерес к механике звука и речи.

Прототип телефона, разработанного Илайшей Греем, воспроизводил звук с достаточно большой громкостью и надежностью, используя для изменения силы тока давление воды, которая выступала в роли передатчика. Его устройство могло воспроизводить разные тона одновременно без искажений, что было невозможно для телефона Рейса. Схема устройства показана на рисунке. Говорящий располагается у рупора передатчика, его голос вызывает вибрацию мембраны, связанную с линией, соединяющей обе станции. Вибрация мембраны воздействует на металлическую иглу: она отходит от ее центра, а другой ее конец погружен в воспринимающее устройство, заполненное водой. Основание этого устройства подсоединено к батарее. Чем больше амплитуда колебаний, тем сильнее сжимается вода, что изменяет ее электрическое сопротивление. На приемной станции ток приводит в действие электромагнит, и таким образом колебания мембраны в передающем устройстве вызывают колебания мембраны в приемном.

Как раз в 1874 году он напряженно работал над двумя фундаментальными изобретениями: «гармоническим телеграфом» (устройством, одновременно отправляющим несколько телеграфных сообщений, используя разную частоту сигнала) и «фоноавтографом», который на основе принципов гармонического телеграфа был призван вернуть слух глухим людям. Разрабатывая данные устройства, Белл получил много знаний, которые впоследствии помогли ему изобрести прибор, сделавший его знаменитым.

«Фоноавтограф» был своего рода «искусственным ухом». Он состоял из мембраны, колебания которой двигали рычаг, рисующий «облик слова» в форме волны на закопченом стекле. Белл считал возможным сделать так, чтобы мембрана изменяла интенсивность электрического поля, следуя «образу» произнесенных слов. Ток должен был передавать слова на другую мембрану. Речь шла не о режиме «вкл/выкл» (бинарное состояние), а о его изменении (континуум возможных состояний). Белл открыл фундаментальный принцип телефонии, основанный на изменяемом сопротивлении, не дожидаясь, пока Грей придет другим путем к тому же результату. Однако у Белла еще несколько лет ушло на то, чтобы понять, как применить эту идею на практике.

Возможность передавать слова электрическим способом превратилась у Белла в навязчивую идею. С подачи пионера электромагнетизма Джозефа Генри, в то время секретаря в престижном Смитсоновском институте, который когда-то работал вместе с Морзе над его телеграфом, Белл понял: ему нужна помощь инженера-электротехника, чтобы выпестовать то, что Генри назвал «ростком великого изобретения». И его сотрудником стал блестящий Томас Уотсон (1854-1934).

В июне 1875 года состоялись испытания гармонического телеграфа. Уотсон должен быть отправлять звук определенного тона, а Белл — принимать его на удаленной станции. Но когда Уотсон привел в действие коммутатор, посылавший звук на приборную панель передатчика, Белл услышал не музыкальную ноту, а шум, производимый самим Уотсоном, двигающим рычаг. Как такое было возможно? Хотя гармонический телеграф работал на принципе замыкания и размыкания тока, вышло так, что в тот момент контактный винт оказался затянут слишком сильно, и ток потек без прерываний. Когда Белл понял суть происходящего, он бросил свой гармонический телеграф и посвятил себя изучению возможностей этого эффекта телефонной связи. Уотсон всего за один день изготовил первый прототип, вставив туда по указанию Белла важнейший элемент — мембрану. И все-таки устройство еще не могло передавать слова, на его выходе получались лишь едва различимые звуки. Оба исследователя поняли, что их ждет долгая экспериментаторская работа.

РИС. 5

Зимой 1875/1876 года Белл пребывал в уверенности: хотя ему еще не удалось сделать прототип своего прибора, который мог бы передавать слова, он может в точности описать его. Патентное бюро в 1870 году отказалось от требования представлять для получения патента работающие модели, поэтому шотландец заполнил патентную заявку, описав свой прибор как «устройство по передаче телеграфным способом звуков голоса и любого другого вида» и отправил своего адвоката в бюро. Это было 14 февраля 1876 года. В то же утро, но на два часа позже, Илайша Грей представил в патентное бюро свою caveat — предварительную заявку, — сообщив об изобретении прибора, который передает человеческий голос с помощью изменения давления в жидком растворе. В марте Беллу и Уотсону удалось изготовить первый прототип (см. рисунок 5), способный передавать слова. Чтобы добиться этого, они применили жидкостной передатчик, формула которого в патенте не упоминалась, так как она не была ни раскрыта, ни даже ясно описана в caveat Грея. Между двумя патентными заявками было в действительности много сходства. Кроме того, главный пункт в заявке Белла — упоминание принципа переменного сопротивления — был кое-как нацарапан на полях, поэтому некоторые считали, что он изменил запрос задним числом. Мембрана в основании воронки заставляла колебаться пруток, погруженный в слабый раствор кислоты, находящийся в металлическом сосуде.

Как и большинство изобретений того времени, появление телефона стало результатом работы многих исследователей, а вопрос о его авторстве вызвал жестокий и запутанный спор, который закончился в суде. В первые годы существования компании «Белл Телефон»против нее было подано 600 исков о плагиате, из которых она проиграла только один — против Меуччи.

Когда Белл обнародовал свой телефон, Меуччи немедленно подал против него иск. Сначала дело Меуччи шло очень хорошо: иск поступил в верховный суд, где против Белла были выдвинуты обвинения в мошенничестве. В сентенции утверждалось, что Белл работал в той самой лаборатории «Вестерн Юнион», которая «потеряла» прототипы Меуччи. Однако других материальных улик не существовало, a caveat Меуччи уже был просрочен, поскольку у него не нашлось десяти долларов, чтобы его обновить. Когда Меуччи умер в 1889 году, нищий и всеми забытый, судебное дело умерло вместе с ним. И только в июне 2002 года Конгресс США одобрил резолюцию, согласно которой именно его признали автором телефона, а Белл лишался такого звания. Сегодня история Меуччи и информация о его первенстве в исследованиях, которые привели к изобретению телефона, известны, однако в общественном мнении Белл все равно остается изобретателем этого прибора.

Александр Грэхем Белл.

Пруток был связан с приемником с помощью провода, а через другой провод на сосуд подавалось питание от батареи, в результате чего получалась электрическая цепь. Вибрация изменяла электрическое сопротивление в цепи (в зависимости от размеров той части металлического прутка, которая контактировала с раствором), так что проходящий через прибор ток менялся в зависимости от акустических характеристик звука. Этот меняющийся ток поступал к приемнику, который тоже имел мембрану, и заставлял ее вибрировать, что, в свою очередь, производило звук. Белл и Уотсон довольно быстро забросили идею жидкостного передатчика и стали работать над полностью электромагнитной моделью.

После представления патентной заявки и разработки прототипа швейцарский изобретатель выступил с серией демонстраций и конференций, чтобы известить всех о своем изобретении, благодаря чему ему удалось получить поддержку научного сообщества и широкой публики. Уже через десять лет только в США работали более 100 тысяч телефонных аппаратов. Через 25 лет там были один миллион абонентов и два миллиона линий, по которым ежегодно совершалось два миллиарда разговоров. К моменту смерти Белла количество проданных телефонов достигло 30 миллионов. Однако, чтобы данное устройство стало по-настоящему рабочим и коммерчески успешным, потребовалось вмешательство «волшебника из Менло-Парка».

На Всемирной выставке в Филадельфии 1876 года, где праздновался юбилей Декларации независимости США, телефон Белла произвел фурор. Знаменитые люди того времени, такие как император Бразилии Педро II (1825-1891), британский физик и математик Уильям Томсон (более известный как лорд Кельвин) и даже великий шотландский физик-теоретик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), создатель классической электродинамики, изъявляли свое восхищение им, что было аршинными буквами отражено в газетах по всему миру. Успех «говорящего телеграфа» в следующем году засвидетельствовала и королева Виктория, приобретя один аппарат.

Тем не менее у этого прибора был широкий ряд ограничений: говорящий, даже если линия составляла пару километров, должен был кричать слова в микрофон по многу раз, чтобы вызвать колебания мембраны и быть услышанным на другом конце провода. Кроме того, приходилось говорить и слушать с помощью одного и того же устройства, то есть постоянно прикладывая к нему во время беседы попеременно то рот, то ухо. В этом смысле предложение Илайши Грея являлось гораздо более продвинутым, так как в нем присутствовали отдельный микрофон и динамик.

В 1877 году компания «Вестерн Юнион» владела 400 000 км телеграфных линий, которые простирались на расстояние 160000 км и обеспечивали ее клиентам быструю автоматическую многоканальную телеграфную связь. Она, по мысли Уильяма Ортона, не могла быть заменена на такую научную диковинку, как телефон. В компании продолжали придерживаться такого мнения вплоть до того, как дочерняя компания «Голд энд Сток Телеграф» не проинформировала их, что ее клиенты заменяют аппараты «Вестерн Юнион» на усовершенствованные модели телефона, устанавливаемые «Белл Телефон Компани» (ВТС). Последняя буквально за несколько месяцев своего существования продала 3000 устройств и развивалась неимоверными темпами благодаря умной политике продажи лицензий на установку телефонов другим фирмам.

Похоже, что в мире гораздо больше возможностей, чем способности ими воспользоваться. Хороший результат получается, когда возможность встречается с готовностью.

Томас Альва Эдисон

Ортон встретился с Франклином Поупом с целью изучить, насколько действительны патенты Белла. После придирчивого анализа всех статей и исследований по передаче звука Поуп в своем докладе заключил, что патенты действительны и для производства телефона не существует лучшей системы, чем у Белла. Он рекомендовал купить патенты. Однако Ортон поступил иначе, организовав компанию «Американ Спикинг Телефон Компани»(ASTC) и обратившись к Томасу Альве Эдисону с предложением улучшить телефон Белла и получить на это ряд собственных патентов.

Внешний и внутренний вид мастерской- лаборатории в Менло-Парке, 22 февраля 1880 года. Здесь можно увидеть некоторых сотрудников Эдисона.

На фото внизу, слева направо: Л. К. Бём, К. Л. Кларк, Чарльз Бэчлор, Уильям Кармен, С. Д. Мотт, Джордж Дин, Френсис Йель, Джон Лоусон, Чарльз Фламмер, К. П. Мотт и Дж. В. Маккензи.

Эдисон уже имел опыт подобного рода. Изучение звука вызвало у него огромный интерес (возможно, по причине его глухоты), еще когда он только услышал об изобретении Белла. Перед тем как взяться за работу, Эдисон со своими сотрудниками решили выполнить ряд практических экспериментов с оригинальным аппаратом Белла в присутствии правления и технического начальства ASTC. Испытания проводились на линии, связывавшей Нью-Йорк и Вашингтон, и окончились плохо: шумы и малая интенсивность звуков речи практически не позволяли расслышать ничего из сказанного на другом конце провода. Эдисон решил, что хотя, без сомнений, заслуги изобретателя огромны и его вклад неоценим, устройство аппарата придется основательно переделывать. В первую очередь, по его мнению, следовало использовать схему Илайши Грея, имевшую отдельные микрофон и динамик. Требовалось предварительно поработать над обоими элементами, чтобы повысить качество приема, передачи и воспроизведения голоса, а также убрать или снизить до минимума нежелательные шумы, в основном вызванные статическим электричеством.

Сначала Эдисон принялся за работу над микрофоном. Ему надо было найти более надежный способ улавливать звуковые волны и увеличить возможности преобразования, чтобы таким образом улучшить передачу разговора. Для этого он использовал свое недавнее изобретение, которое не пригодилось по назначению (великолепный пример гениальной способности Эдисона извлекать пользу из своих провалов). Работая над квадруплексным телеграфом, он изучал проводниковые свойства различных материалов и обнаружил, что сопротивление угля зависит от оказанного на него давления. К сожалению, такое сопротивление изменялось под воздействием любого звука, и его невозможно было использовать для поставленных в то время целей. Но именно эта чувствительность оказалась нужной Эдисону в данном случае.

Команда Менло-Парка работала в течение года над использованием изменения сопротивления угля в микрофоне телефона. В начале 1877 года Эдисону удалось свести шумы в телефоне Белла к минимуму, однако главным достижением стало увеличение надежности восприятия звука мембраной с помощью капсулы с угольной крошкой, расположенной рядом с ней.

В угольном микрофоне мембрана представляет собой тонкую пластинку из гибкого металла. За ней располагается небольшой кусок угля (в первых моделях это был индийский каучук), представляющий собой своего рода кнопку, оказывающую легкое давление на расположенный за ним блок компонентов. Этот блок состоит из диска, содержавшего крошку (гранулы) угля, сжатую двумя пластинками, которые являются контактами цепи. Когда на контакты подается ток, он проходит через угольный диск.

РИС. 6

Команда Эдисона продолжала изучать возможные применения изменяемого сопротивления угольной пыли. Первым из них стал угольный реостат, который разрабатывался для замены обычных реостатов. Устройство состояло из пустого эбонитового цилиндра, где помещались примерно 50 шелковых дисков и графитовый порошок. Они придавливались металлической пластиной с помощью регулировочного винта, что приводило к изменению электрического сопротивления в цепи в диапазоне от 400 до 6000 Ом.

Механизм работы устройства (рисунок 6) следующий: когда кто-то говорит перед мембраной, она начинает колебаться под воздействием акустических волн. Вибрация мембраны действует на «кнопку» из угля, а эта последняя — на задний контакт, передавая в каждый момент времени на него колебательный образ звуковой волны. Данные колебания действуют на электрический ток, проходящий через угольный диск, вызывая изменения сопротивления, в точности соответствующие рисунку волны. Таким образом, звук превращается в изменяемый электрический ток. Сила тока увеличивается или уменьшается в зависимости от изменения давления звуковых волн.

Как видно на рисунке 6, звук, преобразованный в изменяемый электрический ток, пересылается как любой электрический сигнал по проводам телефонной линии до приемного устройства, где он воздействует на электромагнит. Последний включается и выключается в зависимости от изменения силы тока. Электрический ток преобразуется в колебания мембраны, и таким образом воспроизводится оригинальный звук. Эдисон подал патентную заявку на микрофон 27 апреля 1877 года, но патент был выдан ему лишь 15 лет спустя, что вызвало много проблем с изобретателем «Белл Телефон Компани» по имени Эмиль Берлинер (1851-1929), немецким эмигрантом и инженером-самоучкой, недавно прибывшим в США: он представил свою заявку на две недели раньше. Эдисон описал усовершенствованный микрофон, с помощью которого в следующем месяце ему удалось установить двустороннюю связь между телефонами, находящимися на расстоянии 170 км друг от друга. Таким образом, он превзошел телефон Белла, способный установить связь только на 30 км. В 1892 году Федеральный суд Бостона вынес решение в пользу хронологического приоритета Эдисона перед Берлинером в отношении передачи речи на расстоянии. Угольный микрофон был признан изобретением Эдисона.

Угольный микрофон послужил началом стремительной коммерциализации телефона. Как уже было сказано, первые телефонные системы имели электромагнитный приемник. Компании ВТС и ASTC объединились, что дало компании Белла приоритет на североамериканском рынке телефонии и прибыль около трех с половиной миллионов долларов. Увидев в таком объединении для себя ущерб, Эдисон потребовал и получил компенсацию в 6000 долларов в год на период действия своего патента, то есть на 17 лет. Тем не менее в 1878 году компания Белла подала на него в суд за нарушение патентных прав на их электромагнитный приемник в Англии.

Изобретатель взялся за усовершенствование альтернативного типа приемника и за улучшение приема телефонных сообщений с помощью системы усиления звука, которая позволяла бы слышать его в телефоне с такой же громкостью, как оригинальную речь. Эдисон использовал принцип, уже примененный им при конструировании меловых реле,— электромотограф: сила трения металла о мел, который становится проводником при пропитке нужным составом, обратно пропорциональна пропускаемому между ними току. Его конструкция увидела свет в 1879. году, это был меловой приемник.

РИС. 7

Эдисон разместил внутри приемника вращающийся меловой цилиндр: по его поверхности скользила подпружиненная игла, связанная с мембраной (см. рисунок 7). Мел пропитывался раствором, состав которого мог сильно различаться, хотя чаще всего использовался раствор бромистого или йодистого калия. Реакция в растворе, начинавшаяся под действием тока, влияла на силу трения между иглой и мелом. Данные изменения передавались на мембрану, что порождало звук. В первых моделях слушателю приходилось крутить барабан маленькой ручкой все время разговора, но это неудобство было устранено в следующих моделях с помощью часового механизма. Меловой приемник получил известность как «электромотографический приемник», или просто «мотограф». Однако сам Эдисон любил называть его «музыкальным телефоном», потому что, отличаясь большими размерами, прибор имел достаточную мощность, чтобы позволить аудитории слышать музыку, улавливаемую угольным микрофоном, как в нынешних музыкальных динамиках. Как бы то ни было, в Англии коммерческие агенты продавали его под названием «громкоговорящий телефон».

Комбинация мелового приемника и угольного микрофона в «громкоговорящем телефоне» Эдисона привела к тому, что на английском рынке он обошел продукцию Белла. Тем не менее в 1881 году «Белл Телефон Компани» и «Эдисон Телефон Компани» (компания изобретателя, учрежденная для продажи телефона в Европе) слились, и меловой приемник вышел из употребления, потому что был очень дорогим и сложным устройством и в конечном счете его разработка была вызвана не техническими причинами, а сложностями с патентными правами.

В конце концов функциональная модель телефона, завоевавшая мир, представляла собой смешанное устройство, объединяющее угольный микрофон Эдисона и улучшенную версию приемника Меуччи, патентом на который владел Белл. Поскольку эта схема сочетала патентные права всех сторон, претендующих на первенство в телефонии, она не могла быть реализована, пока не закончились патентные войны первых лет, и две компании не пришли к согласию.

С наступлением 1880-х годов Томас Альва Эдисон достиг возраста 30 лет и благодаря как своим успехам, так и неудачам (большинство из которых в результате закончилось в его пользу), стяжал себе славу «волшебника из Менло-Парка». Его лаборатория напряженно работала над десятками проектов одновременно, так что команда Эдисона не только добивалась поставленных целей, но и попутно делала множество открытий, в известном смысле случайных. Естественно, Эдисон направлял все усилия на разработку практически применимых продуктов, хотя парадоксальным образом они стали поводом и мотивацией, приведшим к его наиболее оригинальному изобретению. Во время работы над улучшением телефона системы Белла он вместе с командой открыл способ записи речи. Первой идеей Эдисона при этом было создать машину, которая выполняла бы роль телефонной секретарши и записывала речевые сообщения, впоследствии прослушиваемые. Изначальная концепция прибора, названная им «фонографом», являлась результатом ошибки, но она стала первым шагом в новый мир — в эру записи и воспроизведения звуков.