Лампа накаливания — возможно, лучшее изобретение [Veritasium]
[музыка] Начало современной электроники положила лампочка, но не так, как вы думаете. Первые лампочки состояли из угольной нити и надежно запечатанной вакуумной стеклянной колбы. Когда угольной нити прикладывалась разница потенциалов, по ней шел ток, от этого нить разогревалась до 2000 кельвинов и даже больше. Поэтому испускала свет. Если бы в колбе был кислород, нить тут же сгорела бы, поэтому и нужен был вакуум.
Но настоящий прорыв электротехники свершился благодаря одному занятному наблюдению Томаса Эдисона. Он заметил, что стекло лампочек меняет цвет в течение их службы: сначала желтеет, а потом становится коричневым, но только с одной стороны. Как же это происходит? При нагреве угольная нить испускает не только свет и тепло, но и электроны, и в каком-то смысле они выкипают с поверхности нити. Явление, известное как термоэлектронная эмиссия, независимо друг от друга открыли двое ученых за 2-3 десятка лет до этого. Но именно Эдисон сделал его широко известным.
Некоторое время эмиссию электронов нагретой нитью даже называли эффектом Эдисона. Внутри колбы электроны могли летать свободно, физических барьеров в вакууме нет. Но из-за разницы потенциалов на нити они притягивались к положительно заряженной половине. Электроны ускоряли свою сторону, в основном пролетая мимо и врезаясь в стекло, поэтому его цвет менялся только со стороны положительного заряда. Здесь надо отметить, что Эдисоновская лампа работала на постоянном токе. Если бы ток был переменным, то цвет менялся бы с обеих сторон.
Однако именно то, что увидел Эдисон, заготовило почву для революции в электронике и появление первых цифровых вычислительных машин. В 1904 году Джон Амбрас Флеминг запатентовал устройство, очень похожее на лампочку Эдисона, но с одним важным отличием: в его лампочках был второй электрод. Если заряд этой пластины будет положительнее, чем у нити накала, к ней устремятся электроны, замыкает цепь. Если заряд будет отрицательнее, это оттолкнет электроны, итог — не пойдет.
Флеминг назвал это улицей с односторонним движением для электричества, поскольку нагревался только один электрод. Электроны перемещались от него к пластине, но не наоборот. Устройство называлось термоэлектронный диод. Поначалу его использовали, чтобы засекать радиосигналы, а также превращать переменный ток в постоянный. Учёные вскоре поняли, что эффективнее будет поместить катод в центр; такая конструкция, соответственно, усиливала ток. Один такой диод может превратить переменный ток в постоянный, правда, не особо стабильный. Но если взять несколько диодов и добавить к ним конденсатор, эту проблему получится решить.
Это был прорыв! Наконец-то появилась рабочая электронная лампа, и подобные ей устройства использовала вся индустрия следующие 50 лет. В начале 20 века большой трудностью до электроники было усиление сигнала. Радио уже изобрели, но работало на небольших расстояниях из-за отсутствия надежного усилительного оборудования. По той же причине телефоны дотягивались максимум на 1300 км. Дальше сигнал доходил слишком слабым. Существо существовал базовый механизм усиления сигнала для телеграфа, его называли реле. Оно работает на основе электромагнита: когда по нему проходит ток, магнит притягивает к себе ключ, который замыкает вторую. Но стоит отключить ток в электромагните, как ключ возвращается в исходное положение.
Такой прибор хорошо подходит для передачи по телеграфу Азбуке Морзе, потому что она состоит из точек. Для сложных аналоговых сигналов телефонных звонков именно поэтому таким важным оказалось изобретение Лида Фореста. В 1906 году он добавил в лампу еще один электрод. Этим электродом послужила не металлическая пластина, а нечто вроде редкой проволочной сетки, и помещалась она между катодом и анодом. Это устройство с тремя электродами получило название триод.
Какой бы большой ни была разница потенциалов катода и анода, поток электронов между ними регулируется напряжением на управляющей сетке — так называли перегородку. При небольшом отрицательном заряде сетка отталкивает электроны, и они не попадают. Но при положительном заряде сетка притягивает электроны от катода. Большинство из них проходят сквозь отверстия перегородки и достигают анода. Таким образом, меняя небольшое напряжение на сетке, мы управляем высоким напряжением на аноде. Так что происходит быстро, мы получаем высокочастотное усиление.
Работает все примерно так же, как если бы на высоком утюге был установлен кран с водой. Чтобы крутить вентиль, много энергии не нужно, но это незначительное действие позволяет контролировать мощный поток воды, который польется вниз. Стоит вам открыть кран, он начинает нагреваться. Да, вот видно как накаляется внизу входное напряжение. Да, желтый вход, фиолетовый выход. Меняем напряжение на входе на 2 вольта, на выходе имеем сколько? Так, здесь 5-10-15 изменение на 15 вольт. На выходе для демонстрации мы дали на анод всего 24 вольта, если напряжение выше, то и усиление будет больше.
Именно таким образом удалось увеличить расстояние телефонных звонков. С помощью вакуумных трубок был совершен первый звонок с Восточного на Западное побережье 25 января 1915 года. Больше всего подходит патриот! Стал очень важным изобретением радио, телевидение, любые электронные приборы в доме работали на основе электронных ламп. До 60-х – 70-х их было очень много, но на этом революция, которую начали лампы накаливания, не закончилась.
В работе 1937 года Клод Шеннон написал связь электрических цепей с разделом математики, известным как булева алгебра. Джордж Буль работал в 19 веке, он хотел найти математическое обоснование для логики. Его системе верное высказывание обозначалось единицей, а ложное — нулем. Буль предложил ряд операций. Например, если оба высказывания А и Б верные, то результат тоже будет верен. Шеннон понял, что булевые операции можно представить электрическими цепями, что между ними и математическими утверждениями есть некоторые соответствия.
Чтобы воплотить эти цепи в реальном мире, нужны были всего лишь парочка переключателей. В том же 1937 году Джордж Стибит создал первый цифровой калькулятор. Этот калькулятор умел складывать два однобитных числа в двоичной системе, то есть два числа, которые могли быть нулем или единицей. Калькулятор работал с помощью реле, того самого электромеханического переключателя для телеграфа. У прибора было два входных ключа. Если оба разомкнуты, получится 0. Если один закрыт, то один выход показывали две лампочки. Если они не горели, то ответ был 0. Если горела одна лампочка...
Вот как выглядит такая цепь на схеме: если оба ключа А и Б открыты, мы складываем 0 и 0. Ток по цепи не идет, ни одна из лампочек не горит. Если закрыт ключ А, ток проходит через электромагнит, возникает магнитное поле, которое замыкает внутренний ключ, и лампочка выхода соединяется с батарейкой, а вторая лампочка отключается. Лампочка выхода загорается, и мы получаем ответ "один". То же самое происходит, если закрыть ключ Б, но разомкнуть А.
Но если одновременно замкнуть и А и Б, то через соляной ток не идет, он идет от батарейки, которая подсоединена к ключу, а напрямую ко второй лампочке. Эта лампочка и зажигается. Так мы сложили 1,1 и получили два! Вот оно, начало цифрового века. Не сказать, что поражает воображение, свой калькулятор Стибит собрал из нескольких батарей, лампочек, реле, которые валялись под рукой, клавиши ввода вырезал из табачной коробки. Всё это за ночь на кухонном столе.
В честь чего приборы получили название "моделька". Цепи, которые собрал Стибит, сейчас известны как сумматор с двумя входами. Но если взглянуть на них глазами Клода Шеннона, то мы увидим два логических вентиля. Лампочка выхода загорается, когда замкнуты А или Б, но не оба ключа сразу. Это так называемый логический элемент "исключающее ИЛИ". Вторая лампочка должна загораться только тогда, когда закрыты и А и Б. Это логический элемент И, и в этой цепи используется электрические аналоги булевых операторов.
Или, например. Или "НЕ". И "НЕ". Вы можете спросить, что с того? Ну, если вы не заметили, мы только что заставили кучу электронов считать вместо нас. Да, операции очень простые, но если соединить много сумматоров с входами и выстроить более сложные цепи, то им будут доступны более сложные вычисления. Этого и добивались Ибицц и его коллеги в лабораториях Белла. Через два года они построили модель "Один", в которой было уже более 400 реле, за десятую часть секунды она могла сложить два восьмизначных числа.
Еще модель "Один" умела перемножать восьмизначные числа и комплексные числа, хотя на это и уходило больше времени — около минуты на операцию. Пускаем электричество на катушку, и тогда меняется положение переключателя. Здесь задействованы два операнда. Если мы хотим сложить два числа... Вот здесь "два". Вот так "три". Да, у нас тут 01 — это "два", так здесь 11 — это "три". И когда мы хотим посчитать, нажимаем на кнопку запуска. Один звук — это по сути однобитное арифметическое устройство, никаких логических функций.
Вот так оно умеет только складывать. А теперь попробуем из пяти вычесть два — ответ будет "три". Нажимаем на этот маленький переключатель, теперь мы производим вычитание. По сути это дополнительный код, то есть мы инвертируем один из операндов и прибавляем единицу. Теперь запускаю, и мы видим "5 - 2 равно 3". Две лампочки — это три. Из-за того, как это происходит, с этого края загорается флаг переноса. Мы знаем, что это вычитание — тут индикатор, так что можем просто не обращать внимания на флаг.
За следующие 10 лет были построены еще шесть компьютеров на основе реле. Ими пользовались армии США и Национальный консультативный комитет по воздухоплаванию, который позже станет НАСА. Но уже в начале 1940 было ясно, что механические реле, которые физически открывают и закрывают ключи, работают слишком медленно, чтобы стать залогом будущего для компьютеров. К тому же они легко ломаются. Все механические элементы в приборах со временем изнашиваются. Каждый раз, когда ключ меняет положение, возникает трение между деталями, где крепится ключ.
Только проводящие пластины изнашиваются от замыканий и размыканий. К тому же переключение сопровождается характерными щелчками. Так что работают устройства для деловой обстановки — это не подходит в офис, такую машину не поставишь. Люди с ума сойдут. [музыка] Информатикам очень нужен был электронный переключатель. Здесь-то и пригодился триод на вакуумной трубке! Ого! Да, можно использовать его как усилитель сигнала, если подать положительное или отрицательное напряжение на сетку. Но он способен послужить и ключом. При достаточном отрицательном заряде на решетке толка не будет вовсе, а при достаточно положительном — то будет максимальным.
Получается, что мы управляем цепью в природе без движущихся частей. Чтобы задать значение 0 или 1, достаточно подать напряжение. И что еще лучше — это можно сделать быстро и бесшумно, ведь мы работаем с электронами, которые летают в вакууме. Вот достижение, которое вывело вычисления на новый уровень. Первый в мире программируемый компьютер называется в декабре 1945 года, он занимал целую комнату, весил 30 тонн и потреблял 175 кВт мощности. Это так много, что даже ходили слухи, будто каждый раз, когда включали... Конечно, это были просто слухи.
Он отработал на собственном электрогенераторе, который обеспечивал его электричеством в достаточном объеме. В отличие от предшествующих вычислительных машин, ENIAC умел решать математические задачи разных типов. Его можно было программировать, и работал этот компьютер быстро, совершая 500 операций в секунду. Во времена, когда компьютерами все еще называли людей, которые считали вручную на бумаге, 500 операций в секунду были огромным достижением! Удобство и мощь тут же пригодились в работе над водородной бомбой.
Необходимые вычисления были настолько сложными, что директор говорил: "Если бы не... Нет, мы бы не смогли ничего решить". Даже забавно, когда процессор метр в высоту, можно буквально пальцем показывать на разные его части. Вот как выглядит однобитный компьютер. Чувствуете от него тепло? Да, еще как! Я даже здесь чувствую, рука греет. Ну, 190 вакуумных ламп! Это довольно много! Мы даже считали, тут примерно 350-400 кВт энергии, что просто дикость. Но как он выглядит в темноте? Словно город вакуумных ламп.
Есть свои проблемы: нити накала надо было постоянно нагревать, даже в холостом режиме они потребляли много энергии. К тому же лампы большие: вакуумную колбу с начинкой из электродов сложно сделать компактной. К тому же они часто ломались, в среднем по одной лампе каждые несколько дней. Их приходилось искать и менять. Самый долгий срок, который проработал без поломок, составил 116 часов. По сути, первые компьютеры работали на лампочках, поэтому они были такими большими, ненадежными и потребляли много энергии.
В привычную нам жизнь совершилось, когда мы поняли, как проделывать тот же фокус с электронами в твердом веществе. Но это совсем другая история.