电弧无线发送器
01 电弧发送机
一、前言
在 1907 年到 1920 年代之间，大多数 AM 无线电都是使用一种叫做电弧发射器或波尔森电弧的设备发出的。 事实上，1912年泰坦尼克号沉没的悲剧，部分原因是他们没有使用电弧发射器。 那么什么是电弧发射器？ 它是如何发明的？它又是如何工作的，这为什么会与泰坦尼克号的沉没扯上关系呢？ 在Kathy 老师讲的这个故事里，包括有一位地下室里装满电池的化学家，一个打字错误，一个开拓性的女科学家，她丈夫的音乐研究生，一个使不可能成为可能的丹麦人，以及 脾气暴躁和过度劳累的电报接线员。
▲ 图1.1.1 泰坦尼克号的沉没
二、电弧灯
早在 1800 年代，英俊的英国化学家汉弗莱·戴维 (Humphry Davy) 在地下室里装满了电池，用于进行电化学实验。 1809 年，他注意到如果两根碳棒之间有很大的电压，它们就会产生明亮而持续的电弧。 戴维原本想把它叫做拱形灯，因为灯是拱形的，但由于打错了，很快就把它叫做弧光灯。
▲ 图1.2.1 英国化学家戴维
直到 1850 年代，人们才使用发电机驱动这些弧光灯， 在 1860 年代和 70 年代非常流行。 1880年代，弧光灯开始被白炽灯泡取代。 直到 1920 年代，它们仍被用作电影的强光灯和探照灯。
现在我们来谈谈一位名叫赫莎·艾尔顿的杰出英国女性。 她出身极端贫困，但在一些早期女性参政者的帮助下，设法接受了数学和科学教育。 30 岁时，她上了电学夜校，并爱上了老师威廉·艾尔顿，并于次年结婚。
▲ 图1.2.2 赫莎·艾尔顿
1890 年，William Ayrton 开始研究弧光灯的物理机理。 他想知道为什么电弧灯在工作时会发出嘶嘶声。 但在 1893 年，他的研究论文毁于一场大火。 根据赫塔的说法，他既没有勇气也没有意愿重写他的论文。 赫塔接手了这项研究，并迅速在电工杂志上发表了 12 篇关于弧光灯物理机制的论文。 她成为第一位在电气工程师学会发表演讲的女性，也是该学会的第一位女性会员。 她还被提名为皇家学会会员，但被拒绝了，因为作为已婚妇女，她是丈夫的财产，财产不可能是会员。
▲ 图1.2.3 赫莎·艾尔顿与威廉·艾尔顿
三、电弧振荡
她通过研究排除了电弧灯发声的其它很多因素， 最终考虑弧光灯是否因与氧气相互作用而发出嘶嘶声？ 她还发现，如果将电弧的工作电压增加超过一定数值之后，电流反而会降低。 这中间到底发生了什么事？ 赫塔的丈夫威廉从赫塔的图表中确信弧线一定有负电阻。 这引起了巨大的争议。 William Ayrton 说：“如果我们生活在中世纪，我们无疑会被判处火刑并在固体碳弧中被烧死。”
▲ 图1.3.1 电弧灯的电压与电流曲线
当时William Ayrton 有一个名叫 威廉·都爹利(William Duddell) 的研究生。 都爹利也开始研究弧光灯。 艾尔顿让他研究一个关键遗留问题，对电弧灯电流大小快速变化原因进行探究。 在尝试改变灯上的电流时， 他在由电池供电的弧光灯旁边添加了电容器。 令他惊讶的是，由直流电供电的系统变成了交流电并发出悦耳的声音。 Duddell 将导线拉直，音符消失。 但如果他让电线穿过线圈，声音就会被放大。 发生了什么事？ 都爹很快想通了，是线圈和电容发生振荡，弧光灯先起振，放大振荡。
▲ 图1.3.2 电弧振荡
下面对此稍作解释。 电容器是一个有两个由绝缘体隔开的金属板组成的器件，可以在其表面存储电荷。 如果这些电荷通过线圈放电，则线圈中不断变化的磁场会产生更多电荷流动，从而导致电容器沿相反方向充电。 充满电荷的电容器接着反向放电。 因此，如果通过线圈给电容器放电，就会产生振荡波。 通常情况下振荡波形会因线路中的电阻消耗电能而逐步减弱。
Duddell 意识到电弧有两个作用。 首先，电弧帮助产生振荡信号。 发生这种情况是因为当第一次连接电池时， 电池会对电容器充电直到达到一定电压， 然后电流可以跳过电弧。 当电流越过电弧时，通有交流电的线圈对电容器放电。 其次，来自线圈中电容器的交流电不会因电弧的负电阻而熄灭。通过这种方式电弧将来自电池的部分能量转换为交流电以保持其持续震荡。
▲ 图1.3.3 电弧振荡
四、高频振荡
Duddell 创造了第一个没有运动部件的持续交流发电机。 而且他还制作了第一个电谐振电路。 这是几乎所有无线电的基础。 Duddell 实验验证了它不能在高于每秒 10,000 波的频率下工作，这比无线电波低得多。 附带说明一下，Duddell 知道他可以通过改变线圈的长度或改变电容器的大小来改变电弧灯声音播频率。 通过这种方式他甚至可以演奏“天佑女王”的音乐，声音独特迷人。
▲ 图1.4.1 使用电弧灯演奏音乐
一位名叫 Valdemar Poulsen 的丹麦科学家听说了 Duddell 的歌唱弧光灯， 他认为这将是制造一种最接近完美正弦波的方法，它的频率会很窄。 波尔森说，以前产生的无线电波就像手枪射击产生的声波，而他的演奏就像音叉产生的声波。
Poulsen 是如何在 Duddell 失败的地方取得成功的呢？他又是如何提高振荡信号的频率的呢？ 好吧，他从赫塔·艾尔顿 的实验结果开始， 即弧光灯的嘶嘶声与空气中的氧气发生反应有关。 因此，Poulsen 将他的放电电弧灯放在一个叫做 挥发蒸汽设备附近，该机器会释放出氢气，从而会消耗空气中的氧气，使电弧振荡信号更加稳定，提高了振荡器在更高频率下的工作质量。
▲ 图1.4.2 Poulsen 产生持续电弧的方法
Poulsen 还发现，如果振荡过快，有时电容器会产生火花并发光。 他试图通过添加磁铁或电磁体并调整磁场方向来解决这个问题， 通过实验发现如果将磁场置于弧光灯的间隙上方，可以大大提高电弧灯的振荡频率。 这是因为磁场会阻止大部分直流电在碳棒之间流动，但不会阻止高频交流电。 仅仅这两中措施，一块磁铁和一个蒸汽灯就可以创建一个原始的碳弧灯发射器，该发射器可以发出相对稳定的无线电高频振荡信号。
接下来波尔森进一步完善了他的设计。 他发现铜棒放电所产生的电弧比碳棒电弧效果更好，尽管铜必须用水保持冷却。 最后，他发现如果旋转电极，可以进一步陶高信号稳定性。 因为这台机器会以单一正弦波频率发送无线电信号，所以占用的频带宽度很小，所以可以实现频率复用，同时多个不同频率的信号。
▲ 图1.4.3 增加有磁场、铜棒电机的电弧正弦振荡器
此外，无线传输声音也许需要稳定平滑的无线电波。 波尔森认为他的电弧发射器可能“用于无线电报和电话的振荡器”。 他是对的。 不幸的是， 古列尔莫·马可尼对该新技术不感兴趣，尤其是他还没有没有独家专利。
▲ 图1.5.1 不同版本的电弧振荡器
五、泰坦尼克号
泰坦尼克号的悲剧发生在 1912 年， 当时泰坦尼克号配备了马可尼的老式电火花信号发射器， 一次只能发送一条消息。 当泰坦尼克号可以与美国进行无线通信时，唯一的无线运营商被有钱的富商乘客的发送和接收的信息淹没了。 此同时，Californian 号因结冰而在 20 英里外停了下来，并向泰坦尼克号发送了一条消息： “嗨！老伙计，我们被冰包围了，赶快停了下来吧。” 然而，泰坦尼克号操作员可能听不清楚加利福尼亚操作员发送的紧急信息， 此时他被附近船只发出的巨大声响所震撼。
▲ 图1.5.1 马可尼电火花发射器
劳累过度的泰坦尼克号操作员被激怒了，回答说：“闭嘴，闭嘴，闭嘴，我很忙。我在工作。” Californian 的操作员也发火了，发出了一阵无线电噪音，然后在 11:35 关闭了他的机器并上床睡觉。 10分钟后，泰坦尼克号撞上了冰山。 加利福尼亚人号上的军官们在看到泰坦尼克号的遇险信号时没有理解他们的意思，并在泰坦尼克号沉没时袖手旁观。
▲ 图1.5.2 泰坦尼克号的沉没
如果泰坦尼克号使用电弧发射器，他们可以让几个操作员以不同的频率发送多个信号， 也不会过度劳累和不堪重负。 此外，就像今天一样，他们本可以有一个单独频道， 只用于警告和求救信号。 马可尼后来也认识到了自己的错误， 到 1922 年，80% 的商业无线信通信都使用上电弧发射器。
六、后记
早在 1904 年，波尔森就在圣路易斯的一次会议上展示了他的发射机。 自封为无线电之父的李·德福雷斯特 (Lee de Forest) 对使用它来无线发送声音特别感兴趣。 De Forest 知道他的主要竞争对手 Reginald Fesseden 自从1900 年以来一直在研究无线发送声音， 并通过高频交流发电机以产生平滑、连续的无线电波。 然而，1906 年制造的高频交流发电机是一项工程壮举，几乎无法复制。 但在家里自制粗糙的 Poulsen 电弧振荡器要容易得多。 关于李·德雷福斯特这个骗子是如何偷偷进入无线电历史的，下次我们接着聊。
▲ 图1.6.1 李·的弗雷斯特
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