التلغراف العائد إلى الأرض
التلغراف الأرضي هو نظام يتم فيه توفير مسار عودة التيار الكهربائي لدائرة التلغراف عن طريق توصيلها بالأرض عبر قطب أرضي . يوفر استخدام التلغراف الأرضي مبالغ طائلة في تكاليف التركيب، إذ يقلل كمية الأسلاك المطلوبة إلى النصف، مما يوفر بدوره تكاليف العمالة اللازمة لتمديدها. لم يلاحظ رواد التلغراف فوائد هذا النظام في البداية، لكنه سرعان ما أصبح المعيار بعد أن بدأ كارل أوغست فون شتاينهيل تشغيل أول تلغراف أرضي عام 1838.
بدأت مشاكل التلغراف الأرضي بالظهور مع نهاية القرن التاسع عشر نتيجةً لظهور الترام الكهربائي . فقد أدى ذلك إلى اضطراب كبير في عمل التلغراف الأرضي، ما دفع إلى إعادة بعض الدوائر إلى نظام الإرجاع القديم باستخدام الموصلات المعدنية. وفي الوقت نفسه، بدأ ظهور الهاتف ، الذي كان أكثر حساسية للتداخل في أنظمة الإرجاع الأرضي، في إزاحة التلغراف الكهربائي تمامًا، منهيًا بذلك استخدام تقنية الإرجاع الأرضي في مجال الاتصالات .
وصف
يتطلب خط التلغراف بين مكتبين للتلغراف، كغيره من الدوائر الكهربائية ، موصلين لتشكيل دائرة كاملة. وهذا يعني عادةً وجود سلكين معدنيين منفصلين في الدائرة، ولكن في دائرة التأريض، يُستبدل أحدهما بوصلة أرضية لإكمال الدائرة. ويتم التوصيل بالأرض بواسطة صفائح معدنية ذات مساحة سطحية كبيرة مدفونة في أعماق الأرض. ويمكن أن تُصنع هذه الصفائح من النحاس أو الحديد المجلفن. وتشمل الطرق الأخرى التوصيل بأنابيب الغاز أو الماء المعدنية حيثما توفرت، أو مدّ حبل سلكي طويل على أرض رطبة. هذه الطريقة الأخيرة ليست موثوقة للغاية، ولكنها كانت شائعة في الهند حتى عام 1868. [ 1 ]
تتميز التربة بمقاومة كهربائية منخفضة مقارنةً بأسلاك النحاس، إلا أن الأرض، بضخامتها، تُشكل موصلاً فعالاً ذا مساحة مقطع عرضي هائلة وموصلية عالية . [ 2 ] يكفي فقط ضمان وجود اتصال جيد مع الأرض في المحطتين. ولتحقيق ذلك، يجب دفن ألواح التأريض على عمق كافٍ لضمان اتصالها الدائم بالتربة الرطبة. قد يُشكل هذا الأمر صعوبة في المناطق القاحلة، حيث كان يُطلب من المشغلين أحيانًا سكب الماء على ألواح التأريض للحفاظ على الاتصال. [ 3 ] كما يجب أن تكون الألواح كبيرة بما يكفي لتمرير تيار كافٍ. ولكي تتمتع دائرة التأريض بموصلية مماثلة للموصل الذي تحل محله، تُزاد مساحة سطح اللوح عن مساحة المقطع العرضي للموصل بنفس النسبة التي تتجاوز بها مقاومة الأرض مقاومة النحاس ، أو أي معدن آخر يُستخدم في السلك. [ 4 ]
سبب الاستخدام
تتمثل ميزة نظام العودة الأرضية في تقليل كمية الأسلاك المعدنية المطلوبة، مما يوفر مبلغًا كبيرًا في خطوط التلغراف الطويلة التي قد تمتد لمئات أو حتى آلاف الأميال. [ 5 ] لم تكن هذه الميزة واضحة في أنظمة التلغراف المبكرة التي كانت تتطلب غالبًا أسلاك إشارة متعددة. إذ يمكن لجميع الدوائر في مثل هذا النظام استخدام موصل العودة نفسه ( خطوط غير متوازنة )، وبالتالي كان التوفير في التكلفة ضئيلاً. من أمثلة أنظمة الأسلاك المتعددة نظام بافيل شيلينغ التجريبي عام 1832، والذي احتوى على ستة أسلاك إشارة لتمكين ترميز الأبجدية السيريلية ثنائيًا ، [ 6 ] وتلغراف كوك وويتستون ذي الإبر الخمس عام 1837. لم يتطلب الأخير موصل عودة على الإطلاق لأن أسلاك الإشارة الخمسة كانت تُستخدم دائمًا في أزواج بتيارات ذات قطبية متعاكسة حتى إضافة نقاط الترميز للأرقام . [ 7 ]
أدى ارتفاع تكلفة أنظمة الأسلاك المتعددة بسرعة إلى شيوع أنظمة السلك الواحد للإشارة في التلغراف لمسافات طويلة. في الفترة التي طُبِّق فيها نظام العودة الأرضية، كان النظامان الأكثر استخدامًا هما نظام مورس الذي ابتكره صموئيل مورس (من عام 1844) [ 8 ] ونظام التلغراف ذو الإبرة الواحدة من كوك وويتستون (من عام 1843). [ 9 ] واستمر استخدام بعض أنظمة السلكين للإشارة؛ نظام كوك وويتستون ذو الإبرتين المستخدم في السكك الحديدية البريطانية، [ 10 ] ونظام التلغراف فوي-بريجيه المستخدم في فرنسا. [ 11 ] ومع انخفاض عدد أسلاك الإشارة، ارتفعت تكلفة سلك العودة بشكل ملحوظ، مما جعل العودة الأرضية هي المعيار. [ 12 ]
| نظام التلغراف | عدد الأسلاك المطلوبة أو المقترحة |
|---|---|
| شتاينهيل (1838) [ 13 ] | |
| كوك وويتستون (1837) [ 14 ] | |
| شيلينغ (1832) [ 15 ] | |
| سومرينغ (1809) [ 16 ] | |
| ريتشي (1830) [ 17 ] | |
| أمبير (1820) [ 18 ] |
كان جهاز التلغراف الخاص بسومرينغ كهروكيميائيًا، وليس كهرومغناطيسيًا، وقد وُضع هنا خارج الترتيب الزمني. يُعرض هنا للمقارنة لأنه ألهم بشكل مباشر جهاز التلغراف الكهرومغناطيسي الخاص بشيلينغ، مع العلم أن شيلينغ استخدم عددًا أقل بكثير من الأسلاك. [ 19 ]
تاريخ
التجارب المبكرة
كان ويليام واتسون أول من استخدم مسار العودة الأرضية لإكمال دائرة كهربائية عام 1747، باستثناء التجارب التي استخدمت مسار العودة المائية. في عرض توضيحي على تل شوترز في لندن، مرر واتسون تيارًا كهربائيًا عبر 2800 قدم من سلك حديدي معزول بخشب محروق، باستخدام مسار العودة الأرضية. وفي وقت لاحق من ذلك العام، زاد هذه المسافة إلى ميلين. [ 20 ] وكان جون هنري وينكلر ، [ ملاحظة 1 ] أستاذًا في لايبزيغ ، من أوائل من استخدموا مسار العودة المائية ، حيث استخدم نهر بليس في تجربة بتاريخ 28 يوليو 1746. [ 21 ] وكان باس من هاملن أول من اختبر دائرة العودة الأرضية باستخدام بطارية منخفضة الجهد بدلًا من آلة احتكاك عالية الجهد عام 1803. [ 22 ] لم تكن هذه التجارب المبكرة تهدف إلى إنتاج التلغراف، بل كانت مصممة لتحديد سرعة الكهرباء. في الواقع، تبين أن نقل الإشارات الكهربائية أسرع مما استطاع المجربون قياسه - لا يمكن تمييزه عن النقل الفوري. [ 23 ]
يبدو أن نتائج واتسون كانت مجهولة، أو منسية، لدى رواد تجارب التلغراف الأوائل الذين استخدموا موصلًا عائدًا لإكمال الدائرة. [ 24 ] وكان أحد الاستثناءات المبكرة جهاز تلغراف اخترعه هاريسون غراي ديار عام 1826 باستخدام آلات الاحتكاك. وقد عرض ديار هذا الجهاز حول مضمار سباق في لونغ آيلاند ، نيويورك، عام 1828 باستخدام دائرة عودة أرضية. وكان العرض محاولة للحصول على دعم لإنشاء خط يربط نيويورك بفيلادلفيا ، لكن المشروع لم ينجح (ومن غير المرجح أن يكون قد نجح على مسافة طويلة)، وسرعان ما طُوي اسم ديار في غياهب النسيان، واضطروا إلى إعادة اختراع دائرة العودة الأرضية مرة أخرى. [ 25 ]
أول جهاز تلغراف يعود إلى الأرض
يعود الفضل في أول جهاز تلغراف يعمل بنظام التأريض إلى كارل أوغست فون شتاينهيل عام 1838. [ 26 ] كان اكتشاف شتاينهيل مستقلاً عن الأعمال السابقة، وكثيراً ما يُنسب إليه، خطأً، اختراع هذا المبدأ. [ 27 ] كان شتاينهيل يعمل على إنشاء خط تلغراف على طول خط سكة حديد نورمبرغ-فورث ، لمسافة خمسة أميال. حاول شتاينهيل في البداية، بناءً على اقتراح كارل فريدريش غاوس ، استخدام قضيبَي السكة كموصلات للتلغراف. لكن هذه المحاولة باءت بالفشل لأن القضيبين لم يكونا معزولين جيداً عن الأرض، مما أدى إلى وجود مسار موصل بينهما. مع ذلك، أدرك شتاينهيل من هذا الفشل الأولي إمكانية استخدام الأرض كموصل، فنجح حينها باستخدام سلك واحد فقط ونظام تأريض. [ 28 ]
أدرك شتاينهيل أن "الإثارة الجلفانية" في الأرض لم تكن محصورة في المسار المباشر بين طرفي سلك التلغراف، بل امتدت إلى الخارج بلا حدود. وتكهن بأن هذا قد يعني إمكانية التلغراف اللاسلكي تمامًا؛ وربما كان أول من اعتبر التلغراف اللاسلكي احتمالًا واقعيًا. وقد نجح في إرسال إشارة لمسافة 50 قدمًا بالحث الكهرومغناطيسي ، لكن هذه المسافة لم تكن ذات فائدة عملية. [ 29 ]
سرعان ما أصبح استخدام دوائر الإرجاع الأرضي هو القاعدة، وقد ساهم في ذلك رفض شتاينهيل تسجيل براءة اختراع للفكرة، إذ رغب في إتاحتها مجانًا كخدمة عامة. [ 30 ] مع ذلك، لم يكن صموئيل مورس على دراية باكتشاف شتاينهيل عندما قام بتركيب أول خط تلغراف في الولايات المتحدة عام 1844 باستخدام سلكين نحاسيين. [ 31 ] أصبح الإرجاع الأرضي شائعًا لدرجة أن بعض مهندسي التلغراف لم يدركوا على ما يبدو أن جميع أجهزة التلغراف المبكرة كانت تستخدم أسلاك الإرجاع. في عام 1856، بعد عقدين من إدخال الإرجاع الأرضي، حاول صموئيل ستاتام من شركة غوتا بيرشا ووايلدمان وايت هاوس تسجيل براءة اختراع لسلك الإرجاع، وحصلا على حماية مؤقتة. [ 32 ]
مشاكل في الطاقة الكهربائية
أدى إدخال الطاقة الكهربائية، وخاصة خطوط الترام الكهربائية في ثمانينيات القرن التاسع عشر، [ 33 ] إلى اضطراب كبير في خطوط التلغراف الأرضية. فقد ولّد بدء تشغيل الترام وتوقفه ارتفاعات كهرومغناطيسية عالية طغت على نبضات الشفرة على خطوط التلغراف. وكانت هذه مشكلة خاصة على الخطوط التي تعمل بنظام التشغيل الآلي عالي السرعة ، وبالأخص على كابلات التلغراف البحرية . إذ يمكن أن يصل طول هذا النوع الأخير إلى آلاف الأميال، وبالتالي تكون الإشارة الواصلة ضعيفة. [ 34 ] على اليابسة، تُستخدم أجهزة إعادة الإرسال في الخط لتجديد الإشارة، لكنها لم تكن متاحة للكابلات البحرية حتى منتصف القرن العشرين. [ 35 ] استُخدمت أجهزة حساسة مثل مسجل السيفون للكشف عن الإشارات الضعيفة على الكابلات البحرية الطويلة، وقد تأثرت هذه الأجهزة بسهولة بالترام. [ 36 ]
كانت المشكلة التي سببتها الترامات الكهربائية شديدة في بعض المناطق لدرجة أنها أدت إلى إعادة استخدام موصلات العودة. يُحدث موصل العودة، الذي يسلك نفس مسار الموصل الرئيسي، نفس التداخل. ويمكن إزالة هذا التداخل ذي النمط المشترك تمامًا إذا كان كلا جزئي الدائرة متطابقين ( خط متوازن ). وقد حدثت إحدى حالات التداخل هذه في عام 1897 في كيب تاون ، جنوب إفريقيا. كان الاضطراب كبيرًا لدرجة أنه لم يتم استبدال الكابل المدفون عبر المدينة بخط متوازن فحسب، بل تم أيضًا مد كابل بحري متوازن لمسافة خمسة أو ستة أميال بحرية في البحر، حيث تم وصله بالكابل الأصلي. [ 37 ]
مع ظهور تقنية الهاتف ، التي استخدمت في البداية نفس خطوط العودة الأرضية المستخدمة في التلغراف، أصبح استخدام الدوائر المتوازنة ضروريًا، لأن خطوط الهاتف كانت أكثر عرضة للتشويش. وكان جون ج. كارتي ، كبير مهندسي شركة الهاتف والتلغراف الأمريكية لاحقًا، من أوائل من أدركوا أن الدوائر المعدنية بالكامل ستحل مشاكل التشويش الحادة التي كانت تواجه دوائر الهاتف ذات العودة الأرضية . بدأ كارتي بتركيب خطوط عودة معدنية على الخطوط التي كانت تحت إشرافه، وأفاد بأن التشويش اختفى تمامًا تقريبًا على الفور. [ 38 ]
انظر أيضاً
- سلك أرضي أحادي ، يستخدم لتوزيع الطاقة الكهربائية.
ملحوظات
- ↑ تم العثور على الاسم الكامل من المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن ، المجلد 9 (1744-1749)، ص 494.
مراجع
- ↑
- شويندلر، الصفحات 203-206
- بروكس، الصفحات 117-120
- ↑ وين، ص 22
- ↑ دارلينج، ص 378
- ↑ فاهي، الصفحات 346-347، نقلاً عن شتاينهيل
- ↑
- شويندر، ص 204
- كان، ص 70
- ↑
- هوردمان، ص 54
- شيرز، ص 286
- ↑ هوبارد، ص 63
- ↑ هوردمان، ص 141
- ↑ هوردمان، ص 69
- ↑ هوبارد، ص 78
- ^ هولزمان وبيرسون، ص 93-94
- ↑ خان، ص 70
- ↑ فاهي، الصفحات 344-345
- ↑ بيرنز، الصفحات 128-129
- ↑ أرتيمينكو
- ↑ فاهي، الصفحات 230-231
- ↑ فاهي، الصفحات 303-305
- ↑ فاهي، ص 275
- ↑ هوردمان، ص 54
- ↑ هوكس، ص 421
- ↑ هوكس، ص 343
- ↑ شويندلر، ص 204
- ↑ هوكس، ص 343
- ↑
- شويندلر، ص 205
- تشارلز برايت ، في تروتر، ص 516
- ↑ كالفيرت
- ↑ فليمنج، ص 511
- ↑
- على سبيل المثال،
- ستاتشورسكي، ص 80
- وين، ص 22
- ↑
- هوكس، ص 421
- كينغ، ص 284
- كالفيرت
- ↑
- فاهي، الصفحات 4-5
- فليمنج، ص 511
- ↑
- ستاتشورسكي، ص 80
- كالفيرت
- ↑ بريسكوت، ص 272
- ↑ برايت في تروتر، ص 516
- ↑ مارغاليت، ص 69
- ↑ برايت، في تروتر، ص 517
- ↑ هوردمان، ص 327
- ↑ تروتر، الصفحات 501-502
- ↑ تروتر، الصفحات 510-512
- ↑
- هندريك، ص 102
- كان، الصفحات 70-71
فهرس
- أرتيمينكو، رومان، "بافل شيلينغ - مخترع التلغراف الكهرومغناطيسي" ، أسبوع الكمبيوتر الشخصي ، المجلد 3، العدد 321، 29 يناير 2002 (باللغة الروسية).
- بروكس، ديفيد ، "التلغراف الهندي والأمريكي" ، مجلة جمعية مهندسي التلغراف ، المجلد 3، الصفحات 115-125، 1874.
- بيرنز، راسل دبليو، الاتصالات: تاريخ دولي للسنوات التكوينية ، معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، 2004، رقم ISBN 0863413277.
- كالفيرت، جيمس ب.، التلغراف الكهرومغناطيسي ، تم الاطلاع عليه في 14 أبريل 2020.
- مفوضو براءات الاختراع، براءات الاختراع: ملخصات المواصفات المتعلقة بالكهرباء والمغناطيسية، وتوليدها وتطبيقاتها ، جورج إي. آير وويليام سبوتيسوود، 1859. مطالبة ستاتام ووايت هاوس بسلك العودة موجودة في الصفحة 584 .
- دارلينج، تشارلز ر.، "الهواتف الميدانية" ، المجلة الكهربائية ، المجلد 77، العدد 1973، الصفحات 377-379، 17 سبتمبر 1915.
- فاهي، جون جوزيف، تاريخ التلغراف اللاسلكي، 1838-1899 ، إدنبرة ولندن: ويليام بلاكوود وأولاده، 1899 LCCN 01-5391 .
- فليمنج، جون أمبروز ، مبادئ التلغراف بالموجات الكهربائية ، لندن: لونجمانز، 1910 OCLC 561016618 .
- هوكس، إليسون، "رواد اللاسلكي" ، عالم اللاسلكي ، المجلد 18، العددان 9 و11، الصفحات 343-344، 421-422، 3 و17 مارس 1926.
- هندريك، بيرتون جيه، عصر الشركات الكبرى ، كوزيمو، 2005، رقم ISBN 1596050675.
- هوبارد، جيفري، كوك، وويتستون واختراع التلغراف الكهربائي ، روتليدج، 2013، رقم ISBN 1135028508.
- هوردمان، أنطون أ.، التاريخ العالمي للاتصالات ، وايلي، 2003، رقم ISBN 9780471205050.
- كان، دوغلاس، صوت الأرض، إشارة الأرض: الطاقات وحجم الأرض في الفنون ، مطبعة جامعة كاليفورنيا، 2013، رقم ISBN 0520257804.
- كينغ، دبليو. جيمس، "تطور التكنولوجيا الكهربائية في القرن التاسع عشر: التلغراف والهاتف" ، ص 273-332 في، مساهمات من متحف التاريخ والتكنولوجيا: الأوراق 19-30 ، مؤسسة سميثسونيان، 1963 OCLC 729945946 .
- مارغاليت، هاري، الطاقة والمدن والاستدامة ، روتليدج، 2016، رقم ISBN 1317528166.
- بريسكوت، جورج بارتليت، تاريخ ونظرية وممارسة التلغراف الكهربائي ، بوسطن: تيكنور وفيلدز، 1866 LCCN 17-10907 .
- شويندلر، لويس ، تعليمات لاختبار خطوط التلغراف والترتيبات الفنية للمكاتب ، المجلد 2، لندن: تروبنر وشركاه، 1878 ، OCLC 637561329
- شيرز، جورج، التلغراف الكهربائي: مختارات تاريخية ، دار نشر أرنو، 1977 OCLC 1067753076 .
- ستاشورسكي، ريتشارد، خط الطول عبر الأسلاك: اكتشاف أمريكا الشمالية ، جامعة ساوث كارولينا، 2009، رقم ISBN 1570038015.
- تروتر، أ.ب، "اضطراب عمل الكابلات البحرية بواسطة الترام الكهربائي" مؤرشف في 2021-10-31 في آلة Wayback ، مجلة مؤسسة المهندسين الكهربائيين ، المجلد 26، العدد 130، الصفحات 501-514، يوليو 1897.
- "مناقشة ورقة السيد تروتر" مؤرشفة في 2021-10-31 في Wayback Machine ، المرجع السابق ، الصفحات 515-532.
- وين، أندرو، من دوت داش إلى دوت كوم: كيف تطورت الاتصالات الحديثة من التلغراف إلى الإنترنت ، سبرينغر، 2010، رقم ISBN 1441967605.
- الإبراق
- تاريخ الاتصالات السلكية واللاسلكية