S08E01 — Эдисон: почему телефон пришлось изобретать заново

В 1877 году в Америке разгорелась новая борьба за изобретение, которое обещало изменить весь мир. Всего год назад Александр Белл получил патент на телефон. Аппарат мог передавать человеческую речь по проводам. Изобретателем заинтересовалась пресса. А предприниматели уже задумывались о строительстве телефонных сетей.

Но у телефона Белла была серьёзная проблема. Он работал, однако голос звучал слабо, искажался и становился всё менее разборчивым по мере увеличения расстояния. Для публичных демонстраций этого было достаточно, а вот для повседневного использования требовалось устройство гораздо надёжнее.

Особенно внимательно за происходящим наблюдала компания Western Union. Компания уже владела огромной сетью телеграфных линий, соединявших американские города, и не собиралась уступать рынок новой технологии.

Однако патент на телефон принадлежал Беллу. Поэтому компания решила действовать иначе: если нельзя получить права на его устройство, можно создать собственное, причём более совершенное.
Для этой задачи Western Union привлекла одного из самых талантливых электротехников своего времени — Томаса Альву Эдисона. Кстати, об Эдисоне и его участии в противостоянии постоянного и переменного тока мы уже рассказывали в шестом сезоне. Советую послушать!

Ему предстояло решить проблему, с которой столкнулся Белл: как заставить телефон передавать человеческий голос достаточно громко и разборчиво, чтобы устройством можно было пользоваться на значительном расстоянии.

Для этого Эдисону пришлось провести множество экспериментов с электрическими контактами и различными материалами. В результате ключом к усовершенствованию телефона оказалась обыкновенная сажа. Но работа над передачей человеческого голоса привела изобретателя к ещё одному неожиданному открытию — созданию фонОграфа, первого аппарата, способного не только записывать, но и воспроизводить звук.

Как Эдисон пришёл к этим изобретениям и какую роль они сыграли в развитии телефонной связи? Об этом в сегодняшнем выпуске. С вами Ирина Маркова, и это подкаст «До нас дошло».

Томас Альва Эдисон родился 11 февраля 1847 года в небольшом городе Милан, штат Огайо. Он был седьмым и последним ребёнком в семье Сэмюэля и Нэнси Эдисон. Его отец занимался различными коммерческими предприятиями, а мать работала учительницей. Когда Томасу исполнилось семь лет, семья переехала в Порт-ГурОн, штат Мичиган. Будущий изобретатель получил совсем небольшое школьное образование. В обычной школе он проучился лишь несколько месяцев. Занятия казались ему скучными, он постоянно отвлекался и задавал вопросы, которые не всегда нравились учителям.
В конце концов мать решила обучать сына самостоятельно. Нэнси не заставляла Томаса механически заучивать учебники. Напротив, она поощряла его любознательность, давала книги и позволяла самостоятельно разбираться в интересующих его вопросах. Особенно Эдисона увлекали естественные науки.
В подвале родительского дома он оборудовал маленькую химическую лабораторию. Здесь юный изобретать смешивал различные вещества, наблюдал за реакциями и пытался повторить опыты, описанные в книгах. Оборудование стоило денег, поэтому примерно в двенадцать лет Томас начал работать. Он продавал газеты, фрукты и сладости пассажирам железной дороги между Порт-ГурОном и Детройтом. Работа оказалась очень полезной. Эдисон научился самостоятельно вести торговлю, рассчитывать прибыль и общаться с покупателями. Кроме того, железная дорога познакомила его с техникой, которая впоследствии определила всю его жизнь.

К середине XIX века телеграф стремительно менял Соединённые Штаты. Железнодорожные диспетчеры передавали сообщения о движении поездов, предприниматели обменивались деловой информацией, газеты получали новости. Эдисон очень заинтересовался телеграфным оборудованием. Как известно, однажды Томас спас сына начальника железнодорожной станции от приближающегося поезда. В благодарность отец ребёнка научил его пользоваться телеграфом.

Вскоре Томас освоил азбуку Морзе и начал работать профессиональным телеграфистом. Аппараты в то время работали далеко не идеально. Контакты загрязнялись, механизмы заедали, сигналы становились неразборчивыми. (вот тут сделать небольшую паузу, я слишком много отрезала) Эдисону приходилось постоянно разбираться с неисправностями, и постепенно он начал вносить изменения в конструкцию аппаратов, чтобы они работали быстрее и надёжнее.

В 1869 году Эдисон переехал в Нью-Йорк. Здесь быстро развивался финансовый рынок, а брокерским компаниям требовалось получать сведения о стоимости акций. Для этого использовали специальные телеграфные аппараты — тикеры, которые печатали на бумажной ленте сведения о ценах на акции.

Эдисон занялся усовершенствованием этих устройств и вскоре разработал несколько удачных конструкций. За права на свои разработки он получил около сорока тысяч долларов. Для молодого изобретателя это были огромные деньги. Теперь он мог не только проводить эксперименты, но и нанимать сотрудников, покупать оборудование и организовывать собственное производство.

В 1870 году Эдисон открыл мастерскую в Ньюарке, штат Нью-Джерси. Здесь изготавливали телеграфные аппараты и разрабатывали новые электротехнические устройства. В том же году он женился на молодой сотруднице своей мастерской. Но семейная жизнь редко заставляла Эдисона сокращать рабочий день. Он мог часами проводить эксперименты, оставаться в мастерской на ночь и возвращаться домой только утром.

Тем временем его репутация продолжала расти. Одним из важнейших достижений стал квадроплексный телеграф, позволявший одновременно передавать по одному проводу четыре сообщения. Для телеграфных компаний это было настоящим подарком. Вместо строительства дополнительных линий они могли увеличить пропускную способность уже существующих.

В 1876 году Эдисон переехал в Менло-Парк, штат Нью-Джерси, и организовал там новую лабораторию. В отличие от обычных мастерских, Менло-Парк создавался специально для постоянной исследовательской работы. Здесь находились станки, измерительные приборы, химические вещества, электрические батареи и материалы для изготовления опытных образцов.
Рядом с Эдисоном работали механики, чертёжники и экспериментаторы. Одним из таких важных сотрудников стал Чарльз Бэтчелор. Он познакомился с Эдисоном в период его работы в Ньюарке и вскоре стал одним из ближайших помощников.

Чарльз Бэтчелор отличался аккуратностью, терпением и умением превращать идеи в работающие конструкции. Если Эдисон предлагал новый принцип, Бэтчелор помогал проверить его на практике, подбирал материалы, изготавливал детали и участвовал в испытаниях. Их сотрудничество продолжалось десятилетиями.

Другим важным сотрудником был Джон Крюзи, опытный механик, способный по эскизам быстро изготовить необычное устройство. Постепенно в Менло-Парке сложилась команда, где изобретения создавались общими усилиями. Рабочий день здесь мог продолжаться до глубокой ночи. Иногда сотрудники спали прямо в лаборатории, чтобы утром немедленно вернуться к экспериментам.
Но содержание такой команды требовало постоянных денег. И однажды Эдисон решил, что за его исследования должна платить крупная телеграфная компания. В январе 1877 года Эдисон начал обсуждать с президентом Western Union Уильямом Ортоном финансирование лаборатории. Его предложение было довольно простым. Компания выделяет ему сто долларов еженедельно на проведение исследований, а взамен получает права на будущие изобретения в области телеграфии.

Для Western Union это было выгодно. Вместо содержания большого собственного исследовательского коллектива компания могла пользоваться результатами работы уже известного изобретателя. 29 января в документах лаборатории появляется запись о предложении Эдисона.
Переговоры продолжались несколько недель. И 22 марта 1877 года стороны подписали соглашение, предусматривавшее регулярное финансирование Менло-Парка в обмен на права на телеграфные и телефонные разработки.

Но интересы Western Union уже выходили далеко за пределы телеграфии. В компании внимательно следили за новым изобретением Александра Белла. И хотя телефон ещё казался многим дорогой технической игрушкой, руководство понимало: если устройство станет надёжным, люди смогут обмениваться информацией гораздо быстрее, чем телеграммами.

Однако использовать конструкцию Белла без разрешения было нельзя. Поэтому Эдисону предложили создать собственный телефонный аппарат.

Первые телефоны Белла использовали электромагнитный принцип. Когда человек говорил перед тонкой мембраной, она вибрировала. Эти движения изменяли магнитный поток в катушке и создавали слабый электрический сигнал. По проводам сигнал поступал к другому аппарату, где преобразовывался обратно в звук.

Проблема заключалась в том, что электрическая энергия такого сигнала была небольшой. Эдисон решил использовать другой принцип. Он вспомнил необычное свойство углеродистых материалов, с которым столкнулся ещё во время телеграфных экспериментов.

Несколькими годами ранее он создавал искусственные модели длинных телеграфных кабелей и использовал углеродистые вещества для получения большого электрического сопротивления.
Но сопротивление оказалось нестабильным. Стоило слегка изменить давление или потревожить материал, как показания приборов менялись. Для телеграфных экспериментов это было неудобно.
Для телефона — почти идеально.

Здесь нужно обратить внимание на принципиальное отличие от телефона Белла.
В раннем электромагнитном передатчике электрический сигнал создавался непосредственно движением мембраны, когда мы говорим. В угольном передатчике Эдисона энергия поступала от батареи, а мембрана лишь управляла изменением тока. Таким образом, роль голоса заключалась лишь в том, чтобы приводить мембрану в движение и тем самым «управлять клапаном», то есть угольным контактом, — который регулировал уже существующий ток батареи, а не создавать электрическую энергию с нуля. Это позволяло получать более сильные сигналы. Оставалось найти подходящий материал.
В январе 1877 года в Менло-Парке начались эксперименты. Вместе с Эдисоном над конструкцией работал Чарльз Бэтчелор, который помогал изготавливать детали, собирать электрические цепи и испытывать разные материалы.
Сначала инженеры экспериментировали с различными контактами и проводящими веществами. Но результаты были нестабильными. Иногда аппарат неплохо передавал отдельные слова, а затем начинал хрипеть, искажать речь или вовсе переставал работать.
Главная трудность заключалась в том, что электрическое сопротивление должно было изменяться непрерывно, вслед за мельчайшими изменениями человеческого голоса.
Если материал реагировал только на сильное давление, тихая речь почти не передавалась. А если контакт был слишком чувствительным, малейшее движение или сотрясение корпуса вызывало посторонние шумы.
Эдисон пробовал использовать графит и различные углеродистые смеси. Постепенно внимание исследователей привлекла ламповая сажа.
Для её получения в лаборатории оборудовали специальное помещение, где постоянно горели керосиновые лампы. На внутренних стенках их стеклянных колб оседал чёрный налёт. Сотрудники снимали его и собирали для дальнейших экспериментов.
Казалось бы, обыкновенная сажа. Но она обладала необходимыми электрическими свойствами.
Собранный материал прессовали под большим давлением, превращая в маленькие плотные элементы — угольные кнопки. Затем их устанавливали в телефонный передатчик.
Посмотрим, как был устроен такой аппарат.
В передней части находился раструб, в который говорил человек. За ним располагалась тонкая мембрана. Когда на неё попадали звуковые волны, она начинала вибрировать.
Позади мембраны устанавливалась угольная кнопка, заключённая между проводящими контактами. В одной из конструкций Эдисона использовались тонкие платиновые пластинки, соприкасавшиеся с угольным элементом.
Через эту систему проходил ток от электрической батареи.
Когда человек начинал говорить, мембрана колебалась и через небольшой механический элемент изменяла давление на угольную кнопку.
При увеличении давления сопротивление угольного элемента уменьшалось, и ток становился сильнее. При ослабевании давления сопротивление возрастало, и ток уменьшался.
Все эти изменения происходили с частотой звуковых колебаний. Таким образом, изменения электрического тока повторяли форму человеческой речи.
Но и здесь возникли сложности.
Во-первых, угольная кнопка должна была соприкасаться с металлическими контактами достаточно плотно, чтобы электрическая цепь не прерывалась.
Во-вторых, давление не должно было быть чрезмерным. Иначе мембране было бы трудно воздействовать на контакт, а чувствительность передатчика снижалась.
Поэтому в конструкции предусматривалась регулировка положения угольного элемента относительно мембраны. Инженеры могли изменять первоначальное давление и подбирать положение, при котором голос передавался наиболее разборчиво.
Не менее важной оказалась и сама мембрана. Её толщина, упругость и способ крепления влияли на качество звука.
Если мембрана была слишком жёсткой, она плохо реагировала на слабые звуки. Слишком тонкая могла давать нежелательные колебания и искажения.
Вернёмся в сентябрь 1877 года. Эдисон продолжал поддерживать связь с Ортоном, демонстрировал ему новые разработки и обсуждал коммерческое использование телефона. 17 сентября он показал президенту Western Union очередной вариант передатчика. Ортон остался доволен и заказал 150 комплектов телефонных аппаратов для подразделения Gold and Stock.
Для лаборатории это стало важным событием.

Экспериментальное устройство впервые заинтересовало заказчика не как научная демонстрация, а как оборудование, которое нужно изготовить в значительном количестве. Однако изготовить несколько аппаратов для опытов и организовать выпуск полутора сотен комплектов — совершенно разные задачи.

Требовалось обеспечить одинаковое качество деталей, правильно собрать электрические цепи и проверить работу каждого устройства. Сотрудники Менло-Парка продолжали совершенствовать конструкцию, а производство постепенно передавалось специализированным мастерским. Но именно теперь возникла проблема, которую нельзя было решить при помощи паяльника или электрической батареи.

В ноябре 1877 года Western Union организовала American Speaking Telephone Company.
Новая компания объединила интересы Western Union в телефонных разработках Эдисона с патентами Элиши Грея. На рынке фактически появились два конкурирующих направления.

Компания Белла располагала основными патентами на электрическую передачу речи. Western Union имела развитую телеграфную инфраструктуру, финансовые возможности и собственные технические разработки. Тем временем противостояние компаний перешло в судебную плоскость.

Судебные процессы касались не только конструкций устройств, но и фундаментального вопроса: кому принадлежало право коммерчески использовать электрический телефон? В 1879 году стороны пришли к соглашению. Western Union отказалась от собственного телефонного бизнеса и передала соответствующие активы и права в компанию Белла, получив взамен долю доходов от телефонной деятельности.

Получилась любопытная ситуация. Эдисон разрабатывал передатчик для конкурента Белла, но впоследствии технология угольного микрофона получила широкое распространение именно в телефонной системе Белла.

Сам Эдисон к тому времени уже увлёкся совсем другим изобретением. (наша отбивочка)

Во время работы над телефоном Эдисон постоянно наблюдал, как человеческий голос заставляет колебаться тонкую мембрану. А из опыта работы с телеграфом он знал, что движения механизма можно записывать на бумажной ленте. Возник вопрос: что, если соединить эти два принципа и заставить мембрану непосредственно записывать колебания человеческого голоса?

Сама идея зафиксировать звуковые колебания была не новой. Ещё в 1857 году французский изобретатель Эдуар-Леон Скотт де Мартенвиль создал аппарат, записывавший звуковые волны в виде линий. Однако воспроизвести такую запись он не мог. Главное достижение Эдисона заключалось в том, что его фонограф позволял не только сохранить звук, но и снова услышать его.

Эдисон предположил, что колебания мембраны можно передать тонкой игле, которая будет оставлять соответствующие следы на мягком материале. А если затем заставить иглу пройти по этим следам, мембрана повторит первоначальные колебания и воспроизведёт звук. 18 июля 1877 года Эдисон записал в рабочем журнале результаты одного из таких опытов.

В качестве записывающей поверхности он использовал бумагу, покрытую парафином. Во время разговора игла, соединённая с мембраной, оставляла на ней неровные отметки.
Оставалось проверить, сможет ли эта запись снова заставить мембрану вибрировать.

Чарльз Бэтчелор позднее вспоминал, как они пытались воспроизвести записанный звук. Полоску бумаги возвращали в исходное положение и снова протягивали под иглой.
Аппарат действительно издавал звуки, напоминавшие человеческую речь, но разобрать слова было практически невозможно.
Проблема заключалась в том, что бумага должна была двигаться с одинаковой скоростью и при записи, и при воспроизведении. Кроме того, игла не всегда попадала в оставленные углубления, а сама бумага быстро повреждалась.

Эдисон продолжил эксперименты и в конце концов решил заменить бумажную ленту вращающимся цилиндром.
В конце ноября он подготовил чертежи нового устройства и поручил механику Джону Крюзи изготовить опытный образец.
Цилиндр обернули тонкой оловянной фольгой и установили на металлическом валу с ручкой. При вращении он не только поворачивался, но и постепенно смещался вдоль своей оси благодаря винтовому механизму.
Это позволяло игле оставлять на поверхности цилиндра непрерывную спиральную дорожку.

В аппарате использовались два узла с мембранами и иглами. Один служил для записи звука, другой — для его воспроизведения. (я случайно удалила это)
Во время записи игла под действием колебаний мембраны оставляла на фольге углубления. При воспроизведении другая игла следовала по записанной дорожке, заставляя мембрану колебаться и снова создавать звук.

И самое интересное — электричество для этого не требовалось. Весь механизм работал исключительно за счёт механического движения.

В начале декабря 1877 года Джон Крюзи закончил изготовление первого цилиндрического фонОграфа.
Эдисон наклонился к рупору, начал вращать ручку и произнёс детский стишок «Mary Had a Little Lamb» — «У Мэри был маленький ягнёнок».
Затем цилиндр вернули в начало и запустили воспроизведение.
Машина повторила произнесённые слова.
По воспоминаниям Эдисона, результат удивил даже его самого. Он предполагал, что устройство сможет воспроизводить отдельные звуки, но не был уверен, что человеческая речь окажется разборчивой.

7 декабря 1877 года Эдисон вместе с Бэтчелором отправились в редакцию журнала Scientific American в Нью-Йорке.
Они установили фонограф на стол и продемонстрировали журналистам. Аппарат заговорил, поинтересовался здоровьем присутствующих и даже пожелал им спокойной ночи.
Реакция оказалась восторженной. Вскоре газеты начали писать о говорящей машине, а Эдисона прозвали волшебником из Менло-Парка.
Однако у первого фонографа было немало недостатков.
Оловянная фольга быстро изнашивалась, и после нескольких воспроизведений запись начинала искажаться. Скорость вращения цилиндра приходилось поддерживать вручную, поэтому голос мог звучать то быстрее, то медленнее.
Кроме того, для получения качественной записи требовалось говорить довольно громко и близко к рупору.

Эдисон рассчитывал использовать фонограф для записи писем, деловых сообщений и диктовки текстов. Но первые аппараты оказались слишком неудобными для повседневной работы.

Так эксперименты с телефонной мембраной положили начало развитию механической звукозаписи.

После успеха фонографа Эдисон стал одним из самых знаменитых изобретателей Америки.
Но на достигнутом он не остановился. В конце 1870-х годов его заинтересовало электрическое освещение. Эдисон начал разрабатывать не только долговечную лампу накаливания, но и целую систему электроснабжения: генераторы, кабели, распределительное оборудование и защитные устройства.

Сам Эдисон продолжал работать почти до конца жизни. 18 октября 1931 года он умер в возрасте восьмидесяти четырёх лет. За свою жизнь он получил 1093 патента США. Сегодня имя Томаса Эдисона обычно связывают с электрической лампой и фонографом. Но его вклад в развитие телефонной связи был не менее важным.

Белл доказал, что человеческую речь можно передавать по проводам при помощи электрических колебаний. Эдисон помог создать практичный передатчик, способный использовать энергию батареи для формирования более сильного речевого сигнала. Его угольный передатчик и последующие усовершенствования других инженеров стали основой телефонных микрофонов на многие десятилетия.
Благодаря этим разработкам телефон постепенно перестал быть экспериментальным устройством и превратился в надёжное средство связи, пригодное для повседневного использования. Однако история совершенствования телефона на этом не закончилась: практически одновременно с Эдисоном над улучшением передачи человеческого голоса работали и другие изобретатели, чьи разработки сыграли не менее важную роль в развитии телефонии. Но об этом в следующих выпусках!

Этот выпуск подготовили: ведущая – Ирина Маркова и звукорежиссер – Алексей Попов.