Cohérent - Coherer

Cohéreur à limaille conçu par Guglielmo Marconi .

Le coherer était une forme primitive de détecteur de signal radio utilisé dans les premiers récepteurs radio pendant l' ère de la télégraphie sans fil au début du 20ème siècle. Son utilisation à la radio était basée sur les découvertes de 1890 du physicien français Édouard Branly et adaptées par d'autres physiciens et inventeurs au cours des dix années suivantes. L'appareil se compose d'un tube ou d'une capsule contenant deux électrodes espacées d'une petite distance avec de la limaille en vrac dans l'espace entre les deux. Lorsqu'un signal radiofréquence est appliqué à l'appareil, les particules métalliques s'accrochent ou « coherent », réduisant la haute résistance initiale de l'appareil, permettant ainsi à un courant continu beaucoup plus important de le traverser. Dans un récepteur, le courant activerait une cloche ou un magnétophone en papier Morse pour enregistrer le signal reçu. Les limailles métalliques dans le cohéreur sont restées conductrices après la fin du signal (impulsion) de sorte que le cohéreur a dû être "déchéré" en le tapant avec un battant actionné par un électro-aimant, chaque fois qu'un signal a été reçu, restituant ainsi le cohéreur à son original Etat. Les coherers sont restés largement utilisés jusqu'en 1907 environ, date à laquelle ils ont été remplacés par des détecteurs électrolytiques et à cristaux plus sensibles .

Histoire

Le comportement de particules ou de limaille en présence d'électricité ou d'étincelles électriques a été remarqué dans de nombreuses expériences bien avant l'article d'Édouard Branly de 1890 et même avant qu'il y ait eu preuve de la théorie de l' électromagnétisme . En 1835, le scientifique suédois Peter Samuel Munk a remarqué un changement de résistance dans un mélange de limaille en présence d'une décharge d'étincelle d'un pot de Leyde. En 1850, Pierre Guitard découvrit que lorsque l'air poussiéreux était électrifié, les particules auraient tendance à s'accumuler sous forme de cordes. L'idée que les particules pourraient réagir à l'électricité a été utilisée dans le pont de foudre de 1866 de l' ingénieur anglais Samuel Alfred Varley , un parafoudre attaché à des lignes télégraphiques constitué d'un morceau de bois avec deux pointes métalliques s'étendant dans une chambre. L'espace était rempli de poudre de carbone qui ne permettrait pas le passage des signaux télégraphiques à basse tension, mais qui conduirait et mettrait à la terre un coup de foudre à haute tension. En 1879, le scientifique gallois David Edward Hughes a découvert que les contacts lâches entre une tige de carbone et deux blocs de carbone ainsi que les granules métalliques dans un microphone qu'il développait répondaient aux étincelles générées dans un appareil voisin. Temistocle Calzecchi-Onesti en Italie a commencé à étudier le changement anormal de la résistance des films métalliques minces et des particules métalliques à Fermo / Monterubbiano . Il a découvert que la limaille de cuivre entre deux plaques de laiton s'accrocherait, devenant conductrice, lorsqu'il leur appliquait une tension. Il a également découvert que d'autres types de limaille auraient la même réaction aux étincelles électriques se produisant à distance, un phénomène qui, selon lui, pourrait être utilisé pour détecter les éclairs. Les articles de Calzecchi-Onesti ont été publiés dans il Nuovo Cimento en 1884, 1885 et 1886.

Le tube du circuit électrique de Branly rempli de limaille de fer (appelé plus tard "coherer")

En 1890, le physicien français Édouard Branly a publié sur les changements de résistance des corps dans différentes conditions électriques dans un journal français où il a décrit son enquête approfondie sur l'effet de minuscules charges électriques sur le métal et de nombreux types de limaille. Dans un type de circuit, la limaille était placée dans un tube de verre ou d'ébonite, maintenu entre deux plaques métalliques. Lorsqu'une décharge électrique se produisait au voisinage du circuit, une grande déviation était observée sur l' aiguille du galvanomètre attachée . Il a noté que la limaille dans le tube réagirait à la décharge électrique même lorsque le tube était placé dans une autre pièce à 20 mètres. Branly a ensuite conçu de nombreux types de ces appareils basés sur des contacts métalliques "imparfaits". Le tube à limaille de Branly a été mis au jour en 1892 en Grande-Bretagne lorsqu'il a été décrit par le Dr Dawson Turner lors d'une réunion de la British Association à Édimbourg. L'ingénieur électricien et astronome écossais George Forbes a suggéré que le tube de limaille de Branly pourrait réagir en présence d'ondes hertziennes, un type de rayonnement électromagnétique aéroporté dont l'existence a été prouvée par le physicien allemand Heinrich Hertz (appelées plus tard ondes radio ).

Récepteur coherer Marconi de 1896, au Musée d'histoire des sciences d' Oxford , Royaume-Uni. Le cohéreur est à droite, avec le mécanisme du décohéreur derrière lui. Le relais est dans le conteneur métallique cylindrique (centre) pour protéger le cohéreur du bruit RF de ses contacts.

En 1893, le physicien WB Croft expose les expériences de Branly lors d'une réunion de la Physical Society à Londres. Croft et d'autres ne savaient pas si la limaille du tube Branly réagissait aux étincelles ou à la lumière des étincelles. George Minchin a remarqué que le tube de Branly réagissait peut-être aux ondes hertziennes de la même manière que sa cellule solaire et a écrit l'article " L'action du rayonnement électromagnétique sur les films contenant des poudres métalliques ". Ces articles ont été lus par le physicien anglais Oliver Lodge qui a vu cela comme un moyen de construire un détecteur d'ondes hertziennes bien amélioré. Le 1er juin 1894, quelques mois après la mort de Heinrich Hertz, Oliver Lodge prononça une conférence commémorative sur Hertz où il démontra les propriétés des « ondes hertziennes » (radio), notamment leur transmission sur une courte distance, en utilisant une version améliorée de Le tube de limaille de Branly, que Lodge avait nommé le "coherer", comme détecteur. En mai 1895, après avoir pris connaissance des démonstrations de Lodge, le physicien russe Alexander Popov a construit un détecteur de foudre basé sur une « onde hertzienne » (onde radio) à l'aide d'un cohéreur. La même année, l'inventeur italien Guglielmo Marconi a fait la démonstration d'un système de télégraphie sans fil utilisant des ondes hertziennes (radio), basé sur un cohérent.

Le coherer a été remplacé dans les récepteurs par les détecteurs électrolytiques et à cristal plus simples et plus sensibles vers 1907, et est devenu obsolète.

Une utilisation mineure du coherer à l'époque moderne était par le fabricant japonais de jouets en fer blanc Matsudaya Toy Co. qui, à partir de 1957, a utilisé un émetteur à éclateur et un récepteur à base de coherer dans une gamme de jouets radiocommandés (RC), appelés Radicon ( abréviation de jouets radiocommandés). Plusieurs types différents utilisant le même système RC ont été vendus dans le commerce, y compris un Radicon Boat (très rare), Radicon Oldsmobile Car (rare) et un Radicon Bus (le plus populaire).

Opération

Le circuit d'un récepteur de cohérence, qui a enregistré le code reçu sur un magnétophone en papier Morse.

Contrairement aux stations de radio AM modernes qui transmettent une fréquence radio continue, dont l'amplitude (puissance) est modulée par un signal audio , les premiers émetteurs radio transmettaient des informations par télégraphie sans fil ( radiotélégraphie ), l'émetteur était allumé et éteint ( on-off keying ) pour produire des impulsions de différentes longueurs de signal d' onde porteuse non modulée , des "points" et des "tirets", qui énoncent des messages texte en code Morse . En conséquence, les premiers appareils de réception radio devaient simplement détecter la présence ou l'absence du signal radio, pas le convertir en audio. L'appareil qui a fait cela s'appelait un détecteur . Le coherer était le plus réussi de nombreux dispositifs de détection qui ont été essayés dans les premiers jours de la radio.

Le fonctionnement du cohéreur est basé sur le phénomène de résistance électrique de contact . Plus précisément, comme les particules métalliques sont cohérentes (s'accrochent), elles conduisent beaucoup mieux l'électricité après avoir été soumises à l' électricité à radiofréquence . Le signal radio de l'antenne a été appliqué directement à travers les électrodes du coherer. Lorsque le signal radio d'un "point" ou d'un "tiret" arrivait, le cohéreur devenait conducteur. Les électrodes du cohéreur étaient également reliées à un circuit CC alimenté par une batterie qui créait un son de "clic" dans les écouteurs ou un sondeur télégraphique , ou une marque sur une bande de papier, pour enregistrer le signal. Malheureusement, la réduction de la résistance électrique du cohéreur a persisté après la suppression du signal radio. C'était un problème car le cohéreur devait être prêt immédiatement à recevoir le prochain "point" ou "tiret". Par conséquent, un mécanisme de décohéreur a été ajouté pour exploiter le cohéreur, perturbant mécaniquement les particules pour le remettre à l'état de haute résistance.

La cohérence des particules par les ondes radio est un phénomène obscur qui n'est pas encore bien compris aujourd'hui. Des expériences récentes avec des cohéreurs de particules semblent avoir confirmé l'hypothèse selon laquelle les particules sont cohérentes par un phénomène de micro-soudure causé par l' électricité radiofréquence circulant à travers la petite zone de contact entre les particules. Le principe sous-jacent des cohéreurs dits "à contact imparfait" n'est pas non plus bien compris, mais peut impliquer une sorte de tunnelage des porteurs de charge à travers une jonction imparfaite entre les conducteurs.

Application

Le cohéreur tel que développé par Marconi se composait de limaille métallique (points) enfermée entre deux électrodes inclinées (noires) distantes de quelques millimètres, reliées à des bornes.

Le cohéreur utilisé dans les récepteurs pratiques était un tube de verre, parfois sous vide , qui était rempli à moitié environ de limaille de métal fortement coupée, souvent en partie en argent et en partie en nickel . Des électrodes d' argent sont entrées en contact avec les particules métalliques aux deux extrémités. Dans certains cohéreurs, les électrodes étaient inclinées afin que la largeur de l'espace occupé par la limaille puisse être modifiée en faisant tourner le tube autour de son axe long, ajustant ainsi sa sensibilité aux conditions dominantes.

En fonctionnement, le cohéreur est inclus dans deux circuits électriques distincts. L'un est le circuit antenne-terre illustré dans le schéma de circuit du récepteur non accordé ci-dessous. L'autre est le circuit du relais sirène batterie comprenant la batterie B1 et le relais R sur le schéma. Un signal radio du circuit antenne-masse "met en marche" le cohéreur, permettant la circulation du courant dans le circuit batterie-sondeur, activant la sirène, S . Les bobines, L , agissent comme des selfs RF pour empêcher la puissance du signal RF de fuir à travers le circuit de relais.

Un circuit récepteur radio utilisant un détecteur de cohérence (C) . Le "tapper" (décodeur) n'est pas représenté.

Une électrode, A , du cohéreur, ( C , dans le schéma de gauche) est connectée à l' antenne et l'autre électrode, B , à la masse . Une combinaison en série d'une batterie , B1 , et d'un relais, R , est également attachée aux deux électrodes. Lorsque le signal d'un émetteur à éclateur est reçu, les limaille ont tendance à s'accrocher les unes aux autres, réduisant la résistance du cohéreur. Lorsque le cohéreur conduit mieux, la batterie B1 fournit suffisamment de courant à travers le cohéreur pour activer le relais R , qui relie la batterie B2 au télégraphe sondeur S , produisant un clic audible. Dans certaines applications, une paire d'écouteurs a remplacé le sondeur télégraphique, étant beaucoup plus sensible aux signaux faibles, ou un enregistreur Morse qui a enregistré les points et les tirets du signal sur une bande de papier.

Un cohéreur avec "tapper" (décodeur) à électro-aimant, construit par le premier chercheur en radio Emile Guarini vers 1904.

Le problème des limaille continuant à s'accrocher et à se conduire après la suppression du signal a été résolu en tapotant ou en secouant le cohéreur après l'arrivée de chaque signal, en secouant les limaille et en augmentant la résistance du cohéreur à la valeur d'origine. Cet appareil s'appelait un décohéreur . Ce processus a été appelé « décohering » le dispositif et a fait l'objet de nombreuses innovations au cours de la vie de l'utilisation populaire de ce composant. Tesla , par exemple, a inventé un cohéreur dans lequel le tube tournait continuellement le long de son axe.

Dans les récepteurs pratiques ultérieurs, le décodeur était un battant semblable à une cloche électrique, actionné par un électro - aimant alimenté par le courant du cohéreur lui-même. Lorsque l'onde radio a allumé le cohéreur, le courant continu de la batterie a traversé l'électro-aimant, tirant le bras pour donner au cohéreur un robinet. Cela a ramené le cohéreur à l'état non conducteur, coupant le courant de l'électro-aimant, et le bras a rebondi. Si le signal radio était toujours présent, le cohéreur se rallumerait immédiatement, tirant sur le battant pour lui donner un autre coup, ce qui l'éteindrait à nouveau. Le résultat était un "tremblement" constant du battant pendant la période où le signal radio était allumé, pendant les "points" et les "tirets" du signal en code Morse.

Un système de freinage automatique pour locomotives ferroviaires, breveté en 1907, utilisait un cohéreur pour détecter les oscillations électriques dans une antenne continue le long de la voie. Si le canton devant le train était occupé, les oscillations étaient interrompues et le cohéreur, agissant par l'intermédiaire d'un relais, montrait un avertissement et appliquait les freins.

Cohéreur à jonction imparfaite

Il existe plusieurs variantes de ce que l'on appelle le cohéreur à jonction imparfaite. Le principe de fonctionnement (microsoudage) suggéré ci-dessus pour le cohéreur de limaille peut être moins susceptible de s'appliquer à ce type car il n'y a pas besoin de décohériser. Une variante de fer et de mercure sur cet appareil a été utilisée par Marconi pour le premier message radio transatlantique. Une forme antérieure a été inventée par Jagdish Chandra Bose en 1899. L'appareil consistait en une petite coupelle métallique contenant une flaque de mercure recouverte d'une très fine pellicule isolante d' huile ; au-dessus de la surface de l'huile, un petit disque de fer est suspendu. Au moyen d'une vis de réglage, le bord inférieur du disque est amené à toucher le mercure recouvert d'huile avec une pression suffisamment faible pour ne pas percer le film d'huile. Son principe de fonctionnement n'est pas bien compris. L'action de détection se produit lorsque le signal radiofréquence brise d'une manière ou d'une autre le film isolant d'huile, permettant à l'appareil de conduire, actionnant la sirène de réception câblée en série. Cette forme de cohérence est auto-restaurable et n'a pas besoin d'être décochée.

En 1899, Bose a annoncé le développement d'un « coherer fer-mercure-fer avec détecteur téléphonique » dans un article présenté à la Royal Society de Londres. Il a également reçu plus tard le brevet américain 755.840 , " Détecteur de perturbations électriques " (1904), pour un récepteur électromagnétique spécifique .

Anticoherer

Limites des cohéreurs

Parce qu'ils sont des détecteurs de tension de seuil, les cohéreurs avaient des difficultés à faire la distinction entre les signaux impulsionnels des émetteurs à éclateur et d'autres bruits électriques impulsionnels :

Ce dispositif [le coherer] a été présenté comme merveilleux, et il était merveilleusement erratique et mauvais. Cela ne fonctionnait pas quand cela aurait dû, et cela faisait des heures supplémentaires quand cela n'aurait pas dû.

Tout n'était que du poisson qui arrivait au filet du coherer, et l'enregistreur a noté des combinaisons de points et de tirets de manière assez impartiale pour les signaux légitimes, les perturbations statiques, un chariot qui glisse à plusieurs pâtés de maisons et même l'allumage et l'extinction des lumières dans le bâtiment. La traduction de la bande requérait souvent une brillante imagination

Les coherers étaient également difficiles à régler et peu sensibles. Un autre problème était qu'en raison de la lourdeur du mécanisme mécanique de "décodeur", le cohéreur était limité à une vitesse de réception de 12 à 15 mots par minute de code Morse, tandis que les opérateurs télégraphiques pouvaient envoyer à des vitesses de 50 WPM, et les machines à ruban à papier à 100 mots par minute.

Plus important pour l'avenir, le cohéreur ne pourrait pas détecter les transmissions AM (radio). En tant que simple interrupteur qui enregistrait la présence ou l'absence d'ondes radio, le cohéreur pouvait détecter le détrompage des émetteurs de télégraphie sans fil , mais il ne pouvait ni rectifier ni démoduler les formes d'onde des signaux radiotéléphoniques AM , qui ont commencé à être expérimentés dans le premières années du 20e siècle. Ce problème a été résolu par la capacité de rectification de la barrette à fil chaud et du détecteur électrolytique , développés par Reginald Fessenden vers 1902. Ceux-ci ont été remplacés par le détecteur à cristal vers 1907, puis vers 1912-1918 par des technologies de tube à vide telles que John Ambrose Fleming ' s diode thermoélectronique et Lee de Forest de Audion ( triode tube).

L'un des premiers coherers conçu par Édouard Branly. Construit par son assistant.
Un cohéreur "à billes", conçu par Branly en 1899. Ce type de contact imparfait avait une série de billes métalliques légèrement touchantes placées entre deux électrodes.
Cohéreur tripode, construit par Branly en 1902, autre type de contact imparfait. Bien que la plupart des cohéreurs aient fonctionné comme des "interrupteurs" qui activaient un courant continu à partir d'une batterie en présence d'ondes radio, il s'agissait peut-être de l'un des premiers détecteurs redresseurs (à diodes ), car Branly a signalé qu'il pouvait produire un courant continu sans batterie.
Un autre détecteur de trépied construit par Branly

Voir également

Lectures complémentaires

  • Phillips, Vivian J. (1980). Les premiers détecteurs d'ondes radio . Londres : Inst. des ingénieurs électriciens. ISBN 0906048249.. Une description complète des détecteurs radio jusqu'au développement du tube à vide, avec de nombreux types inhabituels de coherer.
  • Manchette, Thomas Mark (1993). Coherers, une critique. Philadelphie, PA, Temple University, thèse de maîtrise. Un compte rendu historique technique de la découverte et du développement des cohéreurs et des comportements de type cohéreur des années 1800 à 1993, y compris les recherches, dans les années 1950, sur l'utilisation des cohéreurs dans le nouveau domaine des ordinateurs numériques. Cette thèse a examiné les similitudes entre les cohéreurs et les détecteurs RF électrolytiques, les 'diodes' MOM (Metal-Oxide-Metal) utilisées dans l'hétérodynage laser, et le STM (Scanning Tunneling Microscope).

Les références

Liens externes