اتصال کوتاه

.

.

اولین تلاش ها برای ساخت رادار از ابتدای قرن بیست آغاز شد و نخستین دستگاه رادار که کارکرد آن به نمایش گذاشته شد، به سال 1904 میلادی برمی گردد. این رادار توسط «کریستیان هولزمایر» باشنده ی شهر « دوسلدورف» در آلمان اختراع شده بود. در آن زمان هنوز واژه ی «رادار» ابداع نشده بود و او دستگاه خود را «تله موبیل اسکوپ» نامیده بود که به معنی «نمایشگر چیزهای متحرک از دور» است.

«هاینریش هرتس» در جریان مجموعه ای از آزمایش های خود در طول سال های 1886 تا 1888 میلادی نشان داده بود که فلزات امواج رادیویی را بازتاب می دهند. برخی از دانشمندان در سال های دهه ی 1920 معتقد بودند که با استفاده از فن آوری «رادیو الکتریسیته» و امواج رادیویی می توان ارتفاع طبقه ی «یونسفر» در جوّ زمین را، که امواج الکترومغناتیسی را به سمت زمین بازتاب می دهد و باعث انتشار امواج در سطح کروی زمین و در فواصل بسیار دور از فرستنده می شود، اندازه گیری نمود. روش پیشنهادی آنان، سنجش اختلاف فاز بین موج ارسالی و موج دریافتی، و یا اندازه گیری زمان رفت و برگشت موجی که به صورت ضربه (پالس) کوتاهی ارسال گردد، بود.

طرح ابداعی «هولزمایر»، اما، برای مورد مصرف معینی پیش بینی شده بود: استفاده از امواج رادیویی برای آشکارسازی، موقعیت یابی و فاصله سنجی کشتی ها از یکدیگر. در مورد این اختراع مقاله ی کوتاهی در سال 1904 در نشریه ای به نام «الکتریکال مگزین» به این شرح چاپ شد:

..."دستگاهی که آقای هولزمایر از دوسلدورف معرفی کرده و کارکرد آن نزد موسسه ی ثبت اختراعات «للوید آلمان شمالی» به نمایش گذاشته شده است، ابداع جدیدی بر مبنا و اساس «سامانه های تله گراف بی سیم» است و برای تشخیص کشتی ها و دیگر اشیای فلزی در دریا در نظر گرفته شده است. در تله گراف بی سیم، فرستنده و گیرنده جدای از یکدیگر، در دو کشتی مختلف قرار دارند، اما در «تله موبیل اسکوپ» هر دو دستگاه گیرنده و فرستنده در یک کشتی نصب می شوند. این تجهیز به نحوی طراحی شده که امواج منتشره از دستگاه فرستنده ی آن نمی تواند مستقیماً به دستگاه گیرنده برسد و بایستی از طریق بازتاب یافتن توسط یک شیئ فلزی (مثلاً از یک کشتی دیگر) به گیرنده ی آن برسد. بنابراین، امواج در این سامانه یک مسیر رفت و برگشت را می پیمایند.

برتری این اختراع اساساً در این است که هر شناوری که به آن مجهز شود، قادر خواهد بود از وجود شناورهای دیگر در پیرامون خود آگاه شود. همچنین می توان به کمک این دستگاه، در حالی که به علت مِه غلیظ، دید مستقیم و یا دید از طریق علامت دهی با چراغ یا دود وجود نداشته باشد، فاصله ی شناورهایی را که در فاصله ی 3 تا 5 کیلومتری شناور خودی قرار دارند، به ناخدا اطلاع داد تا با اصلاح به موقعِ مسیر حرکت، از خطر برخورد بین کشتی ها پیش گیری شود. آزمایش ها با این تجهیز، حتی با یک نوع کوچک آن که برای فواصل کوتاه تر در نظر گرفته شده بود نیز نتایج رضایت بخشی به دست داد"...

اختراع هولزمایر در سال 1902 ذیل شماره ی 13170 در اداره ی ثبت اختراعات بریتانیا به ثبت رسید. او طرح بهبود یافته ای از این اختراع را نیز در همان سال به شماره ی 25608 ثبت نمود.

.

.

شماتیک طرح اولین اختراع او در تصویر 1 دیده می شود. یک سیم پیچ القایی (d) در داخل یک ظرف نیم کروی (c) ولتاژ خیلی زیادی تولید می کند. این ولتاژ از داخل یک محور توخالی (e) به رینگ های (f, f‘) وصل می شود. دو جاروبک k و i ولتاژ زیاد را از روی رینگ ها برداشته و به یک «فرستنده ی جرقه ای» از نوعی که توسط «هاینریش هرتس» اختراع کرده بود، می رسانند.

برای کوتاه کردن طول زمان جرقه های ایجاد شده در این فرستنده، الکترودهای کروی مربوطه (h) در داخل روغن قرار داده شده اند. دو الکترود دیگر روی دو میله ی m قرار دارند که این میله ها به میله های ضربدری کوچک تری مجهز می باشند.

خازن لازم در مدار توسط فاصله ی هوایی بین الکترودهای h و میله ی m شکل گرفته است و هنگامی که ولتاژ به اندازه ی کافی بزرگ باشد، باعث تخلیه ی الکتریکی انرژی ذخیره شده در سیم پیچ و ایجاد جرقه ای در فاصله ی مذکور می شود. نتیجه ی این جرقه، تولید «نوسان های میرا» همراه با میدان های الکتریکی و مغناتیسی با فرکانس زیاد است که به صورت ضربه یا پالس کوتاهی در فضا منتشر می شوند.

عنصر بازتاب دهنده ی M همراه با عضو لوله مانند l این تشعشعات را وادار می کند که فقط در یک جهت انتشار پیدا کنند. سطح مقطع بازتاب دهنده و لوله را می توان همچنین در ترسیم های کوچک در بالای همان تصویر ملاحظه نمود. اگر بخواهیم عمل این دو عنصر را از زبان خود هولزمایر بشنویم، باید به جمله ی زیر که از برگه ی گواهی ثبت اختراع از او نقل می شود، دقت نماییم:

... "یک پروژکتور که امواج الکتریکی را به شکل یک استوانه دسته می کند"...

لوله ی l روی آستین g که به هر سمت و سوی دلخواه قابل چرخاندن است، نصب شده است. بر بالای این فرستنده ی جرقه ای، صفحه ی فلزی t قرار دارد که از نظر الکتریکی از فرستنده عایق و «شیلد» شده است. روی این صفحه ی جداساز، آنتن گیرنده قرار گرفته است. عایق نیم استوانه ای n همراه با لوله ی فرستنده می چرخد، به نحوی که سمت و سوی آن در همان جهتی واقع است که آنتن فرستنده در آن قرار دارد و در نتیجه، فقط با بازتاب علایم ارسالی از فرستنده ی خود روبرو می شود و آنتن گیرنده را از دریافت علایم تداخلی از جهت های دیگر و پارازیت های جانبی محفوظ و مصون نگه می دارد.

مجموعه ای که در بالا تشریح شد، روی یک کاسه ی معلق نصب شده تا اثرات حرکات عمودی (بالا و پایین رفتن دماغه یا انتهای کشتی در اثر امواج آب) و حرکات پیچشی (متمایل شدن کشتی به سمت پهلوهای آن) را خنثی و جبران کند.

.

.

آنتن گیرنده توسط سیم 'o به یک گیرنده از نوع «کوهرر» (Coherer)، که در تصویر 2 ملاحظه می شود، وصل شده است. لازم به یادآوری است، در آن زمان که هنوز دیود یکسوساز، یا بهتر بگوییم «دیود آشکارساز» اختراع نشده بود، برای آشکارسازی حضور علایم فرکانس بالا از این عنصر الکترومکانیکی استفاده می شد. کوهرر را به شکل های مختلفی می ساختند، اما همگی اساس یکسانی داشتند و از مقداری برّاده ی ریز فلزی تشکیل شده بودند که میان دو الکترود به صورت اتصال یا کنتاکت فلزی در داخل یک استوانه ی باریک شیشه ای قرار داشتند. در حالت عادی، مقاومت الکتریکی میان دو اتصال این افزاره بسیار زیاد بود، اما هنگامی که یک ولتاژ، مانند آنچه که از یک فرستنده پخش شده و به یک آنتن گیرنده القا می شود، به آن می رسید، شکل قرارگیری ذرات فلز درون استوانه ی شیشه ای تغییر می کرد و مقاومت الکتریکی این مجموعه به نحو قابل توجهی کاهش می یافت. این تغییر در مقدار مقاومت الکتریکی، از طریق اتصال دیگر کوهرر به یک باتری و یک عقربه ی گالوانومتر، یا یک گوشی تلفن دریافت و برای متصدی دستگاه آشکار و قابل درک می شد.

مشکلی که در گیرنده های کوهرری وجود داشت این بود که ذرات فلز درون کوهررها، پس از پایان علایم دریافتی، همچنان وضعیت تازه ی خود را حفظ می کردند. به همین علت، پس از هر بار دریافت علایم، می بایستی آن را یک بار تکان داد و یا تلنگری بر آن زد تا به وضعیت اولیه ی پرمقاومت خود بازگردد و برای دریافت علایم بعدی آماده شود. به این علت بود که در آن زمان یک وسیله ی ضربه زن، یک نوع چکّش کوچک، ابداع شد که عمل لرزاندن کوهرر را پس از هر بار دریافت علایم، به طور خودکار انجام می داد.

هولزمایر در شرح اختراع خود توضیح داده بود که چرخش آنتن های فرستنده و گیرنده بایستی به آرامی و گام به گام و به صورت پله پله انجام شود و برای انجام این کار استفاده از ساز و کار ساعت و یا الکتروموتور را پیشنهاد کرده بود. مکانیسم ساعت یا الکتروموتور می بایستی با صفحه ی مدوّر q درگیر شود. همین صفحه، هنگام دریافت یک علامت فرکانس بالا، جهت شناور غریبه را از طریق یک ساز و کار مکانیکی به افسر مسوول دستگاه اعلام می کرد.

اختراعی که شرح آن داده شد، فقط می توانست جهتی را که علایم از سوی آن بازتاب می یافتند، نشان دهد. هولزمایر، اما، در ثبت اختراع دوم خود تشریح نمود که اگر ارتفاع آنتن (H) و زاویه ی انتشار علایم (Θ) معلوم باشد (تصویر 2-چپ)، با استفاده از روابط ساده ی مثلثاتی می توان فاصله ی شناور بازتابنده ی امواج فرستنده ی تله موبیل اسکوپ را تعیین نمود. در این راه دو وسیله ی جدید به سامانه ی پیشین افزوده شده بود (تصویر 3): یک میله ی افقی (Q) که بر روی صفحه ی عایق ساز t نصب می شد، و یک وزنه (G) که می توانست در طول این میله بلغزد که با حرکت دادن آن می شد زاویه ی تمایل کلّ سامانه را نسبت به افق (در نتیجه ی چرخش و تمایل «کاسه ی معلق») تنظیم کرد. به این ترتیب، امکان آن به دست می آمد که فرستنده تشعشعات خود را با هر زاویه ی عمودی Θ ارسال کند. سنجش فاصله نیز بعداً می توانست به عنوان تابعی از موقعیت وزنه، به سادگی و بدون نیاز به محاسبات مثلثاتی، از روی درجه بندی روی میله ی افقی قرائت شود.

.

.

هنگام دریافت یک علامتِ بازتابیده به دستگاه، افسر مربوطه می بایست زاویه ی ارسال علایم را چند بار تغییر دهد تا نقطه ای را که بیشترین علایم از آنجا دریافت می شد، پیدا کند. با خواندن موقعیت وزنه، فاصله ی شناور هدف معین می شد.

در طول دو دهه ی اول قرن بیستم انواع مختلفی از تله موبیل اسکوپ با تغییرات و اصلاحاتی بسیار اساسی به عرصه رسید که نمونه ای از آن در تصویر 4 دیده می شود. این نمونه از تله موبیل اسکوپ در موزه ی مونیخ در معرض نمایش قرار دارد. در این تصویر، در سمت چپ آنتن گیرنده ، و در سمت راست فرستنده قرار دارد. در 1978، پس از گذشت بیش از 70 سال (از سال 1904) از ساخته شدن، این دستگاه به باتری وصل شده و همچنان به خوبی کار می کند. بُرد آن 3 هزار متر است. این سامانه ی رادار در تاریخ 16 ژانویه 1906 به شماره ی 810150 در اداره ی اختراعات ایالات متحده به ثبت رسیده است.

.

.

به نظر می رسد که این اختراع یا بسیار جلوتر از توان علمی آن دوران قرار داشت و با سطح پیشرفت های فنی زمان خود همگام نبود، و یا امکان استفاده ی قابل اطمینان از نمونه های ساخته شده از آن به وجود نیامد، زیرا در بخش گیرنده، کوهرر می توانست فقط یک پاسخ بله/نه بدهد. تحت شرایط به دقت کنترل شده ی آزمایشگاهی احتمالاً ممکن بود یک مقدار کمّی از شدت سیگنال برگشتی را با اندازه گیری مقاومت داخلی کوهرر به دست آورد که با فاصله و/یا بزرگی شناور هدف تناسب داشته باشد، اما چنین نتایجی بیش از آن غیر قابل اعتماد بودند که بتوان از آنها در عمل و در شرایط یک محیط کاری سخت، مانند عرشه ی یک کشتی، استفاده نمود. بسیاری از تجربه گران و نویسندگان خاطر نشان کرده اند که چقدر این افزاره (کوهرر) نسبت به کوچک ترین لرزش های مکانیکی حساس است. بسیاری از این تجربه گران نیمه های شب را برای آزمایش های خود با کوهرر انتخاب می کردند تا لرزش ناشی از گام های عابران در خیابان پشت آزمایشگاه شان موجب اختلال در آزمایش هاشان نشود. در این صورت، چگونه می توان انتظار کاربرد مطمئن آن را در یک شناور با یک موتور بخار لَکَنتی داشت که تازه در آغوش امواج دریا بالا و پایین هم می رفت؟ همچنین، چگونه فرد می توانست اطمینان داشته باشد که با حرکات عمودی بالا و پایین رونده ی شناور، ارتفاع H در تصویر 2 همواره ثابت باقی بماند، در حالی که همزمان کشتی در جهت های دیگر نیز ممکن بود کژّ و مژّ شود؟ البته شاید نباید خیلی بدبین بود، چرا که در شرایطِ مِه غلیظ، دریا معمولاً بسیار آرام است!

اما شاید تله موبیل اسکوپ هم مانند صدها اختراع دیگر در سال های پرالتهاب نیمه ی اول قرن بیستم، با جنگ های جهانی و انقلاب های بزرگ اش، به بوته ی فراموشی سپرده شد و هیچ سرمایه گذاری به تولید و بازاریابی آن همت نگماشت.

این احتمال هم وجود دارد که به علت استفاده از این اختراع در ناوهای جنگیِ نیروی دریاییِ قیصر ویلهلم در آلمان، مدارک فنی اختراع مذکور به گاوصندوق های ارتش سپرده شدند و موانعی این چنینی بر سر راه معرفی عمومی، تولید و استفاده ی وسیع از این اختراع برای مقاصد غیرنظامی بروز کرده باشد.

.

.    

مطالب مرتبط:

چگونه «انتشار الکتریکی نیرو» کشف شد؟

بیایید با هم جادوی مخابرات بی سیم را دوباره کشف کنیم!

.

.