Pupin Coil

Pupinova cívka  je induktor používaný na kabelových komunikačních linkách ke zvýšení rozsahu telefonní komunikace. Pojmenován po Michailu Pupinovi , profesorovi na Kolumbijské univerzitě, který na něj získal první patent.

Historie

Na úsvitu rozvoje telefonních komunikací vyvstal problém nemožnosti komunikace na velké vzdálenosti v důsledku zkreslení elektrického signálu v kabelovém vedení v důsledku přítomnosti distribuované indukčnosti ve vodičích a distribuované kapacity mezi vodičů. Telegrafní signál procházel vedením bez problémů, neboť měl poměrně nízké frekvenční spektrum. Kmitočtové spektrum telefonního signálu bylo mnohem širší, v důsledku čehož po několika desítkách kilometrů nemohli účastníci hovoru navzájem rozeznat řeč z důvodu výrazného útlumu (útlumu) vysokofrekvenčních složek spektra [1 ] .

Nejjednodušším způsobem, jak snížit útlum vedení pro vysokofrekvenční složky telefonního signálu, bylo umělé zvýšení indukčnosti vedení. Profesor Kolumbijské univerzity Michail Pupin navrhl zahrnout induktory do série v řadě, na základě Lagrangeovy analytické mechaniky byl schopen vypočítat, kolik takových cívek by bylo potřeba a jaké intervaly by mezi nimi měly být . V roce 1894, když studoval šíření vln ve vibrující struně, poznamenal, že vlny se rozptýlily pomaleji, pokud byla na struně zavěšena závaží v pravidelných intervalech, a aplikoval tento objev na telefonní linku [2] [3] . V prosinci 1899 podal přihlášku a v červnu 1900 obdržel patent [4] .

Heavisideův výzkum

Mnohem dříve, v roce 1887, Oliver Heaviside [* 1] předložil podobný návrh s matematickým odůvodněním . Vlastnil také nápad (1893 [6] ) dodatečné cívky z měděného drátu s indukčností větší než má daný segment kabelového vedení [1] . Heaviside ukázal, že je možné minimalizovat nárůst útlumu kabelové komunikační linky s rostoucí frekvencí, pokud jsou parametry linky na jednotku délky ve vztahu [7] :

kde

 - aktivní elektrický odpor ;  - kapacita;  - indukčnost;  - elektrická vodivost .

Heaviside nedovedl svůj návrh k praktickému použití, protože se domníval, že by byl britskou Generální poštou, kde byl William G. Preece technickým expertem, odmítnut jako absurdní , „znevažující teoretiky a neustupující myšlenkám matematiků“. Preece byl Heavisideovým oponentem ve sporu - Preeceova rovnice pro výpočet maximální délky kabelu pro telefonní komunikaci bez zkreslení (ve svém článku z roku 1887, na který Heaviside odpověděl o tři měsíce později se svým odůvodněním) související s impedancí a odporem a kapacitou, plná délka , libovolné parametry materiálů řetězu a jeho konfigurace. V praxi však Preeceova rovnice nepočítala se všemi rysy šíření signálu – rovnice například „zakazovala“ jednu dobře fungující telefonní linku Boston-Chicago. Preeceovo zjevné odmítnutí způsobila Heavisideova myšlenka o možnosti eliminovat zkreslení signálu ve vedení nikoli snížením, ale naopak zvýšením jeho indukčnosti [1] .

Designed by AT&T

John S. Stone , který pracoval v American Bell Telephone Company (od roku 1899 - AT&T ) , se pokusil aplikovat Heavisideovy myšlenky na skutečné komunikační linky . Stoneovým nápadem bylo použít bimetalický železno-měděný kabel patentovaný jím v roce 1896 [8] . Takový kabel díky obsahu železa zvýšil indukčnost vedení a při určitém provedení mohl splnit podmínku Heaviside. Stone však v roce 1899 společnost opustil, aniž by svůj nápad realizoval [5] .

Inženýr AT&T George Campbell byl pověřen, aby pokračoval ve Stoneově výzkumu kabelů ale brzy takový kabel opustil ve prospěch dalších cívek. Byl to nezávislý vynález – Campbell věděl o Heavisideově teoretické práci, ale nevěděl o Heavisideově návrhu použít další cívky. Takové cívky předvedl na 46mílovém kabelovém vedení v září 1899 a poněkud opožděně požádal o patent [5] .

Společnost AT&T byla nucena vstoupit do právní bitvy s Pupinem kvůli jeho nároku - Pupin byl první, kdo si metodu patentoval, ale Campbell již provedl praktické ukázky. Existovalo však riziko, že soudní spor bude prohlášen za nepatentovatelný kvůli dřívější práci Heaviside, a tak se AT&T rozhodlo koupit opci na Pupinův patent za roční poplatek a zaplatilo mu téměř dvě desetiletí [5] . Zásluhy Heaviside nebyly náležitě oceněny [1] .

Aplikace

Proces zavádění induktorů na kabelové komunikační lince se nazývá pupinizace . Výsledkem je zlepšený přenos telefonního signálu (standardní frekvenční spektrum 0,3-3,4 kHz), ale na vyšších frekvencích je přenos signálu výrazně horší. Použití Pupinových cívek bylo později nepřijatelné, když se na kabelových vedeních začaly zavádět vysokofrekvenční technologie ( xDSL , ISDN ), protože pupinizace narušuje homogenitu kroucené dvoulinky a mění ji na dolnopropustný filtr s prudce rostoucím útlumem. za pasem.

Pupinizace byla zvláště hojně využívána na místních telefonních sítích ve Spojených státech amerických (dosah komunikace se zvýšil 3–5krát [7] ) kvůli relativně velké průměrné délce účastnických linek. V místních telefonních sítích v Rusku se používal poměrně zřídka. Například síť MGTS měla cca 5 % zatížených kabelů, nicméně i ve stejnou dobu byla značná pravděpodobnost, že se s těmito cívkami na lince při nasazení technologií xDSL setkáte.

Pro detekci Pupinových cívek v komunikačních linkách se používají kabelové reflektometry s funkcí vyhledávání a počítání cívek.

Poznámky

Komentáře
  1. ↑ Michail Pupin ve svých pamětech spolu s Heavisidem zmiňuje francouzského matematického fyzika Aimé Vashiho , který se také zabýval matematickou teorií telefonního přenosu a došel k závěru, že je třeba zvýšit indukčnost vedení. Zároveň Pupin poznamenává, že „Vashi předběhl Heaviside asi o dva roky“ a že pro něj nebyly závěry těchto vědců důležitým objevem, protože asi dvacet let před tím „práce Thomsona a Kirchhoffa učinila toto pozorování zřejmé“ [2] . Otázkou zůstává, zda Pupin věděl o práci Heaviside a Vashi v době, kdy měl nápad na další induktory. Z memoárů vyplývá, že nápad vznikl při výstupu na horu v roce 1894 [2] , ačkoliv tehdy od něj nebylo nic publikováno [5] .
Prameny
  1. ↑ 1 2 3 4 Nahin Paul J. Oliver Heaviside Archivováno 21. srpna 2012 na Wayback Machine . vivovoco.astronet.ru.
  2. ↑ 1 2 3 Pupin, Michael. Od přistěhovalce k vynálezci . - New York, Londýn: Charles Scribner's Sons, 1949. - S. 330-336. Archivováno 15. února 2022 na Wayback Machine
  3. ↑ Michael Pupin - ETHW . ethw.org . Získáno 13. února 2022. Archivováno z originálu 13. února 2022.
  4. ↑ Pupin, M.I., Art of Reduceing Attenuation of Electrical Waves and Apparatus Proto , US patent 0 652 230, podaný 14. prosince 1899, vydaný 19. června 1900.
  5. ↑ 1 2 3 4 Brittain, James E., „Zavedení nabíjecí cívky: George A. Campbell a Michael I. Pupin“, Technologie a kultura , sv. 11, č. 1 (leden 1970), str. 36-57, The Johns Hopkins University Press jménem Společnosti pro dějiny technologie.
  6. ↑ The Electrician , 1887 a reprodukováno (podle Brittaina) v Heaviside, O, Electromagnetic Theory , s. 112
  7. ↑ 1 2 Pupinizace // Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
  8. ↑ Stone, MS, Electric Circuit , US patent 0 578 275, podaný 10. září 1896, vydaný 2. března 1897.

Literatura

Odkazy