Pupin Coil

Pupins  spole är en induktor som används på kabelkommunikationslinjer för att öka räckvidden för telefonkommunikation. Uppkallad efter Mikhail Pupin , professor vid Columbia University, som fick det första patentet för det.

Historik

I början av utvecklingen av telefonkommunikation uppstod problemet med omöjligheten av kommunikation över långa avstånd på grund av förvrängningen av den elektriska signalen i kabellinjen på grund av närvaron av en distribuerad induktans i ledarna och en fördelad kapacitans mellan ledare. Telegrafsignalen gick igenom linjen utan problem, eftersom den hade ett relativt lågt frekvensspektrum. Frekvensspektrumet för telefonsignalen var mycket bredare, vilket ledde till att samtalspartnerna efter flera tiotals kilometer inte kunde urskilja varandras tal på grund av betydande dämpning (dämpning) av högfrekvenskomponenterna i spektrumet [1 ] .

Det enklaste sättet att minska linjedämpningen för de högfrekventa komponenterna i telefonsignalen var att på konstgjord väg öka linjeinduktansen. Columbia University professor Mikhail Pupin föreslog att induktorer skulle inkluderas i serie i en linje, han kunde beräkna hur många sådana spolar som skulle behövas och vilka intervall som skulle vara mellan dem, baserat på Lagranges analytiska mekanik . 1894, när han studerade utbredningen av vågor i en vibrerande sträng, noterade han att vågor försvann långsammare om vikter hängdes upp från strängen med jämna mellanrum, och tillämpade denna upptäckt på en telefonlinje [2] [3] . I december 1899 lämnade han in en ansökan och i juni 1900 fick han ett patent [4] .

Heavisides forskning

Mycket tidigare, 1887, gjorde Oliver Heaviside [* 1] ett liknande förslag med matematisk motivering . Han ägde också idén (1893 [6] ) av en extra spole av koppartråd med en induktans som är större än den för ett givet segment av kabellinjen [1] . Heaviside visade att det är möjligt att minimera ökningen av dämpningen av en kabelkommunikationslinje med ökande frekvens om linjeparametrarna per längdenhet är relaterade av relationen [7] :

var

 - aktivt elektriskt motstånd ;  - kapacitet;  - induktans;  - elektrisk ledningsförmåga .

Heaviside förde inte sitt förslag till praktisk tillämpning, och trodde att det skulle avvisas som absurt av det brittiska generalpostkontoret, där William G. Preece var den tekniska experten , "nedvärderande av teoretiker och inte ge vika för matematikernas idéer." Preece var Heavisides motståndare i tvisten - Preeces ekvation för att beräkna den maximala längden på en kabel för telefonkommunikation utan distorsion (i sin artikel 1887, som Heaviside svarade på tre månader senare med sin motivering) relaterade impedans och resistivitet och kapacitans, full längd , godtyckliga parametrar för kedjematerial och dess konfiguration. Men i praktiken tog Preeces ekvation inte hänsyn till alla funktioner i signalutbredning - till exempel "förbjöd" ekvationen en välfungerande telefonlinje från Boston-Chicago. Preeces uppenbara förkastande orsakades av Heavisides idé om möjligheten att eliminera signaldistorsion i linjen inte genom att minska, utan tvärtom, genom att öka dess induktans [1] .

Designad av AT&T

John S. Stone , som arbetade på American Bell Telephone Company (sedan 1899 - AT & T ) , försökte tillämpa Heavisides idéer på verkliga kommunikationslinjer . Stones idé var att använda en bimetallisk järn-kopparkabel som patenterades av honom 1896 [8] . En sådan kabel ökade ledningens induktans på grund av järnhalten och kunde med en viss utformning uppfylla Heaviside-villkoret. Emellertid lämnade Stone företaget 1899 utan att inse sin idé [5] .

AT&T-ingenjören George Campbell fick i uppdrag att fortsätta Stones kabelforskning men han övergav snart en sådan kabel till förmån för ytterligare spolar. Det var en oberoende uppfinning - Campbell var medveten om Heavisides teoretiska arbete, men var omedveten om Heavisides förslag att använda ytterligare spolar. Han demonstrerade sådana spolar på en 46 mil lång kabellinje i september 1899 och ansökte, något försenat, om ett patent [5] .

AT&T tvingades inleda en juridisk strid med Pupin om hans anspråk - Pupin var den första att patentera metoden, men Campbell hade redan gjort praktiska demonstrationer. Det fanns dock en risk att tvisten skulle sluta förklaras opatenterbar på grund av Heavisides tidigare arbete, så AT&T bestämde sig för att köpa en option på Pupins patent för en årlig avgift och betalade honom för nästan två decennier framöver [5] . Heavisides förtjänster fick inte vederbörlig uppskattning [1] .

Applikation

Processen att introducera induktorer på en kabelkommunikationslinje kallas pupinisering . Resultatet är förbättrad telefonsignalöverföring (standardfrekvensspektrum 0,3-3,4 kHz), men vid högre frekvenser är signalöverföringen betydligt sämre. Användningen av Pupin-spolar var senare oacceptabel, när högfrekventa teknologier ( xDSL , ISDN ) började introduceras på kabellinjer, eftersom pupinisering bryter mot homogeniteten hos det tvinnade paret och förvandlar det till ett lågpassfilter med en kraftigt ökande dämpning bortom passbandet.

Pupinisering användes särskilt flitigt på lokala telefonnät i USA (kommunikationsräckvidden ökade med 3-5 gånger [7] ) på grund av den relativt stora genomsnittliga längden på abonnentlinjer. På lokala telefonnät i Ryssland användes det ganska sällan. Till exempel hade MGTS- nätverket cirka 5 % av laddade kablar, men även samtidigt fanns det en betydande sannolikhet att dessa spolar skulle påträffas på linjen under utbyggnaden av xDSL-teknik.

För att detektera Pupin-spolar i kommunikationsledningar används kabelreflektometrar med funktionen att söka och räkna spolar.

Anteckningar

Kommentarer
  1. ↑ Mikhail Pupin nämner i sina memoarer tillsammans med Heaviside den franske matematiska fysikern Aimé Vashi , som också studerade den matematiska teorin om telefonöverföring och kom fram till att linjeinduktansen borde ökas. Samtidigt noterar Pupin att "Vashi var före Heaviside med ungefär två år" och att slutsatserna från dessa forskare inte var en viktig upptäckt för honom, eftersom ungefär tjugo år innan " Thomsons och Kirchhoffs arbete gjorde denna observation uppenbart” [2] . Frågan kvarstår om Pupin kände till Heavisides och Vashis arbete när han hade idén om ytterligare induktorer. Av memoarerna följer att idén uppstod när han klättrade på berget 1894 [2] , även om inget från honom publicerades vid den tiden [5] .
Källor
  1. ↑ 1 2 3 4 Nahin Paul J. Oliver Heaviside Arkiverad 21 augusti 2012 på Wayback Machine . vivovoco.astronet.ru.
  2. ↑ 1 2 3 Pupin, Michael. Från invandrare till uppfinnare . - New York, London: Charles Scribners söner, 1949. - S. 330-336. Arkiverad 15 februari 2022 på Wayback Machine
  3. ↑ Michael Pupin - ETHW . ethw.org . Hämtad 13 februari 2022. Arkiverad från originalet 13 februari 2022.
  4. ↑ Pupin, M.I., Art of Reducing Attenuation of Electrical Waves and Apparatus Därför , US patent 0 652 230, inlämnat 14 december 1899, utfärdat 19 juni 1900.
  5. ↑ 1 2 3 4 Brittain, James E., "Introduktionen av laddningsspolen: George A. Campbell och Michael I. Pupin", Technology and Culture , vol. 11, nr. 1 (januari 1970), sid. 36-57, Johns Hopkins University Press på uppdrag av Society for the History of Technology.
  6. ↑ The Electrician , 1887 och återgiven (enligt Brittain) i Heaviside, O, Electromagnetic Theory , s.112
  7. ↑ 1 2 Pupinization // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 volymer]  / kap. ed. A. M. Prokhorov . - 3:e uppl. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1969-1978.
  8. ↑ Stone, MS, Electric Circuit , US patent 0 578 275, inlämnad 10 september 1896, utfärdat 2 mars 1897.

Litteratur

Länkar