Fotofone - Photophone

Uma imagem de uma placa histórica de latão escurecido com uma mancha verde de corrosão escorrendo por ela, montada na parte externa de um prédio de tijolos.
Uma placa histórica na lateral da Escola Franklin em Washington, DC, que marca um dos pontos de onde o fotofone foi demonstrado
Um diagrama de um dos papéis de Bell de 1880

O fotofone é um dispositivo de telecomunicações que permite a transmissão da fala por um feixe de luz . Foi inventado em conjunto por Alexander Graham Bell e seu assistente Charles Sumner Tainter em 19 de fevereiro de 1880, no laboratório de Bell na 1325 L Street em Washington, DC. Ambos se tornaram sócios plenos na Volta Laboratory Association , criada e financiada por Bell.

Em 3 de junho de 1880, o assistente de Bell transmitiu uma mensagem telefônica de voz sem fio do telhado da Franklin School para a janela do laboratório de Bell, a cerca de 213 metros de distância.

Bell acreditava que o fotofone foi sua invenção mais importante . Das 18 patentes concedidas apenas em nome de Bell, e das 12 que ele compartilhou com seus colaboradores, quatro foram para o fotofone, que Bell chamou de sua "maior conquista", dizendo a um repórter, pouco antes de sua morte, que o fotofone era "o maior invenção [que eu] já fiz, maior do que o telefone ".

O fotofone foi um precursor dos sistemas de comunicação de fibra óptica que alcançaram uso popular em todo o mundo a partir da década de 1980. A patente principal do fotofone ( Patente dos EUA 235.199 Aparelho para Sinalização e Comunicação, denominado Fotofone ) foi emitida em dezembro de 1880, muitas décadas antes de seus princípios terem aplicações práticas.

Projeto

Um receptor de fotofone e fone de ouvido, metade do sistema de telecomunicações ópticas de Bell and Tainter de 1880

O fotofone era semelhante a um telefone contemporâneo, exceto que usava luz modulada como meio de transmissão sem fio, enquanto o telefone dependia de eletricidade modulada transportada por um circuito de fio condutor .

A própria descrição de Bell do modulador de luz:

Descobrimos que a forma mais simples de aparato para produzir o efeito consiste em um espelho plano de material flexível contra o qual a voz do locutor é dirigida. Sob a ação da voz, o espelho torna-se alternadamente convexo e côncavo e, assim, dispersa e condensa alternadamente a luz.

O brilho de um feixe de luz refletido, conforme observado a partir da localização do receptor, portanto, variava de acordo com as variações de freqüência de áudio na pressão do ar - as ondas sonoras - que agiam sobre o espelho.

Em sua forma inicial, o receptor de fotofone também era não eletrônico, utilizando o efeito fotoacústico . Bell descobriu que muitas substâncias poderiam ser usadas como transdutores diretos de luz para som. Lampblack provou ser excelente. Usando um feixe de luz solar totalmente modulado como um sinal de teste, um projeto de receptor experimental, empregando apenas um depósito de negro de luz, produziu um tom que Bell descreveu como "dolorosamente alto" para um ouvido pressionado perto do dispositivo.

Em sua forma eletrônica definitiva, o receptor de fotofone usava um fotodetector de célula de selênio simples no foco de um espelho parabólico. A resistência elétrica da célula (entre cerca de 100 e 300 ohms ) variava inversamente com a luz que incidia sobre ela, ou seja, sua resistência era mais alta quando mal iluminada e mais baixa quando bem iluminada. A célula de selênio substituiu um microfone de carbono - também um dispositivo de resistência variável - no circuito do que era essencialmente um telefone comum, consistindo em uma bateria, um fone de ouvido eletromagnético e a resistência variável, todos conectados em série. O selênio modulava a corrente que fluía pelo circuito, e a corrente era convertida de volta em variações da pressão do ar - som - pelo fone de ouvido.

Em seu discurso para a Associação Americana para o Avanço da Ciência em agosto de 1880, Bell deu crédito pela primeira demonstração de transmissão de fala por luz ao Sr. AC Brown de Londres no outono de 1878.

Como o dispositivo usava energia radiante , o cientista francês Ernest Mercadier sugeriu que a invenção não deveria ser chamada de 'fotofone', mas de 'radiofone', já que seus espelhos refletiam a energia radiante do Sol em várias faixas, incluindo a faixa infravermelha invisível . Bell usou o nome por um tempo, mas não deve ser confundido com a invenção posterior " radiofone ", que usava ondas de rádio .

Primeiras comunicações de voz sem fio bem-sucedidas

Ilustração de um transmissor de fotofone, mostrando o caminho da luz solar refletida, antes e depois de ser modulado
Ilustração de um receptor de fotofone, representando a conversão de luz modulada em som, bem como sua fonte de energia elétrica (P)

Enquanto estava em lua de mel na Europa com sua noiva Mabel Hubbard , Bell provavelmente leu sobre a propriedade recém-descoberta do selênio com uma resistência variável quando atuado pela luz, em um artigo de Robert Sabine publicado na Nature em 25 de abril de 1878. Em seus experimentos, Sabine usou um medidor para ver os efeitos da luz agindo sobre o selênio conectado em um circuito a uma bateria. No entanto, Bell concluiu que, adicionando um receptor de telefone ao mesmo circuito, ele seria capaz de ouvir o que Sabine só podia ver.

Como o ex-associado de Bell, Thomas Watson , estava totalmente ocupado como superintendente de fabricação para a nascente Bell Telephone Company em Boston, Massachusetts, Bell contratou Charles Sumner Tainter , um fabricante de instrumentos que havia sido anteriormente designado para a Comissão de Trânsito de Vênus dos Estados Unidos de 1874 , para seu novo laboratório 'L' Street em Washington , a uma taxa de US $ 15 por semana.

Em 19 de fevereiro de 1880, a dupla conseguiu fazer um fotofone funcional em seu novo laboratório anexando um conjunto de grades metálicas a um diafragma, com um feixe de luz sendo interrompido pelo movimento das grades em resposta aos sons falados. Quando o feixe de luz modulado atingiu o receptor de selênio, Bell, em seus fones de ouvido, pôde ouvir claramente Tainter cantando Auld Lang Syne .

Em um experimento de 1º de abril de 1880 em Washington, DC , Bell e Tainter comunicaram cerca de 79 metros (259 pés) ao longo de um beco até a janela traseira do laboratório. Então, alguns meses depois, em 21 de junho, eles conseguiram se comunicar claramente a uma distância de cerca de 213 metros (cerca de 700 pés), usando a luz do sol como fonte de luz, iluminação elétrica prática recém-introduzida nos Estados Unidos por Edison . O transmissor em seus últimos experimentos tinha a luz do sol refletida na superfície de um espelho muito fino posicionado na extremidade de um tubo de fala; conforme as palavras são faladas, elas fazem o espelho oscilar entre convexo e côncavo, alterando a quantidade de luz refletida de sua superfície para o receptor. Tainter, que estava no telhado da Escola Franklin , falou com Bell, que estava em seu laboratório ouvindo e que sinalizou de volta para Tainter balançando seu chapéu vigorosamente da janela, como havia sido solicitado.

O receptor era um espelho parabólico com células de selênio em seu ponto focal. Conduzida do telhado da Escola Franklin ao laboratório de Bell na 1325 'L' Street, esta foi a primeira comunicação telefônica sem fio formal do mundo (longe de seu laboratório), tornando o fotofone o primeiro sistema de telefone sem fio de voz conhecido do mundo , pelo menos 19 anos antes das primeiras transmissões de ondas de rádio faladas. Antes de Bell e Tainter concluírem sua pesquisa a fim de avançar para o desenvolvimento do grafofone , eles criaram cerca de 50 métodos diferentes de modulação e demodulação de feixes de luz para telefonia óptica.

Recepção e adoção

O telefone em si ainda era uma novidade, e o rádio estava a décadas de ser comercializado. A resistência social à forma futurística de comunicação do fotofone pode ser vista em um comentário do New York Times de agosto de 1880 :

O homem comum ... encontrará um pouco de dificuldade em compreender como os raios de sol devem ser usados. O Prof. Bell pretende conectar Boston e Cambridge ... com uma linha de raios de sol pendurados em postes de telégrafo , e, em caso afirmativo, qual o diâmetro dos raios de sol ... [e] será necessário isolá-los contra o tempo ... até que (o público) veja um homem andando pelas ruas com uma bobina de raios de sol nº 12 em seu ombro, e os suspendendo de um pólo a outro, haverá um sentimento geral de que há algo sobre o professor Bell fotofone que exerce uma enorme pressão sobre a credulidade humana.

No entanto, na época de sua descoberta em fevereiro de 1880, Bell estava imensamente orgulhoso da conquista, a ponto de querer chamar sua segunda filha de "Fotofone", o que foi sutilmente desencorajado por sua esposa Mabel Bell (eles escolheram "Marian" , com "Margarida" como apelido ). Ele escreveu com certo entusiasmo:

Já ouvi um discurso articulado à luz do sol! Eu ouvi um raio de sol rir, tossir e cantar! ... Eu pude ouvir uma sombra e até percebi de ouvido a passagem de uma nuvem pelo disco solar. Você é o avô do Fotofone e quero compartilhar minha alegria com meu sucesso.

-  Alexander Graham Bell , em uma carta a seu pai Alexander Melville Bell , datada de 26 de fevereiro de 1880

Bell transferiu os direitos de propriedade intelectual do fotofone para a American Bell Telephone Company em maio de 1880. Embora Bell esperasse que seu novo fotofone pudesse ser usado por navios no mar e também para deslocar a infinidade de linhas telefônicas que floresciam ao longo dos bulevares movimentados da cidade, seu projeto falhou em proteger suas transmissões de interferências externas , como nuvens, neblina, chuva, neve e outras, que poderiam facilmente interromper a transmissão da luz. Fatores como o clima e a falta de luz inibiram o uso da invenção de Bell. Não muito depois de seus laboratórios de invenção dentro do Sistema Bell continuarem a melhorar o fotofone na esperança de que ele pudesse complementar ou substituir linhas telefônicas convencionais caras . Seu primeiro uso não experimental veio com sistemas de comunicação militar durante a Primeira e a Segunda Guerra Mundial, e sua principal vantagem era que suas transmissões baseadas em luz não podiam ser interceptadas pelo inimigo.

Bell ponderou o possível uso científico do fotofone na análise espectral de fontes de luz artificiais, estrelas e manchas solares . Mais tarde, ele também especulou sobre suas possíveis aplicações futuras, embora não tenha antecipado nem as telecomunicações a laser nem a fibra óptica :

Pode a imaginação imaginar qual será o futuro desta invenção! ... Podemos falar pela luz a qualquer distância visível sem nenhum fio condutor ... Na ciência geral, as descobertas serão feitas pelo fotofone que nunca foram sonhadas apenas agora.

Desenvolvimento adicional

Ernst Ruhmer em sua estação de sistema de telefonia óptica "fotoelétrica". (1905)

Embora os pesquisadores da Bell Telephone tenham feito várias melhorias modestas incrementais no design de Bell and Tainter, as transmissões de rádio de Marconi começaram a ultrapassar o alcance máximo do fotofone já em 1897 e o desenvolvimento do fotofone foi em grande parte interrompido até que experimentos germano-austríacos começaram na virada do século 20.

O físico alemão Ernst Ruhmer acreditava que a sensibilidade aumentada de suas células de selênio melhoradas, combinada com a capacidade de recepção superior do "arco falante" do professor HT Simon, tornaria o fotofone prático em distâncias de sinalização mais longas. Ruhmer realizou uma série de transmissões experimentais ao longo do rio Havel e no Lago Wannsee de 1901 a 1902. Ele relatou ter alcançado distâncias de envio em boas condições de 15 quilômetros (9 milhas), com igual sucesso durante o dia e à noite. Ele continuou seus experimentos em Berlim durante 1904, em conjunto com a Marinha Alemã, que fornecia holofotes de alta potência para uso nas transmissões.

A Siemens & Halske Company alemã aumentou o alcance do fotofone utilizando lâmpadas de arco de carbono moduladas por corrente que forneciam um alcance útil de aproximadamente 8 quilômetros (5,0 mi). Eles produziram unidades comercialmente para a Marinha alemã , que foram adaptadas para aumentar seu alcance para 11 quilômetros (6,8 mi) usando holofotes de navio modulados por voz .

A pesquisa do Almirantado Britânico durante a Primeira Guerra Mundial resultou no desenvolvimento de um modulador de espelho vibratório em 1916. Células receptoras de molibdenita mais sensíveis , que também tinham maior sensibilidade à radiação infravermelha, substituíram as células de selênio mais antigas em 1917. Os governos dos Estados Unidos e da Alemanha também trabalharam em melhorias técnicas para o sistema da Bell.

Em 1935, a Companhia Alemã Carl Zeiss começou a produzir fotofones infravermelhos para os batalhões de tanques do Exército Alemão , empregando lâmpadas de tungstênio com filtros infravermelhos que eram modulados por espelhos vibratórios ou prismas. Eles também usaram receptores que empregavam células e amplificadores detectores de sulfeto de chumbo , aumentando seu alcance para 14 quilômetros (8,7 mi) em condições ideais. Os exércitos japonês e italiano também tentaram um desenvolvimento semelhante de telecomunicações de ondas luminosas antes de 1945.

Vários laboratórios militares, incluindo os dos Estados Unidos, continuaram os esforços de P&D no fotofone na década de 1950, fazendo experiências com lâmpadas de arco de mercúrio e vapor de alta pressão com potência entre 500 e 2.000 watts.

Comemorações

DO PISO SUPERIOR DESTE EDIFÍCIO
FOI ENVIADO EM 3 DE JUNHO DE 1880
POR UM FEIXE DE LUZ PARA 1325 'L' STREET
A PRIMEIRA MENSAGEM
DE TELEFONE SEM FIO DA HISTÓRIA DO MUNDO.
O APARELHO USADO PARA ENVIAR A MENSAGEM
FOI O FOTOFONE INVENTADO POR
ALEXANDER GRAHAM BELL
INVENTOR DO TELEFONE
ESTA PLACA FOI COLOCADA AQUI POR
ALEXANDER GRAHAM BELL CAPÍTULO
TELEFONE PIONEIROS DA AMÉRICA
3 DE MARÇO DE 1947
NO CENTENÁRIO DO DR. NASCIMENTO DE SINO

Marcador na Escola Franklin comemorando o primeiro julgamento formal

Em 3 de março de 1947, centenário do nascimento de Alexander Graham Bell , os Telephone Pioneers of America dedicaram um marco histórico na lateral de um dos edifícios, a Escola Franklin , que Bell e Sumner Tainter usaram em seu primeiro julgamento formal envolvendo uma distância considerável. Tainter tinha ficado originalmente no telhado do prédio da escola e transmitido para Bell na janela de seu laboratório. O marcador não reconheceu as contribuições científicas e de engenharia de Tainter.

Em 19 de fevereiro de 1980, exatamente 100 anos após a primeira transmissão de fotofone de Bell e Tainter em seu laboratório, funcionários do Smithsonian Institution , da National Geographic Society e do Bell Labs da AT&T se reuniram no local da antiga 1325 'L' Street Volta de Bell Laboratório em Washington, DC para comemoração do evento.

A comemoração do Centenário do Fotofone foi proposta pela primeira vez pelo pesquisador e escritor eletrônico Forrest M. Mims , que a sugeriu ao Dr. Melville Bell Grosvenor , neto do inventor, durante uma visita ao seu escritório na National Geographic Society. O agrupamento histórico mais tarde observou o centenário da primeira transmissão de laboratório bem-sucedida do fotofone usando o fotofone de demonstração feito à mão de Mims, que funcionou de maneira semelhante ao modelo de Bell e Tainter.

A Mims também construiu e forneceu um par de modernos transceptores portáteis de LED alimentados por bateria conectados por 100 jardas (91 m) de fibra óptica . Richard Gundlach do Bell Labs e Elliot Sivowitch do Smithsonian usaram o dispositivo na comemoração para demonstrar um dos descendentes modernos do fotofone. A National Geographic Society também montou uma exposição educacional especial em seu Explorer's Hall, destacando a invenção do fotofone com itens originais emprestados do Smithsonian Institution.

Veja também

Referências

Notas de rodapé

Citações

Bibliografia

Leitura adicional

  • Página da web de telecomunicações de áudio óptico de Chris Long e Mike Groth
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links externos