コヒーラー

コヒーラは、 20 世紀初頭の無線電信時代に最初の無線受信機で使用された無線信号検出器の原始的な形態です。無線での使用は、フランスの物理学者エドゥアール ブランリーの 1890 年の発見に基づいており、その後 10 年間で他の物理学者や発明家によって採用されました。この装置は、わずかな間隔で配置された2 つの電極と、その間の空間に緩い金属片が入ったチューブまたはカプセルで構成されています。無線周波数信号が装置に適用されると、金属粒子がくっついて「凝集」し、装置の初期の高い抵抗が低減されるため、はるかに大きな直流電流が装置を流れるようになります。受信機では、電流によってベルが鳴るか、モールス紙テープ レコーダーが作動して、受信した信号が記録されます。コヒーラ内の金属片は信号（パルス）が終わった後も導電性が残るため、信号を受信するたびに電磁石で作動するクラッパーで叩いてコヒーラを「デコヒーリング」し、コヒーラを元の状態に戻す必要がありました。コヒーラは1907年頃まで広く使用され続けましたが、その後、より感度の高い電解検出器や水晶検出器に置き換えられました。

電気や電気火花がある状態での粒子や金属粉の挙動は、エドゥアール・ブランリーの1890年の論文よりずっと前、電磁気学の理論が証明される前から、多くの実験で観察されていました。^[1] 1835年にスウェーデンの科学者ピーター・サミュエル・ムンク^[2]は、ライデン瓶からの火花放電がある状態で金属粉の混合物の抵抗が変化することに気づきました。^[3] 1850年にピエール・ギタードは、埃っぽい空気が帯電すると、粒子が紐状に集まる傾向があることを発見しました。粒子が電気に反応するというアイデアは、イギリスの技術者サミュエル・アルフレッド・ヴァーリーの1866年の避雷橋で利用されました。避雷装置は電信線に取り付けられ、木片と2本の金属スパイクがチャンバー内に伸びています。空間は粉末状の炭素で満たされており、低電圧の電信信号は通過させませんが、高電圧の落雷は伝導して接地します。^[4] 1879年、ウェールズの科学者デイヴィッド・エドワード・ヒューズは、炭素棒と2つの炭素ブロックの間の緩い接触と、開発中のマイクロフォン内の金属粒子が、近くの装置で発生した火花に反応することを発見した。^{[3]イタリアの} テミストクレ・カルツェッキ＝オネスティは、フェルモ/モンテルビアーノで金属薄膜と金属粒子の抵抗の異常な変化の研究を始めた。彼は、2枚の真鍮板の間に挟まれた銅の削りくずは、電圧をかけるとくっついて導電性になることを発見した。彼はまた、他の種類の金属の削りくずも、離れた場所で発生する電気火花に同じ反応を示すことを発見し、この現象を落雷の検出に使用できると考えた。^[4]カルツェッキ＝オネスティの論文は、1884年、1885年、1886年にil Nuovo Cimentoに掲載された。

1890 年、フランスの物理学者エドゥアール・ブランリーはフランスの雑誌に「異なる電気条件下における物体の抵抗の変化について」を発表し、金属および多くの種類の金属粉に対する微小電荷の影響に関する徹底的な調査について説明しました。ある種類の回路では、2 枚の金属板の間に挟んだガラスまたはエボナイトの管に粉を入れました。回路の近くで放電が発生すると、取り付けられた検流計の針に大きな偏差が見られました。彼は、管が 20 ヤード離れた別の部屋に置かれていても、管内の粉が放電に反応することに気づきました。ブランリーはその後、「不完全な」金属接触に基づくこれらのデバイスを多数考案しました。ブランリーの粉管は、1892 年にイギリスのエジンバラで開催された英国協会の会議でドーソン・ターナー博士によって説明され、イギリスで注目を集めました。^{[5] [6]}スコットランドの電気技師で天文学者のジョージ・フォーブスは、ブランリーのファイリング管が、ドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツによって存在が証明された空気中の電磁波の一種であるヘルツ波（後に電波と呼ばれる）の存在下で反応しているのではないかと示唆した。

1893年、物理学者WBクロフトはロンドンの物理学会でブランリーの実験を披露した。クロフトらはブランリー管の粉末が火花に反応しているのか、それとも火花からの光に反応しているのかはわからなかった。ジョージ・ミンチンは、ブランリー管が太陽電池と同じようにヘルツ波に反応しているかもしれないと気づき、「金属粉末を含むフィルムに対する電磁放射の作用」という論文を書いた。^{[5] [6]これらの論文はイギリスの物理学者}オリバー・ロッジに読まれ、ロッジはこれを改良型ヘルツ波検出器の構築方法と考えた。ハインリッヒ・ヘルツの死後数か月後の1894年6月1日、オリバー・ロッジはヘルツの追悼講演を行い、ブランリーの粉末管の改良版（ロッジは「コヒーラ」と名付けた）を検出器として使用し、短距離でのヘルツ波の伝送など、「ヘルツ波」（無線）の特性を実演した。 1895年5月、ロッジのデモンストレーションを読んだロシアの物理学者アレクサンダー・ポポフは、コヒーラを使用した「ヘルツ波」（電波）ベースの雷検出器を製作した。同年、イタリアの発明家グリエルモ・マルコーニは、コヒーラをベースにヘルツ波（無線）を使用した無線電信システムを実演した。ロシアの無線の先駆者シメオン・アイゼンシュタインは、 1904年に趣味として始めた最初の研究室でコヒーラを使用した。 ^[7]

1907 年頃、受信機のコヒーラは、より単純で感度の高い電解検出器と水晶検出器に置き換えられ、時代遅れになりました。

現代におけるコヒーラのマイナーな使用例としては、日本のブリキ玩具メーカーである松田屋玩具社が1957年からスパークギャップ送信機とコヒーラベースの受信機をラジコン（Radio-Controlledの略）玩具と呼ばれる一連の無線制御（RC）玩具に使用したことがある。同じRCシステムを使用したいくつかの異なるタイプが市販されており、ラジコンボート（非常に珍しい）、ラジコンオールズモビルカー（珍しい）、ラジコンバス（最も人気がある）などがある。^{[8] [9]}

振幅 (電力) が音声信号によって変調される連続的な無線周波数を送信する現代の AM ラジオ局とは異なり、最初の無線送信機は無線電信(無線電信)によって情報を送信し、送信機のオンとオフ (オンオフ キーイング)を切り替えることで、変調されていない搬送波信号のさまざまな長さのパルス (「ドット」と「ダッシュ」) が生成され、モールス信号でテキスト メッセージが綴られました。その結果、初期の無線受信装置は、無線信号の有無を検出するだけでよく、音声に変換する必要はなかった。これを行うデバイスは検出器と呼ばれていました。コヒーラは、ラジオの初期に試された多くの検出器デバイスの中で最も成功したものでした。

コヒーラの動作は、電気接触抵抗の現象に基づいています。具体的には、金属粒子が凝集（くっつく）すると、無線周波数電気にさらされた後、電気の伝導性が大幅に向上します。アンテナからの無線信号は、コヒーラの電極間に直接適用されます。「ドット」または「ダッシュ」からの無線信号が入ると、コヒーラは導電性になります。コヒーラの電極は、イヤホンまたは電信サウンダで「クリック」音を生成したり、紙テープにマークを付けたりして信号を記録するためのバッテリーで駆動するDC回路にも接続されています。残念ながら、無線信号が除去された後も、コヒーラの電気抵抗の減少は持続します。コヒーラは次の「ドット」または「ダッシュ」をすぐに受信できるように準備する必要があるため、これは問題でした。そのため、コヒーラをタップして粒子を機械的に乱し、高抵抗状態にリセットするデコヒーラ機構が追加されました。ダッシュが送信されている場合、タップが発生したときに無線周波数はまだ受信されており、コヒーラはすぐに再び導電性になり、テープ上の別のマークに対してプロセス全体が繰り返されます。その結果、ダッシュは複数のドットが近接してテープ上にマークされます。^[10]

電波による粒子のコヒーレンスは、今日でもよく理解されていない、わかりにくい現象です。粒子コヒーレンス装置を使った最近の実験では、粒子間の小さな接触領域を流れる無線周波数の電気によって引き起こされるマイクロ溶接現象によって粒子がコヒーレンスするという仮説が確認されたようです。 ^{[11] [3]}いわゆる「不完全接触」コヒーレンス装置の基本原理も十分に理解されていませんが、導体間の不完全な接合部を横切る 電荷キャリアのトンネル効果のようなものが関係している可能性があります。

実際の受信機で使用されているコヒーラは、真空にされていることもあるガラス管で、その約半分は鋭く切断された金属の削りくずで満たされており、多くの場合、一部は銀、一部はニッケルです。銀の電極が両端で金属粒子と接触します。一部のコヒーラでは、電極が斜めになっているため、管を長軸を中心に回転させることによって削りくずが占める隙間の幅を変えることができ、その感度を現在の状況に合わせて調整できます。

動作中、コヒーラは 2 つの独立した電気回路に含まれています。1 つは、以下の未調整受信機の回路図に示されているアンテナ接地回路です。もう 1 つは、図のバッテリーB1とリレーRを含むバッテリー サウンダ リレー回路です。アンテナ接地回路からの無線信号によってコヒーラが「オン」になり、バッテリー サウンダ回路に電流が流れ、サウンダS が起動します。コイルLは RFチョークとして機能し、RF 信号電力がリレー回路から漏れるのを防ぎます。

コヒーラの一方の電極A （左の図ではC ）はアンテナに接続され、もう一方の電極Bは接地されています。電池B1とリレーRの直列接続も 2 つの電極に接続されています。スパーク ギャップ送信機からの信号を受信すると、削りくずが互いにくっつく傾向があり、コヒーラの抵抗が減少します。コヒーラの伝導性が向上すると、電池B1 はコヒーラを介して十分な電流を供給し、リレーR をアクティブにします。リレー Rは電池B2を電信音響器Sに接続し、カチッという音が聞こえます。用途によっては、電信音響器の代わりに、微弱な信号にはるかに敏感なヘッドフォンや、信号の短点と長点を紙テープに記録するモールス信号レコーダーが使用されることもあります。

信号が除去された後も粒子がくっついて伝導を続けるという問題は、各信号が到着した後にコヒーラを軽くたたくか振って粒子を振ってコヒーラの抵抗を元の値まで上げることで解決しました。この装置はデコヒーラと呼ばれていました。このプロセスはデバイスの「デコハー」と呼ばれ、このコンポーネントが広く使用されていた間に多くの革新が行われました。たとえば、 テスラはチューブが軸に沿って連続的に回転するコヒーラを発明しました。

後の実用的な受信機では、デコヒーラは電気ベルに似たクラッパーで、コヒーラ電流自体で駆動する電磁石によって作動します。無線波がコヒーラをオンにすると、バッテリーからの直流電流が電磁石を流れ、アームを引き寄せてコヒーラをタップします。これにより、コヒーラは非伝導状態に戻り、電磁石電流がオフになり、アームが跳ね返ります。無線信号がまだ存在する場合、コヒーラはすぐに再びオンになり、クラッパーを引き寄せてもう一度タップし、再びオフになります。その結果、無線信号がオンの期間、つまりモールス信号信号の「短点」と「長点」の間、クラッパーは絶えず「震え」ます。

1907年に特許を取得した鉄道機関車用の自動ブレーキシステムは、コヒーラを使用して、線路に沿って走る連続アンテナの電気振動を検出します。列車の前のブロックが占有されている場合、振動は中断され、コヒーラはリレーを介して警告を表示し、ブレーキをかけます。^[12]

不完全接合コヒーラと呼ばれるものには、いくつかのバリエーションがある。上記で提案したファイリングコヒーラの動作原理（マイクロ溶接）は、デコヒーリングの必要がないため、このタイプには当てはまらない可能性がある。このデバイスの鉄と水銀のバリエーションは、最初の大西洋横断無線メッセージにマルコーニによって使用された。それより初期の形式は、1899年にジャグディッシュ・チャンドラ・ボースによって発明された。 ^[13]このデバイスは、非常に薄い油の絶縁膜で覆われた水銀プールを含む小さな金属製カップで構成され、油の表面上に小さな鉄の円盤が吊り下げられている。調整ネジを使用して、円盤の下端が油で覆われた水銀に、油の膜を突き破らない程度の圧力で接触するようにする。その動作原理はよくわかっていない。無線周波数信号が何らかの形で油の絶縁膜を破壊し、デバイスが導通して、直列に接続された受信サウンダが動作したときに検出動作が発生する。この形式のコヒーラは自己修復性があり、デコヒーリングの必要はありません。

1899年、ボーズはロンドンの王立協会で発表した論文の中で、 「電話検出器を備えた鉄・水銀・鉄コヒーラ」の開発を発表しました。 ^{[14]彼は後に、特定の}電磁受信機に対して、米国特許755,840「電気的障害の検出器」（1904年）を取得しました。

コヒーラは閾値電圧検出器であるため、スパークギャップ送信機のインパルス信号と他のインパルス電気ノイズを区別することが困難でした。^[15]

この装置（コヒーラ）は素晴らしいと宣伝されていましたが、実に不安定でひどいものでした。動作すべきときに動作せず、動作すべきでないときに時間外に動作しました。

— ロバート・マリオット

すべてはコヒーラーネットにやってきた魚であり、録音機は正当な信号、雑音、数ブロック離れた路面電車の滑走、さらには建物内の照明のオンオフまで、点と線の組み合わせをかなり公平に記録しました。テープの翻訳には、しばしば素晴らしい想像力が必要でした。

— グリーンリーフ・ウィッティア・ピカード

コヒーラは調整が難しく、感度もあまり良くなかった。また、扱いにくい機械的な「デコヒーリング」機構のため、コヒーラの受信速度はモールス信号で1分間に12～15語に制限されていたが、電信技師は50語/分、紙テープ機は100語/分で送信できた。^{[16] [17]}

将来的には、コヒーラはAM（ラジオ）送信を検出できなかったことがさらに重要でした。電波の有無を記録する単純なスイッチであるコヒーラは、無線電信送信機のオンオフキーイングを検出できましたが、 20世紀初頭に実験が始まったAM無線電話信号 の波形を整流も復調もできませんでした。この問題は、1902年頃にレジナルド・フェッセンデンによって開発された熱線バリッターと電解検波器の整流機能によって解決されました。これらは1907年頃に水晶検波器に置き換えられ、その後1912年から1918年頃にはフレミングの発振バルブやリー・ド・フォレストのオーディオン（三極管）管などの真空管技術に置き換えられました。

• 検出器（無線）
• 電気接触抵抗（ECR）
• クリスタルラジオ
• スパークギャップトランスミッター
• ラジオ受信機
• アンティークラジオ
• カミーユ・パパン・ティソ
• 濡れ電流
• 濡れ電圧

• フィリップス、ヴィヴィアン J. (1980)。初期の電波検出器。ロンドン：電気技術者協会。ISBN 0906048249。真空管の開発までの電波検出器について、多くの珍しいタイプのコヒーラとともに包括的に説明します。
• カフ、トーマス・マーク (1993)。コヒーラ、レビュー。ペンシルバニア州フィラデルフィア、テンプル大学、修士論文。1800 年代から 1993 年までのコヒーラおよびコヒーラのような動作の発見と開発に関する技術的な歴史的説明。これには、1950 年代に当時新しい分野であったデジタル コンピュータでコヒーラを使用する調査が含まれます。この論文では、コヒーラと電解 RF 検出器、レーザー ヘテロダインで使用される MOM (金属酸化物金属)「ダイオード」、および STM (走査型トンネル顕微鏡) の類似点について検討しました。

ウィキメディア・コモンズには、コヒーラーに関連するメディアがあります。

• Web アーカイブ バックアップ: 「The Coherer」。ワイヤレスの世界、仮想無線博物館。
• 「コヒーラ/レシーバ」。マルコーニ コーリング カンパニー。
• スラビー、アドルフス、「新電信、火花による電信の最近の実験」。センチュリー マガジン。1898 年 4 月。867 ～ 874 ページ。
• 平川工業大学(日本)、「コヒーラー」。
• 「テスラの米国特許：613,809」。ShareAPic.net。
• コヒーラー：歴史と運営