地球帰還電信

アースリターン電信は、電信回路の電流のリターン経路がアース電極を介してアースに接続することによって提供されるシステムです。アースリターンを使用すると、必要な電線の量が半分になり、配線に必要な労力も節約できるため、設置コストを大幅に節約できます。これを行うことの利点は、電信の先駆者たちにはすぐには認識されませんでしたが、1838年にカール・アウグスト・フォン・シュタインハイルによって最初のアースリターン電信が運用されてから、急速に標準になりました。

19世紀末に電気路面電車が導入されたことにより、アースリターン電信は問題を抱えるようになった。これによりアースリターンの動作が著しく妨げられ、一部の回線は古い金属導体リターンシステムに戻された。同時に、アースリターンシステムへの干渉に対してさらに耐性のなかった電話技術の台頭により、電気電信は完全に置き換えられ始め、通信におけるアースリターン技術は終焉を迎えた。

2 つの電信局間の電信線は、他の電気回路と同様に、完全な回路を形成するために 2 本の導体を必要とする。これは通常、回路内に 2 本の異なる金属線があることを意味するが、アース帰路回路では、回路を完成するために、そのうちの 1 本がアース(接地とも呼ばれる) への接続に置き換えられる。アースへの接続は、地中に深く埋められた表面積の大きい金属板によって行われる。これらの板は銅または亜鉛メッキ鉄で作られる。他の方法としては、利用可能な場合は金属のガス管または水道管に接続するか、湿った地面に長いワイヤーロープを敷くことが挙げられる。後者の方法はあまり信頼性が高くないが、1868 年までインドでは一般的であった。^[1]

土壌は銅線に比べると抵抗率が低いが、地球は非常に大きな物体であるため、事実上、巨大な断面積と高い導電率を持つ導体を形成している。^[2] 2 つのステーションで地球との良好な接触を確保するだけでよい。これを行うには、接地プレートを湿った土壌と常に接触するように十分深く埋めなければならない。乾燥した地域ではこれが問題になることがある。接続を維持するために、オペレーターは接地プレートに水をかけるように指示されることもあった。^[3] プレートは十分な電流を流すのに十分な大きさでなければならない。接地回路の導電率が、置き換える導体と同等に良好になるようにするには、プレートの表面積を導体の断面積より大きくする。これは、地面の抵抗率が銅、またはワイヤに使用されている他の金属の抵抗率を超えるのと同じ係数である。 ^[4]

アースリターンシステムの利点は、通常必要となる金属線の量を減らすことであり、数百、あるいは数千マイルにも及ぶ長い電信線では大幅な節約となる。^[5] この利点は、複数の信号線を必要とすることが多かった初期の電信システムではそれほど明らかではなかった。そのようなシステムでは、すべての回路で同じ単一のリターン導体（不平衡線）を使用できるため、コスト削減は最小限であっただろう。マルチワイヤシステムの例としては、1832年のパベル・シリングの実験システムがある。このシステムでは、キリル文字をバイナリコード化できるように6本の信号線が使用されていた。^[6] 1837年のクックとホイートストンの5針電信機。後者は、数字のコードポイントが追加されるまで、5本の信号線が常に逆極性の電流でペアで使用されたため、リターン導体をまったく必要としなかった。^[7]

多重線システムの費用がかさんだため、長距離電信では信号線が一本だけというシステムが急速に標準になっていった。アースリターンが導入された頃、最も広く使われていたシステムは、サミュエル・モールスのモールス信号システム（1844年以降）^[8]とクックとホイートストンの単針電信（1843年以降）^[9]だった。2 信号線システムもいくつか残っており、イギリスの鉄道で使われたクックとホイートストンの2針システム^[10]や、フランスで使われたフォワ・ブレゲ電信^[11]などである。 信号線の数が減ったため、リターン線のコストがかなり高くなったため、アースリターンが標準になった。^[12]

ゾンメリングの電信機は電磁電信機ではなく電気化学電信機であり、年代順ではない。これはシリングの電磁電信機に直接影響を与えたため比較のためにここに掲載されているが、シリングは大幅に少ない数の電線を使用していた。^[19]

電気回路を完成するためにアースリターンを使用した最初の例は、 1747年のウィリアム・ワトソンによるもので、水リターン経路を使用した実験は除きます。ワトソンは、ロンドンのシューターズヒルでのデモンストレーションで、アースリターン経路を使用して、焼いた木で絶縁された2,800フィートの鉄線に電流を流しました。その年の後半に、彼はその距離を2マイルに増やしました。^[20] 水リターン経路の最初のデモンストレーションの1つは、ライプツィヒの教授ジョン・ヘンリー・ウィンクラー^{[注 1]}によるもので、 1746年7月28日の実験で、この方法でプレイス川を使用しました。^{[21]高電圧}摩擦機械 ではなく低電圧バッテリーを使用してアースリターン回路をテストした最初の実験者は、1803年のハーメルンのバスです。^[22] これらの初期の実験は、電信機を作成することを目的としたものではなく、電気の速度を測定するために設計されました。実際には、電気信号の伝達は実験者が測定できるよりも速く、瞬間的なものと区別がつかないほどであることが判明した。^[23]

ワトソンの結果は、回路を完成させるためにリターン導体を使用した初期の電信実験者には知られていなかったか、忘れ去られていたようだ。^[24] 初期の例外の1つは、1826年にハリソン・グレイ・ダイアーが摩擦機械を使用して発明した電信である。ダイアーは1828年にニューヨーク州ロングアイランドの競馬場で、アースリターン回路を使用してこの電信を実演した。この実演はニューヨークからフィラデルフィアまでの回線建設の支援を得るための試みであったが、プロジェクトは失敗に終わり（長距離では機能しなかった可能性が高い）、ダイアーはすぐに忘れ去られ、アースリターンは再び発明されなければならなかった。^[25]

1838年、カール・アウグスト・フォン・シュタインハイルが初めてアースリターン付きの電信機を実用化した。^[26] シュタインハイルの発見はそれ以前の研究とは無関係であり、しばしば彼がその原理の発明者として不正確に引用されている。^{[27]シュタインハイルは}ニュルンベルク・フュルト鉄道線路沿いに5マイルの距離に 渡って電信機を設置する作業に取り組んでいた。シュタインハイルはカール・フリードリヒ・ガウスの提案で、線路の2本のレールを電信導体として最初に試した。これはレールがアースから十分に絶縁されておらず、その結果レール間に導電路ができてしまったために失敗した。しかし、この最初の失敗からシュタインハイルはアースを導体として使えることに気づき、1本の電線とアースリターンだけで成功した。^[28]

シュタインハイルは、地中の「ガルバニック励起」が電信線の両端を結ぶ直線経路に限定されず、無限に外側に広がることに気づいた。彼は、これは電線をまったく使わない電信が可能であることを意味するのではないかと推測した。彼は無線電信を現実的な可能性として考えた最初の人物だったかもしれない。彼は電磁誘導によって50フィートの信号を送信することに成功したが、この距離は実用的ではなかった。^[29]

アースリターン回路の使用は急速に標準となり、シュタインハイルは特許取得を断った。シュタインハイルは公共サービスとして自由に利用できるようにしたいと考えた。^[30] しかし、サミュエル・モールスは1844年に米国で最初の電信線を2本の銅線で敷設したとき、シュタインハイルの発見をすぐには知らなかった。^[31] アースリターンはあまりにも普及したため、初期の電信ではすべてリターン線が使われていたことに気付かなかった電信技術者もいたようだ。アースリターン導入から20年後の1856年、ガッタパーチャ社のサミュエル・ステイサムとワイルドマン・ホワイトハウスはリターン線の特許取得を試み、暫定保護まで至った。^[32]

1880年代の電力、特に電車の導入により[ ^33] 、地上帰還電信線に深刻な障害が生じた。電車の発進と停止により大きな電磁スパイクが発生し、電信線のコードパルスを圧倒した。これは特に高速自動作業が使用されている線路、特に海底電信ケーブルで問題となった。後者のタイプは数千マイルに及ぶこともあり、到着する信号は小さいものであった。^[34] 陸上では、線路内の中継器を使用して信号を再生していたが、海底ケーブルでは20世紀半ばまで利用できなかった。^{[35]長い海底ケーブル上の弱い信号を検出するために}サイフォンレコーダー などの高感度機器が使用されていたが、電車によって簡単に妨害された。^[36]

電気路面電車によって引き起こされた問題は、場所によっては深刻で、帰路導体の再導入につながった。主導体と同じ経路をたどる帰路導体には、同じ干渉が誘導される。このようなコモンモード干渉は、回路の両方の部分が同一であれば（平衡線）、完全に除去できる。このような干渉の事例の1つが、1897年に南アフリカのケープタウンで発生した。混乱が大きかったため、市内の埋設ケーブルが平衡線に置き換えられただけでなく、平衡海底ケーブルが5～6海里沖に敷設され、元のケーブルと接続された。^[37]

電話の出現により、当初は電信と同じアースリターン線が使用されていたが、電話線は干渉の影響を受けやすくなったため、平衡回路の使用が不可欠になった。アースリターン電話回線で発生していた深刻なノイズ問題をオールメタル回路で解決できることに最初に気づいた人物の1人が、後にアメリカ電信電話会社の主任技術者となるジョン・J・カーティだった。カーティは管理下の回線にメタルリターンを設置し始め、ノイズがほぼ完全に消えたと報告した。^[38]

• 電力配電に使用される単線アースリターン。

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