Выше изображен угольный микрофонный капсюль телефонов недавнего времени, достаточно совершенная конструкция, нечто вроде достигшего предела совершенства паровоза на фоне современных локомотивов. Но к данной конструкции пришли не сразу, понадобились десятки лет непрерывного творчества изобретателей.
Александр Грейам Белл (1847-1922) считается изобретателем телефона, и действительно, 10 мая 1876 года он провел демонстрацию телефона перед Американской Академией Искусств и Наук, а в апреле 1877 года была проведена телефонная линия протяженностью около 5 км.
Телефон Белла был простейшей формы и не требовал наличия батареи, притом передатчик и приемник были единым устройством.
Телефон выглядел как небольшой пивной бокал, при этом речь передавалась со сравнительно неплохим качеством. Телефон представлял собой неподвижный намагниченный стержень, на котором располагалась катушка. Колебания расположенной вблизи металлической мембраны приводили к изменению в катушке электрического тока, который, при поступлении в аналогичное устройство, но служащее уже не передатчиком, а приемником, приводил к колебаниям мембраны, воспринимаемой как звук. Таким образом, исходя из современных представлений, одно и то же устройство одновременно могло служить и в качестве микрофона, и телефонного капсюля.
Для разговора необходимо было держать телефон широким концом близко ко рту, а после произнесения фразы быстро переместить его к уху, чтобы успеть услышать ответ собеседника.
Но устройство, со слов современника, обладало существенным недостатком:
"Звук был очень слабым. Чтобы твоя речь была разборчивой, необходимо было напрягать голос. Чтобы и партнер понял, что надо говорить громко, после приема вызывного звонка необходимо было пару раз прокричать в аппарат "Алло", и убедиться, что и собеседник готов напрягать голос при разговоре".
Но и это еще не все. В цепи протекал очень слабый ток, что ограничивало дальность телефонной связи 75 км. На большем расстоянии голос был не слышен, приходилось прибегать к помощи почтового рожка.
Чтобы разрешить проблему, необходимо было устройство, позволяющее управлять током мощной электрической батареи посредством слабых звуковых колебаний. Устройство, которое еще только предстояло изобрести, уже имело название тихий голос, или, пользуясь терминологией из греческого языка, микрофон.
Наилучшее решение нашел выдающийся французский физик Теодос дю Монсель (1821-1884) в 1857 году. Монсель сделал открытие, что эллектрическое сопротивление между заостренным металлическим стержнем и куском угля зависит от силы прижатия стержня к углю. Открытие реализовалось в изобретение угольного микрофона.
Открытие по заказу
Великий американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847-1931) работал в своей лаборатории в Менло Парке, когда его навестил мистер Ортон, член Совета Директоров компании Вестерн Юнион Телеграф
Вестерн Юнион, находясь в состоянии постоянного соперничества с компанией Беллз, обратила внимание на проблему недостаточной громкости речи устройств Беллз, и предложила разрешить ее Эдисону. При этом одновременно должны были быть достигнуты 2 цели: увеличена дальность телефонной связи и обойден патент Белла.
Эдисон принял заказ, и первым делом решил, что идея воспользоваться изменением тока в катушке, размещенной в магнитном поле, бесперспективна. Взявшись за изучение всей доступной ему литературы по вопросу, Эдисон выписывал самое важное в свой дневник
Отправной точкой к его размышлениям явился отчет немецкого физика и изобретателя Иоганна Филиппа Рейса (1834-1874). Рейс обосновал принцип, согласно которому ток батареи должен был изменяться под действием звуковых волн. Телефон Рейса действовал на расстоянии всего 100 метров и практического значения не имел.
К этому времени произошел знаменательный прорыв и в теоретических разработках. Уже было известно, что электрический ток в телефоне, при колебаниях мембраны, не прерывается, а лишь меняет свою силу. Позднее Эдисон описывал свои размышления по поводу телефона следующим образом:
"Когда я взялся за работу над телефоном, у Белла еще не было микрофона, говорить нужно было в магнитный приемник, и телефоны подобной конструкции шумели и жужжали. Решение ко мне пришло, когда я случайно увидел коптящую лампу. Готовое изобретение было куплено компанией Вестерн Юнион; вскоре после этого я прекратил заниматься телефоном".
Сажа из "коптящей лампы" (ламповая сажа - красящий пимент) и явилась ключевым элементом изобретения. Эдисон изготовил из ламповой сажи угольный контакт, менявший электрическое сопротивление при изменении механического давления на него. Давление на контакт осуществлялось посредством металлической мембраны, приводимой в колебания звуком.
22 апреля 1877 года Эдисон передал в Патентное ведомство Вашингтона оформленную по всем правилам заявку. Каково же было его удивление, когда ему сообщили, что 8 днями раньше никому не известный изобретатель по имени Эмиль Берлинер подал предварительную заявку на еще не законченное изобретение, чтобы обеспечить свой приоритет в изобретении контактного микрофона.
Микрофон с качающимся металлическим контактом
Впрочем, вскоре этот самый немецко-американский Эмиль Берлинер (1851-1929) стал широко известным. В 1887 году он заменил валик фонографа Эдисона вращающимся диском с нарезанными спиральными канавками, изобретя тем самым граммофонную пластинку.
Телефон Белла Берлинер увидел на выставке 1876 года в Филадельфии. Воодушевившись идеей, Эмиль немедленно принялся экспериментировать, что и привело к рождению микрофона с "качающимся металлическим контактом".
Контакт осуществлялся между металлическим шаром и металлической мембраной, приемником звуковых колебаний. 14 апреля 1877 года Берлинер подал предварительную заявку в Патентное ведомство Вашингтона с извещением о своем изобретении. Патент был выдан лишь в 1891 году, а гораздо позднее отменен, поскольку приоритет был признан за Филиппом Рейсом. Но к тому моменту изобретатель микрофона Берлинер уже успел обогатиться.
Изобретение Берлинера было куплено компанией Белл за 75.000 долларов (около 1,5-2 миллионов долларов в нынешнем масштабе цен). Эдисон же получил от Вестерн Юнион за свой угольный микрофон 100.000 долларов.
Тем временем между компаниями Вестерн Юнион и Белл развязалась война, и речь шла не о чести быть первооткрывателем, а о переделе рынка угольных микрофонов. Патентный процесс длился 14 лет, со взаимными обвинениями в нарушении патентного права, сбивании цен, промышленном шпионаже и подкупе.
Вестерн Юнион отказалась от производства телефонов и передала права на патент Эдисона за приличное лицензионное вознаграждение в 20% акций компании Белл. По ходу времени эти 20% вылились в 3,5 миллиона долларов, но компании Белл теперь принадлежали все основные изобретения в области телефонии. и она стала единичным монополистом в отрасли.
Забытый изобретатель Роберт Людтге
Пока в Америке юристы по вопросам патентного права драли глотки, в Берлине молодой физик Роберт Людтге (1845-1880) взял патент за № 4000 от 12 января 1878 года на первый немецкий микрофон. Микрофон Людтге производился в промышленных масштабах и применялся на практике.
Людтге производил свой микрофон в различных вариантах. В одном варианте соприкасались металлический контакт и металлическая пластина, в другом контакт осуществлялся между 2 металлическими пластинами, одна из которых была слегка изогнута. Принцип действия своего микрофона Людтге описал в патентном описании. Он отмечает. что изменение электрического сопротивления в месте контакта при изменении давления может быть отмечено гальванометром путем включения его в одну цепь с контактом и батареей, но также и на слух при замене гальванометра телефоном Белла.
Роберт Людтге умер в возрасте 35 лет в 1880 году в результате горлового кровотечения, а через 2 года его патент утратил силу.
А тем временем из Америки через Атлантику в Европу проник новый микрофон, и пионерские работы Людтге были забыты.
Муха на микрофоне
Несомненно, и Эдисон и Берлинер шли по верному пути, но чувствительность их микрофонов была невысока.
Именно к этому времени к проблеме увеличения тока в телефонной цепи подключился английский и американский физик и изобретатель Дэвид Эдвард Хьюз (1831-1900). К тому времени он уже был всемирно известен, поскольку его телеграфный аппарат, в отличие от аппарата Морзе, печатал на бумажной ленте не точки и тире, а читаемые символы алфавита.
Первый экспериментальный микрофон Хьюза был устроен удивительно просто. На деревянной мембране, на некотором расстоянии один от другого, укреплялись 2 металлических штифта, а поперек их был уложен третий, контактный штифт. Вибрации деревянной мембраны (при воздействии голосом) изменяли ток в цепи вследствие изменения сопротивления контакта.
В улучшенном варианте микрофона штифты на мембране были заменены на угольные, а третий штифт заменен на угольный стержень. Чувствительность микрофона была настолько велика, что было слышно, как на мембрану садится муха.
9 мая 1878 года Хьюз представил свой угольный микрофон общественности в Королевской Академии Лондона, после чего предоставил всем право свободного его использования.
Микрофон по рисунку выше представляет собой угольный стержень длиной 2 см, свободно стоящий меж 2 угольных опор - нижней и верхней.
Настенное подслушивающее устройство
Вскоре к определенных кругах пришли к мысли, что микрофон Хьюга можно использовать не только для целей безобидной телефонии.
В 1899 году Артур Уилке в книге "Электричество, выработка и применение" писал:
"Из микрофона сделали средство для подслушивания. В комнате на стене висит картина, не примечательная ни своими художественными достоинствами ни размером. Изображение маскировало деревянную мембрану, за которой укреплялись угольные контакты, превращавшие картину в сверхчувствительный микрофон.
К картине подводились у проводка, подключенные к телефону в отдаленной комнате. Данное устройство позволяло прослушивать находящихся в комнате людей, уверенных, что они могут безопасно разговаривать на любые темы.
Тиран Сиракуз Дионисий, использовавший похожую на ухо пещеру для подслушивания планов своих политических противников, мог бы только позавидовать владельцу подобного устройства.
Подслушивающее устройство использовалось в тюрьмах для прослушивания разговор заключенных; вполне ли законно такое применение устройства, предстоит решить судьям. Что же касается иных применений устройства, то здесь следует руководствоваться моральными принципами и осудить подобное".
Известно и другое применение микрофона, более "приличное". В научном журнале описано, что когда 22 сентября 1878 года вулкан Везувий издал ужасающе громкий звук, он был зафиксирован микрофоном на расстоянии 160 км. После этого в существующей с 1841 года обсерватории на Везувии был установлен микрофон, позволявший, совместно с сейсмографом, более точно фиксировать сейсмические процессы.
В Индии было принято искать подземные водные источники путем прикладыванию ночью, в полной тишине, уха к земле. Использование вместо уха угольного микрофона оказалось успешным методом обнаружения течения подземных вод.
Другие виды микрофонов
На практике вскоре выяснилось, что микрофон Хьюза со всего 2 местами контакта недостаточно надежен. И тогда, в 1878 году, британский священнослужитель и изобретатель Генри Ханнингс (1858-1935) пришел к идее использования контакта между тяжелой контактной площадкой и множеством маленьких контактных тел. Так был изобретен угольный порошковый микрофон.
В 1890 году Энтони К. Уайт сконструировал микрофон, с использованием таблетки из гранулированного угля, размещенной между неподвижным электродом и подвижной мембраной.
На этом история угольного микрофона завершается, микрофон Уайта содержал все элементы современного микрофона. В появившемся позднее (1898 год) "мешочном" микрофоне между алюминиевой мембраной и корпусом микрофона размещался шелковый мешочек, набитый криптолом (угольной крошкой).
В 1909 году был изобретен ленточный микрофон, а в 1917 году конденсаторный. Принцип работы пьезоэлектрического микрофона, используемого в телефонах с 1982 года, был открыт еще в 1880 году.
