Lorsque nous dessinons des schémas, nous avons le luxe de prétendre que le fil est gratuit. Il n'y a que quelques cas où vous devez tenir compte des caractéristiques électriques du fil: lorsque le fil est très long ou que la fréquence sur le fil est relativement élevée.
Cela est devenu apparent après la mise en service du premier câble transatlantique pour les communications télégraphiques. Même si le fil était linéaire, il y avait toujours une distorsion sur la ligne si grave que les points et les tirets se chevauchaient. La solution temporaire était de limiter les vitesses si lentement que les opérateurs avaient du mal à envoyer et à recevoir à ces vitesses. C'est lent? Un personnage moyen a mis deux minutes à envoyer! Ce n'est pas une faute de frappe. Deux minutes par personnage. Selon la coutume, le code Morse suppose qu'un mot est composé de cinq caractères, vous pouvez donc envoyer un mot toutes les 10 minutes.
Le premier câble transatlantique est entré en service en 1858 et était pratiquement le débarquement lunaire de son époque. Frustré par la lenteur des communications, un électricien du nom de Whitehouse a décidé d'augmenter la tension à plus de 1 000 volts, ce qui a provoqué une défaillance du câble après seulement trois semaines de service. Oups. Une analyse ultérieure a montré que le câble allait probablement échouer rapidement de toute façon, mais Whitehouse a pris le blâme du public.
Le fil à l'époque n'était pas aussi bon que ce que nous avons aujourd'hui, ce qui a entraîné certains problèmes. L'isolation a été réalisée à partir de plusieurs couches d'un latex naturel, la gutta percha, qui est ce que les dentistes utilisent pour remplir les canaux radiculaires. Les vestes étaient faites de chanvre goudronné et liées avec du fil de fer. Il n'y avait aucun moyen de construire un amplificateur sous-marin en 1858, donc les câbles n'étaient que d'énormes fils posés sur le plancher océanique entre Terre-Neuve et l'Irlande.
L'état de l'art
Même si mettre un câble sous l'océan aujourd'hui n'est pas une mince affaire, c'était encore pire en 1858. Même la construction du câble était un gros problème. Il y avait sept conducteurs et le fil de fer utilisé pour blinder le câble nécessitait deux sociétés pour le fabriquer. Célèbre, les entreprises ont enroulé le fil dans des directions opposées, ce qui a entraîné un piratage bien publicisé pour permettre l'épissage.
La pose du câble était également précaire. Il y avait eu des travaux de pose de câbles plus courts sous de petits plans d'eau, mais rien de cette envergure n'avait été fait auparavant. Il n'y avait pas de navire capable de contenir les 2 500 milles de câble, ils ont donc utilisé deux navires. Après quelques tentatives avortées, les navires se sont rencontrés au milieu de l'Atlantique, ont épissé leurs câbles et sont partis dans des directions opposées. Le câble fini lui-même mesurait près de 2 000 milles.
Même le code Morse ne fonctionnait pas de la même manière sur le long câble. Au lieu d'activer ou de désactiver, le câble transatlantique a utilisé le flux de courant dans un sens pour signifier un point et dans l'autre pour signifier un tiret – ce que nous appellerions maintenant une boucle de courant. L'extrémité du récepteur était un galvanomètre très sensible qui utilisait un miroir pour maximiser la sensibilité, développé par un homme nommé Thomson, plus connu sous le nom de Lord Kelvin. Thomson et Whitehouse ne s'entendaient pas très bien, mais les idées et les prévisions de Thomson se sont avérées être les bonnes.
Dégradation
Au début, c'était un mystère de savoir comment le câble pouvait déformer le signal. Les essais avec des lignes souterraines par Whitehouse avaient été réussis, bien que Thomson était en désaccord avec ces essais et craignait que le câble ne supporte que des vitesses lentes. Les câbles étaient longs, mais la vitesse de la lumière est très rapide. Même si le facteur de vitesse du câble avait été de 0,25, le retard de transmission ne serait que d’environ 44 millisecondes. Pas assez pour s'inquiéter. De plus, s'il agissait simplement comme un retard qui ne changerait pas la vitesse de communication, juste la latence.
Thomson a basé son idée qu'il y aurait des problèmes de vitesse sur la loi des carrés. Cette loi dit qu'un pas de tension dans un câble aura un courant maximum à un moment proportionnel au carré de la distance sur la ligne. Il s'avère que ce n'est pas tout à fait correct car la formule ne tenait pas compte de l'inductance et des fuites, mais elle était suffisamment proche pour montrer qu'il pourrait y avoir des problèmes avec le retard dans la ligne. Le projet de câble était bien avancé, mais la nouvelle formule indiquait que le câble devrait être plus gros pour réduire la résistance et diminuer la capacité. Mais, comme cela arrive souvent, personne ne voulait l'entendre, ce qui a été contesté et ignoré.
La vraie raison
Il faudrait à Oliver Heaviside une meilleure explication de ce qui se passait. Intuitivement, vous pouvez considérer que les composantes de fréquence plus élevées d'un signal traversent le fil à des vitesses différentes de celles des fréquences plus basses. Une onde carrée, par exemple, peut être considérée comme une onde sinusoïdale à la fréquence fondamentale plus la somme de toutes les harmoniques impaires. Les harmoniques supérieures voyagent plus vite que les fréquences plus basses, provoquant une distorsion. À un certain point, les fréquences plus élevées d'une partie du signal rattraperont les parties les plus lentes de la partie précédente du signal.
Heaviside a formulé une paire d’équations différentielles appelées équations du télégraphe. En 1876, son article a fourni un modèle réaliste d'une longue ligne de transmission et le travail a des applications dans toutes sortes de lignes de transmission et même d'antennes. Il s’avère que la loi des carrés de Thomson était un cas particulier des équations du télégraphe qui ignoraient l’inductance et les fuites.
La solution
Si vous travaillez avec les calculs de Heaviside, vous découvrez que la distorsion ne se produit pas dans un câble lorsque, pour une quantité donnée de câble, le rapport de la fuite à la capacité est égal au rapport de la résistance à l'inductance. Mathématiquement, si C est la capacité par mètre, L est l'inductance par mètre, R est la résistance du câble par mètre et G est la conductance shunt (c'est-à-dire l'inverse de la résistance entre les conducteurs), vous vous retrouvez avec cette formule, connu comme la condition Heaviside:
Habituellement, G est très petit, donc G / C sera beaucoup moins que R / L. Alors, comment pouvez-vous équilibrer la formule? Modifiez simplement l'une des variables jusqu'à ce que le ratio fonctionne. La diminution de R est intéressante car une baisse de R signifie également moins de perte, mais cela signifie également un fil plus gros ou des matériaux plus chers, ce qui n'est pas toujours pratique. Surtout quand vous parlez d'un câble de 2 000 miles. La diminution de la capacité a un problème similaire. Cela change le rapport, mais nécessite plus d'espacement ou une isolation différente. Vous pouvez augmenter G, mais cela contribuera à une perte plus élevée, donc ce n'est pas quelque chose que vous voudriez habituellement faire.
Cela laisse l'inductance, L. Certains câbles longs ont un fil de chargement intégré avec une perméabilité magnétique élevée pour forcer l'inductance plus haut. Il y a une autre façon de gérer cela, c'est d'utiliser des bobines de chargement discrètes régulièrement espacées le long du câble. Ce n'est pas parfait, mais c'est pratique et réduit la distorsion. Ceux-ci sont parfois appelés bobines Pupin d'après l'inventeur Michael Pupin. Pupin a poursuivi AT&T au sujet d'un brevet de George Campbell qui utilisait des bobines de chargement sur des lignes téléphoniques. Le brevet de Cambell a été déposé après celui de Pupin, mais le travail semble avoir été antérieur. Le travail de Heaviside était encore plus tôt, donc Pupin n'avait probablement pas une bonne revendication.
Cependant, la valeur pour AT&T était si grande qu’ils ont décidé d’acheter une option pour le brevet de Pupin afin de pouvoir contrôler les deux brevets. Pupin gagnerait environ 455 000 $ sur une vingtaine d'années, soit environ 25 millions de dollars aujourd'hui. Mais c'était un petit changement par rapport aux économies d'AT & T. Une distorsion plus faible sur les lignes téléphoniques signifiait qu'ils pouvaient utiliser un câble pour couvrir deux fois la distance qu'ils utilisaient auparavant. Selon certaines estimations, AT&T a économisé 100 millions de dollars au cours du premier quart du 20e siècle. Cela fait que le Pupin à moins de 500 000 $ n'a qu'une goutte dans le seau.
Comment les temps ont changé
Il est difficile pour l'esprit moderne d'imaginer même la mise en place d'un système distant lorsque votre seul moyen de communication avec l'autre côté est une lettre transportée par bateau. Le mauvais temps pourrait signifier qu'une traversée transatlantique prendrait des semaines. Le montant d'argent dépensé pour les nombreuses tentatives de câble était également stupéfiant. Le câble réussi a pris environ 1 million de dollars. Une somme énorme à l'époque. Après l'échec du premier câble, certaines personnes ont prétendu que le tout était un canular; vraiment l'atterrissage sur la lune de son temps.
Maintenant, bien sûr, le fil est meilleur et nous n'avons pas à nous soucier autant de la condition Heaviside. De plus, vous ne poseriez pas un câble de 2 000 milles sans répéteurs. Cela permet non seulement de lutter contre la perte, mais aussi de gérer la distorsion dans une certaine mesure. Mais ne vous y trompez pas. Il y a encore beaucoup de câbles sous-marins et ils transportent une énorme quantité de données.
Bien que l'histoire de la technologie comme celle-ci soit agréable en soi, vous devez réfléchir aux leçons que vous pouvez tirer de cette histoire. Tout d'abord, le fil n'est pas parfait et se comporte de manière étrange et inattendue qui fait rarement une différence (jusqu'à ce qu'ils le fassent). Deuxièmement, ignorer les conseils techniques pour des raisons commerciales est souvent semé d'embûches. Il serait intéressant de faire une étude sur le gaspillage d’argent car personne n’aimait les résultats de Thomson selon lesquels le câble serait «lent». Certes, si le câble avait échoué de toute façon, cela n'aurait pas été une énorme perte, mais tout de même, avoir un câble avec moins de distorsion aurait pu empêcher le câble de tomber en panne dès le début.
Les bobines de puces appartiennent en grande partie au passé. Mais l'histoire de leur arrivée et de leur départ peut nous apprendre des choses aujourd'hui. Si vous voulez en savoir plus sur l'histoire des câbles transatlantiques et comment ils ont évolué, nous en avons déjà parlé. Vous pourriez également apprécier la vidéo ci-dessous.
