Latimer Clark – Il ritardo dei segnali telegrafici

Traduzione (strettamente letterale) di A. Gaeta, pubblicata il 11.12.2006, dei punti salienti (p. 15 – 18) di questo libro del 1861:

In elettricità non c’è nessun fenomeno che sia in più stretto rapporto col telegrafo elettrico di quello dell’induzione, e nessuno che interferisca di più sul successo commerciale dell’impresa telegrafica. Se non fosse per questa iattura che si presenta nella forma nota come ritardo della corrente, ogni cavo telegrafico, per quanto lungo, potrebbe lavorare a qualsiasi velocità; e sebbene si possa far molto per ridurre i suoi effetti, non si conosce ancora alcun sistema per evitarli del tutto. Gli effetti dell’induzione furono previsti molto prima che il telegrafo entrasse nell’uso pratico.

Nell’aprile del 1850 Werner Siemens per primo descrisse gli effetti dell’induzione che aveva osservato nelle linee sotterranee della Prussia. Questi effetti erano la ricezione (reception) della carica e la sua ritenuta al cessare del contatto con la batteria.

Il ritardo della corrente – l’aspetto peculiare che, comunque, costituisce la grande difficoltà della moderna telegrafia – non fu incontrato o previsto da lui. Questo fenomeno fu dimostrato per la prima volta da me il 20 marzo 1852, durante alcuni miei esperimenti alla Gutta Percha Company, fatti alla presenza del Dr. Scoffern e di altri gentiluomini.

In quella occasione 100 miglia di filo furono immersi in un canale e 175 miglia furono depositati all’asciutto in fabbrica, e si fece un tentativo per azionare un elettromagnete e l’apparato stampante di Bain attraverso l’intera lunghezza (275 miglia). Si trovò che non c’era alcuna difficoltà ad azionarli neanche con una batteria di potenza molto piccola, ma si notò subito che la corrente impiegava un tempo abbastanza percettibile nell’attraversare le 100 miglia (il filo immerso). L’esperimento fu variato in vari modi, sia con l’elettromagnete che con l’apparato di Bain, ma il risultato fu costante, cioè fu percepito ritardo persino quando la corrente prima di agire sul magnete doveva attraversare l’intera lunghezza del filo. In un esperimento la batteria e l’elettromagnete furono messi ad un estremo del filo, e il contatto fu fatto e interrotto all’altro estremo; ma sebbene l’elettromagnete e la batteria fossero attaccati l’un l’altro fu percepito lo stesso ritardo. Fu anche notato che i segni fatti dalla corrente sulla carta del Bain non solo erano lenti ad apparire, ma spesso la traccia lasciata, invece di finire di colpo e istantaneamente come nel caso delle linee aeree, diminuiva gradatamente fino a un punto. Si capì subito che la causa del fenomeno era l’induzione, e per verificarlo si staccarono le 100 miglia in acqua e si usarono solo le 175 miglia all’asciutto e, come ci si aspettava, non si rilevò alcun ritardo.

Prima di prendere in considerazione le leggi che governano l’induzione nei cavi sottomarini sarà utile descrivere il fenomeno come si presenta in pratica. I seguenti esperimenti furono fatti personalmente da me nell’autunno del 1853. Essi furono così interessanti e nuovi che furono invitati ad assistere alla loro ripetizione i professori Airy (Osservatorio di Greenwich) e Faraday (Royal Institution), e loro in ottobre, insieme ad altri gentiluomini, vi presenziarono. Nel gennaio 1854 Faraday ne fece il soggetto di una conferenza alla Royal Institution, e per questo motivo nei lavori di elettricità essi sono spesso ma erroneamente citati come Ricerche di Faraday sui cavi sottomarini; però questo eminente scienziato si è premurato di stabilire la fonte da cui gli sono derivate (vedi Exp. Researches, vol iii, p. 508).

1 – Furono immersi in un canale 100 miglia di filo isolato in guttaperca (N. 3), lasciando sempre scollegato da terra il capo lontano del filo. Anche il capo vicino era scollegato, ma aveva attaccato un galvanometro che indicava qualsiasi corrente entrasse o uscisse dal filo. La batteria fu disposta con un polo permanentemente collegato alla terra. L’altro polo della batteria fu poi messo in contatto con il filo di linea. Il galvanometro (detector verticale, a zero centrale, rivedi MO 106) fu subito e molto violentemente spostato a destra dalla corrente che entrava nel filo ma l’ago, al cessare quasi immediato di questa, riprese la sua posizione quasi verticale e rimase fermo. Fu quindi interrotta la connessione con la batteria e il galvanometro, non avendo nessuna corrente passante, tornò perfettamente verticale. Mantenendo le cose in questo stato, vale a dire entrambi i capi scollegati dalla batteria, fu connesso a terra il capo vicino: il galvanometro fu ora deviato nella direzione opposta da una carica di ritorno che ebbe la stessa violenza di prima, dimostrando così che nel filo era stata trattenuta una carica.

2 – Fu fatto un altro esperimento simile a questo, eccettuato che la scarica fu presa dal capo lontano del filo invece che dall’estremo in cui era stata introdotta. Il galvanometro deviò nella stessa maniera e direzione di prima, né si osservò alcuna differenza nella quantità (amount) di deflessione.

3 – Tutti gli arrangiamenti erano gli stessi di prima, con l’eccezione che il filo di 100 miglia, invece di essere in acqua, stava avvolto in bobine in una stanza asciutta. Quando il polo della batteria fu portato in contatto col filo nella maniera descritta nell’esperimento 1 non si riuscì a percepire nessuna deflessione, né si ottenne alcuna scarica con la connessione a terra, provando così che era necessaria la presenza di un mezzo conduttore all’esterno del filo, e che il fenomeno era causato da induzione.

4 – Un polo della batteria fu messo a terra, l’altro fu messo in contatto sia con un capo del filo da 100 miglia in acqua, sia con un capo del filo da 100 miglia all’asciutto, mentre i capi lontani di entrambi i fili erano collegati a terra, con un galvanometro su ogni filo per indicare la quantità di corrente che passava. La corrente della batteria, dividendosi, passò metà attraverso il filo asciutto e metà attraverso il filo bagnato, e non si poté percepire nessuna differenza nella forza della corrente che passava in ognuno.

5 – In un altro esperimento furono messe una sopra l’altra 18 piastre di rame, di circa 4 feet x 3 feet ciascuna, separate l’una dall’altra da un sottile strato di guttaperca dello spessore di un foglio di carta. Esse furono poi connesse in due gruppi alternati di 9 piastre, e uno fu collegato al polo rame della batteria e l’altro al polo zinco (la superficie di ogni gruppo di 9 piastre era uguale a circa 3 miglia di filo di guttaperca). Facendo il collegamento si vedeva una distinta carica entrare nelle piastre, mentre una volta scollegata la batteria, si ricevette una scarica, ma le indicazioni erano deboli. Uno dei due gruppi fu connesso alla terra invece che al polo della batteria, mentre era anche a terra il polo opposto della batteria. I risultati furono gli stessi.

6 – In un altro esperimento, fatto il 15 ottobre 1853 a Lothbury (ufficio telegrafico centrale di Londra), la lunghezza del filo in circuito era di 2400 km (1.490 miglia), di cui 70 miglia erano in canaline asciutte (dry boards), mentre il rimanente in tubi di ferro o terraglia interrati lungo la ferrovia Londra-Manchester.

La guttaperca aveva il diametro di 1/4 di pollice, mentre il filo di rame interno 1/16 di pollice; ogni filo era avvolto con nastro di cotone incatramato e spalmato di sabbia fine. 100 miglia di filo di rame avevano una superficie di 8.250 feet (?). La potenza della batteria era 508 celle di batteria Daniell, con piastre da 4 pollici quadrati. I fili erano liberamente messi in un fascio di 8 fili attorcigliati e tirati entro i tubi, formando così 8 circuiti indipendenti da Londra a Manchester, che furono tutti uniti in un circuito complessivo di 2400 km:

Tutti gli 8 fili erano uniti in una linea continua, cominciando dal polo zinco (Z) della batteria alla terra, il polo rame (P) attraverso un galvanometro (A) ai fili della linea, da lì due volte a Manchester e ritorno, attraverso un secondo galvanometro (B) ancora due volte a Manchester e ritorno, e finalmente attraverso un terzo galvanometro (C) alla terra (earth).

Facendo contatto con la batteria l’ago del primo galvanometro deviò con grande violenza per un istante e immediatamente dopo si fissò ad un angolo di quasi 90°. Dopo un secondo o più l’ago del secondo galvanometro deviò nella stessa direzione, non con violenza, come nel primo caso, ma piuttosto lentamente, e pigramente (tardily) si fermò a circa 45°. Poi, dopo un intervallo ancora più lungo la corrente sembrò raggiungere il terzo galvanometro, perché l’ago deviò debolmente con movimento lento, ma gradualmente crescente, apparentemente per scosse o pulsazioni, finché rimase a 15° o 20°. Al distacco il primo galvanometro tornò indietro per primo, poi il secondo e per ultimo il terzo.

7 – In un altro esperimento fu lasciata la stessa disposizione di prima, eccetto che il terzo galvanometro fu scollegato dalla terra, così la corrente non aveva sfogo al capo lontano del filo. Facendo contatto con la batteria come prima, gli aghi del primo e del secondo galvanometro furono in successione deviati allo stesso valore e nella stessa maniera di prima, ma il terzo galvanometro, non essendoci nessuno sbocco al di là di esso, ovviamente non subì alcuna deflessione. Facendo ora contatto con la terra, al terzo galvanometro, si ebbe una notevole scarica di elettricità rattenuta, con l’ago che deviava potentemente (nella stessa direzione degli altri), ma all’immediato cessare della prima scarica, l’ago rimase fermo (quiescent), come prima, ad un angolo di circa 15° o 20°.

8 – Questo esperimento è simile al precedente, tranne che non si fece uso di alcuna connessione a terra, ma si collegarono i poli della batteria direttamente ai galvanometri estremi A e C, formando un circuito chiuso:

Facendo contatto con la batteria furono violentemente deflessi entrambi i galvanometri estremi A e C, in direzione parallela, a causa di una carica di elettricità positiva e negativa evidentemente passante attraverso i rispettivi fili, rimanendo poi gli indici continuamente e fortemente deviati nella stessa direzione. L’indice intermedio B non fu deviato che dopo un intervallo di un intero secondo o più, quando si fermò quietamente nella stessa direzione senza nessuna scossa. Si ripeté l’esperimento con i poli della batteria invertiti e con potenza ridotta, ma senza nessuna marcata differenza nei risultati. Quando fu staccata la batteria e si collegarono assieme i galvanometri, attraverso ognuno di essi ritornò una potente scarica, che li fece deviare nel verso contrario a quello provocato dalla sua entrata.

9 – L’esperimento fu ripetuto con solo 800 miglia di filo e una batteria di 144 elementi. A e C furono rivoltati (revulsed) dalla scarica di ritorno, come prima, e dopo un breve intervallo anche B tornò indietro un po’ bruscamente.

L’esperimento fu allora ripetuto, ma quando fu scollegata la batteria gli estremi A e C non furono uniti insieme. Ovviamente in questo caso gli indici di A e C caddero verticalmente per la loro stessa gravità. Dopo un considerevole intervallo di tempo B tornò lentamente indietro alla sua posizione verticale e senza la bruschezza (abruptness) menzionata nel paragrafo precedente.

In tutti questi esperimenti i galvanometri estremi A e C furono potentemente e istantaneamente deflessi, ma non fu che dopo un considerevole intervallo di tempo (più di un secondo) che fu deviato lo strumento intermedio B (essendo separato da ognuno degli altri galvanometri da 750 miglia di filo). La sua deviazione non fu improvvisa, ma alquanto pigra. Furono ripetuti gli esperimenti invertendo i poli e diminuendo la potenza, senza nessuna decisa differenza nei risultati.

10 – In un altro esperimento un polo della batteria fu messo permanentemente a terra, l’altro polo fu messo in contatto con un estremo dei fili (lunghezza totale 2400 km) mediante un tasto (finger key), premendo il quale si mettevano i fili di linea in contatto con la batteria e la corrente entrava nei fili attraverso il galvanometro. Quando la molla (cioè, il tasto) ritornava di nuovo su la connessione alla batteria veniva interrotta, ma allo stesso tempo veniva fatto contatto con la terra (tramite il bottone G) e la corrente indotta del filo di linea ritornava alla terra attraverso il galvanometro e il tasto:

Premendo il tasto attraverso il galvanometro passava una potente carica (ciò era parzialmente dovuto all’imperfetto isolamento dei fili, che consentivano una considerevole fuga verso la terra, ma principalmente ad una corrente di elettricità indotta che fluiva verso il filo e lo caricava, con l’ultimo effetto che cessava subito, ma col primo che rimaneva permanentemente) e l’ago deviava violentemente in una direzione. Alzando il tasto la corrente di ritorno defletteva l’ago ancora più fortemente nella direzione opposta, invertendo allo stesso tempo completamente i suoi poli. Questo fu ripetuto molte volte. La carica di ritorno o scarica induttiva fu presa anche dopo intervalli di 4 o 5 secondi. Una volta, nel corso dei lavori alla Gutta Percha Company, questa corrente di ritorno fu molto evidente dopo un tempo di 5 minuti, durante i quali il cavo (100 miglia) era stato totalmente scollegato dalla batteria.

11 – In un altro esperimento il filo di linea fu caricato come prima e, rotto il contatto in A, fu messo repentinamente a terra il capo lontano (Manchester) attraverso il galvanometro B:

La scarica non fu così potente come quando presa al capo vicino (Londra), ma era dello stesso tipo. Cosicché, se nel filo veniva inviata una corrente positiva, la corrente di ritorno era positiva da qualsiasi capo del filo fosse presa. La corrente di ritorno non lasciava i fili istantaneamente, ma dapprima cominciava con grande violenza e poi diminuiva gradualmente, annullandosi rapidamente.

12 – Fu inviata una corrente attraverso entrambi i galvanometri A e B, con interposti i fili di linea (schema precedente); entrambi gli aghi furono infine deviati a destra, B più lentamente e debolmente di A, come nell’esperimento 6. Quando la batteria fu disconnessa ad A, la corrente di ritorno aveva due vie di fuga, verso la terra in A e verso la terra in B. La maggior parte ritornò attraverso A, gettando l’ago violentemente indietro a sinistra, ma una considerevole corrente continuò a versare (pay out) in B, tenendo su quest’ago per un secondo o più nella stessa direzione in cui la corrente originale lo aveva deviato. L’ago A raggiunse la sua posizione verticale un po’ prima di B.

13 – Nel seguente esperimento non fu usato nessun galvanometro, ma le correnti furono indicate su una striscia di carta (zona) imbevuta di una soluzione di prussiato di potassa e nitrato di ammonio, tenuta in movimento da un meccanismo ad orologeria alla velocità di circa 2 feet al minuto. Tre aghi di ferro poggiavano sulla carta che si muoveva e quando passava una corrente positiva dagli aghi verso la carta si formava una ─── traccia blu. L’apparato usato per inviare correnti era lo stesso di quello dell’esperimento 10 (con una piccola aggiunta per inviare una indicating current) e aveva le seguenti proprietà. Quando il tasto era abbassato la batteria veniva lanciata sui fili di linea, a quello che denomineremo il capo “vicino” (near end). Il capo lontano (distant end) era sempre connesso alla terra attraverso l’ago B, così attraverso la linea passava una corrente dal capo vicino e si manifestava all’ago del capo lontano. Quando al tasto era permesso di “volare” (fly) di nuovo in su la connessione con la batteria cessava, ma contemporaneamente il capo vicino della linea era messo in contatto col bottone G, e così aveva accesso alla terra attraverso il capo vicino A. In queste condizioni sia il capo vicino che il capo lontano della linea erano in contatto con la terra attraverso i rispettivi aghi A e B. Il terzo ago C era usato semplicemente per indicare, mediante una piccola batteria locale (ausiliaria), il momento esatto della pressione e del rilascio del tasto. Tutti e tre gli aghi lasciavano come segni delle linee parallele sulla zona di carta ══ (In un esperimento successivo si mise anche un quarto ago, connesso ad un pendolo, che lasciava sulla carta un punto ad ogni secondo).

14 – Fu premuto il tasto per 10 secondi per caricare la linea con una corrente positiva. Sulle prime non apparve alcuna corrente sull’ago al capo lontano, ma dopo un secondo e mezzo si vide una debole indicazione, che aumentò alla fine del terzo e quarto secondo, quando la linea blu divenne di intensità uniforme e non più grande di quella che si sarebbe formata su circuito corto con due coppie di piastre. Alla fine del decimo secondo la corrente della batteria (ausiliaria) cessò al capo più vicino, ma la corrente continuò a fluire uniformemente fuori al capo lontano fino al dodicesimo secondo, diventando gradualmente invisibile dopo circa 14,5 secondi.

Ma alla fine del decimo secondo il capo vicino fu messo a terra come il capo lontano e di conseguenza ritornò dalla linea una corrente di grande potenza che, dopo aver prodotto un foro bruciando la carta, diminuì gradatamente fino a far svanire ogni traccia dopo il diciottesimo o ventesimo secondo (vedi diagramma, che sarà commentato in dettaglio a suo tempo – N.d.T.). Questa corrente, quindi, continuò a scorrere per 4 secondi dopo che la corrente al capo lontano era cessata (Anche la corrente lontana defluì per circa lo stesso tempo dopo che la corrente della batteria era cessata).

15 – In questo esperimento la corrente di ritorno possiede grande potenza al suo primo contatto con la terra, diminuendo istantaneamente in una forma più moderata, ma alla fine di 8/10 di secondo essa appare assumere un secondo massimo di intensità, formando una chiazza (spot) ben definita che è perfettamente uniforme nel tempo di apparizione in ogni esperimento. Ciò può avere qualche connessione con le pulsazioni osservate nell’esperimento 6. Dopo questo nodo la corrente diminuisce con uniformità fino ad annullarsi. Se il tasto fosse premuto per un tempo corto, insufficiente a caricare del tutto la linea, questo nodo apparirebbe più presto dopo il contatto con la terra, addirittura a 1/6 di secondo. Se la corrente fosse tenuta 3 secondi invece di 10 secondi, il nodo apparirebbe dopo 6/10 di secondo, e così via.

16 – Quando la corrente era inviata nel filo per due secondi e se ne permetteva il ritorno per due secondi, ripetendo la cosa diverse volte, la corrente al capo lontano appariva in un flusso continuo (constant stream), di forza leggermente variabile, ma senza cessare mai di scorrere. Quando la corrente si inviava e si faceva “scappare” (escape) a rapidi intervalli azionando rapidamente il tasto (keying rapidly) al capo lontano non si vedeva alcun segno.

17 – Due fili di ferro nudo sospesi in aria tra Londra e Liverpool furono uniti insieme a Liverpool e attaccati alla macchina, formando così un circuito di circa 500 miglia. Ogni filo a Londra comunicava con la terra. Inviando una corrente lungo il filo essa appariva quasi istantaneamente al capo lontano e cessava di scorrere quasi allo stesso istante in cui veniva fermata al capo vicino.

Persino questa leggera perdita di tempo si è potuta spiegare per il fatto che circa 8 o 10 miglia del filo erano interrate sotto le strade di Londra, Manchester e Liverpool, e per di più sistemati in trogoli di legno attraverso una moltitudine di tunnel umidi.

C’era un leggero diminuirsi o affusolarsi delle tracce della corrente lontana sia all’inizio che al termine; e quando il tasto era alzato una corrente di ritorno sotto forma di un ben definito punto (dot). Entrambi questi fenomeni potevano essere attribuiti alla proporzione di lavoro sotterraneo. La sera in cui fu fatto questo esperimento pioveva, e con l’intensità della potenza di batteria senza dubbio ci sarebbe stata una fuga di corrente da un filo all’altro senza passare attraverso Liverpool. Questa circostanza avrebbe leggermente influenzato i risultati dell’esperimento.

18 – Una corrente fu inviata su due dei fili, i cui estremi a Manchester erano scollegati dalla terra. Tra altri due fili vicini e la terra fu interposto un galvanometro orizzontale molto sensibile, per vedere se qualche carica vi entrava o vi usciva quando sui fili originali era fatta o interrotta la corrente. La corrente derivante da parziale contatto tra loro, circa 37°, bastò a impedire qualsiasi osservazione decisiva all’invio della corrente; ma alla sua interruzione cadde quietamente a zero senza né scossa né indicazione di corrente indotta.

19 – Al capo vicino A di un filo di 800 miglia fu ora data una carica, come nell’esperimento 11, mentre il capo lontano B non era connesso a terra. Ricevendo di colpo la carica dall’estremo A, si trovò essere di gran lunga più potente di quella da B. Se però si faceva passare un intervallo di 2 sec dopo il distacco della batteria, la carica appariva equalizzarsi perfettamente, ed era ugualmente forte ad entrambi i capi. Il confronto fu fatto inclinando l’ago del galvanometro, mentre poggiava contro uno stop, ad un angolo tale che la scarica a mala pena avesse potenza a defletterlo un poco oltre nella stessa direzione.

20 – Ora fu lanciata una carica a 400 miglia di filo attraverso una serie di bobine di resistenza molto potenti, di filo molto fino. La scarica non fu così potente come quando i fili erano caricati direttamente dalla batteria.

21 – Furono ora connessi a terra ad ogni estremo 400 miglia di filo, avendo interposto bobine di resistenza tra la batteria e la terra al capo vicino. Scollegando la batteria, come nell’esperimento 10, al galvanometro non si vide alcuna scarica di ritorno, vedendo sfogare tutta la carica all’estremo lontano. Diminuendo di molto la resistenza, la scarica cominciò a diventare evidente. Su un galvanometro al capo lontano potevano essere fatti segnali alla velocità di 2 al secondo. Le bobine furono poi poste tra la batteria e la linea, ma i risultati furono simili.

22 – Furono uniti come sopra 400 miglia di filo, senza bobine resistive, con il galvanometro e la batteria permanentemente collegati alla linea al capo vicino. Facendo e interrompendo il contatto con la terra al capo lontano, al galvanometro all’altro capo si potevano ottenere segnali dopo intervalli di 3/8 di secondo, con l’ago che si muoveva all’inizio con una leggera scossa. Ciò è simile al sistema di stampa americano (Hughes, House, ecc. – N.d.T.) in cui si usano elettromagneti agli estremi opposti della linea dalle batterie, oppure batterie in azione costante distribuite lungo la linea.

23 – Furono caricati 4 fili con interposta una batteria come nell’esperimento 8, e una volta caricati fu tolta la batteria, lasciando le due porzioni della linea ad A e C separate. Collegando ora la metà A alla terra attraverso un galvanometro, si trovò che conteneva una carica di elettricità positiva e alla stessa maniera l’altra metà C dava una scarica di elettricità negativa.

24 – Nel maggio 1854, per separata richiesta sia del Prof. Airy che del Prof. Faraday, fu fatto un esperimento su 800 miglia di filo sotterraneo, per accertare quale differenza di velocità derivasse dalla variazione del numero degli elementi della batteria. Fu usata la disposizione dell’esperimento 13, col quarto ago usato per marcare sulla carta un punto (dot) ogni secondo. La potenza della batteria fu gradualmente variata da 31 celle a sedici volte tanto, cioè 516 celle; il tempo occupato prima della prima apparizione della corrente fu circa mezzo secondo, e fu sensibilmente lo stesso per tutte le tensioni provate, mentre la sola differenza visibile era nella forza del segno sulla carta. La quantità della corrente fu anche variata connettendo le batterie lateralmente invece che in serie e, contrariamente alle aspettative, l’effetto fu chiaramente una leggera diminuzione della velocità della corrente.