Код. Тайный язык информатики [2004] Чарльз Петцольд
Вам стукнуло двенадцать лет. И вот в один ужасный день семья вашего лучшего друга уезжает в другой город. Время от времени вы болтаете с другом по телефону, но это даже отдаленно не напоминает полуночные сеансы связи с фонариками и азбукой Морзе. Со временем вашим новым лучшим другом становится парень, живущий по соседству. Пришло время
сдуть пыль с фонарика и обучить друга азбуке Морзе. Но вот беда — из окна вашей комнаты не видно окна вашего приятеля! Дома рядом, да вот окна обращены в одну сторону. Пока вы не придумаете способ установить снаружи несколько зеркал, общаться по ночам с помощью фонариков у вас не получится. Или получится?
Возможно, к этому времени вы уже узнали кое-что об электричестве и потому решили собрать из батареек, лампочек, переключателей и проводов фонарики с дистанционным управлением. Для начала вы устанавливаете в своей комнате батарейки и переключатель. Два провода выходят из вашего окна, пересекают забор и проходят в окно комнаты друга, где соединяются с лампочкой.
Здесь я показываю только одну батарейку, но можно использовать и две. На этой и последующих схемах разомкнутый переключатель будет изображаться так:
Фонарик, о котором мы говорим в этой части, работает так же, как и фонарик из предыдущей, просто провода, соединяющие его компоненты, стали немного длиннее. Когда вы включаете переключатель у себя, лампочка загорается в комнате вашего друга.
Теперь вы можете посылать другу сообщения с помощью азбуки Морзе.
Заставив один фонарик работать на расстоянии, вы можете собрать вторую такую же схему, чтобы друг мог посылать вам ответные сообщения.
Поздравляю! Вы создали настоящий двухсторонний телеграф. Он состоит из двух одинаковых цепей, полностью независимых и не соединенных друг с другом. Теоретически вы можете посылать сообщение своему другу в то самое время, когда он отправляет свое вам (хотя одновременно принимать и посылать сообщения будет нелегко). Если вы достаточно сообразительны, то сократите расход провода на 25%, немного изменив схему:
Теперь отрицательные контакты обеих батарей соединены. Две замкнутые цепи (батарея — переключатель — лампа — батарея) все еще независимы, хотя и связаны, как сиамские близнецы. Такое соединение называется соединением с общим проводом (common). В нашей цепи общий провод начинается в точке соединения левой лампы и батареи, а заканчивается в точке соединения правой лампы и батареи. Эти соединения отмечены точками.
Рассмотрим работу схемы подробнее и убедимся, что она нам понятна. Начнем с того, что когда вы включаете переключатель у себя, в доме вашего друга загорается лампа. Провода, по которым течет ток, отмечены светлым оттенком.
В другой части цепи тока нет, так как электроны не могут течь по разомкнутым проводам. Если сигналы посылает ваш друг, а не вы, управление лампой в вашем доме осуществляется переключателем в доме вашего друга. И снова провода, по которым течет ток, отмечены
светлым оттенком.
Если вы оба пытаетесь послать сообщения одновременно, ваши переключатели либо выключены, либо один переключатель включен, а другой выключен, либо оба включены. В последнем случае поток электронов в цепи течет так:
Через общую часть цепи ток не идет.
Соединив две цепи в одну общим проводом, мы сократили количество проводов между домами с четырех до трех, сэкономив 25% провода.
Если провода нужно протянуть на очень большое расстояние, хорошо было бы сократить затраты, отказавшись еще от одного провода. К сожалению, в цепи с 1,5-вольтовыми батарейками и небольшими лампочками это невыполнимо, но если вы имеете дело со 100-вольтовыми батареями и большими лампами, убрать провод можно.
Тут есть небольшая хитрость. Объединив цепи общим соединением, вы не должны использовать для него провод. Его можно заменить любым проводником. Например, гигантским шаром радиусом около 6 400 км, состоящим из металлов, камней, воды и органических веществ. Этот шар — планета Земля.
Говоря ранее о хороших проводниках, я упоминал серебро, медь и золото, но отнюдь не гравий или перегной. Правду сказать, земля не такой уж хороший проводник, хотя некоторые виды почв (например, влажная земля) проводят ток намного лучше других (например, сухой песок). Но у проводников есть одно общее свойство: чем проводника больше, тем лучше. Толстый провод проводит ток лучше, чем тонкий. И здесь Земля не знает себе равных. Она действительно очень, очень велика.
Чтобы использовать землю в качестве проводника, недостаточно просто воткнуть проводок в помидорную грядку. Вам нужно нечто,
поддерживающее с землей прочный контакт, я имею в виду проводник с большой площадью поверхности, например, медный штырь длиной 2,5 метра и толщиной 1,5 см. Он контактирует с землей на площади 1 200 кв. см. Забив штырь в землю кувалдой, подсоедините к нему провод от схемы. Иногда из меди делают водопроводные трубы для холодной воды. Если в вашем доме есть такая труба, уходящая под землю за пределами дома, подсоедините провод к ней. Электрический контакт с землей называется заземлением, или просто землей. Вокруг термина «земля» возникает небольшая путаница, так как иногда так же называют часть цепи, которую мы назвали общим проводом. Под заземлением будет пониматься физическое соединение с землей, если я явно не скажу об обратном.
Заземление на электрических схемах чаще всего обозначают так:
Электрики используют этот значок, чтобы не тратить время на рисование 2,5-метрового штыря, зарытого в землю. Рассмотрим работу цепи с заземлением. Мы начали с создания односторонней сигнальной схемы.
Если бы вы использовали мощные батареи и лампы, для соединения домов вам понадобился бы только один провод, так как в качестве второго проводника вы использовали бы землю.
Электроны вытекают из земли у дома вашего друга, проходят через лампу и провод, минуют переключатель в вашем доме и попадают на положительный контакт батареи. С отрицательного контакта батареи электроны уходят в землю. Воображение невольно рисует картину, как электроны выпрыгивают из медного штыря, забитого в землю на заднем дворе вашего дома, и пробираются под землей к другому медному штырю, забитому в землю на заднем дворе дома вашего друга.
Но если вы вспомните, что земля выполняет ту же функцию для многих тысяч электрических цепей по всему миру, то, вероятно, заинтересуетесь, откуда электроны знают, к какому именно штырю им направляться. Разумеется, они не знают. Поэтому лучше придумать для земли другое сравнение. Да, земля — это очень большой проводник, но ее можно
рассматривать и как огромный резервуар с электронами. Земля для электронов — то же, что океан для капли воды. Земля — это практически безграничный источник электронов и бездонный сток для них. Однако земля обладает и некоторым сопротивлением. Именно поэтому мы и не смогли уменьшить с ее помощью расход провода, работая с 1,5-вольтовыми батарейками и маленькими лампочками. Для маломощных батареек сопротивление земли слишком велико. Кстати, на двух предыдущих рисунках батарейка соединена с землей отрицательным контактом.
Я больше не буду рисовать на схемах батарейку, соединенную с землей. Вместо этого я буду ставить большую букву V, обозначающую входное напряжение (voltage). Теперь односторонняя телеграфная система с лампочкой выглядит так:
Считайте, что буква V символизирует электронный вакуум, противоположный земле — океану электронов. Электронный вакуум через цепь вытягивает электроны из земли, производя по пути работу (например, раскаляя спираль лампы).
Иногда землю называют точкой с нулевым потенциалом (zero potential). Это означает, что напряжения на ней нет. Напряжение, как я уже объяснял, являет собой потенциал для совершения работы, подобно тому, как потенциальным источником энергии является кирпич, висящий в воздухе. Нулевой потенциал — это кирпич, лежащий на земле: падать-то ему
уже некуда.
Ранее мы в первую очередь обращали внимание на то, что электрические цепи замкнуты. Наша новая цепь совсем не похожа на замкнутый круг, но все же является таковым. Достаточно заменить букву V на батарейку, отрицательный контакт которой соединен с землей, а затем нарисовать провод, соединяющий все точки заземления. В результате у вас
получится первый рисунок.
Таким образом, используя пару медных штырей (или водопроводных труб), мы можем соорудить двухстороннюю сигнальную систему, перебросив через забор между домами всего два провода.
По своему действию эта цепь не отличается от предыдущей, в которой изгородь между домами пересекали три провода.
Мы сделали важный шаг вперед в развитии коммуникации. Раньше мы могли общаться с помощью азбуки Морзе только в зоне прямой видимости и только на расстоянии, которое способен преодолеть свет фонарика.
С помощью проводов мы не только собрали систему связи, позволяющую общаться вне зоны прямой видимости, но еще и сняли ограничение в расстоянии. Мы теперь можем передавать информацию на сотни и тысячи километров, протянув достаточно длинные провода. Так? Так, да не совсем. Медь — очень хороший проводник, но не идеальный. Чем длиннее провода, тем больше у них сопротивление. Чем больше сопротивление, тем меньший течет ток. Чем меньше ток, тем тусклее светит лампа.
Насколько длинными могут быть провода? Посчитаем. Допустим, вы реализуете нашу первую четырехпроводную двунаправленную схему без заземления и общего провода, с маломощными батарейками и лампочками. Чтобы не слишком ударить по карману, вы для начала купили провод №20 по цене 9,99 доллара за 100 футов (около 30 м), который обычно применяется для подключения колонок к стереосистеме. Он двух-
жильный и потому прекрасно подходит для нашего телеграфа. Если от вашей комнаты до комнаты вашего друга меньше 15 м, вы обойдетесь одним мотком.
В США для измерения толщины провода используется система стандартов American Wire Gauge (AWG). Чем меньше номер AWG, тем толще провод и тем ниже его сопротивление. Диаметр провода №20 — примерно 0,8 мм, а его сопротивление — около 10 ом на 300 м или 1 ом на удвоенное расстояние между вашими комнатами. Это совсем неплохо. Но что если вы захотите протянуть провод на полтора километра? Его сопротивление будет около 50 ом. Как вы помните, сопротивление лампочки — всего 4 ома. По закону Ома легко вычислить,
что сила тока в удлиненной цепи будет уже не 0,75 ампера (3 вольта разделить на 4 ома), как раньше, а меньше 0,06 ампера (3 вольта разделить на 50 ом). Я почти уверен, что при таком слабом токе свечения спирали лампочки вы не увидите.
Можно, конечно, решить проблему, использовав провод потолще, хотя обойдется он вам недешево. У провода №10 толщина около 2,5 мм и сопротивление всего около 1 ома на 300 м, т. е. 5 ом на 1,5 км. Его 35-футовый (около 10 м) моток стоит 11,99 долларов, при этом учитывайте, что провод одножильный, поэтому покупать его придется вдвое больше, чем «двадцатки».
Другой выход — увеличить напряжение и использовать лампы с более высоким сопротивлением. Скажем, обычная 100-ваттная лампа, которая освещает вашу комнату, предназначена для работы в сети с напряжением в 120 вольт и имеет сопротивление около 144 ом. Понятно, что в цепи с такой лампой сопротивление проводов играет меньшую роль.
Именно такие проблемы встали 150 лет назад перед людьми, протягивавшими первые телеграфные линии по Америке и Европе. Ни толщина проводов, ни повышенное напряжение не помогут тянуть телеграфные провода бесконечно. Максимальный длина системы, работающей по этой схеме, составляет три сотни километров — ничтожная величина по сравнению с тысячами километров между Нью-Йорком и Калифорнией. Решить эту проблему — конечно, не для фонариков, а для настоящего телеграфа — удалось с помощью простого и невзрачного устройства, на основе которого, как выяснилось позднее, можно создать настоящий компьютер... Уже узнали что это за устройство? :) Напишите в комментариях!
Physics.Math.Code в контакте (VK)
Репетитор IT mentor в Instagram