Москва 2001 г тайный язык информатики Чарльз Петцольд ббк 32. 973. 26–018

36

Глава пятая

Ваш дом

Дом вашего друга

Здесь я показываю только одну батарейку, но можно исполь-

зовать и две. На этой и последующих схемах разомкнутый пе-

реключатель будет изображаться так:

а замкнутый — так:

Фонарик, о котором мы говорим в этой главе, работает так

же, как и фонарик из предыдущей, просто провода, соединя-

ющие его компоненты, стали немного длиннее. Когда вы вклю-

чаете переключатель у себя, лампочка загорается в комнате

вашего друга.

Ваш дом

Дом вашего друга

Теперь вы можете посылать другу сообщения с помощью аз-

буки Морзе.

Заставив один фонарик работать на расстоянии, вы може-

те собрать вторую такую же схему, чтобы друг мог посылать

вам ответные сообщения.

37

Там, за поворотом

Ваш дом

Дом вашего друга

Поздравляю! Вы создали настоящий двухсторонний теле-

граф. Он состоит из двух одинаковых цепей, полностью неза-

висимых 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:

Ваш дом

Дом вашего друга

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 прово-

дом (common). В нашей цепи общий провод начинается в точ-

ке соединения левой лампы и батареи, а заканчивается в точке

соединения правой лампы и батареи. Эти соединения отмече-

ны точками.

Рассмотрим работу схемы подробнее и убедимся, что она

нам понятна. Начнем с того, что когда вы включаете переклю-

чатель у себя, в доме вашего друга загорается лампа. Провода,

по которым течет ток, отмечены светлым оттенком.

38

Глава пятая

Ваш дом

Дом вашего друга

В другой части цепи тока нет, так как электроны не могут течь

по разомкнутым проводам.

Если сигналы посылает ваш друг, а не вы, управление лам-

пой в вашем доме осуществляется переключателем в доме ва-

шего друга. И снова провода, по которым течет ток, отмечены

светлым оттенком.

Ваш дом

Дом вашего друга

Если вы оба пытаетесь послать сообщения одновременно,

ваши переключатели либо выключены, либо один переклю-

чатель включен, а другой выключен, либо оба включены. В

последнем случае поток электронов в цепи течет так:

Ваш дом

Дом вашего друга

39

Там, за поворотом

Через общую часть цепи ток не идет.

Соединив две цепи в одну общим проводом, мы сократили

количество проводов между домами с четырех до трех, сэконо-

мив 25% провода.

Если провода нужно протянуть на очень большое расстоя-

ние, хорошо было бы сократить затраты, отказавшись еще от

одного провода. К сожалению, в цепи с 1,5-вольтовыми бата-

рейками и небольшими лампочками это невыполнимо, но если

вы имеете дело со 100-вольтовыми батареями и большими лам-

пами, убрать провод можно.

Тут есть небольшая хитрость. Объединив цепи общим со-

единением, вы не должны использовать для него провод. Его

можно заменить любым проводником. Например, гигантским

шаром радиусом около 6 400 км, состоящим из металлов, кам-

ней, воды и органических веществ. Этот шар — планета Земля.

Говоря в предыдущей главе о хороших проводниках, я упо-

минал серебро, медь и золото, но отнюдь не гравий или пере-

гной. Правду сказать, земля не такой уж хороший проводник,

хотя некоторые виды почв (например, влажная земля) прово-

дят ток намного лучше других (например, сухой песок). Но у

проводников есть одно общее свойство: чем проводника боль-

ше, тем лучше. Толстый провод проводит ток лучше, чем тон-

кий. И здесь Земля не знает себе равных. Она действительно

очень, очень велика.

Чтобы использовать землю в качестве проводника, недо-

статочно 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 схе-

мы. Иногда из меди делают водопроводные трубы для холод-

ной 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 неболь-

шая путаница, так как иногда так же называют часть цепи, ко-

торую мы назвали общим проводом. В этой и следующих гла-

вах под заземлением будет пониматься физическое соедине-

ние с землей, если я явно не скажу об обратном.

40

Глава пятая

На электрических схемах заземление изображается 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 эту

главу с создания односторонней сигнальной схемы.

Ваш дом

Дом вашего друга

Если бы вы использовали мощные батареи и лампы, для соеди-

нения домов вам понадобился бы только один провод, так как в

качестве второго проводника вы использовали бы землю.

Ваш дом

Дом вашего друга

Когда вы включите переключатель, ток потечет так:

Ваш дом

Дом вашего друга

41

Там, за поворотом

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 отрицатель-

ного контакта батареи электроны уходят в землю.

Воображение невольно рисует картину, как электроны вып-

рыгивают из медного штыря, забитого в землю на заднем дво-

ре вашего дома, и пробираются под землей к другому медно-

му штырю, забитому в землю на заднем дворе дома вашего

друга.

Но если вы вспомните, что земля выполняет ту же функ-

цию для многих тысяч электрических цепей по всему миру,

то, вероятно, заинтересуетесь, откуда электроны знают, к ка-

кому именно штырю им направляться. Разумеется, они не зна-

ют. Поэтому лучше придумать для земли другое сравнение.

Да, земля — это очень большой проводник, но ее можно

рассматривать и как огромный резервуар с электронами. Зем-

ля для электронов — то же, что океан для капли воды. Земля

— это практически безграничный источник электронов и без-

донный 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 ма-

ленькими лампочками. Для маломощных батареек сопротив-

ление земли слишком велико.

Кстати, на двух предыдущих рисунках батарейка соедине-

на с землей отрицательным контактом.

Я больше не буду рисовать на схемах батарейку, соединен-

ную с землей. Вместо этого я буду ставить большую букву V,

обозначающую входное напряжение (voltage). Теперь односто-

ронняя телеграфная система с лампочкой выглядит так:

42

Глава пятая

V

Ваш дом

Дом вашего друга

Считайте, что буква V символизирует электронный ваку-

ум, противоположный земле — океану электронов. Электрон-

ный вакуум через цепь вытягивает электроны из земли, про-

изводя по пути работу (например, раскаляя спираль лампы).

Иногда землю называют точкой с  нулевым потенциалом

(zero potential). Это означает, что напряжения на ней нет. На-

пряжение, как я уже объяснял, являет собой потенциал для

совершения работы, подобно тому, как потенциальным источ-

ником энергии является кирпич, висящий в воздухе. Нулевой

потенциал — это кирпич, лежащий на земле: падать-то ему

уже некуда.

В главе 4 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 про-

вод, соединяющий все точки заземления. В результате у вас

получится первый рисунок из этой главы.

Таким образом, используя пару медных штырей (или во-

допроводных труб), мы можем соорудить двухстороннюю сиг-

нальную систему, перебросив через забор между домами все-

го два провода.

V

V

Ваш дом

Дом вашего 

друга

43

Там, за поворотом

По своему действию эта цепь не отличается от предыдущей, в

которой изгородь между домами пересекали три провода.

В этой главе мы сделали важный шаг вперед в развитии

коммуникации. Раньше мы могли общаться с помощью азбу-

ки Морзе только в зоне прямой видимости и только на рассто-

янии, которое способен преодолеть свет фонарика.

С помощью проводов мы не только собрали систему свя-

зи, позволяющую общаться вне зоны прямой видимости, но

еще и сняли ограничение в расстоянии. Мы теперь можем пе-

редавать информацию на сотни и тысячи километров, протя-

нув достаточно длинные провода. Так?

Так, да не совсем. Медь — очень хороший проводник, но

не идеальный. Чем длиннее провода, тем больше у них сопро-

тивление. Чем больше сопротивление, тем меньший течет ток.

Чем меньше ток, тем тусклее светит лампа.

Насколько длинными могут быть провода? Посчитаем. До-

пустим, вы реализуете нашу первую четырехпроводную дву-

направленную схему без заземления и общего провода, с ма-

ломощными 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 при-

меняется для подключения колонок к стереосистеме. Он двух-

жильный и потому прекрасно подходит для нашего телегра-

фа. Если от вашей комнаты до комнаты вашего друга меньше

15 м, вы обойдетесь одним мотком.

В США для измерения толщины провода используется си-

стема 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 сопротивле-

ние — 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 око-

ло 50 ом. Как вы помните из предыдущей главы, сопротивле-

ние 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 ампе-

ра (3 вольта разделить на 50 ом). Я почти уверен, что при та-

ком слабом токе свечения спирали лампочки вы не увидите.

44

Глава пятая

Можно, конечно, решить проблему, использовав провод по-

толще, хотя обойдется он вам недешево. У провода №10 толщи-

на 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, по-

этому 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, предназ-

начена для работы в сети с напряжением в 120 вольт и имеет

сопротивление около 144 ом. Понятно, что в цепи с такой лам-

пой сопротивление проводов играет меньшую роль.

Именно такие проблемы встали 150 лет назад перед людь-

ми, протягивавшими первые телеграфные линии по Америке и

Европе. Ни толщина проводов, ни повышенное напряжение не

помогут тянуть телеграфные провода бесконечно. Максималь-

ный длина системы, работающей по этой схеме, составляет три

сотни километров — ничтожная величина по сравнению с ты-

сячами километров между Нью-Йорком и Калифорнией.

Решить эту проблему — конечно, не для фонариков, а для

настоящего телеграфа — удалось с помощью простого и не-

взрачного устройства, на основе которого, как выяснилось

позднее, можно создать настоящий компьютер.

Глава 6

Телеграф и реле

Сэмюэль Морзе родился в 1791 г. в городе Чарльстон (штат

Массачусетс, США), который ныне вошел в состав Бостона.

К этому времени уже четыре года существовала Конституция

Соединенных Штатов, шел первый президентский срок Джорд-

жа Вашингтона, а Россией правила Екатерина Великая. Через

два года после рождения Морзе сложили головы на плахе ко-

роль Людовик XVI и королева Мария-Антуанетта. В конце

1791 г. в возрасте 35 лет умер Моцарт, закончив перед этим

свою последнюю оперу «Волшебная флейта».

Морзе закончил Йельский уни-

верситет, обучался изобразитель-

ному искусству в Лондоне и стал

известным художником-портрети-

стом. Его картина «Генерал Лафай-

ет» (1825) до сих пор висит в нью-

йоркском Сити-Холле. В 1836-м он

баллотировался на пост мэра Нью-

Йорка в качестве независимого

кандидата и набрал 5,7% голосов.

Также он был одним из первых

фотографов, обучался искусству

делать дагерротипные фотографии

у самого Луи Дагерра (Louis Daguerre) и сделал несколько пер-

вых американских снимков. В 1840 г. он передал свое мастер-

46

Глава шестая

ство фотографа 17-летнему Мэтью Брэди (Mathew Brady), ко-

торый прославился фотографиями на темы Гражданской вой-

ны и фотопортретами Авраама Линкольна и самого Сэмюэля

Морзе.

Но это лишь небольшие штрихи в эклектичной карьере

Морзе. Более всего он известен как изобретатель телеграфа и

азбуки, носящей его имя.

Мгновенная всемирная связь, к которой мы привыкли, по-

явилась относительно недавно. В начале XIX в. передавать ин-

формацию можно было либо быстро, либо на большое рас-

стояние, но не то и другое одновременно. Мгновенная связь

была возможна или на расстоянии слышимости, или на рас-

стоянии видимости. Для передачи информации на большие

расстояния — с помощью писем — требовалось время, а так-

же лошади, поезда или корабли.

Неоднократные попытки ускорить передачу информации

на далекие расстояния предпринимались за десятилетия до

изобретения Морзе. В простейшем варианте дальнюю связь

организовывали в виде цепочки людей-передатчиков, которые

обменивались сообщениями на расстоянии прямой видимос-

ти, размахивая флажками. В технически более совершенных

системах роль человека-передатчика играла массивная меха-

ническая конструкция с подвижными рычагами.

Идея телеграфа (от слов «далеко» и «писать») витала в воз-

духе с самого начала XIX в., и многие изобретатели приложи-

ли к ней руку еще до того, как в 1832 г. свои опыты начал Сэ-

мюэль Морзе. В принципе суть электрического телеграфа про-

ста: вы делаете нечто на одном конце провода, в результате

чего на другом конце провода что-то происходит. Именно этим

мы занимались в предыдущей главе, создавая дистанционную

систему управления фонариком. Однако Морзе в своем пере-

дающем устройстве использовать лампочку не мог, так как она

была изобретена лишь в 1879 г. Вместо лампочки Морзе ис-

пользовал явление электромагнетизма.

Возьмите железный стержень, намотайте на него пару со-

тен витков тонкого провода, а затем пропустите по проводу

ток. Железный стержень станет магнитом и будет притягивать

кусочки железа и стали (провод в электромагните должен быть

именно тонким, чтобы обладать заметным сопротивлением и

47

Телеграф и реле

не приводить к короткому замыканию). Выключите ток, и же-

лезный стержень потеряет свои магнитные свойства.

Электромагнит — основа телеграфа. Замыкание и размыка-

ние переключателя на одном конце провода приводит в дей-

ствие электромагнит на другом.

Первый телеграфный аппарат Морзе был, как ни странно,

сложнее своих более поздних модификаций. Морзе полагал,

что телеграфный аппарат должен писать что-то на бумаге, хотя

и не слова, так как это было бы слишком сложно. Но что-то

(какие-нибудь закорючки или тире с точками) должно быть

написано. Интересно, что Морзе, как и Ойи с его идеей выпук-

лых букв, оказался в плену штампа, считая, что передача ин-

формации без записей на бумаге невозможна.

Сэмюэль Морзе известил патентное бюро об изобретении

телеграфа уже в 1836 г., но лишь в 1843 г. ему удалось убедить

Конгресс профинансировать публичную демонстрацию это-

го устройства. В исторический день 24 мая 1844 г. по телеграф-

ной линии, соединившей Вашингтон с Балтимором, была ус-

пешно передана цитата из Библии.

Обычный телеграфный ключ выглядел примерно так:

Несмотря на причудливый вид, это всего лишь переключатель,

форма которого позволяет осуществлять передачу с макси-

мальной скоростью. Удобнее всего в течение долгого времени

работать с ключом так: держать ручку между большим, указа-

48

Глава шестая

тельным и средним пальцами, поднимая и опуская ее. Когда

ключ задерживается в нижнем положении ненадолго, получа-

ется точка азбуки Морзе, длинное нажатие соответствует тире.

На другом конце линии находился приемник — по суще-

ству электромагнит, притягивавший металлический рычаг.

Поначалу к рычагу прикреплялся карандаш. Пружинный ме-

ханизм медленно протягивал через аппарат бумажную ленту,

а карандаш, управляемый электромагнитом, прыгал вверх-

вниз и рисовал на бумаге точки и тире. Человек, знающий аз-

буку Морзе, переводил точки и тире в буквы и слова.

Но вскоре телеграфные операторы обнаружили, что могут

переводить сообщения, просто слушая щелчки электромагни-

та. Карандаш в конце концов был упразднен, уступив место

устройству такого вида:

Когда телеграфный ключ нажат, электромагнит тянет подвиж-

ный металлический молоточек вниз, и раздается звук одного

тона («тик»). Когда ключ отпущен, электромагнит выключа-

ется, и молоточек возвращается в исходное положение, про-

изводя звук другого тона («так»). Быстрое чередование звуков

(«тик-так») соответствует точке, медленное — тире.

Ключ, электромагнит с молоточком и батарейку можно

проводами соединить в схему, подобную устройству из пре-

дыдущей главы.

Телеграфная станция 

вашего друга

Ваша телеграфная 

станция

49

Телеграф и реле

Мы уже выяснили, что для соединения двух телеграфных

станций два провода не нужны. Если половину цепи заменит

земля, хватит и одного провода.

Как и в предыдущей главе, вместо батарейки и земли мы

будем рисовать букву V. А посему окончательная схема с од-

ним проводом выглядит так:

Телеграфная станция 

вашего друга

Ваша телеграфная 

станция

V

Для двухсторонней связи попросту понадобится еще один

ключ и электромагнит с молоточком.

Изобретение телеграфа положило начало современной свя-

зи. Впервые люди смогли передавать информацию дальше, чем

видит глаз или слышит ухо, и быстрее почтовых лошадей. Но

самое пикантное в этом изобретении — двоичный код. В бо-

лее поздних формах электрической и беспроводной связи (те-

лефон, радио, телевидение) двоичные коды были забыты, но

лишь с тем, чтобы снова вернуться к жизни в компьютерах,

компакт-дисках и цифровом телевидении.

Телеграф Морзе одержал победу над другими проектами

не в последнюю очередь благодаря своей нетребовательности.

Протяните провод между ключом и электромагнитом, и сис-

тема будет работать. Другие телеграфные системы не были

такими простыми и потому безотказными. И все же у телегра-

фа есть недостатки — в главе 5 я уже говорил о большом со-

противлении длинных проводов. Хотя некоторые телеграф-

ные линии с напряжением до 300 В работали на расстояниях

до 500 км, бесконечно тянуть провода нельзя.

Одно решение кажется очевидным — организовать систе-

му ретрансляции: посадить через каждую пару сотен километ-

ров человека с ключом, который будет принимать сообщения

и пересылать их дальше по линии.

50

Глава шестая

Теперь представьте, что для работы в качестве ретрансля-

тора телеграфной компанией наняты именно вы. И сидите вы

где-то между Нью-Йорком и Калифорнией в маленькой будке

со столом и стулом. Провод, входящий в восточное окно, со-

единен с электромагнитом, а телеграфный ключ подключен к

батарейке и проводу, выходящему в западное окно. Ваша ра-

бота — принимать сообщения из Нью-Йорка и передавать их

в Калифорнию.

Сначала вы предпочитаете полностью принять сообщение

и лишь потом отправлять его. Вы записываете буквы по щел-

чкам молоточка, а когда сообщение заканчивается, передаете

их с помощью ключа. Но после некоторой практики вы уже

можете передавать сообщение сразу, на слух, вообще не запи-

сывая. Это здорово экономит время.

И вот в один прекрасный день, принимая очередное сооб-

щение, вы обращаете внимание на молоточек, который скачет

вверх и вниз, а потом на свои пальцы, поднимающие и опус-

кающие ключ. Потом вы снова смотрите на молоточек и на

ключ, и вдруг понимаете, что они совершают одно и то же дви-

жение. Рядом с будкой вы находите небольшую палочку и с ее

помощью физически соединяете ключ с молоточком.

V

Выход

Вход

Теперь аппарат работает самостоятельно, а вы можете немно-

го вздремнуть или пойти на рыбалку.

Интересно немного пофантазировать, но в действительно-

сти Сэмюэль Морзе с самого начала понимал, что телеграф-

ный аппарат должен работать именно так. «Изобретенное»

нами устройство называется повторителем (repeater), или реле

(relay). В реле входящий ток приводит в действие электромаг-

нит, который притягивает металлический рычаг. Рычаг в свою

очередь используется как часть переключателя, соединяюще-

го батарейку с выходящим проводом. Таким образом, слабый

51

Телеграф и реле

входящий ток «усиливается», превращаясь в сильный выхо-

дящий.

Схематически реле можно изобразить так:

V

Выход

Вход

Входящий ток приводит в действие электромагнит, тот при-

тягивает гибкую металлическую полоску, а она замыкает цепь

для выходящего тока.

V

Выход

Вход

52

Глава шестая

Поэтому ключ, реле и электромагнит с молоточком соединя-

ются примерно так:

V

Ваша телеграфная

станция

V

V

Релейная станция

Телеграфная станция

вашего друга

Реле — замечательное устройство. Конечно, это просто пе-

реключатель, но его включает и выключает не человек, а ток.

Поразительно, какие замечательные устройства можно создать

на основе такого простого прибора. По правде говоря, практи-

чески из одних только реле можно собрать целый компьютер.

Да, оставить реле в музее телеграфа — слишком дорогое

удовольствие. Давайте-ка стащим его, спрячем под пиджаком

и быстро-быстро пройдем мимо охраны. Это реле нам очень

пригодится. Но прежде чем начать им пользоваться, мы долж-

ны научиться считать.

жүктеу/скачать 3,29 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: