Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Однако электромагнит пригоден не только для увеличения грубой силы. Рассмотрим электрическую цепь, в которую входит электромагнит. В цепи есть ключ, который при помощи пружинного действия «открывается» таким образом, что сохраняется зазор, поэтому ток по цепи не течет. Когда ключ «закрыт», цепь замыкается, по ней проходит ток, а электромагнит притягивает находящийся поблизости магнитный брусок.

Представим, что железный брусок тоже является частью цепи. Соответственно, когда его начинает притягивать электромагнит, он вырывается из соединения. Цепь разрывается, и течение тока прекращается. Поскольку ток больше не проходит по цепи, электромагнит теряет свою способность притягивать предметы, а железный брусок возвращается на свое место к прикрепленной пружине. Цепь снова замыкается, действие электромагнита возобновляется, и он опять притягивает к себе железный брусок.

Пока ключ остается в «закрытом» состоянии, продолжается чередование притяжения железного бруска к электромагниту и возвращения его в цепь. Это явление сопровождается короткими жужжащими звуками. Если к железному бруску присоединить молоточек, который будет ударять по металлической сфере, то мы получим электрический звонок.

Теперь предположим, что железный брусок не является частью цепи. В этом случае, когда ключ «закрыт», электромагнит усиливает притяжение, привлекает к себе брусок и удерживает его. Как только ключ размыкается (но не раньше этого момента), электромагнит теряет свою силу притяжения и брусок возвращается на место.

Железный брусок при этом перемещается туда-обратно, но не в неизменном ритме быстрых колебаний, а следуя произвольным действиям того, кто воздействует на ключ. Когда брусок ударяется об электромагнит, он издает щелчок, поэтому движения руки, которая «открывает» или «закрывает» ключ, производят некую последовательность щелчков.

Очевидно, что таким образом можно кодировать информацию. Закрепив за определенной последовательностью щелчков конкретные буквы алфавита, можно передавать сообщения из одного места в другое со скоростью, близкой к скорости света.

На практике возможность передавать информацию подобным образом ограничивается тем, что сила тока, пропускаемого через проволоку при заданной разности потенциалов, уменьшается, если проволока удлиняется и ее общее сопротивление увеличивается. При передаче тока на большие расстояния сила тока становится ничтожно малой, недостаточной для создания магнитного поля, способного передвинуть тяжелый железный брусок, и не падает до такой степени, что оказывается уже неспособной передвигать тяжелый для нее металлический брусок.

Эту проблему смог решить Генри. Он пустил ток по длинной проволоке по направлению к легкому по весу ключу, пока сила тока не стала очень малой, но еще способной привести в действие электромагнит. Этот легкий ключ, двигаясь по направлению к магниту, замыкал вторую цепь, подключенную к батарее, расположенной возле ключа, и запускал таким образом ток по второй, более короткой проволоке. Этот ток был сильнее, поскольку вторая проволока была короче первой и вследствие этого имела меньшее сопротивление. Второй, более сильный ток в точности дублировал первый, более слабый: когда ключ первой цепи «закрывался» вручную, находящийся на расстоянии ключ в этот же момент замыкался при помощи электромагнита, а когда «ручной» ключ размыкался, тут же размыкался и второй.

Устройство, которое передает образец тока от одной цепи к другой, — электрическое реле. Вторая цепь, в свою очередь, может запускать третью, третья — четвертую и т. д. Использование реле и батарей на определенных расстояниях позволяет посылать заданную последовательность щелчков по всему миру. К 1831 году Генри посылал сигналы по проволоке на расстояние 1 мили.

Генри не запатентовал свое изобретение и не попытался превратить его в полезное устройство. С его помощью это сделал американский художник Сэмюэл Финли Бриз Морзе (1791–1872). К 1844 году были протянуты провода от Балтимора до Вашингтона, и по ним прошла определенная последовательность сигналов, записываемых как точки для коротких сигналов и тире — для длинных (азбука Морзе). Первое сообщение было цитатой из библейской Книги чисел: «Что создал Господь?» Так появился телеграф (от греческого выражения, означающего «писать на расстоянии»), и широкой публике впервые довелось узнать, каким образом новая наука об электричестве может перевернуть жизнь человечества.

В конце концов телеграфные линии пересекли континенты, и в 1866 году был проложен кабель через Атлантический океан. По этому кабелю при помощи азбуки Морзе почти мгновенно могли передаваться сообщения из Великобритании в США и обратно. Прокладка кабеля была крайне сложным мероприятием, которое было произведено исключительно благодаря нечеловеческой настойчивости американского финансиста Сайруса Вест Филда (1819–1892). Проведение кабеля было связано с огромными проблемами еще и потому, что реле не могли работать под водой так же, как на суше. Многие трудности были разрешены благодаря таким людям, как британский физик Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907), и все равно межконтинентальное сообщение оставалось несовершенным вплоть до изобретения радио (об этом будет идти речь в III части этой книги). Тем не менее к 1900 году на Земле не оставалось цивилизованных мест, не охваченных телеграфной связью, и наконец-то первый раз на протяжении тысяч лет существования цивилизации человечество получило возможность сформировать единое (пусть не всегда дружное или терпимое) сообщество.

Другой, более непосредственный способ сообщения также в большой мере зависит от электромагнита. Речь идет о телефоне («говорить на расстоянии»), который изобрел в 1876 году шотландский, а затем американский учитель Александер Грейам Белл (1847–1922), а вскоре усовершенствовал Эдисон.

Если описывать как можно проще, то телефонный передатчик-микрофон (в который вы говорите) содержит углеродные гранулы в коробочке, которая спереди и сзади ограничена токопроводящими стенками. Передняя стенка представляет собой достаточно тонкую и гибкую мембрану. Через эту коробочку проходит электрический ток. Сопротивление углеродных гранул зависит от того, насколько хорошо они контактируют друг с другом. Чем лучше контакт, тем ниже общее сопротивление (разность потенциалов остается постоянной) и тем больше сила проходящего сквозь гранулы тока.

Когда говорят в микрофон, создается сложная последовательность областей сжатого и разреженного воздуха (см. ч. I). Если мембрана попадает в область сжатого воздуха, то она прогибается внутрь; попав в область разреженного воздуха, она выгибается наружу. Мембрана действует в точности так, как барабанная перепонка человеческого уха, которая реагирует на различные изменения звуковых воли.

Когда мембрана прогибается внутрь, углеродным гранулам становится легче контактировать, и сила тока увеличивается настолько, насколько сильно мембрана прогнулась. В свою очередь, сила тока уменьшается, когда мембрана выгибается наружу, гранулы реже соприкасаются, и контакт ухудшается. Итак, электрический ток пущен таким образом, что сила тока меняется, точно воспроизводя последовательность сжатий-разрежений звуковой волны.