4.2 继电器和莫尔斯电码
电学发展的历史还在继续。
电可以生磁,可以用来制作电磁铁,这在当时的确是非常新奇的事情。但是人类不可能总是玩电磁铁,这不符合人类的天性,人类的天性是熟悉了一件事情之后,再接着探索。不多久,历史上第一个尝试用电来进行远距离通信的人出生了。
世界上聪明的人多得是,撇开电磁铁不谈,单单是发现电流速度极快这一点,反应再迟钝的人也会慢慢地想到它可以用来传递信息。那个时候,想用电流在两个地方传递信息的人不止一个,但是唯一获得成功的是一个叫莫尔斯的人,而他成功的诀窍,据说是在一艘轮船上受了刺激。不过不用担心,这是好事情,准确地说是受了启发,激起了他的雄心壮志。
很多人都说那是在1832年的秋天,这个莫尔斯乘坐一艘邮轮要从法国前往美国。真是巧得很,他遇到了杰克逊——一个美国医生。说来也怪,这医生医术如何,没有人知道,但他居然还懂得电磁铁的原理和制造技术,他甚至知道线圈的匝数越多,电磁铁的吸引力越强。
当时的具体情况已经没有人知道,只能发挥一下想象。坐在轮船上,巴掌大的地方,哪儿也去不了。时间一长,这杰克逊医生百无聊赖,实在闲得不行,用我哥的话说,那简直是“闲得学驴叫,急得拧绳上树”,为了打发时间,他拿出电磁铁给大家变起了魔术。可以想见,当人们看到像钉子这类铁的东西,在医生的命令下说让它吸住就吸住,让它下来它就掉下来的时候,一定鼓噪喝彩,惊为天人。这莫尔斯也伸着脖子,混在人群当中看热闹。
塞缪尔·莫尔斯(1791—1872年)生于美国一个牧师家庭,1810年毕业于耶鲁大学,早期曾从事印刷和绘画。作为一名画家,莫尔斯是成功的。莫尔斯曾两度赴欧洲留学,在肖像画和历史绘画方面成了当时公认的一流画家,1826年至1842年任美国画家协会主席。但是现在来看,他的艺术生涯快要结束了。
杰克逊的介绍让莫尔斯浮想联翩、兴奋不已。他向杰克逊医生请教电学方面的知识,两人谈得十分投机,甚是欢洽。回来之后,他决心改行,要搞发明。要知道,那一年,这老小子已经41岁,即使称他为大龄青年也很勉强。
莫尔斯发明的是一种叫做电报的东西,由不在一个地方的两个装置组成,用很长的电线连接起来,如图4.2所示。
图4.2 莫尔斯电报示意图
在这一端,是一个开关,通常称之为按键,可以控制电流的通断,只是与我们常见的开关在形状上有很大差别,但作用是一样的。因为要长时间在这个装置上反复操作,所以在设计上讲究方便和舒适性。而在电线的那一端,连着一个电磁铁。这样,通过按下或者松开按键,就能控制磁性的有无。这是我们已经知道的知识,没有什么好奇怪的。但是,请稍等。
在电磁铁的上方,有一个长长的铁片——衔铁臂——安装在支架上,它可以上下自由活动。平时,也就是电磁铁没有通电产生磁力的时候,它被一根弹簧拉着,以免与电磁铁挨在一起。这样,一旦开关闭合,衔铁臂就会被电磁铁吸引;当开关松开,电磁铁失去磁性时,衔铁臂又在弹簧的牵引下回到原来的位置。
我当然知道,这个装置没有什么特别新奇的地方。但是,如果在衔铁臂上安装一支笔,并在笔的下面放一卷匀速前进的纸,当按下按键并迅速松开时,会在瞬间使电磁铁产生一个吸合与释放的动作,结果是笔尖在纸上打出一个点“·”;如果按键按下的时间稍长一点儿,那么,笔尖会在纸上留下一条线“—”,这称为“划”。连续地按动按键,就会在纸上留下一串由点和线组成的图案,像这样:
·—··—·——·—···———··—·—
这正是莫尔斯所要发明的装置——电报的核心原理。不过,正如我们可以想到的,莫尔斯也知道,要想让这个装置有点儿用处,还需要加以改进。其中最关键的是需要一张发送方和接收方都能理解的电码表,在这张表里,用点和划的组合来表示从“A”到“Z”的26个英文字母,以及从“0”到“9”这十个数字。
我们知道,英语的核心是26个英文字母,这是西方人的命根子,用它们就可以组成单词和句子。所以,只需要给出每个字母的点划组合就万事大吉了。比如,字母“A”是·—,字母“V”是···—。
历史上第一份长途电报是在1844年5月24日发出的,这表明莫尔斯的发明已经具备了实用性。不过,如果线路太长,也会是个问题。正如我们已经知道的那样,电线太长,电阻就会变大。这样,在电报线路的那一头,微弱的电流将不能使电磁铁正常吸合,电报接收机也就——用网友们的话说——歇了菜。
没有人愿意让这个划时代的发明歇菜。所以,可以每隔一段距离设置一个电报中转站,派人在那里接收电报,然后再原样发往另一条线路,就这样一段一段地进行接力传递。
这当然是个好主意,但问题是人没有机器老实,如果他碰巧喝醉了酒,或者病了,又没有人顶替他的工作,就会坏了大事。更何况,还要养一些人,为他们发工资,政府和企业老板可能不太会愿意这样做。
解决之道是使用继电器。继电器,从名称上说,它是给线路续电的。也就是说,当线路上电流很小的时候,适时地给它补充上。这种东西的原理如图4.3所示。
图4.3 继电器的本质是“续”电
这是一个简化的示意图,省去了支架之类的东西,为的是你能看得更清楚。它的主体是一个电磁铁,不过衔铁臂的下面多了一个金属触点。现在,分别从衔铁臂和金属触点上引出两根线,并串接一个电源,把这两根线作为另外一条电报线路架设到其他地方。注意,电源并不是继电器的组成部分。
这真是一个奇特的装置,它应当被放在远离电报发送端,但还可以保证电报信号能让电磁铁正常吸合的地方。当发送方过来一个“·”的时候,衔铁臂也短暂吸合一下,把另一条线路接通;如果发送方发来一个“—”,衔铁臂吸合的时间也和发报方保持一致,让另一条线路上同样发送一个“—”。
今天,继电器得到了广泛的应用。从电视机、洗衣机、电冰箱到工厂里的大型工业设备,都有它的用武之地。据说大发明家爱迪生就喜欢用莫尔斯的电码跟他的未婚妻进行交流。看话剧的时候,爱迪生夫人把一只手放在丈夫的膝盖上,把演员的台词发给他,使他也能欣赏。此种场景,简直浪漫得一塌糊涂,让人嫉妒得眼皮突突直跳。甚至,他们结婚的时候,电报也来捧场凑热闹——“大批的贺电从国内外发了过来”。
在纸上画一个继电器是费心劳神的事情,而且要考验一个人的美术功底。不过,这对莫尔斯来说肯定不是问题,毕竟他曾经是画家。在发明电报期间,他也的确曾经重操旧业,但不是去画继电器,实在是因为电报这东西害得他穷困潦倒,不得已又去干他的老本行。今天,制定电子行业标准的部门为我们着想,给我们推荐一个简单的图形,让我们轻而易举就能画出一个继电器来,如图4.4所示。
图4.4 两种继电器的符号
图中的方框代表电磁铁,而在右边,紧挨着它的是一个衔铁开关。同时,图中也表明了继电器实际上可以按工作状态分为两种:左边那种平时处于断开状态,只有在电磁铁加电的时候才吸合接通;右边那种则正好相反。