Все это стало возможно потому, что информацию научились передавать с помощью самого быстрого в мире гонца — с помощью электрических сигналов. Если бы древние греки имели в своем распоряжении батарейку, лампочку и достаточное количество провода, то они могли бы построить простейшую линию электросвязи между Афинами и Марафоном, в виде этакого растянутого почти на пятьдесят километров карманного фонарика. Лампочку нужно было бы установить в Афинах, а выключатель — в Марафоне (Р-67;1) и договориться об условном коде, например о таком: один сигнал, одна вспышка лампочки, означает «победа», две вспышки — «поражение».
Р-67
Правда, закон Ома напоминает, что создать линию электросвязи с лампочкой на конце не так-то просто. Для нормального свечения лампочки нужен сравнительно большой ток, а сопротивление многокилометровых проводов велико, и из-за этого на самой соединительной линии будет теряться большое напряжение. Если даже применить сравнительно толстые медные провода, скажем диаметром 1 мм, то и в этом случае общее сопротивление двухпроводной линии протяженностью около 40 км будет больше, 2 кОм. Даже при очень слабенькой лампочке для карманного фонарика, которой нужен ток всего 60 мА, понадобится батарея с напряжением около 120 В, чтобы в цепи с сопротивлением 2 кОм создать этот небольшой ток (120 В : 2 кОм = 60 мА) — лампочке достанется 2–3 вольта, остальное — проводам.
Но оставим пока в стороне электротехнические подробности и вернемся к существу дела — к принципам передачи информации с помощью электрических сигналов.
Хотя настоящий телеграф и похож на нашу линию электросвязи с лампочкой на приемном конце, однако устроен и работает он совсем по-иному. Во-первых, сообщения передаются с помощью условного кода, в котором не событию и не отдельному слову, а каждой букве алфавита, цифре или знаку препинания соответствует определенная комбинация электрических сигналов. Существует два основных телеграфных кода — код Морзе (иногда говорят— азбука Морзе), в котором используются комбинации «точек» и «тире», то есть коротких и длинных импульсов тока (Р-67;2), и код Бодо, в котором все импульсы одинаковы, а шифр той или иной буквы отличается только комбинациями импульсов и пауз (Р-67;6).
Приемная телеграфная аппаратура, работающая по коду Морзе, записывает принятые сообщения в виде точек и тире. Аппаратура, работающая по коду Бодо, сразу печатает буквенный текст. Знакомое всем слово «телеграф» можно перевести так — «пишет на расстоянии», а «телетайп» — «печатает на расстоянии».
Т-108. Замечательные достоинства электрического сигнала: высокая скорость и широкие возможности обработки. Мировой рекорд в марафонском беге чуть меньше 2 часов 18 минут. Электрический гонец проходит марафонскую дистанцию за 0,00015 сек— скорость электрического сигнала такая же, как и скорость света — 300 000 км/сек. Не нужно, однако, думать, что с такой гигантской скоростью движутся электроны в электрической цепи — движение свободных зарядов происходит довольно медленно, за секунду они проходят какие-то миллиметры. Со скоростью света вдоль проводов движется электрическое поле, оно-то и заставляет двигаться заряды сразу по всей цепи. Это несколько напоминает картину трогания с места длинного железнодорожного состава. Первый рывок электровоза довольно быстро достигает последнего вагона (подобно электрическому полю) и заставляет сразу все вагоны сдвинуться с места, хотя скорость вагонов вначале очень мала (подобно скорости свободных электронов).
Другое важное достоинство электрического сигнала — его, если можно так сказать, исключительная пластичность, податливость самым разным видам обработки. Делитель или шунт могут уменьшить напряжение или ток, трансформатор может их увеличить. Направив два тока в общий провод, можно получить суммарный ток, сложить сигналы; изменив направление одного из токов, вы получите разностный сигнал. С помощью фильтров можно разделять сигналы разных частот или отделять постоянные токи от переменных. И это лишь небольшая часть операций, которые производят с электрическими сигналами.
И еще одно достоинство — самые разные физические, химические, биологические и иные показатели легко перевести на электрический язык, отобразить в виде электрических сигналов (Р-11; Р-68).
Р-68
Так, например, термопара — два определенным образом подобранных металлических проводника (медь — висмут, железо — константан, медь — константан) — при нагревании создает э.д.с., и она тем больше, чем сильней нагрета термопара. Поэтому любые изменения температуры с помощью термопары отображаются в электрическом сигнале.
Появление э.д.с. в термопаре объясняется тем, что при нагревании энергия свободных электронов в одном из металлов повышается сильнее, чем во втором, электроны переходят из одного металла в другой, и один из них оказывается заряженным положительно, второй — отрицательно. Другой датчик температуры — терморезистор. Его сопротивление меняется с температурой сильнее, чем у рядовых проводников, и поэтому ток в цепи достаточно хорошо повторяет все изменения температуры терморезистора, включенного в эту цепь.
Подобным же образом датчики света — фотоэлемент и фоторезистор — переводят на электрический язык информацию об освещенности. Фотоэлемент — это генератор, в нем под действием света происходит обычная электризация электродов: попадая на один из них, порции световой энергии просто вырывают электроны из некоторых атомов, превращают их в положительные ионы. И в фоторезисторе под действием света увеличивается количество свободных зарядов, а значит, меняется и сопротивление фоторезистора.
А вот еще один тип датчика — пьезокристалл. Если сжать такой кристалл, то на определенных его гранях в результате сложных внутренних процессов появятся избыточные электрические заряды, появится э.д.с. Она будет тем больше, чем сильнее сжат кристалл, если заменить сжатие на растягивание, то изменится и полярность э.д.с. Такой пьезокристалл переводит на электрический язык самые сложные движения, перемещения, если они как-то передаются кристаллу.
С одной разновидностью датчиков движения мы сейчас познакомимся несколько более подробно. Это микрофоны — собиратели информации об изменениях звукового давления, переводчики звуковых сигналов на электрический язык.
Т-109. Микрофон создает электрическую копию звукового сигнала. Самый простой и самый распространенный способ перевода звука на электрический язык — это создание точной электрической копии звукового сигнала, создание такого переменного тока или такого переменного напряжения, которые следовали бы за всеми изменениями звукового давления (Р-69). Такое преобразование как раз и осуществляет микрофон.
Р-69
Существует несколько разных типов микрофонов, все они решают одну и ту же задачу, но используют при этом разные физические процессы. Основа угольного микрофона (Р-69;1) — мелкий угольный порошок. Под действием звуковых волн частички порошка то сближаются, то, наоборот, несколько отходят друг от друга. При этом меняется сопротивление порошка и ток в цепи, в которую включен микрофон. Для включения угольного микрофона могут понадобиться источник постоянного тока и элемент, который сможет отделить постоянный ток от переменного, появившегося под действием звуковых колебаний. Роль такого разделителя прекрасно выполняет трансформатор (постоянная составляющая просто не создает напряжения во вторичной обмотке), который одновременно, если нужно, может повысить переменное напряжение.
В пьезоэлектрическом микрофоне под действием звуковых волн несколько деформируется пьезокристалл и создает при этом электрическую копию звука (Р-69;2). В динамическом микрофоне напряжение наводится на легкой подвижной катушке, которую звуковые волны двигают в магнитном поле (Р-69;3, Т-56). В ленточном микрофоне вместо катушки одиночный проводник, тончайшая алюминиевая ленточка (Р-69;4). Основа электромагнитного (индукционного) микрофона — магнитная цепь из стали, в которой имеется небольшой воздушный зазор (Р-69;5). Под действием звуковых волн стальная мембрана колеблется, воздушный зазор меняется, вместе с ним меняется магнитное сопротивление всей магнитной цепи, а значит, и общий магнитный поток (Т-54, Т-60). Этот поток пронизывает витки неподвижной катушки и при изменении магнитного потока в ней наводится э.д.с., создается электрическая копия звука. В конденсаторном микрофоне одна из обкладок подвижна, и под действием звуковых волн она колеблется. При этом и емкость конденсатора несколько меняется, повторяя все изменения звукового давления. Конденсатор включен в цепь постоянного тока и при изменении емкости происходит заряд или разряд конденсатора: если пластины сближаются и емкость растет, то к пластинам движутся дополнительные заряды, если пластины удаляются, то некоторое количество зарядов уходит с них.
О достоинствах или недостатках того или иного микрофона рассказывают его характеристики. Такие, например, как чувствительность — она показывает, какое напряжение появляется на выходе микрофона при изменении звукового давления на 1 Н/м2. В корпусе некоторых микрофонов находится дополнительное оборудование (трансформатор, микрофонный усилитель), и в этом случае чувствительность указывают для всего комплекса в целом (например, микрофон + трансформатор).
Еще одна важная характеристика микрофона — диаграмма направленности (Р-69;6,7). В некоторых случаях, например, когда микрофон установлен в зрительном зале и собирает «реакцию публики», он должен одинаково хорошо принимать звуки со всех сторон. Здесь нужен ненаправленный микрофон, его часто сокращенно обозначают буквами НН. А бывает, что нужно передать только голос певца или оратора, и тогда лучше будет работать однонаправленный микрофон ОН, — по крайней мере, он не будет собирать лишние шумы, которые приходят к нему с разных сторон.
Другие важные характеристики микрофона удобнее будет представить после того, как мы познакомимся с громкоговорителями.