...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь
Шрифт:
Чтобы представить, как биты передаются с помощью электричества, заглянем в школьный курс физики. В любом веществе всегда найдется некоторое количество атомов, потерявших электроны со своих внешних орбит. "Улизнувшие" от атомов электроны беспорядочно "слоняются" в межатомном пространстве, другими словами, движутся хаотично. В металлических проводниках таких свободных электронов настолько много, что они непрерывно сталкиваются с атомами и друг с другом.
Под действием внешних электрических сил (скажем, электродвижущая сила батареи в телеграфе Морзе) электроны, кроме этих беспорядочных движений, непрерывно смещаются в одном определенном направлении. Именно это упорядоченное движение в одну сторону и называется электрическим током.
Мы уже знаем, что биты, несущие информацию о тексте, речи, музыке или изображении, сначала превращаются
Известно, что электрический ток распространяется так же быстро, как и свет, преодолевая за I с расстояние около 300000 км. Однако не следует думать, что с такой гигантской быстротой перемещаются электроны в проводнике. Они за 1 с проходят путь, не превышающий всего несколько миллиметров. Процесс распространения тока вдоль проводника можно сравнить с процессом передачи кирпичей по конвейеру, составленному из людей. Всего один такт движения в начале конвейера приводит в движение весь конвейер и заставляет буквально через очень короткий промежуток времени сделать такой же такт в конце конвейера. Таким образом, если сравнить появление очередного импульса на входе из двух металлических проводников с подачей очередного кирпича на людской конвейер, то возникновение импульса на выходе цепи будет подобно выдаче кирпича с нашего конвейера. Хотя, заметим, сами кирпичи (так же, как и электроны) перемещаются несравненно медленнее.
И если уж продолжить образные сравнения, то провода нам представятся медными рельсами, по которым мчится электропоезд — электрический ток, а электрические импульсы — удобные полки в этом электропоезде: на них заняли свои места путешественники — биты. В мгновение ока они прибывают по нужному адресу.
Но почему "рельсы" — медные, а, скажем, не стальные?
Кстати, вначале они были стальными. Первые электрические импульсы, рожденные электрическим телеграфом в 40-х годах XIX в., переносили биты информации по неизолированным стальным проводам, подвешенным на столбах. Такие столбовые линии назывались воздушными. Хотя еще и сегодня кое-где можно увидеть, как вдоль дорог тянутся столбы с навешенными на них рядами проволок, но воздушные линии — это прошлое электрической связи. Прошлое, уходящее на наших глазах. А ее настоящее — прежде всего кабели, основой которых являются медные проводники, или жилы. Так почему же они все-таки медные?
Здесь нам вновь придется обратиться к школьному курсу физики. Электрический ток будет больше в проводнике из такого металла, где внешние электроны связаны с ядром очень слабо (и поэтому больше свободных электронов блуждает в межатомном пространстве) и где, кроме того, меньше размеры атомов и они дальше расположены один от другого (в этом случае электронам легче двигаться в межатомном пространстве). Говорят, что проводники из таких металлов обладают наименьшим сопротивлением току.
Для сравнения проводников из различных металлов пользуются понятием удельного сопротивления. Это такое сопротивление, которое оказывает току проводник длиной 1 м и сечением 1 мм2 (диаметр проводника при этом около 1,13 мм). Единицу сопротивления назвали омом в честь немецкого физика Г. Ома (1787–1854). Так вот, каждый метр стальной проволоки указанного диаметра оказывает току сопротивление, равное 0,138 Ом, а каждый метр такого же диаметра медной проволоки — 0.017 Ом, т. е. в 8 раз меньше.
Чтобы лучше представить ослабление тока в проводах из-за их сопротивления, предположим, что к линии, образованной двумя стальными проводами сечением 1 мм, подключена батарея напряжением 220 В (с таким напряжением мы имеем дело в наших квартирах). Размыкая и замыкая ключ, будем посылать в линию двоичные импульсы тока и регистрировать их на выходе участков линии различной длины.
Подсчитаем сопротивление, оказываемое току линией длиной, например, 1 км. Сопротивление провода определяется, как известно из школьного курса физики, по формуле R = •l/s (здесь l — длина провода, м; s — площадь его сечения, мм2; — удельное сопротивление материала, из которого изготовлен провод). При l = 1000 м, s = 1 мм2 и =0,138 Ом•м/мм2 сопротивление R = 138 Ом. Так как линия состоит из двух проводов, ее сопротивление равно 276 Ом. Согласно закону Ома (установленному немецким физиком полтора столетия назад), амплитуда импульсов тока в ней будет равна 220 В/276 Ом = 0,8 А. Этого тока достаточно, чтобы заставить вспыхивать в такт импульсам обычную электрическую лампу, подключенную к проводам в конце линии.
Стальная линия связи, имеющая протяженность 10 км, оказывает сопротивление току в 10 раз большее, т. е. 2760 Ом. Естественно, в такое же число раз уменьшится амплитуда импульсов тока в линии: она будет равна 0,08 А, или 80 мА. Потери тока настолько ощутимы, что зарегистрировать передаваемую двоичную информацию с помощью обычной электрической лампы уже не удается. Для этой цели теперь подойдет, пожалуй, только лампочка от карманного фонарика.
Вспомним: сопротивление медного провода в 8 раз меньше, чем стального. Следовательно, с помощью лампочки от карманного фонарика мы сможем уверенно регистрировать импульсы в медной линии даже через 80 км. Становится понятным, почему "рельсы", по которым путешествуют биты, делают медными.
Есть еще одна причина, по которой жилы кабеля предпочитают делать из меди, а не из стали. Чтобы сделать сопротивление провода меньше, нужно увеличить его сечение. Провод из стали будет оказывать току такое же сопротивление, как и медный, если его диаметр увеличить в 2,8 раза. Забегая вперед, скажем, что существуют кабели, содержащие под одной оболочкой 500 и даже 1 000 медных жил. Легко представить, как "растолстеет" такой кабель (обычно он не толще человеческой руки), если заменить в нем медные проволоки стальными, каким неподъемным он окажется.
Мы уже несколько раз упоминали слово "кабель". Пора сказать что он из себя представляет. Кабель — это набор медных проволок (жил), которые изолируются друг от друга (для предо» вращения короткого замыкания между ними) и объединяются под общей оболочкой. Первые кабели появились во второй половине XIX в. Их история насыщена неожиданными, а порой и драматическими событиями.
Август 1850 г. Oт берегов Англии из порта Дувр отплыл небольшой буксир, носящий имя "Голиаф". Пункт назначения порт Кале, Франция. Расстояние, по понятиям мореходов, небольшое, всего 40 км, но этому плаванию было суждено войти в историю: еще бы, с помощью "Голиафа" осуществлялась прокладка первого в мире подводного кабеля. Отныне пролив Па-де-Кале не должен служить препятствием для обмена срочной информацией между двумя странами (вспомните, в какой путь пришлось А.Дюма-отцу отправить храброго гасконца и его друзей-мушкетеров с важным государственным письмом французской королевы к небезызвестному английскому лорду).
Но хотя плавание и закончилось успешно — кабель был проложен, судьба кабеля оказалась печальной. Рассказывают, что один французский рыбак принял блестевшую на солнце медь, проглядывавшую сквозь изоляцию за золото и вырезал большой кусок кабеля.
Август 1857 г. Военный американский корабль "Ниагара" с огромным запасом кабеля на борту направился от берегов Англии к Америке: началась прокладка кабеля через Атлантический океан. Возглавлял экспедицию талантливый организатор, торговец по профессии, американец Сайрус Филд. Несколько дней ему сопутствовала удача, но затем — поворот судьбы и… несколько сотен километров оборвавшегося кабеля остались лежать на дне океана.