تو ۱۲ سالته.
یه روز بد، خانواده‌ی صمیمی‌ترین دوستت به یه شهر دیگه نقل مکان می‌کنن.
هر از گاهی براش ایمیل می‌فرستی یا پیام می‌دی، ولی هیچ‌کدومشون به هیجان اون شب‌های دیرهنگام و بازی با چراغ‌قوه و چشمک‌های رمز مورس نمی‌رسن.
دوست دوم نزدیکت، که توی خونه‌ی بغلی زندگی می‌کنه، کم‌کم میشه دوست صمیمی جدیدت. وقتشه که بهش مورس یاد بدی و دوباره شب‌ها چراغ‌قوه‌ها رو روشن کنی و چشمک بزنی.
اما یه مشکل هست. پنجره‌ی اتاق دوست جدیدت رو‌به‌روی پنجره‌ی اتاقت نیست. خونه‌ها کنار هم هستن و پنجره‌ها هردو به یه سمت نگاه می‌کنن.
مگر اینکه یه راهی برای کار گذاشتن چندتا آینه بیرون خونه پیدا کنی، چراغ‌قوه‌ها برای ارتباط شبانه به درد نمی‌خورن.
یا شاید… چرا که نه؟
شاید تا حالا یه چیزایی درباره‌ی برق یاد گرفتی، پس تصمیم می‌گیری چراغ‌قوه‌های خودت رو بسازی، با استفاده از باتری، لامپ، کلید و سیم.
توی اولین آزمایش، باتری و کلید رو توی اتاق خودت سیم‌کشی می‌کنی. دوتا سیم از پنجره‌ات میرن بیرون، از روی یه حصار رد می‌شن و وارد اتاق دوستت می‌شن، و اونجا به یه لامپ وصل می‌شن:
از این به بعد، مدارها بیشتر به شکل نمادین نشون داده می‌شن تا واقعی.
با اینکه فقط یه باتری توی شکل نشون داده شده، ممکنه در واقع دو تا باتری استفاده کنی.
تو این دیاگرام‌ها، این شکل نشونه‌ی کلید باز (یا خاموش)ه:
و این یکی نشونه‌ی کلید بسته (یا روشن):
چراغ‌قوه‌ای که توی این فصل توضیح داده میشه همونطوری کار می‌کنه که تو فصل قبل دیدیم،
با این تفاوت که سیم‌هایی که اجزا رو به هم وصل می‌کنن حالا یکم طولانی‌تر شدن.
وقتی کلید رو سمت خودت ببندی، لامپ توی اتاق دوستت روشن میشه:
حالا میتونی با استفاده از کد مورس پیام بفرستی.
وقتی یه چراغ‌قوه رو راه بندازی، میتونی یه چراغ‌قوه‌ی دیگه هم با سیم‌کشی از راه دور نصب کنی تا دوستت هم بتونه برات پیام بفرسته:
🎉 تبریک!
تو همین الان یه سیستم تلگراف دوطرفه ساختی.
می‌بینی که این دو تا مدار کاملاً مشابه و کاملاً مستقل از هم هستن.
در تئوری، تو میتونی هم‌زمان که داری پیامت رو برای دوستت می‌فرستی، اون هم برای تو پیام بفرسته — البته احتمالاً سخته که مغزت بتونه هم‌زمان هم بخونه، هم بفرسته!
شاید اون‌قدر باهوش باشی که بفهمی لازم نیست این‌همه سیم بین دو خونه کشیده بشه.
میتونی یکی از اون چهارتا سیم رو حذف کنی، فقط کافیه مدار رو اینطوری بچینی:
توی این کتاب، هر جا دو تا سیم به هم وصل باشن، یه نقطه‌ی کوچیک سر تقاطعشون دیده میشه.
توی این تصویر، دو تا از این نقطه‌ها داریم — یکی زیر باتری توی خونه‌ی تو، یکی هم زیر لامپ توی خونه‌ی دوستت.
دقت کن که الآن سر منفی دو باتری به هم وصل شدن.
با اینکه این دو مدار دایره‌ای (از باتری به کلید، به لامپ، و دوباره به باتری) به هم متصل شدن، هنوز کاملاً مستقل از هم کار می‌کنن.
این اتصال بین دو مدار، بهش می‌گن “مشترک” یا “زمین مشترک” (common).
توی این مدار، این مشترک بین دو نقطه‌ی اتصال سیم‌ها امتداد پیدا کرده — از جایی که لامپ و باتری سمت چپ به هم وصل شدن، تا جایی که لامپ و باتری سمت راست به هم وصل شدن.
بیایم یه نگاه دقیق‌تر بندازیم تا مطمئن بشیم هیچ چیز عجیبی اتفاق نمی‌افته.
اول از همه، وقتی کلید سمت تو بسته میشه، لامپ توی اتاق دوستت روشن میشه.
سیم‌های قرمز مسیر جریان برق توی مدار رو نشون می‌دن:
توی اون بخش دیگه‌ی مدار، هیچ جریانی برقرار نمیشه چون جایی برای رفتن الکترون‌ها نیست تا مدار کامل بشه.
وقتی تو پیامی نمی‌فرستی ولی دوستت داره پیام می‌فرسته، اون وقت کلید توی خونه‌ی دوستت کنترل لامپ توی خونه‌ی تو رو به عهده داره. باز هم سیم‌های قرمز مسیر جریان رو نشون می‌دن:
اگه تو و دوستت هم‌زمان سعی کنین پیام بفرستین، بعضی وقتا هر دو کلید بازن، بعضی وقتا یکی بسته‌ست و اون یکی باز، و بعضی وقتا هر دو بسته‌ان.
وقتی هر دو کلید بسته‌ان، جریان برق توی مدار این شکلی میشه:
جالبه که بدونی، وقتی هر دو لامپ روشنن، هیچ جریانی از بخش مشترک مدار رد نمیشه.
با استفاده از یه «مشترک» برای وصل کردن دو مدار مستقل به هم، تعداد سیم‌هایی که بین دو خونه کشیدیم از چهار تا به سه تا کاهش پیدا کرد — یعنی ۲۵٪ صرفه‌جویی در هزینه‌ی سیم‌کشی.
اگه مجبور بودیم سیم‌ها رو برای یه فاصله‌ی خیلی طولانی بکشیم، شاید وسوسه می‌شدیم که حتی یه سیم دیگه هم کم کنیم تا هزینه‌مون باز هم کمتر بشه.
متأسفانه، این کار با باتری‌های ۱.۵ ولتی و لامپ‌های کوچیک شدنی نیست.
ولی اگه باتری‌هامون ۱۰۰ ولتی بودن و لامپ‌ها خیلی بزرگ‌تر، حتماً می‌شد.
و این هم ترفندش:
وقتی یه بخش مشترک برای مدار تعریف کردی، لازم نیست حتماً اون بخش رو با سیم بسازی.
میتونی اون سیم رو با یه چیز دیگه جایگزین کنی. و اون چیز یه کُره‌ی غول‌پیکر با قطر حدود ۱۲۷۰۰ کیلومتره که از فلز، سنگ، آب و مواد آلی (که بیشترش مرده‌ست) ساخته شده. این کره‌ی غول‌پیکر همون چیزیه که ما بهش می‌گیم زمین.
توی فصل قبل وقتی درباره‌ی رساناهای خوب صحبت کردیم، از نقره، مس و طلا اسم بردیم — نه از خاک و برگ پوسیده!
راستش، زمین اون‌قدرها هم رسانای خوبی نیست،
ولی بعضی نوع‌های زمین (مثل خاک مرطوب) بهتر از بقیه (مثل شن خشک) جریان رو منتقل می‌کنن.
اما یه چیزی درباره‌ی رساناها یاد گرفتیم: هرچی بزرگ‌تر، بهتر.
یه سیم خیلی ضخیم خیلی بهتر از یه سیم باریک جریان رو منتقل می‌کنه. اینجاست که زمین می‌درخشه — چون واقعاً، واقعاً، واقعاً بزرگه.
اگه بخوای از زمین به عنوان یه رسانا استفاده کنی، فقط کافی نیست که یه سیم کوچیک رو بزنی تو خاک کنار گلدون گوجه‌فرنگی!
باید چیزی باشه که سطح تماس زیادی با زمین ایجاد کنه — مثلاً یه میله‌ی مسی که حداقل ۲.۵ متر طول و حدود ۱.۵ سانتی‌متر قطر داشته باشه.
اینطوری می‌تونه حدود ۱۵۰ اینچ مربع تماس با خاک داشته باشه.
میشه با پتک اون میله رو توی خاک فرو کرد و یه سیم بهش وصل کرد.
یا اگه لوله‌های آب سرد خونه‌ت از مس باشن و منشأشون از بیرون خونه و از توی زمین باشه، میتونی یه سیم به اون‌ها وصل کنی.
یه اتصال الکتریکی با زمین، توی انگلیس بهش می‌گن earth و توی آمریکا بهش می‌گن ground.
یه کمم سردرگمی درباره‌ی واژه‌ی ground وجود داره، چون گاهی به همون بخشی از مدار که ما بهش گفتیم مشترک (common) هم گفته میشه.
توی این فصل (و تا وقتی خلافش رو بگم)، ground یعنی اتصال فیزیکی به زمین.
و وقتی مردم نقشه‌ی مدار می‌کشن، از این نماد برای نشون دادن ground استفاده می‌کنن:
برق‌کارها از این نماد استفاده می‌کنن چون حوصله ندارن هر بار یه میله‌ی مسی ۲.۵ متری که توی زمین دفن شده رو نقاشی کنن!
مداری که به این نماد وصل شده، گفته میشه «متصل به زمین» یا «گراند شده»؛ به‌جای اینکه بخوایم هر بار بگیم «وصل شده به زمین».
بیا ببینیم این قضیه چطور کار می‌کنه.
اول این فصل با یه مدار یک‌طرفه مثل این شروع کردیم:
حالا اگه باتری‌ها و لامپ‌هامون ولتاژ بالا داشتن، فقط به یه سیم بین خونه‌ی تو و خونه‌ی دوستت نیاز بود — چون می‌تونستی از زمین به‌عنوان یکی از اتصال‌ها استفاده کنی:
وقتی کلید رو روشن می‌کنی، برق اینطوری جریان پیدا می‌کنه:
الکترون‌ها از زمین توی حیاط دوستت میان بیرون، از لامپ رد می‌شن، از توی سیم عبور می‌کنن، از کلید توی اتاقت می‌گذرن، و میرن داخل سر مثبت باتری.
در همین حین، الکترون‌هایی از سر منفی باتری وارد زمین می‌شن.
شاید بخوای این‌جوری تصورش کنی:
الکترون‌ها از میله‌ی مسی ۸ فوتی که توی حیاط خونه‌ت دفن شده، می‌پرن توی زمین و از اونجا خودشونو می‌رسونن به میله‌ی مسی خونه‌ی دوستت.
ولی اگه به این فکر کنی که زمین همین کار رو برای هزاران مدار الکتریکی دیگه هم توی جهان انجام می‌ده، ممکنه از خودت بپرسی:
«پس الکترون‌ها از کجا می‌فهمن کجا باید برن؟»
خب، معلومه که نمی‌فهمن!
شاید یه تصویر دیگه از زمین برات ملموس‌تر باشه:
آره، زمین یه رسانای عظیمه،
ولی می‌تونیم بهش به چشم یه منبع الکترون یا مخزن الکترون‌ها هم نگاه کنیم.
زمین برای الکترون‌ها همون چیزیه که اقیانوس برای قطره‌های آبه.
یه منبع تقریباً نامحدود از الکترون‌ها، و در عین حال، یه دریای عظیم برای جذب‌شون.
البته زمین یه مقدار مقاومت هم داره.
برای همین نمی‌تونیم وقتی داریم با باتری‌های ۱.۵ ولتی و لامپ‌های کوچیک بازی می‌کنیم، از زمین استفاده کنیم تا سیم‌کشی رو کاهش بدیم.
زمین برای ولتاژهای پایین، مقاومت زیادی داره و به‌صرفه نیست.
اگه دقت کرده باشی، توی دوتا شکل قبلی، باتری به‌شکلی نشون داده شده که سر منفیش به زمین (گراند) وصله:
دیگه نمی‌خوام هر بار باتری‌ای که به زمین وصله رو بکشم.
در عوض، از یه شکل مثل حرف بزرگ V استفاده می‌کنم که مخفف ولتاژه.
یه سیمی که از حرف V بیرون اومده، دقیقاً همون کار سیمیه که به سر مثبت باتری‌ای وصل شده که سر منفیش به زمین وصله.
حالا تلگراف چراغیِ یک‌طرفه‌مون این شکلی میشه:
حرف V نشونه‌ی ولتاژه،
اما میتونی تصورش کنی که انگار مخفف وکیوم هم هست —
انگار با یه جاروبرقی الکترون طرفیم که داره از توی اقیانوسِ الکترونِ زمین، الکترون می‌مکه!
این مکش، الکترون‌ها رو از زمین می‌کشه توی مدار،
و در مسیرشون، کار انجام می‌دن — مثل روشن کردن یه لامپ.
گاهی هم می‌گن زمین همون نقطه‌ی پتانسیل صفره.
یعنی توش هیچ ولتاژی وجود نداره.
همون‌طور که قبلاً گفتیم، ولتاژ یعنی «پتانسیل انجام کار» — مثلاً مثل یه آجری که از زمین بلند شده و می‌تونه بیفته پایین.
پتانسیل صفر یعنی آجری که روی زمینه — دیگه جایی نداره که بیفته، پس انرژی نهفته‌ای هم نداره.
توی فصل چهار، یکی از اولین چیزایی که فهمیدیم این بود که مدارها دایره‌ای هستن.
مدار جدیدمون اصلاً شبیه دایره نیست، ولی هنوز یه دایره‌ست.
میتونی به‌جای اون V یه باتری بذاری که سر منفیش به زمین وصله،
بعدم یه سیم بکشی که تمام نقاطی که توی مدار علامت زمین دارن رو به هم وصل کنه.
آخرش دوباره به همون مدار اولیه‌ای می‌رسی که اول این فصل داشتیم.
پس با کمک یه دونه میله‌ی مسی (یا لوله‌ی آب سرد فلزی)،
می‌تونیم یه سیستم کد مورس دوطرفه درست کنیم که فقط دو تا سیم از روی حصار بین خونه‌ی تو و خونه‌ی دوستت رد می‌شن!
این مدار از نظر کارکردی همونیه که توی صفحات ۳۳ تا ۳۴ دیدیم؛ همون مداری که سه تا سیم از روی حصار بین دوتا خونه رد می‌شن.
با این تفاوت که این نسخه‌ی جدید فقط وقتی جواب می‌ده که باتری‌ها و لامپ‌ها ولتاژ بالا داشته باشن.
توی این فصل، یه قدم مهم برداشتیم توی مسیر تکامل ارتباطات.
تا قبل از این فقط می‌تونستیم با کد مورس پیام بفرستیم، اونم فقط در دید مستقیم و تا جایی که نور چراغ‌قوه برسه.
ولی با استفاده از سیم‌ها، نه‌تنها یه سیستم ساختیم که می‌تونه از پشت گوشه‌ها هم پیام برسونه و دیگه به دید مستقیم وابسته نیست،
بلکه از محدودیت فاصله هم آزاد شدیم!
می‌تونیم با کشیدن سیم‌های بلندتر و بلندتر، حتی تا صدها یا هزاران کیلومتر پیام بفرستیم.
البته… نه دقیقاً.
درسته که مس رسانای خیلی خوبیه، ولی کامل و بی‌نقص نیست.
هرچی سیم‌هامون بلندتر بشن، مقاومتشون بیشتر میشه.
مقاومت بیشتر یعنی جریان کمتر، و جریان کمتر یعنی لامپ‌ها کم‌نورتر یا حتی خاموش.
حالا سؤال اینه: «پس دقیقاً تا چه حد می‌تونیم سیم‌ها رو بلند کنیم؟»
جوابش اینه: بستگی داره.
فرض کنیم همون مدار دوجهته‌ی اولیه رو ساختی — با چهار تا سیم، بدون زمین یا مدار مشترک — و از باتری چراغ‌قوه و لامپ کوچیک استفاده کردی.
اگه بخوای هزینه‌ت رو پایین نگه داری، احتمالاً یه رول ۱۰۰ فوتی از سیم اسپیکر خریدی.
این سیم‌ها معمولاً دوتایی‌ان، روکش دارن و به‌هم چسبیدن، که واسه سیستم تلگرافی ما گزینه‌ی خوبیه.
اگه اتاق تو و دوستت کمتر از ۵۰ فوت با هم فاصله داشته باشن، همین یه رول بسه.
ضخامت سیم‌ها با یه واحد به اسم AWG (American Wire Gauge) اندازه‌گیری میشه.
هرچی عدد AWG کمتر باشه، سیم کلفت‌تر و مقاومتش کمتره.
مثلاً اگه سیم ۲۰ AWG خریده باشی، قطرش حدود ۰.۰۳۲ اینچ و مقاومتش حدود ۱۰ اهم در هر ۱۰۰۰ فوت خواهد بود.
برای مسیر رفت‌وبرگشت ۱۰۰ فوتی بین اتاق‌هاتون، میشه حدود ۱ اهم مقاومت.
این اصلاً بد نیست.
ولی اگه بخوای سیم رو تا یه مایل بکشی چی؟
اون‌وقت مقاومت کلیش می‌رسه به بیش از ۱۰۰ اهم.
یادت باشه توی فصل قبل گفتیم مقاومت لامپ فقط ۴ اهم بود.
با قانون اهم می‌تونیم راحت حساب کنیم که جریان مدار دیگه اون ۰.۷۵ آمپر نیست (۳ ولت تقسیم بر ۴ اهم)،
بلکه میشه کمتر از ۰.۰۳ آمپر (۳ ولت تقسیم بر بیش از ۱۰۰ اهم).
تقریباً مطمئنیم که این جریان برای روشن کردن لامپ کافی نیست.
یه راه‌حل خوب اینه که از سیم کلفت‌تر استفاده کنیم،
ولی خب اون هزینه‌بره.
مثلاً سیم ۱۰ AWG، قطرش حدود ۰.۱ اینچه و فقط ۱ اهم در هر ۱۰۰۰ فوت مقاومت داره —
یعنی حدود ۵ اهم برای یه مایل.
یه راه دیگه اینه که ولتاژ رو بیشتر کنیم و از لامپ‌هایی با مقاومت خیلی بالاتر استفاده کنیم،
مثل همون‌هایی که برای روشنایی خونه به‌کار میرن.
اون‌وقت مقاومت سیم‌ها تأثیر کمتری روی مدار داره.
این دقیقاً همون مشکلی بود که توی قرن نوزدهم آدم‌هایی که اولین خطوط تلگراف رو توی آمریکا و اروپا می‌کشیدن باهاش مواجه بودن.
با وجود سیم‌های ضخیم و ولتاژهای بالا، سیم‌های تلگراف نمی‌تونستن تا ابد ادامه پیدا کنن.
در بهترین حالت، برد مفید این سیستم‌ها چند صد کیلومتر بود —
که اصلاً نزدیک فاصله‌ی نیویورک تا کالیفرنیا نیست.
اما راه‌حل این مشکل — نه برای چراغ‌قوه‌ها، بلکه برای همون تلگراف‌های تق‌تق‌کن قدیمی —
در نهایت به یه وسیله‌ی ساده و فروتن ختم شد…
ولی وسیله‌ای که میشه باهاش کل یه کامپیوتر ساخت.