Борис Крук - ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

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 в электрические импульсы. Скажем, для комбинации из 5 битов 10101 импульсная последовательность будет содержать только первый, третий и пятый импульсы. Второй и четвертый импульсы будут отсутствовать. Наоборот, для комбинации 01010 в импульсной последовательности будут присутствовать только второй и четвертый импульсы. Как же эти импульсы передаются по металлическим проводам? При воздействии электрического импульса на проводник электроны в нем начинают двигаться упорядоченно. Если импульса нет, электроны совершают лишь хаотические движения. Таким образом, электроны, перемещаясь скачкообразно (не напоминают ли вам эти перемещения прыжки кенгуру?), переносят информацию по металлическому проводнику. А если проводник очень длинный? Сколько времени пройдет, пока электроны "доскачут" от одного его конца до другого?

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 мм 2(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.