５．绕过拐角的通信
你12 岁了。在一个伤感的日子里，你最好的朋友跟随家人搬到别的镇子。从此以后你只能通过电话同他交谈了。 但是电话交谈和深夜里用手电筒以莫尔斯码方法会谈是无法相比的。你的另外一个好朋友，也是你的邻居，现在成了你新的密友。是时候该教给她一些莫尔斯码，让深夜的手电筒再次为你们闪烁了。
可是问题是，这位朋友的卧室窗户和你卧室窗户不是对着的。尽管两栋房子挨着，但是卧室窗户是朝向同一个方向的。除非你能想个办法，在室外摆一面镜子，不然手电筒就不能用来夜谈了。
怎么办？
也许现在你已经懂得一些关于电学的知识，所以你打算用电池、灯泡、开关和导线来自制一个“手电筒”。在第一次尝试中，你把电池还有开关在卧室中接好，然后从窗户引出根导线，绕过围墙，接到你朋友的卧室 里，在那里把它们接到一个灯炮上。
尽管图中只画了一节电池，不过实际应用中你也许要用两个。在以后的示意图中，下面的标志表示一个“关”的状态（也称为断开状态）的开关。
下图则表示开关是“开”的（也称闭合状态）。
本章手电筒跟上一章的手电筒的工作方式一样，尽管本章的手电筒中用来连接各个部件的导线比原来长了不少。当你把自己房间那端的开关闭合时，你朋友的灯泡就会被点亮。
现在，你可以用划尔斯码来发信息，既然你已经成功安装了这个“手电筒”，你就可以照样再安装一套“远距离”设备，好让你的朋友也能够给你发信息。
恭喜你！你已经架设好了一套双向电报系统！你可能注意到了，这个系统包含了两个相互独立但又完全相同的电路。理论上来说，在你给朋友发送信息的同时，他也可以给你发信息（不过同时阅读和发送电码对你的大脑来说或许是一个挑战）。
聪明的你也许可以采用如下方式把这套系统加以改进，这样可以节省25%的导线。
注意，现在这两个电池的负极被连在一起。但是这两个回路（电池到开关到灯泡再到电池）依然是相互独立的，尽管现在它们看起来像连体婴儿一样。
这种接线方式称为公用连接（common）。这个电路的公用部分，从最左端的灯泡和电池的连接点开始，到最右端的灯泡与电池的连接处结束。我们在图中用两个小圆点把这部分连线标示了出来。
我们进一步检查一下这个电路，以确保使用时不会有意外发生。首先，当你在自己这端闭合开关的时候，你朋友屋里的灯泡就会点亮。红色的线表示了电路中电流流动的路径。
电路的其余部分没有电流通过，因为没有完整的路径可以让电子构成回路。
当你没有发送信息，而你的朋友正在发送时，他的房间里开关控制了你房间里的灯泡的亮灭。下图的红线仍然表示电流流经的路径。
当你和你朋友发送信息时，有时两个开关都断开了，有时一个闭合而另一个断开，也有时候两个开关同时闭合。最后一种情况下， 电路中电流的示意图如下图所示。电路的公用部分没有电流通过。
我们通过公用线路把两个电路合成了一条电路。通过这种方式，把连通两栋房子所需的导线从4根减少到了3根，节约了25%的导线。
如果整个系统必须铺设很长的线路，可能还得绞尽脑汁再削减一根导线进一步节约开支。遗憾的是，对于眼前这套使用1.5伏的干电池和小灯泡的系统来说，这是不可行的。但如果我们把它们换成100伏的电池和大的多的灯泡，问题就迎刃而解了。
以下就是解决的思路：你不必非得用导线来完成电路的共用部分，你可以用其他东西来代替导线。恰巧我们这儿有一个现成的大球，你可以用它来代替。这个大球直径近7900英里，由金属、岩石、水，以及有机质（其中大部分是没有生命的）组成。我们称这个巨大球体为“地球”。
上一章里，在讲导体的时候提到了银、铜和金，但没有提过岩石层和覆盖层。实际上，泥土并不是一个很好的导体，尽管有一些泥土（例如沼泽）的导电性比其他的（例如干沙）要好一些。但是我们知道导体有一条性质：截面越大导电性越好。一条很粗的导线，其导电性要远远好于一条细导线。这就是地球所拥有的优势。它实在是太大了。
要想用地球充当导体，可不是随便在西红柿地里插根线那么简单。你必须使用跟地球有充分接触的物体，也就是很大表面积的导体。这儿有个不错的解决方案，即使用一个至少8英尺长1/2英寸粗的铜柱电极。它提供了与地球150英寸的接触面积，你可以用一个大锤子把这个电极砸进地里，然后在上面接一根导线。或者，如果你家的水管是用铜做的，并且是从屋外接过来的，那么你可以在水管上接上导线。
关于电流接地，在英国人称其为“earth”, 在美国叫“ground”。"ground"这个词含义有一些含混不清，因为这它也经常用来表示我们前文中所说的“公用电路”。在本章中，除非特别指明，“ground”都表示物理接地。
在电路图中， 人们用以下符号表示接地。
电气工程师们一般不会使用这个符号，因为他们不喜欢花时间去描画一个被埋在地下的8英寸长的铜柱。
我们来看看新的电路是如何工作的。先从一个单向的电路开始分析。
如果你使用的是高压电池和大灯泡，你只需要在你和你朋友的房子之间接一根导线，因为可以把地球当成一条导线。
当你闭合开关时，电流就会按下图流动。
电子从你朋友房子的地下出发，经过灯泡、导线和你房间的开关，最后回到电池的正极。而电子最初是从电池的负极传入地下的。
你或许还真的很想看到从埋在你家后院的8英尺的铜柱进入地下，然后飞速通过大地到达埋在你朋友家后院的铜柱的情景。
然而每时每刻地球都在充当着全世界成千上万条电路的导线，想到这些，你可能会感到迷茫：电子怎么知道它要去什么地方？其实它们不知道。换一种描述地球的模式或许更恰当些。
没错，地球是一个巨大的导体，但是我们也可以把它看做是电子的来源和储藏库。地球之于电子就恰如海洋之于水滴。地球是一个近乎无尽的电子之源，同时也是一个无比庞大电子池。
不过地球还是有一定的电阻的，所以当我们使用1.5伏干电池和小灯泡时，不能通过接地来节约我们所需的线路开支。对于低电压电池而言，地球的电阻实在是太高了。
你可能注意到，前面两幅图中所画的电池，其负极都接地了，如下图所示。
以后，我将不再画这个图例了，我将用大写字母V（表示电压）来替代它，因此单向的灯泡电报系统的电路示意图就变成了如下这个样子。
字母V是电压的意思，但是也有吸尘器的意思。我们把V想象成一个电子吸尘器，然后把地面想象成电子的海洋。电子吸尘器通过电路把电子从地下拉出来，让它们沿设计好的线路开始工作（例如点亮灯泡）。
大地有时候也被认为是零电势（Zero potential）点。也就是说现在没有电压。电压——正如我之前介绍的——是电能做功的势，这与在空中的砖所潜藏的势能是类似的。零电势就像放置在地面上的砖一样——已经没有空间可以让它下落了。
在第四章中，我们最初注意到的几个问题之一便是电路是一条回路。不过我们的新电路看起来可不像条回路。实际上，它仍然是。你可以使用负极接地的电池来替换掉字母V，然后把所有的接地标志用线连接起来。最后就会得到一张与开始处一模一样的电路图。
因此，在一对铜柱电极（或者自来水管）的帮助下，我们只用了两根导线，就冲破了你与你朋友家之间围墙的阻隔，构建了一个双向的莫尔斯发送系统。
这条电路在功能上与之前的那个电路在功能上与之前的那个电路是完全一样的，而在之前那条电路中，我们使用了3条导线来穿越房子之间的围墙。
在本章中，我们已在通信的演变中迈出了重要的一步。之前我们使用莫尔斯码交流时，必须要在视线直视的范围里，并且要保证在手电筒光线可以传播的距离之内。
但是使用导线，我们不仅可以构建出一个可以绕过拐角的，能够在视线之外的发报系统，而 且我们再也无需受距离的限制。我们可以跨越成百上千米英里来进行通信，只需要铺设足够长的线路即可。
不过还有个问题，尽管铜是很好的导电体，但是它也不是完美的。线路越长，它们的电阻也就越大，电阻越大，线路中的电流就越少。电流越少，灯泡就越暗。
那么到底我们可以做出多长的导线呢？这要依情况而定。假如我们现在使用的是原来的4条导线的双向电路，而没有使用接地和公用电路，并且还用手电筒电池和小灯泡。为了节约成本， 也许你从无线电室（Radio Shack, 美国出售电器的连锁店）购买了些20号规格的电话线，花费每100英尺9.99美元。电话线一般是用来把扬声器连接到立体声响系统上的。它有两个接头，因而对我们的电报系统来说，也是个不错的选择。如果你和你的朋友的卧室之间的距离小于50英尺，这卷电话线就足够了。
导线的粗细使用美国线径标准（American Wire Gauge, AWG)进行度量。AWG 数值越小，导线越粗，电阻也就越小。你买20号规格的电话线，其直径大约0.032英寸，大约1000英尺有10欧的电阻，也就是说在你们卧室间往返的距离——100英尺左右，大约有1欧的电阻。
情况其实不错，但是如果我们需要铺设一英里的线路呢？导线的电阻将大于100欧。记得上一章中提到过，我们的小灯泡电阻只有4欧姆。根据欧姆定律，可以很容易计算出电路中电流已经不再是0.75安（3伏除以4欧），现在它将变得比0.03安还要小（3伏除以100欧以上）。几乎可以肯定，这点电流不足以点亮灯泡。
使用粗一点的导线是一个不错的解决方案，但是那会比较昂贵。10号线规格线（无线电室用来作为汽车耦合线出售，其价格为每35英尺11.99美元，你需要两倍的长度，因为这种导线只有一个接口）大约有0.1英寸粗，不过它每1000英尺只有1欧的阻抗，也就是每英里5欧。
另一种解决方案是增加电压，使用更大的电阻的灯泡。例如，一个能够照亮房间的100瓦灯泡，是设计成在120伏电压下工作的（美国市电电压），大约144欧的电阻。导线的电阻对整个电路的影响将变得小许多。
在150年前， 人们在铺设第一个跨越美洲和欧洲的电报系统时，这些都是面临的问题。如果忽视了线路直径还有高电压的因素，电报线路将完全无法持续工作。根据设计方案，系统距离跨度的极限是200英里。这个长度是纽约和加利福尼亚间数千英里的距离相比，还是有很大的差距的。
这个难题的解决方案——不是给手电筒的，而是给“滴滴答答 ”的近代电报系统的——尽管它只不过是个很简陋的装置，但是正是基于这个装置，整个计算机系统才被构建出来。
