84. 电脑原理02:继电器为什么如此重要?

1 电的历史

在我研究电脑的工作原理的时候，为了研究清楚一点，最终还是要追到一个古老的话题，电。电这个东西，是人类最伟大的发明，如果没有电，啥电脑，电视，电梯，电话，包括这次节目讲的继电器，都没法工作。因此，我还是要从电开始讲起。

1.1 魔术师的杂耍

其实电这个东西，几千年前人就发现了，就是用琥珀摩擦皮毛，就有静电产生。但是在漫长的几千年里，没有人能够理解电，更没有人能够把电真正的利用起来。在牛顿当选英国皇家学会的老大以后，牛顿同学马上开始做一件事情，排除异己，安插亲信，在这些亲信里，也有不少很有才华的人。其中有一个人，为了申请到基金，就真的发明了一个摩擦静电发电机，后来这个摩擦静电发电机的成果，也算在牛顿的头上了。为了表示一下对这个人的尊敬，我查到了这个人的名字，他叫弗朗西斯•霍克斯比，他的职务当时是英国皇家学会实验室主任。不管怎么说了，即使他的职位已经很高了，但是，他的发明也不能是他的发明，都是牛顿的。

他的发明是用一个玻璃瓶，加上一个可以旋转的把手，然后让这个玻璃瓶和一块毛皮摩擦。然后，在晚上把蜡烛都熄灭，把手放在玻璃瓶上，玻璃瓶上就会有一些蓝色的神秘之光。当时的人，包括牛顿也无法解释这种现象，大家达成了一个共识，这玩意是上帝的杰作。然后，霍克斯比申请到了一笔钱，这个实验就束之高阁了。觉得也没啥大用处。除了一些魔术师。

把电应用起来的第一批人其实是魔术师，表演的魔术是通过玻璃瓶摩擦毛皮以后，让自己带电，然后找一个观众，电他一下。或者，通过让自己带电以后，吸起一些金箔，或者点燃一些烈性酒，还有让人坐在一个绝缘的椅子上，用静电把人的头发吸起来，这是第一批真正用电的人，是一批魔术师。当时，这种魔术被称为上帝的恩赐，或者上帝的祝福。在欧洲么，再说了，我估计魔术师也懒得去研究电的原理，能赚到钱就很不错了。

1.2 如何把电存储起来

但是，让魔术师很纠结的问题是，表演魔术的电，必须现场制造，现场使用，不能存储。如果能随身携带电的话，就很爽了，毕竟变起魔术来，还得先发电，影响表演的效果。当时有很多人都试图把电存储起来，如果能像面包或者水一样存储就爽了。在荷兰的一个教授，这个教授的名字有点儿长，叫彼得•范•马森布勒克对这个也颇有研究，但是，他也没成功。但是，他有个朋友，是个律师，名字叫安德烈亚瑟•库尼斯，朋友们，物以类聚，他也对如何存储电有非常浓厚的兴趣，但是，他是个律师，好就好在他啥也不懂。当时一流的科学家都已经知道了绝缘体，导体等等，因此做实验的时候，都是把存储电的瓶子放在绝缘体上。但是这个律师哥们是个业余选手，科学爱好者，估计和我这种人差不多，没有专业素养，民间科学家，如果他活在现在的话，肯定喜欢去果壳网写科普装大牛，或者申请一个电台叫软件那些事儿，来忽悠人啥的。他竟然搞了一个实验室，但是，实验的操作流程非常的业余，别人都是弄好绝缘体，防止电跑了。他不，他就是一手举着瓶子，一手摇那个发电机，别的科学家都是用羽毛来测试有没有电，他不，他用手摸。然后，他就被电休克了。

当他醒来以后，他也不懂啥，反正他吓的不敢再做这个实验了。前面不是也说了么，他有个教授朋友。他就写信给这个教授说，以后你们做实验的时候，千万要记住，不要用手乱摸，我一乱摸，不知道怎么回事，就躺地下了。但是教授毕竟是教授，一下子就知道，我操，这个业余选手发明了可以存储电的东西。这个东西叫来顿瓶，我们物理书上都写了。为什么叫来顿瓶呢，因为这个律师被电休克的地方，在荷兰一个叫来顿的地方。没有以他的名字命名，有点遗憾啊。不过，以后会讲到一个更遗憾的科学家，比他遗憾多了。

后来，各种专业科学家，民间科学家，纷纷对莱顿瓶进行了改进，据说，最终极的产品，可以电死一只麻雀。我画了一个莱顿瓶的插图，我不想做科普，我希望大家了解原理，莱顿瓶其实很简单的。现在，我们实际上每天都要接触到无数的莱顿瓶，只是，他的名字变了，他现在的名字叫电容。为了防止电涌现象，我们手机，电脑，电视里，都有各种各样的电容，来保护核心的部件不被电涌给击穿。下面这个插图就是我画的莱顿瓶，大家凑活着看看。莱顿瓶的电可以存储几天，这个几天受环境影响很大，比如空气潮湿了，可能就几个小时。这个不一定的。大家可以做一个莱顿瓶。用可乐瓶子，加上电烤箱里的锡箔，就可以了。至于如何产生静电，最好的方法我实验的是用PVC的管子，就是咱们自来水管，外加破毛衣，摩擦摩擦就可以了。

莱顿瓶

1.3 两个科学家撕逼的副产品：伏打电池

然后，电的研究，又进入了一个新的纪元。在1800年左右，两个欧洲大陆的科学家开始撕逼了。其中一个是意大利的解剖学教授，名字叫贾法尼，就是我们生物书上做青蛙实验的那个教授，一只青蛙通电，然后青蛙腿开始颤抖的那个兄弟。我们书上写的是这个实验，但是实际上呢，这个老兄挺牛逼的，不仅学术上有创新，而且实验上更有突破，他做了青蛙的实验以后，连续做了好几个实验，都是动物的，实验都很成功。然后，更厉害的人物出现了，加瓦尼的侄子，他就把目光锁定在人的身上了。在一个死刑犯刚刚斩首以后，这哥们赶紧把无头的尸体运到实验室，一个电极接在脊柱上，一个电极塞在菊花里，然后，这个无头的尸体坐了起来。

这件事情彻底的改变了一位年轻漂亮的姑娘的生涯，她的名字叫玛丽•雪莱，后来她也被称为科幻之母，她的一本书叫《科学怪人》就是讲的这件事情。说实在的，我认为谁碰到一个尸体突然坐起来，都能或多或少的改变人生。如果我目睹的话，估计当场吓的拉在裤子里，所以，玛丽•雪莱女士是一位勇敢的女士，只改变了她写作的风格。这本书有人喜欢的话，可以看看。名字叫《科学怪人》或者《弗兰肯斯坦》。这次撕逼的另一个主角是大名鼎鼎的伏特，就是电压的单位。显然，他在这次撕逼中撕赢了，手撕解剖学教授贾法尼，伏特参考电鳗的身体结构，制造出了第一个电池，我们物理课本上叫伏打电池。然后，另外一个名家戴维的科学家，讲数十个伏打电池串联，制造出了明媚的电弧，这就是弧光灯的来源。

1.4 真正的励志：法拉第和电磁效应

好，我们知道了电池的来历，现在终于要讲现代化了，以前的电池，伏特电池，实际上是把化学能转化为电能。并不是我们今天使用的电，我们今天的电是发电机里出来的。这个人的名字叫法拉第。我们今天市场上有两款声势浩大的汽车，一款叫特斯拉，他制造了交流电。还有就是乐视网假药停研发的乐视超级汽车，这款汽车的名字叫法拉第。如果法拉第九泉之下有知，会有何感想。特斯拉都已经开始量产了，法拉第还在PPT上，辈份搞错了！法拉第可是特斯拉的爷爷辈啊！加电油吧，乐视！哦，不对，应该是冲点电吧，乐视超级汽车！

法拉第的生平我就不多说了，这个绝对是励志，不是忽悠。他真的是家境贫寒，爸爸是个铁匠，他小学辍学去印刷厂工作，然后白天印书，晚上就看他印出来的书，自学成才。最后称为科学历史上前十的人物吧，在我心中，拍在法拉第之前的人不多，在电学领域，只有麦克斯韦可以和他相媲美。所以，我觉得乐视汽车真的应该对得起这个名字，否则，就类似于你搞来了一个牛顿的品牌，结果你去卖牛肉面，你搞来了一个诺贝尔的品牌，结果你搞了瓷砖，虽说这是合法的，但是，人总要有点追求吧，别糟蹋了这么伟大的一个名字。

2 电的应用

接下来，开始讲一些电在通讯方面的应用。

2.1 电磁铁

长话短说，然后法拉第等人，包括摩尔斯的老师亨利先生，制造出了电磁铁以及继电器的模型。但是，并不知道实际的用途。我要画两个电路图，一个是电磁铁的电路图，一个是继电器的电路图。帮助大家回忆一下初中的物理知识。我相信大家没有忘记。电磁铁的工作原理是，当电流通过线圈，线圈中间的铁心就被磁化，就成了一个磁铁，当电流消失，被磁化的铁心又恢复成没有磁力的铁心了。在这里只讲直流电磁铁。其实现在的日常生活中，有直流电磁铁，也有交流电磁铁。

2.2 电报的工作原理

我再画一个电路图，主要是让大家看看电报的工作原理，电报为什么可以工作，主要就是用了电磁铁的原理。也非常的简单，我把图放在微信公众号里。因为我不想科普，尤其是不想当科普达人，因为科普达人只说一下谁谁谁发明了电报，谁谁谁发明了继电器。我这个呢，是想讲清楚原理。按照互联网宪法的规定，没图你说个JB的基本大法，我先把电报的原理图画出来。保证一图顶千言。如果不画图，真的是说不清楚。但是一看图，就明白了。图在我的微信公众号里，或者以后我也弄个网站，让不用微信公众号的人也能看到。我微信公众号的名字叫——软件那些事儿。

2.3 继电器登场了

不扯淡了，最后一个电路图，继电器。为什么需要继电器呢？电线有个特征，电阻。就是随着距离的增加，电压会越来越小。在电线上传递的信号逐渐的就没有了。比如说，从北京发信号到上海，可能电线到了济南，就没电了，这时候怎么办呢？有一个办法，在济南的荒郊野外盖一个小屋子，丢一个人进去，他负责两件事情，把信号记录下来，然后再从济南发一份到徐州，然后徐州再发一份到上海。沿途有2个倒霉蛋在荒郊野外，负责把信号增强，这个工作应该挺无聊。继电器的工作就是代替这两个倒霉蛋的工作的，通过电磁铁的原理，从北京传来的信号，到达济南的电流，驱动一个电磁铁，然后这个电磁铁在拉动金属杆，然后这个被拉动的金属杆，恰好是济南到徐州的一个电路的开关，这样，北京过来的，比较虚弱的电流，在济南经过继电器电路，一个加强的信号又被放大，然后到了徐州，徐州也有一个相同的继电器，然后信号又被放大，然后到了上海。这就是继电器在电报中的工作原理。不过呢，还是得看图，说不清楚。电路图在下面。

希望大家能花点儿时间，稍微的看一下这个电路图，继电器的电路图，我觉得3年级以上的人，应该能看懂。接下来的整个计算机的部件，全都是这个小东西，我们就用这个叫继电器的小东西，作为构建计算机的主要部件。

使用计算机，可以建造出一台完整的计算机出来，这就是我想要完成的一台1930年的机械式继电器计算机。如果你有兴趣，这个还挺好玩的。如果你想学习新的互联网思维，这个节目不适合你，我这个计算机是1930年的，那时候还没有互联网呢。嗯，这是一台机械式继电器计算机，这个名字里有个继电器，就是这次课程中的这个东西。

可能有些同学觉得，这个继电器太简单了，因为他只能做一件事情啊，就是传递信号。是的，他确实非常简单，就是一个弹簧片，外加一根铁棍，还有一个线圈，实现的功能看起来也没什么大不了的。但是，毫无疑问的是，在任何博物馆里，尤其是电学的博物馆里，一定有一个地方是给继电器这个小东西留着的，因为他看起来不算什么神奇的东西，但是，把几个继电器按照不同的方法连接起来，就可以完成更加神器的东西。

最近比较火热的一个话题是人工智能，基本上所有的人或者公司，你如果不懂一点人工智能，都不好意思打招呼。而且很多人会觉得人工智能会把人类给灭绝了，这个姑且不去争论对与错，反正即使人工智能要灭绝人类的话，我们也没什么好反抗的。而且人工智能如果想杀人的话，我也不反抗了，肉身凡胎的，怎么能打赢施瓦星格呢？打也打不过，跑也跑不过，肚子上一堆肥肉，剩下打技能就是吹牛逼比机器人厉害，反抗个P啊，越反抗越挣扎就越痛苦！还不如直接死了算了。我想讲的是，人工智能所依赖的电路是集成电路，集成电路之前是电子管电路，电子管电路之前就是继电器电路，也就是我们今天所讲的原理。如果我们这一代人很倒霉，造出来了一批施瓦星格终结者，当我们被屠杀以前，要知道，虽然他们无所不能，战无不胜，但是，最基本的原理，他们的基本原理就是无数的继电器连接在一起，就像我们人类是无数的细胞组成的一样。

当我们说细胞的时候，一般会说，细胞是具有完成生命里的生物的最小单位。在我看来，由继电器组成的逻辑门，就是所有电脑包括人工智能的东西最小的单位。如果我们这一代真的很倒霉的话，搞出来了一个终结者，在被终结以前，我们起码要搞清楚，看看这个锅应该让谁来背。最后的最后，这个锅还是得是本文的这些主角来被，要怪就怪法拉第发明了发电机，要怪就怪亨利发明了继电器，要怪也应该怪摩尔斯发明了电报机。这一次，讲了继电器，下一次，我们再来讲把这个看起来无所谓的东西，如何用不同的方法连接起来，他竟然可以做出确定的判断了。一旦这些可以做出判断的东西具有了很大的规模，比如达到了人类细胞的数量，并且他做出判断的速度越来越快，要知道，电路的速度是光速，人类神经的速度每秒几十米，终结者是真的有一定可能出现的。当然了，我个人对人类抱有乐观的态度。下一期，我们先构建几个速度很慢，很傻的电路出来，在学术上叫逻辑门。不要小看了这些门，虽然不是艳照门，但是，搞不清楚未来会发生什么事情，尤其是人工智能。我个人希望是发生好的事情。

这期就到这里，下次再见。