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。

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