Giờ bạn 12 tuổi. Vào một ngày buồn gia đình bạn thân của bạn chuyển nhà. Thế là từ nay trở đi bạn phải trò chuyện với cậu ấy bằng tin nhắn hoặc mail, nhưng làm sao bằng được sự lãng mạn của những đêm đen với đèn pin trong tay chớp nháy gửi đi những giấc mơ vĩ đại bằng mã Morse. Người bạn thân-nhì sống bên hông nhà rốt cuộc lại trở thành bạn thân nhất. Giờ là lúc dạy cậu ta vài đoạn mã Morse để tiếp tục những đêm màu nhiệm ấy. Trở ngại hiện giờ là cửa sổ phòng ngủ cậu ta không đối diện với cửa sổ phòng bạn. Hai căn nhà liền kề nhau và hai cửa sổ đều nhắm về một hướng. Trừ khi bạn nghĩ ra cách dựng vài cái gương bên ngoài nhà, bằng không mấy cây đèn pin giờ chẳng còn dùng để nói chuyện giữa khuya được nữa.
Có chắc không?
Tới giờ thì bạn đã có một chút kiến thức về điện, nên quyết định tự mình làm luôn một cái đèn pin với pin, bóng, công tắc và dây. Trong lần thử nghiệm đầu tiên, bạn nối các viên pin với công tắc trong phòng ngủ của mình. Hai dây dẫn đi ra ngoài cửa sổ, băng qua hàng rào, và luồn vào phòng ngủ cậu bạn, tới đó chúng được nối với một bóng đèn:
Từ giờ mạch điện sẽ được vẽ theo kiểu ký hiệu hơn là thực tế. Mặc dù tôi chỉ vẽ một viên pin nhưng bạn dùng hai viên cũng được. Từ sơ đồ này về sau, đây sẽ là một công tắc tắt (hay mở):
và đây sẽ là một công tắc bật (hay đóng):
Đèn pin trong chương này hoạt động đúng như cách mà trong chương trước đã minh họa ngoại trừ dây dẫn để nối các phần của bóng đèn trong chương này có dài hơn đôi chút. Khi bạn đóng công tắc ở bên này, bóng đèn phòng bên kia sẽ sáng:
Nào, giờ thì bạn đã có thể gửi tin nhắn bằng mã Morse rồi.
Một khi bạn đã lắp được một bóng đèn, bạn có thể nối thêm một cái đèn pin cự-ly-xa khác để cậu bạn kia cũng có thể gửi tin nhắn trở lại:
Tuyệt cú mèo! Bạn vừa mới dựng xong một hệ thống điện báo hai chiều đó. Bạn để ý thấy rằng hai mạch điện này giống hệt và hoàn toàn độc lập với nhau. Theo lý thuyết, bạn có thể gửi tin cho cậu bạn trong khi cậu ta nhắn ngược trở lại, mặc dù có thể khá hại não khi vừa phải đọc và gửi tin nhắn cũng một lúc.
Bạn cũng có thể đủ thông minh mà khám phá ra rằng không cần nhiều dây nhợ nối hai nhà đến vậy. Có thể bỏ đi một trong ba dây bằng cách nối như này:
Trong sách này, dây nối với nhau được kí hiệu bằng một dấu chấm nhỏ tại điểm nối. Sơ đồ này có hai điểm nối giống vậy, một ở dưới viên pin trong phòng bạn và cái còn lại ở dưới bóng đèn trong phòng bạn kia.
Chú ý là hai cực âm của pin được nối với nhau. Hai mạch vòng (pin → công tắc → bóng đèn → pin) vẫn hoạt động độc lập mặc dù giờ đã dính vào nhau.
Kết nối này giữa hai mạch được gọi là dây chung (common). Trong mạch này, dây chung kéo dài giữa hai điểm nối, từ điểm nơi pin nối với bóng đèn bên trái tới điểm mà pin và bóng đèn bên phải được nối với nhau.
Hãy nhìn kỹ hơn để chắc chắn là chẳng có gì bất thường xảy ra cả. Đầu tiên, khi bạn đóng công tắc của mình bóng đèn phòng bên kia sẽ sáng. Dây màu đỏ thể hiện dòng điện trong mạch:
Không có dòng điện nào đi qua phần kia của mạch vì không có chỗ để electron đi hết một vòng.
Khi bạn không gửi mà bạn kia gửi, công tắc của cậu ấy điều khiển bóng đèn phòng bạn. Một lần nữa, dây đỏ thể hiện dòng điện trong mạch:
Khi cả hai đều muốn gửi tin nhắn đi cùng lúc, thì đôi lúc cả hai công tắc cùng mở, hoặc cùng đóng, hoặc lúc thì một công tắc mở công tắc kia thì đóng. Khi cả hai công tắc đều đóng, dòng điện trong mạch sẽ trông như đây:
Thú vị chưa, không có dòng điện chạy qua dây chung khi cả 2 đèn đều sáng.
Bằng cách dùng dây chung nối hai mạch riêng biệt thành một, ta vừa giảm bớt kết nối điện giữa hai nhà từ bốn dây dẫn xuống còn ba và giảm chi phí dây đi 25%.
Nếu cần phải nối dây rất xa ta có thể tạm giảm chi phí thậm chí là nhiều hơn bằng cách cắt bỏ một đoạn dây khác. Tiếc là nó không xài được với viên pin cỡ D 1,5V cùng bóng đèn nhỏ. Nhưng nếu ta chơi với pin 100V và bóng đèn bự hơn, thì có thể được.
Đây là một mẹo: Một khi bạn đã thiết lập dây chung cho mạch, bạn không cần phải dùng dây cho nó nữa. Bạn có thể thay dây bằng thứ khác. Và thứ có thể thay thế được nó là một quả cầu khổng lồ có đường kính xấp xỉ đâu cỡ 12.700 km được làm từ kim loại, đá, nước và các vật liệu hữu cơ hầu hết đều đã chết. Quả cầu khổng lồ ấy được biết đến với cái tên Trái Đất.
Khi tôi mô tả các chất dẫn điện tốt ở chương trước, tôi có nhắc đến bạc, đồng và vàng mà không nhắc đến đá hay rơm. Thật ra, Trái đất không phải là một chất dẫn điện tốt như vậy mặc dù một vài loại đất (như đất mùn) thì tốt hơn các đất khác (như cát khô). Nhưng có một thứ ta học được từ chất dẫn điện đó là: càng bự thì càng tốt. Một dây dẫn dày sẽ tốt hơn là dây dẫn rất mỏng. Đấy là điểm mà Trái đất tỏ ra vượt trội. Nó rất rất rất to.
Để dùng đất là chất dẫn điện, bạn không thể chỉ việc cắm một đoạn dây nhỏ vào miếng đất sát bên đám cà chua. Bạn phải dùng thứ gì đó để duy trì một liên kết bền bỉ với đất, và như thế tôi có ý nói tới một chất dẫn điện với diện tích tiếp xúc lớn. Một giải pháp tốt đó là một thanh đồng dài ít nhất 2 mét rưỡi và đường kính 1,3 cm. Nó cung cấp 970 cm2 diện tích tiếp xúc đất. Bạn có thể đóng thanh xuống đất bằng búa rồi mắc dây vào nó. Hoặc, nếu ống nước-lạnh trong nhà bạn làm từ đồng và được lắp trên mặt đất xung quanh nhà, bạn có thể nối dây dẫn với ống.
Một tiếp xúc điện với đất được gọi là earth ở Anh và ground ở Mỹ. Có một chút nhầm lẫn xung quanh chữ ground vì nó cũng thường được dùng để chỉ một phần của mạch mà chúng ta gọi là dây chung. Trong chương này, và cho đến khi tôi nói khác đi, ground (điểm nối đất) là một kết nối vật lý với đất.
Khi người ta vẽ mạch điện, họ dùng ký hiệu này để thể hiện điểm nối đất:
Các thợ điện dùng ký hiệu này vì họ không muốn phải mất thời gian để vẽ một thanh đồng cao tới 2 mét rưỡi chôn đâu dưới đất. Một mạch nối với nó được gọi là "được nối với đất" hay "nối đất".
Hãy xem xem nó hoạt động ra sao. Ta bắt đầu chương này bằng việc nhìn vào cấu hình điện một chiều như đây:
Nếu bạn đang dùng bóng đèn và pin cao áp, bạn chỉ cần một dây giữa hai nhà vì có thể dùng mặt đất như là một vật nối:
Khi bạn bận công tắc, điện truyền đi như này:
Các electron bay lên từ mặt đất bên nhà cậu bạn, đi xuyên qua bóng đèn, dây dẫn và công tắc bên nhà bạn, rồi chui vào cực dương viên pin. Các electron từ cực dương lại chuồn xuống đất.
Có thể là bạn cũng muốn hình dung cảnh các electron nhảy ù từ thanh đồng 2 mét rưỡi được chôn ở sân sau nhà bạn phóng lèo lèo xuyên qua luôn trái đất để đến với thanh đồng 2 mét rưỡi được chôn ở sân sau nhà bạn kia. Nhưng nếu bạn xem trái đất trình diễn cùng chức năng này cho cả ngàn mạch điện trên khắp thế giới thì có thể bạn sẽ đặt câu hỏi: Làm sao các electron biết nơi để bay đến? Chà, rõ ràng là chúng không biết rồi. Một hình dung khác về trái đất có vẻ thích hợp hơn cho ý tưởng này.
Vâng, trái đất là một chất dẫn điện cực đại nhưng nó cũng có thể được xem như vừa là nguồn cấp vừa là kho chứa cho các electron. Trái đất với electron như là đại dương với những giọt nước vậy. Trái đất là nguồn vô hạn các electron và cũng là cái bể khổng lồ cho chúng.
Trái đất, tuy nhiên vẫn có điện trở. Đó là lý do vì sao ta không thể dùng mặt đất để giảm nhu cầu mắc dây nếu ta chơi với bóng đèn và viên pin cỡ D 1,5V. Trái đất đơn giản là có quá nhiều cản trở cho các viên pin điện áp thấp.
Bạn để ý thấy hai cái sơ đồ trước bao gồm một viên pin với cực âm được nối với đất:
Tôi sẽ không vẽ viên pin này được nối với đất nữa. Thay vào đó tôi sẽ dùng chữ V có nghĩa là voltage (điện áp). Một dây dẫn kéo dài từ một V giống với dây nối với cực dương viên pin có cực âm nối đất. Máy điện báo bóng đèn một chiều giờ trông như này:
Chữ V đại diện cho điện áp, nhưng nó cũng có thể hiểu là vacuum (khoảng không). Nghĩ về V như là máy hút chân không electron và mặt đất như là một đại dương electron. Máy hút electron kéo các electron từ đất qua mạch rồi đi theo con đường đã vạch sẵn (thắp sáng bóng đèn).
Mặt đất đôi khi cũng được xem là điểm không thế năng. Có nghĩa là nó không thể hiện một điện áp nào cả. Một điện áp – như tôi đã giải thích ở trước – là một tiềm năng để hoạt động, cũng như viên gạch nằm lơ lửng trên không cũng là một nguồn thế năng như vậy. Không thế năng như kiểu viên gạch nằm trên mặt đất vậy – không còn nơi nào để mà rơi nữa.
Ở Chương 4, một trong những thứ đầu tiên đập vào mắt ta là các mạch điện đều khép kín. Mạch điện mới sẽ không khép như thế nữa. Thế nhưng nó vẫn là như cũ. Bạn có thể thay V với một viên pin có đầu âm nối với đất và có thể vẽ một dây dẫn nối hết những chỗ bạn thấy có ký hiệu điểm nối đất. Rồi bạn sẽ được một sơ đồ trông giống với cái ta bắt đầu ở chương này.
Nên với sự trợ giúp của vài thanh đồng (hay ống nước lạnh), ta có thể xây dựng hệ thống mã Morse hai chiều với chỉ hai dây băng qua hàng rào giữa hai nhà:
Mạch này về cơ bản thì tương tự cách mắc được trình bày trước đây trong đó ba dây băng qua hàng rào hai nhà nhưng nó sẽ chỉ hoạt động với pin cao áp và bóng đèn.
Trong chương này, ta tiến một bước quan trọng trong sự tiến hóa giao tiếp. Trước đây ta có thể trò chuyện bằng mã Morse nhưng chỉ bằng ánh đèn rọi thẳng và chỉ vươn xa được hết tầm sáng của đèn.
Bằng cách dùng dây dẫn, ta không chỉ vừa xây dựng một hệ thống trò chuyện vượt rào cản tầm nhìn, mà còn giải phóng ta khỏi giới hạn khoảng cách. Ta có thể giao tiếp trên hàng trăm hàng ngàn dặm chỉ bằng cách nối dây càng ngày càng dài ra.
Nhưng, không hẳn vậy. Mặc dù đồng là một chất dẫn điện tốt, nhưng nó không hoàn hảo. Dây dẫn càng dài, điện trở càng lớn. Điện trở càng lớn, cường độ càng nhỏ. Cường độ càng nhỏ, đèn càng mờ.
Vậy thì chính xác ta có thể mắc dây dài bao xa? Còn tùy. Hãy giả sử bạn đang dùng bốn dây, nối hai chiều như lúc đầu mà không có điểm nối đất hay dây chung, chỉ có bóng đèn và pin. Để giảm chi phí, trước tiên bạn mua vài dây loa dài 15 cm, loại hay dùng để nối loa với đầu âm li high-end. Dây loa có hai chất dẫn điện gắn vào nhau, vậy nên cũng là một lựa chọn tốt cho hệ thống máy điện báo của ta. Nếu phòng ngủ của hai đứa bạn không xa hơn 15m, một cuộn dây này là những gì bạn cần.
Độ dày của dây được đo bằng America Wire Gauge, hay AWG. Số AWG càng nhỏ thì dây càng dày và điện trở của nó càng nhỏ. Dây loa 20-gauge có đường kính vào khoảng 0,8mm và điện trở vào khoảng 10 ôm trên 305m, hay 1 ôm trên 30,5m cho chiều dài chuyến đi giữa hai phòng ngủ.
Điều đó cũng không tệ chút nào, nhưng sẽ ra sao nếu ta nối sợi dây dài cả dặm? Tổng điện trở của dây sẽ nhiều hơn 100 ôm. Nhớ lại chương trước rằng bóng đèn của ta chỉ có 4 ôm. Từ định luật Ôm, ta có thể dễ dàng tính ra cường độ dòng điện qua mạch sẽ không còn bằng 0,75 ampe (3 vôn chia cho 4 ôm) như trước nữa, mà giờ sẽ nhỏ hơn 0,03 ampe (3 vôn chia cho số lớn hơn 100 ôm). Gần như chắc chắn, sẽ chẳng đủ cường độ để mà thắp sáng bóng đèn.
Dùng dây dày hơn là một giải pháp tốt, nhưng sẽ rất đắt. Dây 10-gauge thì cỡ khoảng 2,54mm độ dày nhưng có điện trở chỉ 1 ôm trên 305m hay 5 ôm trên 1,5km.
Giải pháp khác là tăng điện áp và dùng đèn pin với điện trở lớn hơn như bóng đèn dùng thắp sáng nhà. Điện trở dây dẫn sẽ ảnh hưởng đến tổng thể mạch ít đi.
Đây là những vấn đề gặp phải vào giữa thế kỷ 19 bởi những người nối hệ thống điện báo đầu tiên băng qua Châu Mỹ và Châu Âu. Bất kể là độ dày của dây dẫn hay độ cao của điện áp, dây điện báo chỉ đơn giản là không thể được nối dài vô hạn được. Gần như, giới hạn cho một hệ thống hoạt động theo dự liệu là khoảng vài trăm dặm. Như thế thì sao mà nối được cho hàng nghìn dặm từ New York tới California.
Giải pháp cho vấn đề này—không phải cho đèn pin mà cho những chiếc điện tín "tách tách" của ngày xưa—hóa ra lại là một thiết bị đơn giản và khiêm tốn, nhưng từ nó mà có thể tạo được cả máy tính.
