Engineering
Telegraf elektromechaniczny
Nadaj wiadomość alfabetem Morse’a przez linię telegraficzną i obserwuj, jak dociera: linia ładuje się sekcja po sekcji, zwora aparatu piszącego zostaje przyciągnięta przez szczelinę powietrzną, a rysik wytłacza kropki i kreski na papierowej taśmie. Wydłuż linię, poprowadź ją jako kabel, zmień sprężynę i szybkość nadawania, i zobacz, kiedy ślady się rozmazują, a kiedy przestają się pojawiać.
Co się dzieje
Na jednym końcu linii znajdują się klucz i bateria 60 V, na drugim aparat piszący. Linia to układ drabinkowy złożony z co najwyżej ośmiu sekcji RC (linia napowietrzna: 15 Ω i 10 nF na kilometr, albo kabel: 5 Ω i 200 nF), a przewodem powrotnym jest ziemia. Cewka aparatu o rezystancji 150 Ω ma indukcyjność swojego obwodu magnetycznego, L(g) = L_leak + μ₀·N²·A/(2g), i przyciąga zworę siłą F = μ₀·N²·A·i²/(4g²) przez szczelinę powietrzną, która zmniejsza się z 1,0 do 0,4 mm, wbrew sprężynie o sztywności 100 N/m, wstępnie napiętej o 0,2 mm; równanie cewki uwzględnia siłę elektromotoryczną indukowaną ruchem zwory. Przy przednim ograniczniku rysik naciska papierową taśmę, która przesuwa się z prędkością 20 mm/s; ślady odczytuje się jako kropki i kreski na podstawie ich długości.
Zwora odrywa się od tylnego ogranicznika przy 12,6 mA i opada z powrotem, gdy prąd spadnie poniżej 10,1 mA. Przy 200 km linii napowietrznej prąd przy wciśniętym kluczu wynosi 18,9 mA; kropka nadana z szybkością 20 słów na minutę dociera z opóźnieniem 19,8 ms i zostawia ślad o długości 42 ms przy 60 ms nadawania. Przy 20 km opóźnienie wynosi 2,5 ms. Przez 300 km kabla SOS dociera jako SOS, a jego pierwszy ślad pojawia się 27,1 ms po wciśnięciu klucza; nadawane z szybkością 40 słów na minutę daje odczyt ATA. Przez 800 km kabla prąd cewki nie przekracza 13,6 mA i nic nie trafia na papier; przy napięciu wstępnym sprężyny zmniejszonym o połowę zwora zostaje przyciągnięta tylko raz, a cała wiadomość staje się jedną długą, rozmazaną smugą.
Model: sekcje RC o stałych skupionych, najwyżej osiem; indukcyjność cewki wyznaczona z szerokości szczeliny; zwora jako masa na sprężynie z tłumieniem między dwoma ogranicznikami; brak upływu do ziemi, brak przekaźników. Krok 20 µs; bilans energii zamyka się na pracy baterii.
Co wypróbować
Obserwuj, jak SOS biegnie linią i pojawia się na taśmie. Poprowadź linię jako kabel, wydłuż ją albo nadawaj szybciej i zobacz, jak ślady się rozmazują; poluzuj sprężynę, gdy nic nie dociera, albo przytrzymaj wciśnięty klucz ręczny.
Równania modułu
Równania C·dV_k/dt = i_(k−1) − i_k, i_k = (V_k − V_(k+1))/R d(L(g)·i)/dt = V_n − R_coil·i L(g) = L_leak + μ₀N²A/(2g), F = μ₀N²A·i²/(4g²) m·d²x/dt² = F − k·(x₀ + x) − c·dx/dt
