Cyclopedia of Telephony and Telegraphy_ Vol. 1 American School of Correspondence 1326 downloads.pdf

古腾堡计划电子书：《电话与电报百科全书》第1卷
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书名：《电话与电报百科全书》第1卷
作者：美国函授学校
发布日期：2005年4月14日 [电子书编号#15617]
最新更新时间：2020年12月14日
语言：英语
更多信息及格式请访问：www.gutenberg.org/ebooks/15617
制作人员：Ronald Holder以及https://www.pgdp.net上的在线分布式校对团队。
*** 古腾堡计划电子书《电话与电报百科全书》第1卷开始 ***

电话与电报百科全书
一部关于电话、变电站、用户线路系统、保护装置、手动交换机、自动系统以及发电厂的综合性参考书。

特殊服务功能、结构设计、工程原理、操作方法、维护技巧、电报技术、无线电报与电话技术等。
由一群具有最高专业水平的电话与电报专家以及电气工程师共同编写。
书中配有两千多幅插图。
共四卷。
芝加哥：美国函授学校，1919年。
目录
作者及合著者
肯普斯特·B·米勒，机械工程硕士

咨询工程师兼电话技术专家
芝加哥McMeen and Miller电气工程师及专利专家事务所成员
美国电气工程师协会会员
西部工程师协会会员

乔治·W·帕特森，工学学士、哲学博士
密歇根大学电气工程系主任

查尔斯·汤姆
纽约市西联电报公司四线通信部门主管

罗伯特·安德鲁斯·米利肯，哲学博士
芝加哥大学物理学副教授
美国物理学会执行委员会成员

塞缪尔·G·麦克明
咨询工程师兼电话技术专家
芝加哥McMeen and Miller电气工程师及专利专家事务所成员
美国电气工程师协会会员
西部工程师协会会员

劳伦斯·K·塞格，理学学士、法学硕士
专利律师兼电气工程专家，曾任美国专利局助理审查员

格伦·M·霍布斯，博士
美国函授学校秘书，曾任芝加哥大学物理教师，美国物理学会会员

查尔斯·G·阿什利
电气工程师，无线电报与电话技术专家

A.弗雷德里克·柯林斯
《柯林斯无线通讯简报》编辑，著有《无线电报：其历史、理论与应用》一书

弗朗西斯·B·克罗克，工程硕士、博士
哥伦比亚大学电气工程系主任，曾任美国电气工程师协会主席

莫顿·阿伦特，电气工程学士

纽约哥伦比亚大学电气工程讲师

爱德华·B·韦特

美国函授学校教学部负责人，美国机械工程师协会成员，西部工程师协会成员

大卫·P·莫尔顿，电气工程学士

阿莫尔技术学院电气工程副教授，美国电气工程师协会成员

利·S·基思，理学学士

芝加哥McMeen and Miller电气工程与专利咨询公司高级工程师，美国电气工程师协会准会员

杰西·M·谢泼德，文学士

美国函授学校教材部副主编
欧内斯特·L·华莱士，理学士

美国专利局助理审查员，华盛顿特区

乔治·R·梅特卡夫，工程硕士

美国电气工程师协会编辑；曾任西屋电气与制造公司出版部门负责人

J.P.施罗特

慕尼黑技术学校毕业生；美国函授学校电气工程讲师

詹姆斯·迪克森，电气工程师

美国电气工程师协会成员

哈里斯·C·特罗，理学士，执行主编

美国函授学校教材部主编

咨询过的专家们
在编写这些著作时，编者们广泛参考了美国和欧洲的各类专业技术文献。他们特别要向以下几位杰出专家表示感谢，他们的优秀著作理应被每位电话与电报工程师所拥有。

同时，也要感谢那些顶尖的工程公司和制造商们所提供的宝贵支持，正是由于他们的帮助，这些著作才能充分体现信息传输领域中最优秀、最先进的实践成果；此外，他们提供的珍贵图表、数据、建议、批评意见以及其他帮助也值得感谢。

阿瑟·E·肯尼利，理学博士
哈佛大学电气工程教授，著有《电话原理》《电报原理》《交流电》《弧光照明》《电加热》《电动机》《电气铁路》《白炽灯照明》等书籍。

亨利·史密斯·卡哈特，文学硕士、法学博士
密歇根大学物理学教授兼物理实验室主任，著有《一次电池》《物理学基础》《大学物理学》《电气测量》《高中物理学》等书籍。

弗朗西斯·B·克罗克，工学硕士、哲学博士。
纽约哥伦比亚大学电气工程系主任；美国电气工程师协会前主席。著有《电气照明》一书，亦为《电气机械管理》一书的合著者。

霍雷肖·A·福斯特
咨询工程师；美国电气工程师协会会员；美国机械工程师协会会员。著有《电气工程师手册》一书。

威廉·S·富兰克林，理学硕士、科学博士学位。
利哈伊大学物理学教授。为《电气工程基础》和《交流电基础》两书的合著者。

拉马尔·林登，工学学士、工学硕士。
咨询电气工程师；美国电气工程师协会准会员；美国电化学学会会员。著有《蓄电池工程》一书。

罗伯特·安德鲁斯·米利肯，博士
芝加哥大学物理学教授。著有《物理学入门》《电、声与光》等书籍的合著者。

肯普斯特·B·米勒，工程硕士
咨询工程师兼电话技术专家，隶属于芝加哥的麦克明与米勒公司，该公司是电气工程师及专利专家机构。著有《美国电话实务》一书。

威廉·H·普里斯
英国邮政电报局局长。著有《电报技术》《电话手册》等书籍的合著者。

路易斯·贝尔，博士
咨询电气工程师，麻省理工学院电力传输课程讲师。著有《电力传输》《电气铁路的电力分配》《照明艺术》《无线电话》等书籍。

奥利弗·赫维赛德，F.R.S.

《电磁理论》《电气论文》等书的作者。

西尔瓦努斯·P·汤普森，D.Sc、B.A.，F.R.S.、F.R.A.S.

伦敦城市与行会技术学院物理学系主任兼教授。著有《电与磁》《发电机与电动机》《多相电流与交流电动机》《电磁铁》等书。

安德鲁·格雷，M.A.，F.R.S.E.

《电与磁中的绝对测量》一书的作者。

阿尔伯特·库欣·克雷霍尔，A.B.，Ph.D.

电气工程师；达特茅斯学院物理学助理教授；曾任康奈尔大学物理学讲师。著有《同步电报及其他多路电报系统》一书，亦为《交流电》一书的合著者。

J.J.汤普森，D.Sc、LL.D.、Ph.D.，F.R.S.

剑桥大学三一学院院士；剑桥大学卡文迪许实验物理学教授。

《气体中的电传导》与《电与物质》一书的作者。

弗雷德里克·贝德尔，博士

康奈尔大学应用电力学教授。著有《变压器原理》一书，亦为《交流电》一书的合著者。

杜加尔德·C·杰克逊，注册工程师

麻省理工学院电气工程系主任；美国电气工程师协会会员等。著有《电磁学及发电机制造教科书》一书，亦为《交流电与交流电机》一书的合著者。

迈克尔·伊德沃斯基·普平，文学士、科学博士学位、哲学博士学位

纽约哥伦比亚大学机电学教授。著有《长距离电波的传播》以及《在非均匀电缆及长距离输电线路中的波传输》一书。

弗兰克·鲍德温·朱厄特，文学士、哲学博士学位

美国电话电报公司输电与保护工程师。

《现代电话电缆》及《压力对绝缘电阻的影响》一书的作者。

阿瑟·克罗奇

曾任英国诺里奇市技术学校电报与电话学讲师，著有《电报与电话》一书。

詹姆斯·厄斯金-默里，理学博士

爱丁堡皇家学会会员，电气工程师协会成员，著有《无线电报手册》一书。

A.H.麦克米伦，文学士、法学学士

著有《电话法：电话公司组织与运营手册》一书。

威廉·埃斯蒂，理学士、文学硕士

利哈伊大学电气工程系主任，合著有《电气工程基础》一书。

乔治·W.怀尔德，哲学博士

曾任阿莫尔技术学院电话工程教授，著有《电话原理与实践》《同步电报与电话》等书。

威廉·L·胡珀，博士

塔夫茨学院电气工程系主任，合著有《工程学徒的电气问题》一书。

大卫·S·赫尔菲什

《尼克罗迪恩》杂志的技术编辑，电话与电影技术专家，专利代理人，著有《如何阅读电话电路图》一书。

J.A.弗莱明，文学硕士、理学博士（伦敦），英国皇家学会会员

伦敦大学学院电气工程教授，曾任剑桥大学圣约翰学院研究员，伦敦大学学院研究员，著有《交流变压器》《无线电报与无线电话音》《电波电报原理》《关于电气振荡与电波的康托尔讲义》《赫兹波无线电报》等书。

F.A.C.佩林，文学硕士、理学博士

咨询工程师：曾任斯坦利电气制造公司总裁；曾任利兰·斯坦福大学电气工程教授。著有《电气配电用导体》一书。

A. 弗雷德里克·柯林斯

《柯林斯无线通讯简报》编辑。著有《无线电报：其历史、理论与实践》、《无线电报操作手册》、《感应线圈的设计与制造》等书。

舒勒·S·惠勒，理学博士

克罗克-惠勒公司总裁；曾任美国电气工程师协会主席。合著有《电气机械的管理》一书。

查尔斯·普罗透斯·施泰因梅茨

通用电气公司的咨询工程师；尤宁学院电气工程教授。著有《交流电现象的理论与计算》、《电气工程的理论基础》等书。

乔治·W·帕特森，理学士、哲学博士

密歇根大学电气工程系主任。《电气测量》一书的合著者。

小威廉·马弗

曾任职于巴尔的摩与俄亥俄电报公司，美国电气工程师协会会员。著有《美国电报技术及电报百科全书》、《无线电报技术》等书。

约翰·普莱斯·杰克逊，工学硕士

宾夕法尼亚州立学院电气工程教授。《交流电与交流电动机》一书的合著者。

小奥古斯都·特雷德韦尔，电气工程师

美国电气工程师协会准会员。著有《蓄电池：关于二次电池的实用指南》一书。

埃德温·J·休斯顿，博士

宾夕法尼亚州富兰克林研究所物理学教授。汤姆森-休斯顿弧光照明系统的共同发明人，电气领域的专家兼咨询工程师。著有《电话技术》、《电报技术》等书。

“交流电”、“弧光照明”、“电加热”、“电动机”、“电气化铁路”、“白炽灯照明”等。

威廉·J·霍普金斯

费城德雷克塞尔艺术、科学与工业学院物理学教授。
《电话线路及其特性》一书的作者。

前言
如今，“有线通讯技术”的发展已经打破了时间和空间的限制，使得相距数千英里的人也能实现近乎即时的交流。电话和电报的使用者往往因为其操作方式的简单而忽视了这一成就的伟大之处；但那些让这一成就成为可能的人却明白，正是由于背后复杂的原理与设备，才使得操作如此简单。他们意识到自己需要深入理解每一项原理及其应用方式。《电话与电报百科全书》对这一信息传输技术进行了全面而权威的阐述。

所谓通信工程师，需要既了解各种通讯设备的运作机制，也要掌握驱动这些设备工作的电流特性。此外，他们还需要熟悉各种建筑、办公设备、电线电缆以及相关的系统与节省时间的方法，因为信息传输既是一门艺术，也是一门商业活动。《百科全书》为所有这些主题以及与之相关的其他内容都提供了充分的阐述空间。

关于电话的部分涵盖了各类标准电话系统的安装、维护与操作方法；它客观地分析了手动交换机与自动交换机的各自优势，并重点介绍了如何预防及处理运行中的故障。关于电报的部分则涉及商业通信与列车调度等内容。书中还详细介绍了通过无线电进行电话和电报通信的实际方法。

《百科全书》中所收录的各类图纸、图表和照片都是专门为本书而制作的；它们的实用价值与正文本身不相上下。这些插图用于辅助说明正文内容，而非作为构成文本的基础。在保证准确性的前提下，所有图纸和图表都经过了简化处理，因此它们能够以统一的方式传达信息。

《百科全书》汇集了美国函授学校众多最有价值的教学资料，其编撰方法也是该学校多年来一直采用并证明极为有效的方案。这种方法并非某种实验性尝试，而是已经经历了最严格的考验——实际应用测试，事实证明它是目前最适合用于教育那些忙碌且注重实践的人们的方法。

最后，我们要对所有作者及合作者表示衷心的感谢，没有他们的全力合作，这部作品便无法问世。

目录

第一卷

基本原理 作者：K. B. Miller和S. G. McMeen [A]
第11页

第一章——声学——声音的特性——响度——音调——振膜的振动——音色——人声——人耳

第二章——语音——磁电话——松触点原理——感应线圈

第三章——简单的电话电路——电容——电话电流——可听信号与可见信号

第四章——电话线路——导体——电感——绝缘材料

变电站设备 作者：K. B. Miller和S. G. McMeen 第63页

第五章——发射机——可变电阻——材料——单电极与多电极——实心背板式发射机——发射机类型——电极——封装结构——声波发射机——交换机式发射机

第六章——接收机——接收机类型——操作员用接收机

第七章——原电池——串联与并联连接——原电池的类型

第八章——磁电机信号装置——电池铃——磁电机铃——磁电机发电机——电枢——自动分流器——极化振铃器

第九章——挂机开关

第十章——电磁铁——阻抗、感应线圈及重复线圈

第十一章——非感应式电阻器件——差分绕组单元

第十二章——电容器——材料

第十三章——发射机的电流供应——本地电池——共用电池——共用电池系统图解

第十四章——电话机：磁电机式、串联式与桥接式、共用电池式
群线系统，作者：K. B. Miller和S. G. McMeen，第227页

第十五章——非选择性群线系统——串联式与桥接式——信号编码

第十六章——选择性群线系统：极性式、谐波式、逐步式与断续式

第十七章——锁定式群线系统：池式、逐步式与断续式
防护措施，作者：K. B. Miller和S. G. McMeen，第287页

第十七章——电气危险

第十九章——高电压保护装置——气隙避雷器——间隙放电——避雷器类型——真空避雷器——强电流——保险丝——潜流——线路保护——中心局与用户端保护装置——城市交换机要求——电解作用

K. B. 米勒与S. G. 麦明所著《手动交换机》，第317页

第二十章——电话交换机——用户线、中继线及长途电话线——区域划分——交换机

第二十一章——简单磁力交换机——工作原理——商用型插头与插座——手动恢复与自动恢复——交换机插头与电缆——振铃键与听音键——话务员电话设备——完整交换机电路——夜间报警电路——接地电路与金属电路线——电缆电路——交换机结构

复习题，第387页

索引，第401页

[A] 如需了解作者的专业背景，请参阅本书开头的作者及合著者名单。

照片列表
典型的小型磁力开关柜安装示意图

典型的农村电话交换机机房，左侧为墙上的线路保护装置。

法国巴黎的旧型分支终端多路开关柜。

10系列多路开关柜，由Monarch Telephone Mfg. Co.公司生产。

操作员设备，采用Clement Automanual系统。

旧金山家庭电话公司的主入口及公共办公区，左侧为合同部门，右侧为会计部门。

加利福尼亚州伯克利的总公司大楼，内设自动设备，是旧金山及周边地区更大规模电话系统的一部分，属于Bay Cities Home Telephone Company所有。

加利福尼亚州旧金山的Grant Avenue办公室，这类建筑常见于大城市的市中心区域。

用于存放电话施工材料的仓库内部景象。

旧金山Howard办公室，这是一座全混凝土结构的建筑，为Market Street以南的地区提供服务。

旧金山West办公室，为西部地区的商业和居民区提供服务。

用于在管道中进行气动钻孔和碎石作业的压缩空气车。

旧金山South办公室。

密苏里州Webb City的电话交换机操作室。

典型的中型多路开关柜设备。

宾夕法尼亚州费城Keystone Telephone Company的总公司。

密苏里州堪萨斯城的Kansas City Home Telephone Company的总公司。

大型电话公司办公楼的通风系统。

德国柏林的手术室一角
最大容量为24,000条用户线路和2,100条干线线路。采用西门子-哈尔斯克设备。注意：多个接口呈水平排列。

日本东京的手术室

德国柏林的手术室一角
最大容量为24,000条用户线路和2,100条干线线路。采用西门子-哈尔斯克设备。注意：多个接口呈水平排列。

大型国外多路交换机的示意图

加利福尼亚州旧金山唐人街所使用的贝尔交换机旧型号

俄亥俄州克利夫兰市凯洛格电话公司旧式多路交换机的四个分区之一
最大容量为24,000条线路。这是美国范围内少数两种最大容量超过18,000条线路的多路交换机之一。该交换机最近已被另一款凯洛格品牌的多路交换机取代，后者的最大容量为18,000条线路，当前实际容量为10,000条线路。

俄亥俄州克利夫兰市的中央交换机
世界上最大的四方选择性振铃交换机。由凯洛格交换机与供应公司制造。

用于MONARCH交换机按键架的专用电缆

电话简介

电话是由美国人亚历山大·格拉汉姆·贝尔于1875年发明的。他出生于苏格兰，职业是教授聋哑人语言表达技巧。那一年，贝尔教授正在致力于开发一种基于快速变化电流的多路电报系统。在实验过程中，他观察到：当一根铁棒在远处的电磁铁前振动时，通过导线与这根铁棒相连的近处电磁铁也会随之振动，进而使铁棒振动。

基于这一观察，电话很快就被发明出来了。最初的电话装置中，声音会使靠近电磁铁的铁片振动，从而带动膜片振动；这条线路将这个由三个部件构成的简单装置与另一个类似的装置连接起来；线路中的电池为两个电磁铁的磁芯提供磁场。发送端铁片的振动会导致线路中的电流发生变化，进而改变接收端电磁铁的磁性，从而使接收端的膜片也发生振动，最终再现出与发送端相同的声音。

电话首次被公开使用是在1876年的费城百年博览会上。许多感兴趣的人士都在那里对它进行了测试，其中包括后来成为开尔文勋爵的威廉·汤姆森爵士——他在电讯技术领域堪称苏格兰的权威专家。正是他为英美之间早期电报电缆系统的成功做出了巨大贡献。他的两句颇具代表性的评论如下：
“今天，我看到了昨天还以为不可能实现的事情。不久之后，恋人们就可以通过电线互相倾诉秘密了。”

谁能不钦佩这种发明的巧妙之处呢？它用如此简单的手段就实现了这样的数学理念：若要让电流传递出构成清晰语音的所有声音细节，那么电流的强度就必须尽可能以与产生声音的空气粒子速度成简单比例的方式持续变化。

与通常改进新技术的做法不同，电话最初的改进反而使其变得更简单了。隔膜变成了薄铁盘，而非带有铁层的膜状结构；电磁铁的磁芯则由永久磁化的钢制成，而非临时磁化的软铁，同时线路中也不再需要电池。在由两部这样的电话通过线路相连的系统中，发送端的电话中的铁质隔膜振动会产生交变电流；而接收端电话中的隔膜振动则是由该交变电流引起的。声音则是通过接收端电话中隔膜的振动产生的。

这种电话同时也是目前已知最简单的交流电发电机或电动机。它能够将机械运动转换为电流，或将电流转换为机械运动，且适用频率范围很广。据目前所知，没有哪种交流电频率是它无法产生或转换的。它能产生的电流复杂度也高于其他现有的电气设备。

尽管作为电气设备具有这些出色的性能，但这种简单的电磁电话却无法以足够大的音量传输语音，因此无法满足实际使用需求。在这项发明之后不久，人们便开发出了能产生更强电流的电话发射装置。其中一些装置是由贝尔教授亲自设计的，还有其他发明家则设计了利用碳作为电阻、并通过隔膜的运动来改变其阻值的装置。这种类型的电话发射装置一直沿用至今，已成为标准型号。

有趣的是，爱迪生发明的最早的白炽灯，其电阻材料就是碳。直到最近金属丝灯泡出现之前，这类灯泡一直是效率最高的小型电光源。很可能……

在电话发射器中，可以使用某种金属作为电阻介质；而白炽灯所经历的那些改进或许也能提升电话发射设备的效率。

在电话发明之初，已有两种不同类型的电报系统在商业领域得到应用。在第一种较为常见的类型中，多个电报站被连接在同一条线路上，因此两个站之间发送的任何电报内容都能被该线路上的所有站点读取。另一种则不那么常见，它由多条独立的线路组成，每条线路都对应一个电报站，这些电报站都集中在一个办公室或“交换机”内；用户可以根据需要将自己的线路与其他线路相连或断开。

这两种电报服务模式很快就被应用到了电话系统中。能够承载多部电话的线路得以迅速建立。实际上，在美国的交换式电话系统中，电话已经取代了电报设备。无论是电报交换机还是电话交换机，其运作原理都是让系统中的任意两条线路相互连通，这一特性使得这种通信方式比单一线路上的电话系统更为实用。从1877年开始，电话交换机在美国的所有大型城市中迅速发展起来。起初人们直接使用现有的电报交换设备，或者对它们进行一些小的改造，以便使其适应新的功能需求。

最简单的电话系统当然就是一条永久性连接两部电话的线路。再简单一点的形式，则是一条永久性连接多部电话的线路。而最实用的形态则是：一条线路将一部电话与某种可以随时让它与另一部电话相连的装置连接起来。

电话交换机办公室里就配备了能够以这种方式随意连接线路的装置。用于此目的的最简单的设备就是手动操作的交换台，它需要有一种方式让操作员知道有人希望建立连接，同时也要有实现连接的手段。通常，连接线路的方式是通过带有插头的柔性导线，将这些插头插入相应的插座中来实现。

交换机应足够小，以便所有线路都在接线员可触及的范围内。整个操作过程是单独进行的，可以说这是最理想、最简单的形式。不过，很少有社区的线路数量和需要接听的电话量少到足以让一个人处理所有的通话业务。因此，一个显而易见的解决办法就是在中心局配备与所需接听电话量相对应的接线员数量，并为每位接线员分配足够的线路，使其始终有足够的工作可做。这就带来了另一个问题：如何将连接到某位接线员前的线路与通常连接到另一位接线员前的线路连接起来。显而易见的解决方案是在每位接线员的工作地点之间铺设线路，将来电线路连接到中心局内的某条本地线路上，然后再将这条选定的本地线路与被呼叫的线路相连。

这类连接不同接线员之间的线路被称为干线，因为它们与连接各个交通枢纽的铁路干线有着相似之处。这样的电话线路系统可被称为干线系统。通过这种本地干线布局，可以提供非常良好的服务，但随着线路数量和通话量的增加，往往会出现一些缺陷，因此有必要寻求更快、更准确、更可靠的解决方案。

对于那些需要处理大量线路带来的大量通话业务的情况——实际上世界上每个城市都是如此——多路交换机的出现为这一技术的发展做出了巨大贡献。这种交换机其实就是之前所描述的那种简单型交换机的改进版本：在中心局的每位接线员面前，都会显示出进入该局的每一条线路，而无需考虑这些线路在交换机中的具体连接位置。换句话说，虽然每位接线员负责处理总线路数中的一小部分线路，但他们仍可以接入该局内的所有线路以进行通话。可以说，多路交换机的发明与发展，正是推动电话服务广泛普及的第一大动力。

与手动操作的中央交换机的发展同步的，是那种在主叫用户控制下能够自动寻找并连接被叫线路的设备的研发。有趣的是，将早期自动设备的发展趋势与当时手动电话设备的发展情况相比较，可以发现一些差异。

一方面，手动电话设备试图通过在各交换台之间建立本地中继线来解决相关问题，但这一尝试并未成功；最终人们开发出了另一种方法，使得中央交换机中的所有线路都能被每个操作员直接接入。而自动电话系统则试图让中央交换机中的每条线路都能被每个连接装置直接接入，但这一尝试同样没有成功。

换句话说，最初的自动交换设备是为每条线路配备一台独立的机器，这些机器能够自行找到并与整个交换机组中的任何一条被叫线路建立连接。可以说，正是由于试图采用这种设计，才导致了自动设备屡次无法解决其所面临的问题。早期的自动系统只不过在一定程度上证明了自动设备确实有存在的必要，同时也表明要求用户在不借助人工帮助的情况下从自己的终端操作远端的设备来建立连接并非毫无道理。当人们意识到无法将整个多路交换机的概念成功应用到自动电话系统中时，这一技术领域才迎来了第一缕希望之光。

自动电话系统的成功最终是通过重新采用中继线技术实现的。在这种技术中，主叫线路会被逐段延伸，最终以比整个交换机组的总长度小得多的方式与被叫线路相连。

在电话线路的发展过程中也出现了类似的有趣现象：最早的电话线路实际上就是电报线路而已。

早期的电话系统配备了各种电话设备，而最早的电报线路则是由莫尔斯教授设计的——那种将绝缘导线埋在地下的一种结构。由于在准备将这些导线埋入地下时缺乏相应的技术，这些早期的地下电报线往往无法正常工作。在一位同事的劝说下，莫尔斯教授同意将最初的电报线路架设在地面上的电线杆上。每条这样的线路最初都由两根导线组成，一根用于传输信号，另一根则用于返回信号，因为当时人们认为这样才能实现信号传输。后来人们发现，只要使用一根导线并将大地作为信号返回路径，同样可以构成有效的电报线路，于是这种做法便被普遍采用。随着电话的出现，所有的电话线路显然也都采用了同样的结构；直到新的情况出现，不含地线连接的金属电路才开始被广泛使用。

随着一个社区内电话线路数量的急剧增加，以及其他电气应用技术的发展，再加上人们对电话技术本身认识的不断深入，最终又促使人们将电话线重新埋入地下。出于同样的原因，电话线路也变成了由两根导线构成的结构，从而再次与莫尔斯教授设计的最早期的电报线路结构相类似。

另一个有趣的现象是普通电话听筒的演变。在贝尔教授最初发明电话之后，人们对电话听筒进行的一项改进就是用钢铁制成听筒的核心并对其进行永久磁化，以此为听筒提供所需的磁性；而贝尔教授设计的电话听筒则是依靠线路中的直流电来产生磁性。后来，电话听筒几乎又回到了贝尔教授最初设计的形态，这一变化以一种非常有趣且令人满意的方式简化了电话交换设备中的其他组件。

由于线路建造方法和设备布置方面的改进，通信范围也在不断扩展。如今，相距数千英里的地点之间也可以进行语音通信，从理论上来说，地球表面的任意两个地点之间都应该能够实现通信。不过，实际的需求和成本因素可能会阻碍人们实现跨越半个地球的通话。就科学而言，这当然是可行的。

似乎没有理由不能在今天就通过巧妙运用现有的知识来实现这一目标。

在美国，从电话诞生之初起，电话服务就一直由私营企业提供给用户。而在其他国家，电话服务则是通过政府拥有的设备来提供的。总体而言，可以认为，在由私营企业提供电话服务的国家里，电话服务的质量、数量以及服务水平都是最好的。

从1876年电话发明到1893年，美国的电话系统都由贝尔电话公司掌控。1893年，与电话相关的核心专利到期，这为普通人打开了使用电话的大门——人们不再需要只从拥有专利的公司那里获取电话设备，也不必为使用这些设备支付任何费用。此后，各种电气设备制造商开始生产和销售电话及相关设备，那些独立于贝尔公司的运营企业也开始安装并使用电话。在贝尔公司拥有专利垄断权的17年间，美国境内仅有25万多部电话在使用；而在核心专利到期后的17年里，全美各地的独立电话公司已经安装了超过3,911,400部电话，并且这些电话都在持续被使用着。换句话说，自从电话出现以来，独立电话服务所带来的电话数量，几乎是贝尔公司处于垄断地位时相同时间内电话数量的16倍。

1910年初，贝尔公司管理的电话数量约为3,633,900部。再加上独立的3,911,400部电话，总计有7,545,300部电话在使用，这一数字大约相当于美国总人口的十二分之一。这一发展对人们的生活产生了深远的影响。不过，这种影响是否完全有益则尚无法下定论。培根勋爵曾说过，除了字母表和印刷术之外，那些能够缩短距离的发明对人类有着极大的贡献。如果这一点属实的话，那么电话的发明无疑属于对人类文明发展具有重大意义的发明之一。

在所有工业技术中，没有哪一种技术的进步能像电话技术那样如此紧密地与实际应用相结合。借助目前还无法精确测量的电流，就可以实现通过电话进行商业通话。换句话说，即便利用的是那些目前任何电气测量设备都无法准确测定其数值的电流，人们依然能够清晰、满意地通过电话进行交流。在这方面，电话技术相比那些需要大量电能的技术来说，其稳定性要差一些。真正令人惊叹的是，尽管人们对相关原理的了解甚少，尤其是对其强度的了解几乎为零，但从事这项工作的人却仍能取得如此出色的成果。一旦能够准确掌握相关数值，那么进一步的突破就指日可待了。

那些研究物理科学及工业技术的人，最好将三种方法结合起来：学习他人的研究成果、亲自进行实验，以及深入思考。其中，深入思考才是最具价值的方法，只有通过它才能真正掌握相关知识。重要的是要真正理解这些概念，而非追求尽快掌握它们。别人的论述可能显得枯燥无味，某些观察结果的意义也可能难以理解。唯有深入思考才能真正吸收这些知识。整个电话技术的发展都依赖于对相关问题的深入思考。印第安纳州的R.F.泰勒法官这样评价贝尔教授：“有人说，通过思考无法增加自己的身高，但贝尔却通过思考，让人们的言语和听力能力得到了极大的提升。”

通过对许多学生的观察可以发现，每个人在掌握欧姆定律这一知识之前，都需要经历一段思考与领悟的过程。一旦掌握了它，它就成为属于自己的知识。所有新概念的获取都是通过这样的过程实现的。这个过程所需的时间长短不一，而通过不断练习，人的思维能力也会得到提升。如果需要时间，那就应该给予足够的时间，关键是要持续思考、反复阅读或尝试，直到完全理解相关概念为止。

第一章 声学

电话技术是一种通过电信号等方式，将发送端产生的声音传送到远处的技术。这一技术涉及物理科学中的两个重要领域：声学与电学。

声音是物质振动作用于耳朵所产生的现象。这些振动可以来自空气或其他物质。不同的物质以不同的方式传递声波振动，具有不同的传播速度，对振动的影响也各不相同。任何形式的物质都可以作为声波振动的传播介质。而声音本身，则是声波振动作用于耳朵所产生的效果。

声音的传播。由于人类是通过空气中的语音和听觉来进行交流的，因此电话声学主要研究的也是空气中的声音传播现象。在空气中，声波振动表现为从声源向四周扩散的连续的压缩与稀疏过程。声源就是声波振动的中心点。无论声音的性质如何，也无论传递声音的介质是什么，它们都是由声源发出的波，再由耳朵接收到的。一个声波相当于传播介质中一次完整的压缩与稀疏过程，它是由发声体的一次完整振动产生的。

声音在空气中的传播速度约为每秒1,090英尺。而在其他材料中，声波的传播速度则取决于该材料的密度。例如，声音在水中的传播速度远远快于在空气中的速度；而在密度极低的空气中，其传播速度则远低于普通密度空气中的速度。可以说，在真空中声波根本无法传播。

声音的特性。声音有三种特性：响度、音高和音色。

响度。响度取决于声波对耳朵产生的作用强度；即使其他特性相同，不同声音的响度也可能存在差异，因为更强的振动会导致空气或其他介质在耳朵处产生更大的波动，从而形成更响的声音。在其他条件不变的情况下，能量越大的声源所产生的声音就越响，因为它能使介质发生更剧烈的压缩与稀疏。

音高。音高取决于声波撞击耳朵时的频率。当到达耳朵的声波频率较高时，音高就较高；反之则较低。常见的低音包括钢琴的左侧琴弦、各种弦乐器的较粗琴弦、男低音以及大钟的声音；而常见的高音则包括钢琴的右侧琴弦、其他弦乐器的较细琴弦、女高音、小钟以及大多数鸟类和昆虫的鸣叫声。

多普勒原理：由于音高取决于声波撞击耳朵的频率，因此一个物体虽然以恒定频率发出声波，但在不同位置的耳朵听来却可能具有不同的音高。这种情况并不常见，但举个例子有助于我们理解音高的相关规律。设想两列火车相向而行，两列火车的引擎铃声都在响起。每列火车上的乘客都会听到另一列火车的铃声，起初音高逐渐升高，随后又逐渐降低。而他们自己火车的铃声则始终保持着相同的音高。

出现这种差异的原因是耳朵与声源之间的相对位置不同。对于自己火车的铃声，无论火车是移动还是静止，乘客与它的距离都是固定的；而对于另一列火车的铃声，乘客首先会迅速靠近它，然后经过它，最后再次远离它。听到该铃声的距离会按照圆的割线规律变化，这里的半径指的是耳朵与铃声来源之间的最短距离。

如果该铃声的固有基频为每秒200次（波长约为5.5英尺），那么最初听到的音高将为

大约每秒200次波动。但这个频率会迅速上升，就好像钟声在改变自己的音调，而实际上钟声并不会如此。之所以能听到频率上升的现象，是因为耳朵不断沿着声波传播的方向移动，从而越来越接近声源。以每小时45英里的速度移动时，频率会迅速上升，达到每秒约12次振动。如果耳朵与钟声之间的接近速度保持不变，那么听到的钟声频率应为每秒212次波动。但突然之间，耳朵会越过钟声，此时就能听到频率停止上升并开始下降；音调也会像上升时那样下降12次/秒。这种现象正是波长和频率对音调影响的绝佳例证。

隔膜的振动：空气中的声波能够使除耳朵隔膜之外的其他隔膜也发生振动。声波会持续让窗户玻璃以及房屋墙壁等隔膜振动。留声机中的录音隔膜其实是一块玻璃板，上面装有用于在唱片上刻出凹槽的针状物。在圆盘式唱片中，凹槽的深度会随着隔膜的振动而变化；而在盘式留声机中，凹槽则会在垂直方向上偏离正常的螺旋形态。

如果在唱片上撒上滑石粉，再将其擦拭干净后用放大镜观察，就可以看到那些呈波浪状的螺旋线。这些变化是由声波对隔膜的持续作用所导致的。

在播放留声机唱片时，提高唱片的旋转速度会导致音调上升，因为此时作用于空气中的声波频率增加，波长则缩短。而在录制唱片时暂时降低速度，那么在以正常速度播放该唱片时，音调则会暂时上升。

音色：对于音高和响度相同但给耳朵带来的听觉效果存在差异的声音来说，这种差异就被称为音色。音色在人类生活中具有极其重要的意义——人类的声音正是通过音色来区分彼此的，而音乐的美感很大程度上也源于音色。

当钟声、拉紧的弦、簧片或其他发声体振动时，它们会发出某种最低可能的音调，这就是所谓的基频。

任何音调都包含基频及其谐波（即基频的倍数）。这种音调的音高、响度以及音色取决于多种影响因素。通常，这个基频音会伴随着多个更高频率的音调，这些音调与基频音相互融合，从而形成该物体所具有的整体音色。这些更高频率的音调被称为谐波，德国人则称其为泛音。它们的频率总是基频的若干倍，也就是说，谐波的振动频率是基频的2倍、3倍、4倍、5倍或其它整数倍。在自然界中，没有谐波的音调极为罕见，而且也不具备吸引力。而人声则富含谐波。

对于那些既有基频又有谐波的音调来说，其声波是由空气或其他传播介质中的连续压缩与稀疏现象构成的复杂序列。而对于单纯的噪音而言，其振动序列则是无规律的，不存在固定的顺序。这正是元音与其他音乐音调与所有非音乐性声音（即噪音）之间的区别所在。

人类通过多种方式相互交流，其中最主要的手段就是说话。声音是由声带产生的振动，声带位于喉部，是两根韧带。人类的声带由肺部的空气驱动，声带的尺寸与张力以及肺部空气的流量和速度都会影响声音的音调。在其他条件相同的情况下，声带绷得越紧，声音的音高就越高，也就是声带振动的频率越高。一般来说，人声的频率范围在每秒87到768次之间，但这只是音高的极端值，并非所有日常对话都会用到这么宽的频率范围。普通人的说话频率大多在每秒85到160次之间，而许多女性说话时的声带振动频率则在每秒150到320次之间。从以上内容可以看出，在所有情况下，这些说话时的基频都会伴随其谐波，从而使声波更加复杂，进而赋予人声独特的特征。

语音是由发音器官对空气施加作用力而产生的；这些发音器官主要包括口腔、舌头和牙齿。声带则是真正的发声器官，只有通过声带，人类才能真正地发出声音。

低等动物也有发声能力。而语言则可以通过无声的方式表达出来，即以耳语的形式传递信息。需要注意的是，语言与发声是不同的概念，它们所依赖的器官也各不相同。

成年人的说话音调通常低于儿童；在成年人中，男性的音调又低于女性。在人工装置中并不存在与发声器官完全对应的结构，不过在演奏长号、小号、圆号或长号时，嘴唇的作用与之颇为相似。此时，嘴唇相互接触并覆盖在管子的一端（吹口）上，肺部将空气吹入嘴唇之间，从而产生音乐音调。如果乐器是长度固定的长号或小号，那么音调就会是几个固定的音高之一，具体取决于嘴唇的张力。音量的大小则取决于吹气的力量；音色的差异则主要取决于乐器的类型。

人耳作为人类的听觉器官，其实是一个由三个部分构成的复杂结构，这些部分分别负责处理声波：声波收集部分、声波感知部分以及声波解读部分。

外耳负责收集声波并将它们反射到鼓膜上，鼓膜是一种膜状隔膜。外耳的那些褶皱结构的具体功能目前尚不清楚，但可以观察到，当这些褶皱被蜡或其他类似物质填满后，人对声音方向的感知能力会下降，通常音量也会受到影响。

当声波击中鼓膜时，鼓膜就会像其他隔膜一样振动。通过骨骼和神经系统，鼓膜的振动最终会被传递到大脑，并在那里被解读。

人类耳朵能够感知和解读频率在每秒32次到约32,000次之间的声波。低于这个频率范围的声波，人们会将其视为独立的音调；而高于这个范围的声波则无法被人类耳朵听到。人类对声音差异最敏锐的感知能力出现在每秒约3,000次振动时。或许其他生物的听觉范围远远超出了人类的感知范围。一些训练有素的音乐家能够分辨出频率上有细微差别的两种声音。

两个数值中任何一个都不到千分之一。其他耳朵则无法察觉到在色阶上相差一个完整音级的两个声音之间的差异。无论一个人在辨别音调方面的能力如何，都可以通过训练和练习来提升。

第二章 语音的电气再现

目前形式的电话技术所面临的问题，是如何将两个振膜与一个电气系统连接起来，使得其中一个振膜能够对作用于它的所有基频及谐波振动作出响应，并促使另一个振膜以完全相同的频率振动，从而产生能够传入人耳的振动信号。

然而，目前的电话技术还无法实现这一目标，在各个环节都存在不足。在传输过程中，许多谐波会丢失；系统的运作还会产生新的谐波，而原本存在的声量也往往无法恢复。尽管如此，这项技术依然对商业和社会发展产生了深远的影响。

从声波到振膜振动的转换。无论通过声音还是其他方式产生的、需要通过电话传输的声波，其实都是空气的振动。当这些振动作用于振膜时，就会使振膜发生位移。振膜的最大位移幅度通常出现在其中心位置，而其边缘则通常是固定的。因此，振膜起到了转换器的作用，它将空气分子携带的能量转化为振膜本身的局部振荡。空气中的声波不断向前传播，而分子振动则局限于特定区域。需要理解的是，空气作为声音传播介质时，并不需要整体移动；实际上，是发声体产生的振动导致空气出现交替的压缩和稀疏状态。每個空气分子仅会进行小幅度的振荡，通过这种协同作用便形成了声波，这些声波就像从发声中心向外扩展的球壳一样不断传播开来。

从振动到语音电流的转换。图1展示了一种简单的装置，可用于将振膜的振动转换为语音电流。

交流电。该装置只是磁电电话的一种形式，用以说明即时转换的原理。1为振膜，能够随着传入的声音而振动；2为永磁体，3为其电枢。电枢与永磁体的一极相接触，而几乎与另一极接触。电枢试图接触那极的努力会使振膜处于紧张状态。永磁体的自由端周围环绕着线圈4，该线圈的两端则构成电路路径。

图1. 磁电电话的类型
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当声音使振膜振动时，振膜也会带动电枢振动，从而改变电枢与永磁体自由端之间的距离。随着磁体与电枢之间间隙的变化，穿过线圈4的磁力线也会发生变化。

磁力线在线圈各匝中的变化会在线圈中产生电动势，如果存在闭合电路，就会有电流流过。这种电流是交流电，其频率与引发它的声音频率相同。由于语音中的频率不断变化，一个单词就包含多种音调，因此交流声波的复杂性非常高，每个基频都会叠加其谐波。

从声波电流到振动的转换。通过对图1所示这类电话工作原理的深入理解，我们可以得出这样的结论

交流电的一个半周期是由隔膜的向内运动产生的，而另一个半周期则由随后的向外运动产生，这两个半周期的电流方向相反。假设有一完整的电流周期流过导线，同时也流过如图1所示的另一种装置，且第一个半周期的电流方向能够增强磁芯的永久磁性。这种增强的作用力会使电枢与极片之间的间隙变小。在电流的半周期内，隔膜会向内振动；而方向相反的第二个半周期则会产生与磁芯磁性相抵的作用。实际上，这种反向电流的强度永远不足以完全消除并逆转磁芯的磁性，因此其作用仅是使磁性减弱，从而导致电枢与极片之间的间隙增大，进而使得隔膜向外膨胀。

一个完整的转换周期就这样形成了：空气中的一个完整声波引发了隔膜的振动、导线中的电流变化、磁芯的磁性变化，以及另一个隔膜的振动，最终产生了声波。需要指出的是，这一系列过程中的能量消耗仅发生在扬声器上，各个部件的功能仅仅是将能量从一种形式转换为另一种形式。在每一次能量转换过程中都会存在损耗，如何尽可能减少这些损耗正是电话工程需要解决的问题。

图2. 磁电机电话及线路
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磁电机电话。图1中的装置是一种实用的磁电机接收器和发射器，它最能体现所要阐述的原理。图2展示的是早期贝尔公司设计的那种磁电机电话；1-1为隔膜，2-2为带有自由端的永久磁铁。

每个部件都被尽可能地靠近隔膜放置，但不会与隔膜接触。每个磁铁在靠近隔膜的一端都装有细导线绕组，这些绕组的两个端点则通过双线连接在一起。关于图1的所有描述同样适用于图2中装置的电学与磁学特性。在图2中，由于传动隔膜的移动，穿过细导线绕组的磁通量会发生变化，而这种磁通量的变化会在这些绕组中产生电动势。同样地，绕组中的电动势发生变化时，也会改变接收装置中的永磁体对其隔膜的吸引力。

图3：无永磁体的磁电话
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图3展示了一种类似的结构，但需要注意的是，此处用于缠绕导线的磁芯是由软铁制成的，而非经过强磁化的钢。使磁芯能够持续对隔膜施加吸引力的必要磁性，是由串联在电路中的电池提供的。从工作原理上看，这种结构与图2并无区别，因为无论磁芯的磁性是由电磁效应产生的还是由永磁体产生的，其实并不重要。图3所示的结构实际上是贝尔教授最初设计的电话的基本对应形式；在当前技术发展阶段，它具有特别重要的意义，因为最近人们又出现了回归早期设计、放弃使用永磁体的趋势。

对于最初的磁电话，实际上如图2所示，人们已经进行了许多改进。经过35年的不断试验与日常使用，这种电话已经得到了极大的完善，成为一种非常出色的接收器，但却是一种效果很差的发射器。将其用于发射功能的说法其实并不准确。

没什么。作为接收器，它不仅在常规功能上完全能够满足商业使用需求，而且还是目前所知最灵敏的电气检测装置之一。

松动接触原理。早期研究贝尔装置的实验者们，在最初的实验中都采用了将电池电流与线路串联的方案，他们发现，只要干扰线路中的松动接触点，就能产生声音。这一观察结果促使人们设计出这样的电路结构：通过振膜来震动那些不完美的接触点，从而使线路的电阻发生变化。早期的一种有趣的不完美接触式发射装置，其实就是由几根相互松散连接的金属导体构成的。一个简单的例子就是三根金属钉，其中一根横跨在另外两根之上，这样便形成了两个松动接触点，这两个接触点与电池、线路以及接收仪器串联在一起。当这种装置因声音或其他原因而受到轻微震动时，线路的电阻就会发生突然变化，从而实现语音的传输。

早期的构想。早在这一技术得以实现之前，许多人就已经想到过通过电来传输语音的可行性与必要性。可以肯定的是，至少有一个人对这个问题有了清晰的认识。1854年，法国人查尔斯·布尔塞尔写道：“例如，我曾思考过，是否可以将语音本身通过电来传输；简而言之，维也纳所说的话是否有可能在巴黎被听到？用这种方式是可行的：

图4. 赖斯发射器
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‘假设一个人在某个足够灵活、不会丢失任何声音振动的可移动圆盘旁说话；这个圆盘会交替地与电池建立或断开连接；那么在远处另一个圆盘就会同步产生相同的振动。’”这个想法如此……

这种传输方式仅在一个方面存在缺陷，而这一缺陷正是通过我们用斜体标出的字词来体现的。不可能用简单的通断信号来传递复杂的波形序列。德国人菲利普·赖斯设计了图4所示的装置用于声音传输，他利用隔膜1与点2之间的接触通断来中断电路。他的接收装置有多种形式，且均为电磁式的。不过，这种装置的传输能力仅限于音乐声音，人们认为它无法用于传输清晰的语音。

需要记住的是，电报技术——尤其是在美国——在电话发明之前就已经十分成熟了，图5所示的那种由按键、继电器和电池构成的装置早已为许多人所熟知。如果在1838年之后将这类装置中的继电器衔铁连接到隔膜上，那么电话便诞生了。能够想到这样的创新方案，正是所需要的勇气与才智。

图5. 典型的电报线路
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磁电机发射器的局限性：由于某些尚未完全明确的原因，磁电机电话从较大声音中产生大电流的能力，与其从大电流中产生较大声音的能力并不相等。作为接收装置，它的性能极为出色，自首次发明以来也仅有很小的改进。但作为发射装置，它的性能则不够理想。早在1876年，贝尔教授就展示了无需依靠电磁作用、而是通过隔膜运动来产生变化电流的其他方法。此后还有许多创新尝试致力于解决这一问题，所有这些努力的目标都是为了产生更强的语音信号。

图6. 被改造为电话设备的电报设备
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产生语音电流的其他方法。这些方法包括改变直流电路中的电阻值、改变该电流源的压力，以及改变电路中某些部分的静电容量。

静电电话。后一种方法主要是多尔贝尔和爱迪生所提出的。多尔贝尔的原理如图7所示：两块导电板被放置得非常接近，其中一块可以像振膜一样振动，而另一块则固定不动。图7中的元件1实际上只是用来固定其所连接的板的装置。通过线路相连的两台设备各包含这样一对电极，线路中的电池则为它们提供恒定的电压。由于两块电极带有相反的电荷，因此它们会相互吸引，从而使每台设备中的振膜始终被拉向对方。当其中一块振膜振动时，另一对电极的电压也会随之变化，从而改变两者之间的吸引力大小，进而引发振膜的振动并产生声波。

这种电话传输方式的实例在现代技术中更为常见，即电容式接收器。在通常的用法中，电容器是由两块表面紧密相邻且彼此绝缘的导体构成的；快速变化的电流能够使其中一块或两块导体发生位移。这些导体通常是薄金属片，中间夹有纸或云母等绝缘材料。语音电流会使这些金属片振动，进而让电容器发出声音。不过，这种电容式电话技术并未实现商业化应用。

图7. 静电电话
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电压变化。通过改变电源的电压来传递语音是一种可行的方法。要实现这一目标，需让振膜的振动使电池或电机的电动势随声波的变化而相应变化。据我们所知，这种方法从未被实际应用过。

电阻变化。利用与振膜振动成正比的电阻变化来传递语音，才是目前所采用的传输方式。贝尔教授在百周年展览中展示了一种水阻式传输装置，埃利沙·格雷博士也设计出了类似装置。在这两种装置中，振膜的作用都是改变浸在水中的两个导体之间的距离，从而调节电路的电阻值。后来爱迪生发现，碳材料具有在压力作用下显著改变电阻的特性。大卫·E·休斯教授则发现，当两个导电体——最好是导电性较差的导体——以松散的方式接触在一起时，它们在受到会改变接触紧密度的振动作用时，能够显著地改变电流通过路径的电阻值。他由此发现了现代所有传输装置所依据的“松散接触”原理。休斯将他的装置命名为“麦克风”，意指其能够放大声音或捕捉微弱的声音并使其可被听到。该装置如图8所示：两个碳块固定在一块板上，图中以剖面形式显示了它们。一根两端呈锥形的碳棒松散地架在两个碳块之间，碳块上的锥形凹槽用于容纳碳棒的末端。电池和磁电机接收器与该装置串联连接。在特定的接触条件下，该装置对微弱声音极为敏感，几乎能实现其名称所代表的功能。不过，它的实际用途并非作为有效的语音传输装置，而是为后续相关装置的发明提供了灵感。

以其他方式利用碳作为发射材料的装置。金属导体的电阻以及金属之间接触状况的不同，都可以用于传输语音信号，但没有任何材料能在这一性能上与碳相媲美。

图8. 休斯麦克风
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碳的适应性。碳在发射装置中的应用形式多种多样。这些装置可分为单触点型与多触点型两类；在所有情况下，触点的紧密程度都会随着振膜的移动而发生变化。单触点型的一个例子就是在美国广为使用的布莱克发射器；多触点型的例子则是目前常用的松散碳结构发射器。在其他时期或特定地区，还有一种流行的设计，即使用由固体碳棒或碳块构成的、具有多个接触点的装置，不过这些碳材料并非以粉末或颗粒形式存在。图9展示了各类发射装置的示例。

将颗粒状碳用作发射材料，大大扩展了语音传输的范围，这也是电话行业得以广泛发展的主要原因之一。

图9. 发射器的常见类型
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碳材料作为发射器用电阻变化材料的优势早已被人们所认可，但其原因却尚不清楚。为了解释为何碳颗粒的电阻会随着其所受到的振动或压缩而发生变化，人们提出了多种理论。

四种主要理论分别认为：
第一，压力变化实际上会改变碳的电阻率。
第二，碳材料表面存在某种形式的气体附着物，压力变化会通过改变这些气体的厚度来导致电阻变化。
第三，电阻变化是由于颗粒间电弧长度的变化所引起的。
第四，与一般固体一样，压力变化会改变接触面积。

人们可以根据自己的判断选择合适的理论。实际上，固态碳块或碳棒在受到压力作用时其电阻并不会下降。气体理论也缺乏实验依据。在发射器的正常工作条件下，从未观察到颗粒间存在电弧；而一旦在颗粒间确实出现了电弧，那么该发射器就不再具有使用价值。最后一种理论，即压力变化会改变表面接触面积，也无法解释其中的原理。

除碳以外的其他导体并不适合作为发射器材料。显然，这正是相关理论所要阐明的要点。

许多人认为，在建立起一个既可靠又令人满意的理论之前，还需要更多的实验数据。因为一个合理的理论往往能为实际应用中的进步指明方向。

碳发射器与磁力发射器在工作原理上存在根本差异：磁力发射器能够产生电流，而碳发射器则用于控制电流。前者属于交流发电机，后者则属于变阻器。磁力发射器无需任何外部电力输入即可产生交流电；而碳发射器仅能控制由外部电源提供的直流电，并改变其强度，但无法改变其方向。

不过，碳发射器可以与电路中的其他器件结合使用，从而将直流电转换为交流电；或者仅用于将恒定的直流电转换为不会像交流电那样改变方向的波动电流。这些区别非常重要。

图10. 串联电路中的电池
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局限性：由于碳发射器仅仅是一种可改变电阻值的装置，其实用性取决于其电阻值能随着空气分子的运动而发生多大的变化。在传输特定音调时，颗粒状碳发射器的电阻值可能在5欧姆到50欧姆之间变化，当隔膜向内移动时，其电阻值会更低。假设该发射器如图10所示处于串联电路中，那么该电路、远端接收器以及电池的总电阻值为1,000欧姆。此时，最小电阻值为1,005欧姆，最大电阻值为1,050欧姆，电阻值的变化幅度约为4.5%。电阻值越大……

除了发射器之外的线路及其他元件，都会使得发射器所能产生的相对变化变小，进而使远端的接收器发出的声音变弱。

图11：本地电路中的电池
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感应线圈。爱迪生意识到了将碳质发射器直接接入线路所带来的这一限制，并提出了解决该问题的方法。他的做法是在线路与发射器之间加入一个感应线圈，其作用是将发射器控制的直流电的变化转换为真正的交流电。

感应线圈实际上就是一种变压器；在本文所讨论的应用中，它由绕在铁芯上的两根绝缘导线构成。当其中一根导线中的电流发生变化时，另一根导线中也会产生电流。如果其中一根导线中有恒定的直流电流动，那么另一根导线中就不会产生任何电流。需要强调的是，只有电流的变化才能产生交流电。

图11展示了一个与碳质发射器、电池及接收器相连的感应线圈。图12则用常规符号展示了完全相同的结构。与发射器及电池串联的感应线圈绕组称为初级绕组，另一绕组则称为次级绕组。在图11和图12所示的结构中，电池与线路之间没有金属连接，因此被称为本地电池。包含电池、发射器以及感应线圈初级绕组的电路则被称为本地电路。

让我们来看看这种结构相比图10中的结构有哪些优势。假设发射器和线路中的电阻值相同，那么除了发射器之外，本地电路的电阻值则是固定的。

为5欧姆。因此，该电路的阻值变化范围在10欧姆到55欧姆之间，最大值是最小值的5.5倍，增幅为450%，而图10中的增幅仅为4.5%。由此可见，其变化幅度大了100倍。

图12. 通话电路的常规示意图
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在此方案中，感应线圈的绕组结构使得次级绕组的匝数远多于初级绕组。当初级绕组电路中的电流发生变化时，次级绕组中产生的电势也会相应地升高。这些次级电势取决于两绕组之间的匝数比，因此在一定范围内可以根据需要进行调整。次级绕组中的高电势非常适合用于在高电阻线路中传输电流，原因与长距离电力传输类似：当发送电势增加一倍时，损耗仅为原来的四分之一；当电势增加十倍时，损耗仅为原来的百分之一，以此类推。因此，感应线圈既可作为升压变压器来降低线路损耗，也可作为一种能够大幅扩大发射电路参数变化范围的装置。

图13旨在帮助学生理解当初级电路中的直流电流增大或减小时，感应线圈或变压器的工作原理。当地级绕组中的电流增大时，次级绕组中的电流会产生反向脉冲；而当地级绕组中的电流减小时，则会在次级绕组中产生同向脉冲。当图13中的开关处于闭合状态时，电流会如图中所示在初级绕组中向上流动，从而在次级绕组及其电路中产生向下的电流脉冲，如图右侧所示。当开关打开时，电流便停止流动。

主电路会在线圈的次级绕组及相应电路中产生向上的电流脉冲，如图所示。在断开或闭合该电路的瞬间之外，次级电路中不会有任何电流流过。

图13. 感应线圈的作用
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正是通过这种方式，电话发射器能够从主电池获取直流电，并通过线路传输高电压的交流电；同样的原理也产生了治疗学中所说的“法拉第电流”，同时还能让简单的振动式触点装置产生交流电，从而驱动电话机的极性振铃器工作。

电容的负面影响。静电电容在语音传输过程中起着重要作用。它存在于线路的导线之间以及导线与地面之间，会导致远程电话通信中出现损耗。而在电容器中，静电电容则有助于解决许多电路及设备方面的问题。

电容器是一种由两个或多个导体构成的装置，这些导体之间被一种称为介电质的材料隔开。由玻璃隔开的金属板对、由空气隔开的导线对，或是由纸或云母隔开的金属箔片对，都可以构成电容器。关于电容器作为设备组件的应用以及线路中静电电容所带来的问题，将在其他章节中详细讨论。

电话电流的测量。所有工程领域都认识到，只有拥有定量数据才能实现真正的进步。由于缺乏可靠的电话电流测量方法，才导致了诸多问题的难以解决。直到最近，人们才开发出了能够准确测量微小电流的可靠方法。

电话线路。这些检测方法大致可分为两类：热效应法与电磁效应法。

热效应法。这种方法是通过某种方式来测量由电话电流产生的热量。当电流流过导体时，该导体中产生的热量会通过三种方式表现出来：导体的膨胀、电阻的变化，或者是在被导体加热后的热电偶中产生的电动势。这三种方式中的任何一种都可以用来大致判断所接收的电流大小。不过，它们都无法准确反映那些能够在电话听筒中还原出语音的信号波形。

图14. 电话电流的示波图
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电磁效应法。用于检测电话电流的大小及其波形特征的电磁装置就是示波器。示波器由直流电或永磁体产生的磁场、置于该磁场中且处于机械张力状态下的线圈，以及安装在支架上的镜子组成。

这圈导线可用于将光束反射到感光胶片上或旋转镜子上。当需要用示波器测量电流时，电流会流经置于磁场中的这圈导线。在没有电流通过时，导线在磁场中不会移动，其上的镜子也会反射出稳定的光束；此时，若让感光胶片沿与导线轴线垂直的方向移动，光束便会在胶片上留下直线痕迹。然而，如果光束因电流的作用而沿着与轴线垂直的方向左右移动，那么它就会在感光胶片上留下波浪线，而这些波浪线恰好反映了电流的交替变化以及产生声音的空气分子的振动情况。图14是九种不同元音声音的影像，这些声音促使示波器记录下了相应的图像。这些影像是由贝拉·加蒂先生在托尔奈先生的协助下所拍摄的。该测量仪器由上述类型的示波器构成，发射装置为由2伏电池驱动的碳素型装置；初级电流通过普通类型的感应线圈进行变换，之后再通过3,000欧姆的非感应电阻传递。电路中并未使用电容器。可以看出，从零开始的各种曲线的积分值是变化的；曲线的正负部分也不相等，因此要解析出各个谐波的运动规律相当困难且耗时。这些照片清楚地揭示了几个事实：其一，电话线中的电流变化，就像原始声音中的空气分子运动一样，极其复杂，并非像音乐音调那样是规律性的、等幅度的重复振动；其二，任何元音声音都可以被视为由不同振幅和不同频率的振动群所构成的规律性重复现象。目录

第三章 电信号

电信号分为两种：可听信号和可见信号。

图15. 电报发声装置与按键
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图16. 振动铃
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可听信号。电报发声装置。最早的电信号便是可听信号，也就是电报发声装置，或者说是将莫尔斯编码器仅从其发信号功能的角度来考虑。每个电报发声装置都是一种可听电信号，它不仅能表明有信号正在被发送，还能传递更多信息。这类信号是通过电池电流的通断来产生的。图15展示的就是这种装置的结构，按下按键后，电池中的电流会驱动发声装置，使杠杆撞击敲击杆，从而发出一声清脆的响声。

振动铃。这种被广泛用作门铃的振动铃，其实是电报技术发展后的产物。当按键或按钮闭合电池电路时，它就会让钟锤发出一系列敲击声。虽然这是个显而易见但并不简单的原理，不过可以这样解释：当图16中的触点1闭合时，电池中的电流会为电枢2提供能量，使其敲击钟锤，同时也会通过断开电枢后面的触点来切断电路。一旦电路断开，电枢就会复位，如此循环往复，直到按钮触点被松开为止。将这一工作原理与后来要介绍的极性铃声装置进行比较，会很有意思。

图17. 基本型的磁电机发电机
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磁电机铃。随着电话服务的普及，磁电机铃也被广泛使用。它的两个基本组成部分分别是交流发电机和用于发声的极性装置。其实，在电话发明之前，这两种部件就已经存在了，只是因为电话的出现才被人们所熟知。磁电机铃中的交流发电机由一个可旋转的电枢构成，该电枢由绝缘导线绕制而成，通常还带有软铁芯，它在磁场中旋转。这个磁场一般由永磁体提供，因此才被称为“磁电机发电机”。不过，从严格意义上讲，任何形式的电动发电机都可以被视为磁电机发电机，因为磁性是所有将机械能转换为电能的过程中不可或缺的要素。那些包含“磁电机”这一术语的名称，实际上都意味着其结构中包含了永磁钢。

在早期形式中，磁电机发电机的结构如图17所示：一块永磁体可以在轴上旋转，而电磁铁则由软铁芯和绕组构成。磁性的方向变化会导致电流以交替的方式变化，磁体每旋转一周就会产生一个这样的周期。显然……

如果磁体保持静止而线圈旋转，结果也会相同，而这正是现代设备的构造方式。磁电铃的曲柄通过某种传动装置带动电枢在磁场中旋转，通常的旋转速度为每秒二十转左右，从而产生相应频率的交流电。这种电流是由有效的电动势产生的，其电压可高达100伏特，而这些电能直接来自使用者的体力。在1877年常见的那种将磁电电话同时用作接收器和发射器、再以磁电铃作为信号发送装置的设备中，有趣的是，用于传输信号和语音的所有动力都来自使用者的肌肉力量——这可谓是一种“用自己的身体来驱动设备”的方式。

图18. 永磁体的示意图
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发电机产生的交流电会被极化振铃装置接收并转化为声音，这一装置很有趣，因为它依赖于电话工程所基于的多种电气、机械和磁学原理。

图19. 永磁体的示意图
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通过研究图18至图21，我们可以了解“为何振铃会响”。永磁体会使其附近的铁块产生临时磁性。在图18中，有两块铁块被赋予了磁性，而靠近永磁体1的那些铁块端部的极性则与永磁体相反。

当它们相互靠近时，这些自由端的极性会相反。在图中，这些自由端被标记为N，这意味着如果它们能够自由指向某个方向的话，其极性将指向北方。说英语的人将这种极性称为“北极性”。同样地，如图19所示，任何位于永磁体附近的铁质物体，其自由极的极性都会与距离它最近的永磁体端点的极性相同。

与铁结合在一起的永磁体构成了有极性的环形结构；由绕组与铁芯构成的电磁铁也是如此。图20向我们展示了电磁铁的原理：如果电流从正极流向负极，且绕组的排列方式如所示，那么就会产生如图所示的极性。

图20. 电磁铁
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图21. 有极性的环形结构

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如果将这样的电磁铁、永磁体以及带铰链的电枢与一对锣相连，如图21所示，就会产生一个具有极性的振动装置。需要注意的是，永磁体的两极都存在于电磁铁铁芯的两个部分上（尽管其中一极实际上并未与铁芯直接接触）。这样一来，电枢的两端就呈现南极性，而铁芯的两端则呈现北极性。图21中的所有标记都反映了永磁体所产生的极性。当有电流从正极流向负极时，右侧的极点会因电流的作用而产生北磁性；左侧的极点则会因电流的作用而产生南磁性。如果电流强度足够大，那么左侧极点的磁性就会被抵消，而右侧极点的磁性则会加倍。因此，电枢会被右侧极点更强烈地吸引，从而撞击右侧的锣。如果电流方向相反，就会产生相反的效果，即左侧的锣会被撞击。当电流停止时，电枢会停留在它最后所在的位置。

需要指出的是，该装置的振动强度仅在某种程度上取决于电流的强度，而电流的强度又取决于永磁体的强度。一旦电流强到足以抵消其中一个极点的正常磁性并使另一个极点的磁性加倍，再增加电流也无法让装置发出更响亮的声响。这充分体现了优质永磁体的重要性，同时也揭示了那些试图通过这些原理来提升各种装置性能的做法是错误的。这里介绍有关磁电信号传输的内容，是因为人们认为它具有基础性意义。第八章将更详细地探讨这类信号传输技术。

电话接收器。电话接收器本身就可以作为声音信号来使用。适当频率和强度的交流电或脉冲电会在其中产生音乐般的音调，这种音调可以在整个房间内被听到。这一特性使得电话交换机能够向那些未将接收器挂回话机的用户发出信号，从而恢复正常的通话状态。

可见信号。电磁信号。实际中，可见信号大致可分为两类：用于移动目标或指针的电磁装置，以及白炽灯。在电话通信系统中，最早且应用最广泛的可见信号就是那种带有快门的装置——当磁铁被通电时，快门会落下。图22展示的就是这样的信号装置。快门1由挡块2固定，使其不会因重力而向右掉落，因此这种装置被称为“重力式下落装置”。当电流流经磁芯时，它会吸引电枢3，从而抬起挡块2，使快门落下。对这种重力式下落装置稍加改进，就能得到图23所示的可见信号装置。通过给磁芯通电，可以抬起目标物，使其能够透过板1上的开口显现出来；而板与目标物之间的颜色对比则能进一步增强视觉效果。

图22. 重力式下落装置
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重力式下落装置主要用于磁电铃信号系统。在这种系统中，用户端的铃柄被操作后，交流电会通过线路传送到中心局。这种电流仅在铃柄被转动期间存在，它会使快门落下；之后可以通过手动或其他方式将快门重新抬起，但它仍会保持闭合状态。而可见信号装置则更适用于那些通过直流电进行信号传输的系统，例如在用户端将听筒从挂钩上取下时，线路电路就会断开，此时电流会流经可见信号装置的绕组，从而显示出信号，直到听筒再次挂回挂钩上或中心局切断电路为止。图23所示的磁性类型的可见信号装置已被广泛用于共用电池系统中，既可用于线路信号传输，也可用于监控目的，用以指示连接状态及通话进展情况。

图23. 电磁可见信号
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图24. 灯光信号与透镜
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电灯信号。白炽电灯大约在1890年左右开始被用于电话系统中，成为其中重要的信号传递手段。与各种机械式可见信号相比，它们具有三大优势：首先，与断线信号相比，它们更简单，也更容易恢复到正常状态；其次，它们的体积更为小巧；最后，发光时更加醒目。就最后一点而言，由于电灯是直接发光而非像其他可见信号那样依靠反射来发光，因此其信号更为明显。在最佳设计中，电灯信号会被安置在半球形透镜后面，该透镜可能略带模糊或被切割成多个面。这样的透镜能够将电灯发出的光线均匀散射开来，从而使信号能够在以透镜轴线为基准的较大范围内被看到，如图24所示。这对于手动交换机连接线来说尤为有利，因为这样就可以将信号装置放置在靠近连接线甚至位于连接线之间的位置，而其强烈的发光效果则能确保这些信号不会被隐藏起来。

灯信号在多路交换机的发展过程中起到了至关重要的作用，而这种交换机如今已作为大型手动交换机的标准配置被广泛使用。1896年，马萨诸塞州的伍斯特市进行了此类设备的首次大规模试验。自那以后，就再也没有出现过采用其他类型信号的大型且成功的多路交换机。

任何电信号都有其电流的上下限，信号必须在这个范围内才能正常工作。它需要足够的电流来启动，但又不能多到导致过热而损坏。与灯信号相比，磁性可见信号的可操作电流范围更广。如果灯中的电流过小，灯丝要么根本不会发光，要么只会发出微弱的红光，无法形成有效的信号；而如果电流过大，灯丝会因过热而断裂。

磁性可见信号的电流范围足够大，因此可以直接用于电话线中——因为在电话线总电阻被接在或靠近交换机端时，流经线路的电流以及与固定电压串联的信号强度都不会过高，从而不会造成损害。此类信号的电流甚至可以增加十倍而不会对其绕组造成损伤。而灯信号的安全余量则要小得多：仅为使信号能够正常发光的电流值，就已经接近灯丝所能承受的安全上限的两倍了。因此，不可能将灯直接与较长的电话线串联使用，因为一旦在交换机附近发生短路，灯就会烧毁。

图25. 由继电器控制的灯信号
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图25所示的灯信号装置充分利用了电磁铁和灯在这方面的特性。继电器与电话线串联，从而提供了更大的灵敏度范围。

该电路能够承载总机电流源所能提供的任何电流。继电器的本地电路中包含一盏灯：给继电器通电时，灯就会亮起，反之亦然；这样一来，这盏灯就处于安全状态，同时也能获得最适合其需求的电流。

由于所有线路的长度都不长，且都被包裹在电缆或绝缘良好的导线中，因此几乎不存在短路的风险。这种结构常见于专用电话交换机中——这类交换机由若干电话组成，通常位于特定场所内，并与该场所内的交换机相连。在这种情况下，无需使用线路继电器，因为灯可以直接接入线路中。图26展示了这种极其简单的结构，其中没有活动部件，也没有昂贵的元件。随着需求的增长，用于此类用途的灯已经有了很大的改进。由于需要紧凑的设计，灯的体积必须很小；同时，为了简化整个系统的供电方案，灯的灯丝电阻也需要足够高；此外，灯本身还必须具备足够的坚固性。尽管存在这些要求，最终得到的信号灯仍然非常令人满意。

图26. 灯泡信号直接接入线路
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图27. 灯泡信号与镇流器
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由于碳和某些金属的导电性会随温度升高而增加，而金属的导电性则随温度升高而降低，这一特性使得能斯特灯能够正常工作。同样的原理也使得白炽灯信号可以直接接入线路而无需使用继电器；同时，通过使与灯泡串联的电阻值随灯丝电阻的增加而减小，从而避免电流过大的问题。第十一章将详细介绍这种利用“镇流器”电阻的方法。图27展示了镇流器与直接接入线路的信号灯之间的关系。1为碳丝灯泡，2为镇流器。镇流器的导体为真空环境中的细铁丝。当灯泡的电阻降低时，镇流器的电阻则上升。在一定的范围内，这两种变化可以相互抵消，从而扩大线路总电阻允许的变化范围。

目录

第四章 电话线路

电话线路是电话电流在各个电话设备之间传输的路径。“电话线路电路”这一术语与之含义相同。对某些人来说，“线路”与“线路电路”的含义略有不同：前者指线路的户外部分，而后者则指由各种设备及相关接线构成的室内部分。这种细微的区别是不可避免的，但也具有实际意义。此处给出的定义是准确的。

一条电话线路由两根导体组成。其中一根可以是地线，另一根则必然是除地线之外的某种导电材料——几乎总是金属，且以导线形式存在。使用一根导线和地线作为导体的线路存在若干缺陷，这些缺陷将在后文讨论。理想的电话线路应采用两根导线作为导体，而地线并不参与电路构成。由一根导线和地线构成的线路称为接地线路；由两根导线构成且无需地线作为导体的线路则称为金属电路。

在早期的电话系统中，所有线路都是接地线路。那些导线由铁制成，通过电线杆支撑，并用玻璃、陶土或橡胶绝缘体进行绝缘处理。对于某些用途而言，这类线路仍然是一种良好的选择；而在电报通信中，则属于当前的标准做法。

铜的导电性优于铁，且不会生锈。如果将其加工成具有足够抗拉强度的导线，那么它就是最适合用于电话线路的导体。就这一用途而言，只有一种金属在某些性能上优于铜：银的导电性比铜高1%到2%。不过，铜在强度和成本方面都优于银。

在乡村地区，电话线由铜线、铁线、钢线或包有铜层的钢线构成，这些导线被固定在电线杆上的绝缘体上。如果电线杆上的导线数量较多，那么横担上会各承载4到10根导线，而绝缘体则安装在横担上的销子上；如果导线数量较少，则绝缘体会被固定在钉在电线杆上的支架上。这种方式的导线被称为明线。

在城镇中，当需要在同一路径上铺设大量导线时，这些导线会被缩小尺寸，并且每根导线都会被绝缘层包裹，然后被组合成一组。这样的绝缘导线束就被称为电缆。电缆可以被埋设在地下，称为地下电缆；也可以铺设在海底或其他水域中，称为海底电缆；还可以悬挂在电线杆上，称为架空电缆。通常情况下，每根导线都会用纸带进行绝缘处理，但这种绝缘方式只有在环境非常干燥时才有效。因此，由纸绝缘导线构成的电缆还会被加上无缝的金属护套，这样在电缆整个使用期内，导线的纸绝缘层就不会暴露在空气中。某些用途的电话电缆则采用软橡胶、古塔波胶以及浸过矿物化合物的棉花或黄麻等材料作为绝缘层。当使用橡胶或古塔波胶作为绝缘材料时，就不需要额外的金属护套，因为只要这些材料能够连续覆盖在导线上，即使电缆浸入水中也能起到绝缘作用。护套和其他防护结构可以帮助保护这些绝缘材料免受机械损伤，因此也常被用于这一目的。不过，正如后面将说明的那样，这类电缆在电话通信领域的应用范围并不广泛。

固定在电线杆上的导线必须具备足够的强度以承受自身的重量。导线越细，其强度就越低；而在电线杆间距固定的情况下，导线必须具有一定的最低强度。在容易结冰的地区，户外的导线在冬季会结冰，而且所有明线都会受到风力的作用；因此，这类导线需要更高的强度。一般来说，为了满足上述要求，导线의直径至少应为0.08英寸（如果是硬拉铜线的话），如果是铁线或钢线，则至少为0.064英寸。

为户外使用而开发出具有足够抗拉强度的铜线制造方法，这一成就归功于马萨诸塞州的托马斯·B·杜利特尔先生。

长度仅为几英里的线路并不需要像直径为0.08英寸的铜线那样高的导电性。这种规格的铜线每英里的重量约为100磅。如果每英里的铜重量低于100磅，就无法满足在电线杆上使用的强度要求；而每英里仅10磅的铜重量则足以满足城市中数千个电话站所使用的线路的导电需求。

裸露在外的电线容易受到风雨的损害；它们与树木接触会导致绝缘层受损；还可能与电力线路发生接触，从而损坏设备甚至危及人身安全；此外，这些电线及其支撑结构的外观也不如更为紧凑的布置方式美观。

因此，将多根电话线捆绑成电缆，可以减少铜的使用量、节省空间、提升外观并增强安全性。不过，这种捆绑方式也会带来一些负面影响。通过普通电缆进行通话时，其通信距离和通话质量都无法与两根裸露电线相比。因此，目前长距离电话线路的电缆长度还无法超过200或300英里，即便要实现100英里的通信距离，也需要对电缆线路进行特殊处理。而通过裸露电线则可以实现2,000英里的通话距离。裸露电线的优势与其材质无关，而在于其安装方式。显然，任何可以在空中架设的电线都可以通过绝缘处理后埋入地下。不过，不同位置的电线以及它们与周围物体的关系，会使得这些电线的性能产生差异，而这些差异其实非常重要。

由两根导线构成的电话线始终具备以下四种基本特性：（1）导体的导电性；（2）两导体之间的静电容量；（3）电路的感抗；（4）每根导体与其他物体的绝缘性能。

导体的导电性。电线的导电性取决于其材质、横截面、长度以及温度。

例如，铜线的导电性与其重量成正比，与长度成反比；而且其导电性会随着温度的升高而下降。电阻是导电性的倒数，而导电性和电阻这两个参数通常都以电阻的形式来表示。电阻的单位是欧姆，而导电性的单位则是毫欧。电阻为100欧姆的导体的导电性则为0.01毫欧。对应的准确术语分别是电阻与电导、电阻率与导电性。上述用法符合日常用语习惯。

在仅有电阻的电路中，电流与电阻成反比变化。电动势是产生电流的原因，电阻则是电路的状态，而电流则是其结果。描述这一关系的公式就是欧姆定律：C = E ÷ R。其中，C表示由电动势E作用于电阻R所产生的电流。各物理量的单位分别为：电流的单位是安培，电动势的单位是伏特，电阻的单位则是欧姆。

由于导电性或电阻在电报传输中起着至关重要的控制作用，人们期望在早期的电话系统中也能存在类似的关系。但由于电话线中的电流变化极为迅速，因此电话线的一些其他特性便显得非常重要，其重要性甚至超过了电报系统中的那些特性。

这些特性的重要性在于：如果它们不起作用，仅靠导体的电阻来限制语音信号的话，那么即便使用每英里重200磅的导线，也依然可以实现从欧洲到美国的直接通话——这一数值还不到目前最优质的陆上长途电话线导线重量的二分之一。欧洲到美国的距离大约是目前使用435磅重导线所能覆盖距离的两倍。换句话说，即使电阻值是现有最长明线系统电阻值的20倍，依然可以实现良好的语音传输。而单纯依靠电阻与普通电话电缆的电阻相比，其通话效果还会更好。

静电电容。正是由于具有静电电容，电容器——莱顿瓶就是很好的例子——才能在电话线中发挥作用。最简单的电容器结构如图28所示，它由两个导电表面通过绝缘材料隔开构成。导电表面的面积越大、两者之间的距离越近，且绝缘材料的介电常数越高，该装置的电容就越大。用于连接这两个导电表面的绝缘材料被称为电介质。

图28. 简单的电容器
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图29. 电容器的符号表示
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通常使用两种符号来表示电容器：图29中的上方符号源自最初由两块金属板构成的电容器，而下方符号则体现了用锡箔层叠作为导体的设计理念，因为多年来人们一直都是采用这种方式来制造电容器。

从这一特性来看，电话线其实也是一种电容器，只不过它是由导体与绝缘体共同构成的结构而已。假设这样的电话线在远端是断开的，且其导线之间以及与地面之间都有良好的绝缘效果，那么用普通方法通过这条线路进行电报传输是不可能的。电池或其他电源最多只能让电流在极短的时间内流入线路，使导线达到相应的电位，之后电流就会停止流动。但由于静电电容的存在，实际情况如图30所示——那些横跨在导线之间的电容器起到了连接作用。

导线的作用仅仅是让人们明白：电能可以从一根导线传输到另一根导线。

图30. 具有并联电容的线路
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通过一个简单的测试，就可以了解短路容量的两个相关特性。设想用两根导线连接两部本地电话机，这样的线路的电阻、电感以及并联电容都几乎可以忽略不计，其绝缘性能也近乎完美。在通话进行的同时，逐个将电容器接入该线路中。听话方会发现，随着线路上的电容值增加，传入耳中的声音会逐渐变弱；而说话方则会发现，通过与该线路串联的接收器听到的声音会逐渐变强。图31展示了这一测试过程。

在这个测试中，说话方观察到：线路上的电容值增大时，流入线路的电流也会增加；而听话方则发现：线路上的电容值增大时，其接收器中转换成的声能会减少。

图31. 具有可变并联电容的线路测试
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静电电容的单位是法拉。由于这个单位数值过大，实际应用中通常使用微法拉——即法拉的百万分之一——作为计量单位。如果数值是以微法拉表示的，而在需要以法拉为单位的计算中使用时，则必须注意引入适当的修正因子。

电话线中两根导体之间的静电电容取决于它们的表面积、长度、位置，以及将它们彼此分开并与其他物体隔开的材料的性质。例如，在由两根导线构成的开放式线路中，静电电容取决于导线的直径、线路的长度、两导线之间的距离、它们距地面的高度，以及空气的比电容。由于空气是一种极为常见的绝缘介质，因此人们将其视为一种便于使用的材料，其比电容可被用作参考值。故而，空气的比电容被设定为1。所有固体的比电容都高于空气。

两根直径为0.165英寸、相距1英尺且距地面30英尺的导线之间的静电电容约为每英里0.009微法。如果这两根导线靠得更近，或距离地面更近，或者周围不是空气或氢气而是其他气体，又或者导线不是用气体而是用某种固体材料作为绝缘层，那么这个数值会更高。再举一个例子：如果两根直径为0.036英寸的导线被纸包裹并绞合在一起作为电话电缆的一部分，那么它们之间的互静电电容大约为每英里0.08微法；如果电缆被更紧密地压缩，这一数值还会更大。

在电话电缆中使用纸作为导线的绝缘材料，是因为它的比电容较低。因为导线的绝缘层实际上主要是干燥的空气，而橡胶等类似绝缘材料的电容则是干燥纸张的两倍之多。

电容器或其他电容性元件能够有效阻挡直流电的稳定流动。当施加固定电压时，电流会涌入并使电容器表面达到一定的电荷状态，这一状态取决于具体的条件。不过，电容器对交流电则没有这样的阻挡作用——因为可以通过电话中的交流语音信号通过电容器，或者让频率较低的交流电通过它。电容器通常与极化式铃器串联使用，这样既能让交流电通过以驱动铃铛响动，又能防止直流电通过。

电容器允许交流电通过而阻止直流电通过的程度，取决于电容器的容量以及交流电的频率。电容器的容量越大或交流电的频率越高，流过电路的电流就越大。电容对电流的阻碍作用大小，就是该频率下该电容的阻抗。其计算公式为：

电容阻抗 = 1 ÷ (C × ω)

其中，C为电容值，单位为法拉；ω则为2πf，即3.1416乘以频率的两倍。

以上内容可以归纳出这样一个规律：频率越高，电容对交流电的阻碍作用就越小。如果频率为零，阻抗将为无穷大，这意味着电路对直流电是通的；如果频率为无穷大，阻抗则为零，此时电路就如同被无电阻的实心导体所替代。将这一结论与关于电感的相关规律进行比较。

电路的电感。电感是电路的一种特性，当电路中的电流发生变化时，它会在自身及其他导体中产生一种电动势，这种电动势并非由原电流本身所引起的。电感的单位是亨利。当每秒电流变化1安培时能产生1伏特的电动势，那么该电路的电感值即为1亨利。由于电路具有电感，不同电路之间会产生感应现象，这被称为互感；而电路内部由于电感的存在也会产生感应现象，这被称为自感。楞次定律指出：在所有电磁感应现象中，感应电流的方向总是使得其产生的反作用力能够阻止引发它的电流变化。

图32. 导线螺旋结构
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图33. 围绕铁芯的螺旋形导线
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所有导体都具有电感，但在实际应用中，用于线路的直导线的电感可以忽略不计。而那些被绕成线圈的导线，比如电磁铁中的导线，其电感则大大增加。如图32所示，呈螺旋形缠绕的导线，其电感远远高于直线形态的导线。如果再像图33那样在螺旋结构中插入铁芯，电感还会进一步增大。为降低电感，电阻线圈通常采用双股导线来绕制，这样电流通过该线圈时，一半时间沿一个方向流动，另一半时间则沿另一个方向流动。

通过一个简单的测试，就可以了解线路中的串联电感效应。设想用两根导线连接两部本地电话机，这样的线路具有可忽略的电阻、电感和并联电容，其绝缘性能也近乎无限。在通话过程中，逐个将电磁铁之类的电感线圈串联到线路的导线中。听话方会发现，随着线路电感的增加，传入耳中的声音逐渐变弱；说话方通过与线路串联的接收器也会观察到同样的现象。

这项测试的结果表明，随着电感的增加，流入和流出线路的电流都会减少。将这一现象与后面提到的关于电容效应以及线路负载的测试相比，就会发现当线路同时存在这两种不良特性时，反而会出现令人意外的良好效果。该测试过程如图34所示。

电流受到电感阻碍的程度被称为该电感的电抗。其计算公式为：

电感电抗 = Lω

其中，L的单位是亨利，ω则是2πf，即3.1416乘以频率的两倍。为了区分两种不同的电抗，由……引起的电抗称为……

这种电容所对应的电抗被称为电容电抗，而由电感产生的电抗则被称为感抗。

以上内容可以归纳出这样一个规律：频率越高，电感对交流电的阻碍作用就越大。当频率为零时，电抗也为零，此时电路仅表现为纯电阻，能够传导直流电；而当频率为无穷大时，电抗也为无穷大，此时电路对交流电完全不通，交流电无法通过。这一规律与关于电容的相应规律类似。

图34. 通过改变串联电感来测试电路
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电容和电感仅取决于物质的状态；而它们的电抗则既与物质状态有关，也与能量的作用有关。

在同时存在电阻和电容或电阻和电感的电路中，这两种特性都会影响电流的流动。它们共同产生的效应用欧姆来表示，称为阻抗。其数值等于电阻与电抗平方和的平方根，即：Z表示阻抗，各符号的含义同前。

简而言之，这些公式意味着：只要知道电流的频率与电容的值，或者电流的频率与电路中电感器的值，再加上电路的电阻值，就可以通过计算得出阻抗。

导体的绝缘性。电话线的第四个特性就是导体的绝缘性，它通常以欧姆为单位来表示，即绝缘电阻。实际上，这种绝缘性必须非常高，一般通过测量从电线到另一根电线或地面的电阻值来判断，其数值通常为数百万欧姆。为了方便起见，人们采用了较大的单位——100万欧姆被称为兆欧。在电话电缆中，60华氏度条件下每英里500兆欧的绝缘电阻是常见的标准值。对于纸绝缘导体而言，只有在其芯线几乎不含水分，并且在电缆的连接和终端处理过程中也保持这一状态时，才能达到如此高的绝缘电阻。

绝缘电阻与导体的长度成反比。如果一段528英尺长的电缆的绝缘电阻为6,750兆欧，那么1英里长（长度为其10倍）的相同电缆的绝缘电阻则为675兆欧，也就是原来的十分之一。

电感与电容。电话线的互电容会随着导线间距的减小而增大；而自感则会随着导线间距的减小而减小。由电容产生的电动势比外加电动势超前90度，而由电感产生的电动势则滞后90度。因此，这两种特性的性质通常是相反的。在电缆中，由于导线间距非常小，其电感可以忽略不计，而电容则非常大，这使得具有每英里0.06微法拉电容值以及每英里94欧姆回路电阻的电缆，其商业传输距离大约仅为30英里。而对于间距为12英寸的裸导线来说，其商业传输距离会更长，这不仅是因为导线直径更大，还因为其电容较小而电感较大。

表一展示了使用现有标准电话设备时，在均匀分布的线路上的实际最大通话距离。

表一：传输距离的限制

导线规格与尺寸对传输距离的影响
8号粗铜线：900英里
10号粗铜线：700英里
10号半粗铜线：400英里
12号细半粗铜线：400英里
12号半粗铜线：240英里
14号细半粗铜线：240英里
8号粗铁线：135英里
10号粗铁线：120英里
12号粗铁线：90英里
16号半粗铜缆线：40英里
19号半粗铜缆线：30英里
22号半粗铜缆线：20英里

1893年，奥利弗·赫维赛德提出，应提高电话线的电感值，使其超过由线间间距所决定的自然值，以此来抵消电容带来的不良影响。他的意思是，增加电感值——在电路中本就是一种负面因素，尤其是当电容值也过大的情况下——可以与电容的作用相抵消；如果选择和运用得当，就能使线路对基波及谐波的影响更加均匀，从而减少或消除失真现象，同时还能通过抵消电容耗能的作用来降低信号衰减。

在电话线中引入电感值有两种方式。由于需要被抵消的电容是均匀分布在整条线路中的，因此用于抵消的电感也必须均匀分布在整个线路中。增加线路中两根导线之间的距离，既能提升电感值，又能降低电容值；不过在实际应用中，要使这两种参数达到有效的抵消关系，所需的距离增加幅度相当大。

这已超出实际应用的极限。导线必须架得非常高，且彼此间距必须很大，否则这种设计在商业上就无法实现。

通过在线路的每根导线上缠绕细铁丝，可以提高分布电感，从而获得良好的实际效果。这种方法能够增加电感值，进而提升信号传输质量。

最显著的成果来自迈克尔·伊德沃斯基·普平教授的研究。他在线路的导线中串联电感元件，使其与电路参数相匹配，从而显著降低信号衰减和失真现象。这种通过引入局部电感来抵消分布电容影响的方法，不仅要求知道所需的总电感值，还要求知道该电感的各个组成部分应如何合理分配及间隔布置。普平教授的这一方法在1900年5月19日于费城举行的美国电气工程师协会会议上发表的论文《非均匀电缆及长距离空中线路中的波传输》中有详细阐述。注：由于普平教授提出了降低电波衰减的实际方法，他于1900年6月19日获得了美国的专利授权。1899年3月22日，他在美国电气工程师协会上发表了题为《长距离电波的传播》的论文，该论文刊登在该协会的《会刊》第15卷中。学习者可参考这些文献来深入研究这一主题。此外，还可参阅奥利弗·赫维赛德的《电气论文集》与《电磁理论》。

普平教授将长距离电路中的电波传输比作在弦上传播的机械波。想象一根普通的长绳，一端固定，另一端由手摇动；波动会从被摇动的端传递到固定的端。在固定端处会发生一定的反射现象。在这种情况下，从摇动端传送到固定端的能量相当有限，但如果在绳子的整个长度上均匀地挂上重物，它就能向固定端传递更多的能量。

在电话线中加入电感元件的原理，就如同在弦上挂上重物一样，因此电话线可以被视作“加载了电感元件”的线路。

当在电路中加入电感元件时，这些电感元件就被称为负载线圈。

图35展示了普平负载线圈与线路电容之间的基本关系。图中的电容器只是用来表示线路本身所具有的电容特性的；而图中的电感元件则是实际的负载线圈。

图35：带负载的线路
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在实践中，对裸线进行加载的效果并不如对电缆进行加载那样理想。其根本原因在于，裸线的两个特性——绝缘性能和电容值——会随着环境条件的变化而改变。即便插入的电感值保持不变，但当另外两个“恒定值”发生变化时，这种加载方式反而可能带来负面影响。

而电缆电路则不存在这样的问题。这种加载方式能够提升传输质量、节省铜材用量、允许使用更长的地下电缆；同时通过将城际电缆埋设在地下来降低维护成本；此外还能让海底电话电缆连接那些原本无法互相通信的地区。

目前，地下长距离电缆已经或将要连接波士顿与纽约、费城与纽约、密尔沃基与芝加哥。英国和法国也通过带有负载功能的海底电缆实现了连接。从理论上来说，欧洲和美国之间完全有可能实现互相通信。

那些希望自行了解线路特性对裸线电路或电缆电路影响的同学，可以在以下公式中找到相关答案。该公式给出了线路衰减常数a与这四种特性之间的关系。也就是说，a的值越大，语音信号在传输过程中损耗就越多。该公式为……

相关参数如下：

R = 电阻，单位为欧姆
L = 电感，单位为亨利
C = 互容/并联电容，单位为法拉
ω = 2πf，即频率的6.2832倍
S = 并联泄漏电流，单位为毫西门子

参数S反映了直流导通性（绝缘电阻的倒数）与由于介质滞后效应而产生的表观导通性的综合值。
注：有一篇由弗兰克·B·朱厄特先生撰写的优秀论文，对这类研究具有很大的帮助，且对于理解电缆及其工作原理具有实际应用价值。该论文于1909年7月1日在美国电气工程师协会的千岛会议上发表。

第43章将更详细地探讨电缆的相关内容。电缆在电话线路系统中起着极为重要的作用，其应用范围也在不断扩展，价值日益提升。

改善传输性能的可行方法。改善电话传输性能的实用方法主要有两种：改进线路本身以及改进设备。前文已说明了线路应具备的素质以及相应的处理方式。就目前的技术水平而言，设备方面的改进主要是为了降低损耗。不过，从理论上看，设备的性能仍有很大的提升空间。更强大的发射器、更精确的接收器以及更高效的转换装置都是有可能实现的。或许还需要新的发现来推动技术的进一步发展。

在电报和电话通信中，线路越长，远端接收到的电流就越弱。对于某种类型、规格及施工方法的线路而言，都存在一个临界长度——超过这个长度后，就无法再传输清晰的语音或信号了。在电报通信中，中继器是一种用于接收这些已严重衰减的信号的装置。

将信号脉冲重新传输，并以新的能量通过更长的线路进行传递。使用两个这样的中继器，就可以通过由它们连接起来的两条线路实现双向电报通信。实际上，可以将多条这样的线路与中继装置相连；如有必要，甚至可以在实际可行的范围内将海底电缆与陆地线路相连。如果需要的话，或许可以用这种方式实现全球范围的电报通信。

如果在电话通信中也能模仿电报中继器的工作原理，那么那些衰减后的语音信号就可以被用来驱动该中继器，从而让这些信号以更大的能量逐段地通过线路传输。多年来人们一直在寻求这样的装置，有媒体曾报道过，查尔斯·J·格利登为成功研制出此类装置而悬赏100万美元。世界各地的专利局记录显示了人们在这一领域所付出的努力，实际上发明出来的装置数量远远超过所有国家获得专利的数量。

与电话通信中的其他问题一样，这个问题乍看之下似乎很简单，但经过深入研究后就会发现其实并非如此。任何业余人士都能立刻制造出只能实现单向电话信号中继的装置。然而，在实际应用中，要求的是能够实现双向语音信号的中继，而且中继装置还必须能够增强通过它的信号能量，也就是说，它输出的信号能量要大于输入的能量。目前所发明的大多数装置都存在上述问题之一。虽然已经有一些方法可以制造出能够实现双向通信的中继装置，但真正能够同时实现双向通信并增强信号能量的装置却很少。

图36. 斯里夫中继器及电路

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实际上，已经有了实用的重复器，其中至少有一种类型正在被实际使用中。不过，目前还无法确定这种重复器能否同等程度地增强所有传入的声波，甚至也无法确定它是否真的能增强某些声波。不过，在实际应用中，它的效果确实有所改善。这是赫伯特·E·什里夫先生的发明，如图39所示。该装置主要由一种由冈德拉赫设计的电话接收器，以及一个颗粒状碳制发射按钮组成。此外，它还包含一组感应线圈或重复线圈，这些线圈的作用是实现双向通信功能，即允许双方互相通话，同时避免接收元件与发射元件之间的相互干扰。电池1为接收元件提供能量；接收线路中的电流会改变该磁场的强度；由此产生的变化又会改变碳制按钮的电阻，进而将电池2中的电流转换为新的交流电。

所谓“相互干扰”，指的是发射元件在发射信号时会影响其自身的接收元件，从而产生类似电话接收器靠近发射器时因哼唱或说话而产生的干扰现象。除非能够避免这种相互干扰，否则任何重复器都无法正常工作。

图37. 水银弧电话中继器
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通过对Shreeve装置及其类似装置的实际测试，已经足以证明：寻找一种用于传输电话语音信号的方法并非是在追求海市蜃楼般的美好事物。Shreeve型中继器的成功所揭示的最重要的事实是：那种具有巨大运动部件惯性的装置竟然也能实现功能。如果这有什么意义的话，那就是那些完全消除了惯性作用的装置或许能取得更好的效果。许多发明家提出的方法都是从这一角度来解决问题的，而其中最新且最具前景的方法就是J.B.泰勒先生所设计的方案，其电话中继器专利电路如图37所示。在该电路中，1是一个由语音信号驱动的电磁铁；它产生的变化磁场会在真空管内的电极2-2与3之间形成电弧。这些电弧变化会被线圈4转化为线路电流。

第五章 发射器

可变电阻。正如第二章所提到的，用于产生电流波以模拟电话传输中的声波的可变电阻方法，是最适合实际应用的方案。如今，几乎所有的电话发射器都采用这种可变电阻原理。之所以选择这种方法而非其他可能的方法，是因为基于这一原理设计的装置能够以极其简单的结构实现比其他方法更强的输出效果。其结构简单到足以低成本制造，并且非专业人员也能成功使用。

材料。在所有可用于电话发射器中可变电阻元件的材料中，碳是最为合适的，其应用也几乎普遍。在某些商用发射器中，也会使用铂或金等稀有金属作为可变电阻元件的一部分，但即便如此，这些金属也总是与碳以某种形式结合使用。不过，目前大多数发射器仍仅依靠碳作为可变电阻元件的导电材料。

电极的布置。根据休斯提出的原则，如今的发射器总是将一对或多对电极之间的一个或多个松动接触点作为可变电阻元件，而这些电极通常由碳制成。其布置方式总是使得声波能够改变电极之间的接触紧密度，进而改变通过电极的电路的电阻值。

人们已经提出了多种不同的布置方案并进行了试验。有时会使用仅有一对电极且两者之间只有一个松动接触点的结构，这类发射器可被称为单接触式发射器。

有时，变阻元件会包含更多电极，这些电极以串联、多级串联或其它组合方式排列在一起，这类装置被称为多电极发射器，即具有多个电极的发射器。后来出现的一种改进型装置是在多电极发射器的基础上发展而来的，它使用一对主电极，而在这两电极之间则填充有由颗粒或小球状物构成的细小碳质材料。无论这些碳颗粒的具体形态如何，这类装置都被称为颗粒碳发射器。

图38：布莱克发射器
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单电极式布莱克发射器。单接触式发射器中最著名的例子就是曾经广为使用的布莱克仪器。它曾是美国几乎所有电话的标准配置之一，也在国外得到广泛应用。在发音清晰度方面，或许没有任何发射器能超越它，但与现代发射器相比，其功率明显不足。如图38所示，该仪器的变阻接触部分是由碳电极和铂电极构成的。隔膜1由铁板制成，如同后来的发射器一样，被安装在柔软的橡胶垫圈2中。整个隔膜则被安装在一个铸铁环3内，而这个铸铁环又固定在容纳整个仪器的箱体的内侧。前端电极4则安装在一个轻质弹簧5上，该弹簧的上端由一根可移动的杆或杠杆6支撑，而这根杠杆又通过弹簧7与仪器壳体相连。

该弹簧为隔膜提供支撑。弹簧5的张力使得铂金触点轻轻远离隔膜中心。后电极是由碳制成的小块状结构9，它被固定在一个厚重的黄铜按钮10中。整个后电极结构则由另一个更重的弹簧11支撑，该弹簧与弹簧5位于同一杠杆上。后者弹簧的张力会压迫前电极，凭借其更大的强度，进一步将前电极压向隔膜中心。通过位于隔膜支撑结构向后延伸的凸耳上的螺丝12，可以调整仪器的参数；螺丝的位置决定了后电极对前电极以及隔膜的压迫力度。这种仪器通常与感应线圈一起装在木制箱中，而感应线圈则如图的上半部分所示。

在当今国家，布雷克式发射器已几乎不再被使用，因为它已被各种类型的颗粒式仪器所取代。虽然这些新型仪器的工作效率更高，但可能无法产生如此清晰、明确的音质。

像布雷克式这样的单触点发射器存在一个重大问题：无法通过单一接触点传递足够的电流以实现所需的传输功率，否则就会导致接触点过热。如果向这类发射器输送过大的电流，接触点会产生大量热量，进而引发振动，从而产生特殊的嗡嗡声或尖叫声，干扰其他声音的传输。

为了解决这一难题，人们发明了所谓的多电极发射器。这类发射器有多种形式，图39所示的就是其中一种典型例子。在这种结构中，标号为1的隔膜是由薄松木制成的。在隔膜的背面，有一些碳棒或悬挂物5，它们悬挂在支架4中的杆3上，这些悬挂物则松散地靠在同样安装在隔膜背面的支架6上的杆2上。杆3以及悬挂物所依靠的杆2，有时与那些悬挂物一样由碳制成，有时则由黄铜等金属制成。当隔膜振动时，悬挂物5与……之间的接触程度会发生变化。

杆2被进行了改造，因此通过所有悬挂杆的电流路径的电阻也发生了变化。

图39. 多电极发射器
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在80年代初，多种此类发射器开始被使用。虽然它们在一定程度上解决了布莱克式发射器所存在的无法传输足够大电流的问题，但它们都存在过度敏感的问题：当需要传输高于普通音量的声音时，这些发射器就会发出噪音或损坏。此外，由于需要让大量物质随声波振动，这也成为这种发射器的缺陷。运动部件的惯性过大，从而影响了声音的清晰度。

颗粒碳。80年代初，亨利·汉宁斯提出了这样一种想法：将颗粒碳置于两个电极之间，其中一个电极随声波振动，另一个则保持静止。这一理念构成了所有现代电话发射器的基础，但在接下来的十年里，单触点式的发射器仍然被广泛使用。

西方电气固体背板式发射器。然而，在90年代初，随着安东尼·C·怀特设计的发射器的出现并得到广泛应用，颗粒碳式发射器才真正崭露头角。这种发射器多年来一直是美国贝尔公司使用的标准设备，也在国外得到了广泛应用。图40展示了该设备的水平截面图，图则显示了其内部部件的背面结构。

41. 所有活动部件都安装在前部铸件1上。该铸件由杯状结构2支撑，而杯状结构2则由凸耳3支撑，凸耳3又固定在传动臂或其他支撑结构上。该仪器的前后电极均为黑色实线所示的薄碳盘。后电极是这些碳盘中面积较大的一块，它通过焊料牢固地固定在黄铜盘的表面上；该黄铜盘具有向后方伸出的带螺纹的杆部，用于将电极及黄铜盘固定在沉重的黄铜杯4的底部。前电极则安装在螺柱的后表面上。一个带螺纹的夹紧环7将云母垫圈或圆盘6夹紧在该螺柱的头部，因此该云母垫圈的中心部分相对于前电极是固定的，会随前电极一起移动。云母垫圈的外缘则被另一个带螺纹的环9夹紧在杯4的前缘，该环的作用是将云母垫圈的外缘牢牢固定在杯体上。这样一来，云母垫圈的外缘就相对于固定的后电极而言是固定的。因此，两个电极之间的任何相对位移都必须通过云母垫圈的弯曲来实现。这个云母垫圈不仅有助于保持电极之间的正常相对位置，还能封闭容纳电极的腔室，从而防止填充在电极间隙中的颗粒状碳物质掉出。

图40. 白色实心背板式发射器
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包含电极腔室的杯状结构4通过其向后方伸出的杆部与发射器主体牢固连接在一起。

在位于前端部件两端的桥接件8的作用下，后电极获得了所需的刚性，这或许也是该仪器被称为“实心背板式”仪器的原因。而前端电极则通过螺柱上的杆部固定在隔膜的中央，该杆部穿过隔膜上的孔洞，并由两个小螺母将其固定在那里。在该发射器的隔膜背面，还有两个阻尼弹簧。它们并未出现在图40中，而是见于图41。这两个阻尼弹簧的一端固定在前端部件1的后法兰上，另一端则抵在隔膜的背面。为了防止阻尼弹簧与隔膜直接接触，还使用了小型绝缘垫。这些阻尼弹簧的作用是降低隔膜对外界声音的敏感度。因此，White型发射器不会像那些更敏感的发射器那样轻易地捕捉到周围的各类声音，从而避免了外界噪音对信号传输的干扰。不过，由于存在这些沉重的阻尼弹簧，使用者必须直接对着它说话。

图41. White实心背板式发射器
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该发射器的工作原理如下：声音波通过具有常见结构的吹嘴被集中到隔膜的中央，这些声波撞击隔膜使其振动，进而引发隔膜的类似振动。

前端电极。由于云母垫圈6的弹性，前端电极可以发生振动。而后端电极则固定在带有重质结构的腔体块4内，该腔体块又通过坚固的固定装置被牢牢固定，因此无法移动。这样一来，前端电极就会靠近或远离后端电极，从而压缩或释放两者之间的碳颗粒。这会改变电极板与碳颗粒之间的接触程度，以及碳颗粒彼此之间的接触情况，进而使电流从一个电极流经碳颗粒群到达另一个电极时的电阻值发生变化。

新型西方电气发射机。这种白色发射机是众多同类产品的原型，这些产品都具有相同的设计特点：后端电极固定在固定的杯状或腔体结构中，而前端电极则可以随隔膜一起移动；同时，还有云母垫圈或其他柔性绝缘材料用于封闭电极腔体的前端，同时让前端电极能够随着隔膜一起振动。

图42. 新型西方电气发射机
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图42展示了一种具备相同特性但细节有所不同的发射器，它是由西电公司制造的新型发射器。与原来的White型发射器相比，这种发射器省去了原有的桥式结构，电极室由一个压制的金属杯1来支撑，该金属杯整体上承担着固定电极室的作用。与White型仪器不同，这个电极杯并非由实心块状结构构成，而是由两部分组成：圆柱形或管状部分2以及背部3。圆柱形部分的外表面带有螺纹，可与金属杯1中心处的凸缘开口内的内螺纹相啮合。通过这种方式，电极室便被固定在金属杯1中；同时，云母垫片4也被夹在該开口的凸缘与电极室的管状部分2之间。与White型发射器一样，前端电极也安装在云母垫片上，并与隔膜的中央牢固连接，从而能够随隔膜一起移动。由此可见，这本质上仍是一种White型发射器，只是电极室的安装方式有所改进。

这种发射器还有一个White型发射器所没有的特点，那就是其前端电极和后端电极——实际上也就是发射器的所有工作部件——都与仪器中暴露在外的金属部分隔离开来。这是通过将隔膜及支撑金属杯1与发射器的前端部分绝缘来实现的。金属杯1上的端子5用于连接后端电极，而端子6则安装在金属杯1上但与其保持绝缘状态，它通过一条细长的柔性连接带与前端电极相连，从而实现前端电极的电气连接。

Kellogg型发射器。Kellogg开关面板与供电公司的这款发射器最初是由W.W. Dean先生设计的，后来由Kellogg公司的后续人员对其进行了改进，其结构如图43所示。与White型仪器不同，这种发射器的电极室并非固定不动地安装在某个位置，而是直接安装在隔膜上，实际上成了隔膜的一部分。与White型仪器中会随隔膜一起移动的电极不同，这种发射器中的电极是与桥式结构牢固连接的，因此几乎不会受到任何振动的影响。

参见图43，该图为该仪器的水平截面图。1表示隔膜，它由铝制成，其中心部分向前方凸出，形成了用于放置电极的腔室。碳制的前电极2由黄铜圆盘支撑，并牢固地固定在该腔室的前部，如图所示。同样为碳制的后电极3也由黄铜圆盘支撑，通过螺栓6的加粗头部将其压紧在云母盘的中央部分。螺母7与后电极背面的螺纹杆末端相接，从而将这两部分牢牢固定在一起，同时将云母垫圈夹在它们之间。如图所示，云母垫圈的外缘通过铝环和铆钉固定在主隔膜1上。由此可见，隔膜本身就包含了作为其组成部分的电极腔室。隔膜、前后电极以及其中的颗粒状碳材料都是在工厂中预先组装好的，若要拆分的话就会损坏某些部件。后电极则由桥架5和螺栓6牢牢固定，该螺栓穿过安装在桥架上的块体9，但与该块体绝缘。螺栓6通过调整螺钉8固定在块体9中，从而在确定好位置后保持后电极处于正确位置。图43：Kellogg发射器

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与图42所示的发射器一样，该发射器的所有工作部件都与裸露的金属外壳隔离开来。如所示，隔膜通过浸渍了绝缘材料的垫圈4与仪器前端隔开。后电极则通过云母垫圈以及块体9与桥式结构5之间的绝缘层与其他部分隔开。后电极的端子安装在块体9上，而前端电极的端子则标记为10，它安装在桥式结构上，但与其保持绝缘状态。该端子10通过一根细而柔软的金属连接件与隔膜相连，进而与前端电极相连。这种发射器配备了类似于White公司产品中的阻尼弹簧。

支持这种类型仪器的人士认为，除了电极之间颗粒碳材料因压缩和释放而产生的常规作用力之外，当声波使腔体振动时，颗粒的晃动也会产生另一种作用力。换句话说，除了可称为电极之间“活塞作用”的常规作用力之外，腔体振动时颗粒的晃动还会带来额外的效果。不过可以肯定的是，这类发射器效率非常高，且已证明其能够长期稳定地工作。

目前生产的这种仪器还有一个有趣的特点，那就是其发射器前端是由金属板加工而成的，而非通常采用的铸造方式。此外，用构成仪器后壳的金属板来制作发射器的支撑凸耳，也是一项值得注意的设计特点。

Automatic Electric Company的发射器。如图44所示，芝加哥的Automatic Electric Company所生产的发射器与刚才讨论的那种属于同一类型，其电极腔体是安装在隔膜上并随隔膜一起振动的，而不是像White公司或实心背板型仪器那样固定在桥式结构上。在这种仪器中，发射器前端1也是由金属板加工而成的。

该装置由金属制成，其上有一个向后方突出的法兰，法兰上带有内螺纹。一个较重的内杯2与隔膜3共同构成了容纳电极腔的封闭结构。在此结构中，隔膜的边缘通过一条金属带4永久性地固定在内杯2的边缘上，这条金属带能够同时包裹住杯子和隔膜的边缘，从而将二者牢固地固定在一起。这个内腔则通过一个锁环5固定在发射器的前部1上，该锁环通过外部螺纹与前端法兰上的内螺纹相连接。电极腔本身呈杯状，它被牢固地固定在隔膜上，因此会随隔膜一起移动。后电极则安装在一个带螺纹的柱子上，而这个柱子又位于一个块体中，该块体则嵌入到内杯2的中心开口处。

这种发射器并不使用云母垫圈或隔膜，而是采用一种毛毡垫圈，该垫圈环绕着后电极的杆部，用于封闭并密封含有碳材料的杯子。这样一来，颗粒状的碳就能留在腔室内，同时前后电极之间也能保持必要的灵活性或活动空间。与Kellogg以及后来开发的Bell仪器一样，这种发射器的所有工作部件都与金属外壳绝缘；如所示，由内杯2和隔膜3构成的内腔也通过绝缘垫圈与发射器的前部及其锁环相隔离。

图44. Automatic Electric Company的发射器
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Monarch电话制造公司的发射器如图45所示，它既不同于固定杯式发射器，也不同于振动杯式发射器，但却兼具这两种类型的特征。可以说，它之所以与这两种发射器不同，正是因为它拥有这两种类型的特性。

可以看到，这种发射器的电极与电极杯的壁之间有两个柔软的云母垫片。前后电极分别通过类似实心背板式发射器中的连接方式与隔膜及桥接件相连，而碳室则可以像Kellogg式发射器那样随隔膜一起振动。

图45. Monarch发射器
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该发射器采用铝制隔膜，其周边边缘向前弯曲形成支撑结构。隔膜边缘与黄铜前端表面之间通过经过特殊处理的亚麻制成的整体垫圈隔开，这一垫圈起到了绝缘作用，不会受到热量或湿气的影响。与之前介绍的发射器一样，电极被牢固地焊接在黄铜圆盘上，这些圆盘的中心有凸出的柱状物。对于前端和后端的电极而言，都会在支撑柱上放置云母盘，再通过尺寸与电极相同的黄铜环将云母盘固定到位。碳室壁则由黄铜环构成，前端和后端电极的云母盘则通过黄铜卡圈固定在黄铜环的边缘上。

电极：几乎所有现代发射器的电极板都是由经过特殊处理的碳材料制成的。首先，这些电极板会被镀上铜层，然后焊接在相应的黄铜支撑圆盘上。之后，它们会被加工成完美的圆形，且两个电极面必须完全平整。接着，这些电极面会被高度抛光，同时还会尽最大努力保持其绝对清洁。人们会竭力清除碳材料孔隙以及表面上的所有酸类或其他化学物质。

这些杂质可能是在电镀或将其焊接到黄铜支撑盘的过程中进入电极的。如后文所述，将两个电极安装在发射器中时，必须使其保持平行状态，这一点非常重要。

如前所述，在某些情况下，人们会用金或铂来替代发射器中的碳电极。当与适当粒度的碳颗粒一起使用时，这类电极确实能带来良好的效果。但总体而言，人们更倾向于只使用碳作为电极材料，而如今碳电极的使用已几乎成为标准做法。

碳材料的制备：颗粒状碳是由经过精心挑选的无烟煤制成的，这种煤需经过烘烤或“再碳化”处理，之后再被粉碎至适当的粒度。随后，这些粉碎后的碳颗粒会经过仔细筛分，以去除所有灰尘，仅保留大小均匀的颗粒。

封装问题：在早期的颗粒状碳发射器中，存在一个名为“封装问题”的难题。顾名思义，这个问题是由于碳颗粒容易聚集在一起，从而无法对压力变化做出反应所导致的。有时这是由于电极腔内存在湿气所致；有时则是由于使用了大小不一的颗粒，这些颗粒会在隔膜的振动作用下聚集成较紧密的团块；而更常见的原因则是颗粒将两个电极挤开，使它们之间的距离大于正常距离。通过妥善密封颗粒腔室，防止湿气进入，就可以彻底解决因湿气带来的问题。通过让所有颗粒都保持相同的大小，并确保其具有足够的硬度以避免破碎成更小的颗粒，就可以解决颗粒大小不均匀的问题。而在设计合理的发射器中，通过精湛的制造工艺，颗粒聚集以及电极被挤开的问题也几乎可以完全避免。

几乎所有的发射器都可以通过将隔膜向前拉动、使电极之间保持较大间距的方式来避免堵塞。这样一来，颗粒就会沉降到比正常位置更低的处。而当隔膜试图恢复到正常位置时，会被中间的颗粒阻挡。早期类型的发射器则是通过将电极部件抵在吹气口上并吸气来避免堵塞的，不过现在标准吹气口底部设计的凹槽已经有效防止了这种情况的发生。

总体而言，可以说堵塞问题几乎已被完全消除——这并非依靠那些用于搅动碳材料的辅助装置，而是通过在仪器设计和制造阶段就避免出现导致堵塞的问题来实现这一目标的。

关于发射器的承载能力，显然其功率取决于它能够承受的电流大小，以及它所能调节的电路阻值变化范围。颗粒状碳材料制成的发射器能够承受的电流远大于传统的Blake型或其它单电极/多电极类型的发射器。不过，如果强迫其承受过大的电流，就会出现与早期类型相同的烧焦声或嘶嘶声，这是因为电极会发热，同时电极与颗粒之间还会产生小电弧。

提高发射器承载能力的一种方法是增大电极的面积，但由于电极尺寸增大后会带来更大的惯性，这种方法很快就会达到极限。

另一种提升发射器承载能力的方法是为可变电阻介质中产生的热量提供有效的散热途径。为此已有多种设计方案被提出：一种是在电极腔体中使用重量较大的金属，White型固体背板式仪器就是这种设计的典型代表；还有人建议为电极腔体加装水套，或者将其放置在温度相对较低的热电堆接头附近以保持冷却。不过，在常规商业应用中，这两种方法似乎都并不实用。

灵敏度。在迄今为止所讨论的所有发射器中，都采用了某种形式的阻尼弹簧来降低仪器的灵敏度。正如前文所指出的，对于普通商业用途而言，过高的灵敏度是一种缺陷。不过，也有一些电话发射器的设计使得尽可能高的灵敏度成为必要。其中一种应用场景就是用于帮助部分听力受损者听声的电话设备。在这种设备中，发射器被安装在听力受损者的身体某处，接收器则通过绑带或其他方式固定在他们的耳朵上，而供电电池则放在他们的口袋里。对于这种用途来说，要求发射器能够再现的声音始终位于其正前方是不现实的，因为声音往往来自几英尺之外的地方。因此，这类发射器会被设计得尽可能灵敏，但同时也要确保不会因正前方出现的巨大声响而产生过响或过于刺耳的声音。另一种需要高灵敏度发射器的应用场景，则是商务办公室内各部门或办公桌之间的专用通讯系统。在这种系统中，要求发射器能够对小房间内任何位置发出的声音做出及时响应。

Acousticon发射器。图46展示了一种适用于此类用途的发射器，其制造商将其称为Acousticon发射器。与之前讨论过的所有发射器一样，它也属于可变电阻型，但它与其他发射器的不同之处在于：没有阻尼弹簧；用碳球代替了碳颗粒；而且振膜本身就充当了正面电极。

该发射器由一个杯状结构1组成，杯内放置着一个圆柱形块体2，该块体的一侧有许多半球形凹槽。振膜3由薄碳材料制成，它被放置在发射器中，刚好覆盖住碳块上的那些凹槽开口，并且与碳块保持足够近的距离但不与其接触，从而防止碳颗粒脱落。这样，振膜就起到了正面电极的作用，而碳块则作为背面电极。碳块中的凹槽大约有三分之二被细小的碳球填满，这些碳球的尺寸与细沙差不多。发射器的前端部件4由金属板制成，其作用是……

用于固定振膜。为让声波进入，该部件上有一个圆形开口，其位置与后电极块相对，大小也与后电极块相当。在該前部部件上装有发射器的两个端子，它们分别连接到两个电极上；端子5与前部部件绝缘，而是通过一条细金属条与振膜相连；而端子6则直接安装在前部部件上，并通过杯状结构1与碳块2，即发射器的后电极相连。

图46. Acousticon发射器
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当这种发射器用于助听设备时，它会被放置在一个由硬橡胶制成的外壳中，该外壳为一个中空的圆柱形部件7，其上还装有一个盖子8。该盖子的外缘附近有一排圆形开口或孔洞，如9所示，声波可以通过这些开口进入外壳内的腔室，然后再通过前板4中心的圆形孔到达振膜3。此外，外壳盖子8的正面也可能发生振动，从而促使声波撞击振膜。这种设计为声波提供了较大的接收面积，但由于外壳上的开口并不与发射器本身的开口相对，因此声波无法直接作用于振膜。这种特殊的结构很可能是为避免发射器产生过大的振动而设计的。

这类设备对周围的剧烈声响极为敏感，在适当条件下，甚至能对10英尺外以正常音量说出的话语做出反应。

图47. 交换台用发射器
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交换台用发射器。电话发射器的另一种特殊改进型是专为电话交换台的操作员设计的。在这种使用场景中，操作员必须能够坐在交换台前同时向发射器讲话，同时还要让双手保持自由状态以便操作。过去，人们是通过在操作员前方悬挂普通的颗粒碳式发射器来达到这一目的的，但后来的发展则出现了如图47所示的所谓“胸挂式发射器”。这种发射器实际上就是一种普通的颗粒碳式发射器，它被安装在一个固定在操作员胸前的板上，其上还有一个长长的弯曲话筒，正好位于操作员的嘴唇前方。该装置的优点在于能够自动跟随操作员的动作而移动。图47中所展示的胸挂式发射器即为Dean Electric公司生产的产品。

图48. 发射器符号
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常规图示。在展示使用发射器的电路图时，有几种常见的表示方法。最常见的三种方法如图48所示。左边的图是普通仪器的侧视图，中间的图是正视图，而右边的图则只是对隔膜与后电极的示意性排列。右边的图最为理想，也是最常用的；中间的图则最不理想，几乎不会被使用。

第六章 电话听筒

电话听筒是一种能够将语音电流的能量转换为相应声波能量的装置。如今所有的电话听筒都属于电磁式结构，语音电流会作用于电枢或振膜，使其产生变化，进而形成与语音电流波动相对应的声波。

早期的电话听筒为单极型，也就是说，电磁铁只有一个极与振膜接触。这种单极型听筒是与早期的布莱克发射器配套使用的，也曾长期作为贝尔公司的标准产品，如图49所示。尽管这类听筒现已几乎不再使用，但对其结构特点进行研究仍具有意义，以便将其与后来出现的各种听筒进行比较。

该听筒的线圈绕在一个圆形铁芯2上，铁芯的一端被压平，以便固定永磁体。永磁体由四根硬钢条1构成，这些钢条几乎贯穿整个听筒外壳的长度。每根钢条都经过单独磁化处理，且同极相对，从而形成一个整体磁铁。这些钢条成对排列，使得在一对钢条之间分别位于极片2的压平端以及尾片3的压平部分。包括铁芯、尾片以及经过磁化的钢条在内的整个磁体结构，通过螺丝固定在一起。听筒的外壳由三部分硬橡胶制成，分别是筒体4、耳塞5和尾盖6。筒体与耳塞通过螺纹连接，用于将振膜夹在两者之间。而那个复合磁铁则通过一根穿过硬橡胶尾部的螺丝7固定在壳体内。

第6章：磁铁的尾部结构。如所示，安装在尾部盖上的外部接线端子通过粗大的导线与电磁铁的端子相连。

稍加分析该仪器的磁路结构就会发现其效率较低，因为条形磁铁产生的磁力线返回路径必须经过一段很长的空气间隙。尽管如此，这些接收器仍能实现出色的音质表现，且动作极为精准。一个严重的缺陷是，磁铁被固定在距离振膜最远的壳体位置上，因此很难保持极片与振膜之间的恒定间距。其中一个原因是，硬橡胶和钢在温度变化时的收缩与膨胀速率差异很大，从而导致极片与振膜之间的距离也会随温度变化而改变。另一个严重问题则是，由于永久磁铁与支撑振膜的壳体被固定在一起，任何机械冲击都可能改变两者之间的间距。

图49. 单极接收器
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现代接收器。如今的接收器在两个重要方面与这种旧式的单极接收器有所不同。首先，现代接收器为双极型，其结构由一个马蹄形磁铁构成，该磁铁的两个极都朝向振膜。其次，现代设计中要么通过一个完全独立于外壳的内部金属框架来支撑接收器的所有部件——即磁铁、线圈和振膜；要么，如果将外壳作为结构的一部分，也会将各部件牢固地固定在靠近振膜的位置，而非远离振膜的一端。

西电公司的接收器。西电公司生产的标准双极接收器被该国几乎所有的贝尔电话公司所使用，也在国外得到广泛应用，如图50所示。该接收器的外壳由三部分组成：筒体1以及耳罩。

2，以及尾盖3。尾盖与筒体被永久性地固定在一起，从而形成几乎为一个整体的结构。使用了两个永磁体4-4，如图所示，它们的上端被夹在一起，使得软铁块5位于两者之间。其中一个磁体的北极与另一个磁体的南极相接，这样就形成了一个马蹄形磁体。这两个永磁体的下端则紧贴着软铁极片6-6，同时，在这些极片之间还有一个带螺纹的块体7也被牢牢固定住。在线圈架的末端则绕有线圈。整个磁体结构通过块体7上的螺纹与壳体1内的相应螺纹相连接，从而被固定在壳体1内。由于这种结构设计，整个磁体结构在靠近隔膜的位置与壳体结构紧密相连；正是由于这种紧密的结合，隔膜与极片之间的连接强度要远远高于那种将磁体结构与壳体在远离隔膜的一端固定的情况。

图50. 西电公司的接收器
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虽然图50中所展示的接收器是贝尔公司在全国范围内使用的标准产品，其数量高达数百万台，但由于存在至少一个相当过时的设计特点，因此不能称其为真正的现代接收器。用于将电路导线连接到该设备线圈上的接线端子位于接收器外壳的外部，这不仅容易受到机械损伤，还会让用户接触到这些端子，从而在导线带有异常电压时遭受电击。或许比上述问题更严重的是，连接在这些接线端子上的柔性电线的末端也位于接收器外壳外部，因此会遭受使用过程中的磨损，而无法得到应有的保护。尽管存在这些缺陷，这款接收器的性能依然非常出色，制造工艺也十分精良。

图51. 凯洛格接收器
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凯洛格接收器。图51展示的是一种具有内置或隐藏式接线端子的双极型接收器。这种接收器属于众多同类产品中的典型代表，由凯洛格开关与供电公司制造。两块永久磁化的条形磁铁1-1在两端被夹在一起，从而形成马蹄形磁体。在远离振膜的那一端，这两块磁铁将一块圆柱形铁片2夹在中间，以此完成该端的磁路。而在靠近振膜的一端，它们则将软铁极片3-3的末端以及一块带有大型圆形凸缘4’的复合金属块4夹在中间，该凸缘用于将磁体结构固定在壳体内。用于将金属块4’固定在壳体上的螺丝并非直接插入壳体，而是插入预先铸造成壳体结构的带螺纹的黄铜块中。从这一结构可以看出，振膜、极片以及磁体结构本身都通过壳体在尽可能靠近振膜的位置紧密地固定在一起。

在磁铁1-1之间夹有一个绝缘块5，接收器的两侧各有一个端子板6，这些端子板就固定在绝缘块上。如粗黑线所示，这些端子板通过纤维层与磁铁本身以及所有其他金属部件完全隔绝开来。在这些端子板6上还有用于连接接收器电缆端子的接线柱。每个端子板6都有一根长舌状部分，它穿过盘状件4’上的孔，伸入接收器的线圈腔内，磁铁绕组的端子便固定在这一位置上。如图所示，这根舌状部分在穿过盘状件4’时也通过绝缘衬套与盘状件隔开。磁铁绕组的另一个端子则通过另一侧的类似舌状部分连接到另一个端子板6上。

为避免接收器掉落时其重量作用在接收器电缆上而使接收器端子受到任何应力，人们将接收器电缆的编织外层延伸出来形成一个应力环，该应力环再与永磁体结构相连，如图所示。由于这个应力环较短，因此无论电缆受到多大的拉力，都不会传递到通往接线柱的电缆导线、接线柱或端子板上。

还有一些制造商采取了更为有效的措施来确保接收器振膜与极片之间的固定关系不会发生变化。他们没有将硬橡胶壳作为结构的一部分，而是将磁铁绕组置于一个金属杯中，振膜则安装在这个金属杯上，这样一来，振膜与极片之间的固定关系就只取决于金属结构，而与不太耐用的橡胶壳无关。

直流式接收器。直到1909年中期左右，人们仍然普遍使用永磁体来为电话接收器的磁芯提供初始极性。在用于磁电电话的接收器中，至今仍采用这种方法，因为这是必要的。然而，在共用电池系统中，由于发射电流是从中心局输送到各个本地站的，人们发现，这种必须流经线路的电流还可以用来为接收器的磁铁供电，从而为其提供所需的初始极性。有一种类型的接收器……

因此，这种接收器被广泛使用，它通常被称为直流接收器。其名称的由来在于：它利用电池线路中的直流电来为接收器磁芯提供磁场。芝加哥的Automatic Electric Company很可能是第一家将这种类型的接收器作为标准产品的公司。图52展示了该接收器的剖面结构，而图53则显示了该仪器在部分拆解后的照片。这种接收器最显著的特点就是没有永久磁铁——所有的活动部件都位于黄铜杯1之内，该黄铜杯不仅用于容纳磁体，还充当隔膜的支撑结构。因此，这种接收器正好体现了上述那种类型的特点，即隔膜与极片之间的连接并不需要通过外壳来实现。

图52. Automatic Electric Company的直流接收器
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图53. 自动电气公司直流接收器
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该仪器的线圈由一个圆柱形线轴2构成，该线轴安装在一个圆柱形磁芯上。这个线轴位于软铁制的外壳3之内，其结构在图53中展示得最为清晰。该外壳为磁芯中的磁力线提供了返回路径，使其能够回到隔膜处。显然，当有磁化电流流过线圈的绕组时，磁芯靠近隔膜的那端会呈现正极，而外壳的另一端则呈现负极。这样一来，磁体的两极都面对着隔膜，而磁路中唯一的空气间隙就是隔膜与这两极之间的间隙。由于磁路几乎完全由铁构成，只有隔膜与磁极之间的那部分是空气间隙，因此这种磁路的效率非常高。

要理解这种接收器的工作原理，只需知道：如后续章节将说明的，在使用普通电池的情况下，会有恒定电流流经线路以给发射器供电。与此同时，来自远处电台的语音信号电流也会叠加在这股恒定电流之上。对于这种接收器而言，流经线圈的恒定电流会像使用永久磁体一样在磁芯中产生磁场。而叠加在上面的语音信号电流则可以像在普通接收器中那样改变这一磁场。

所谓直流接收器的这一最新发明令人惊讶之处在于，它直到普通电池技术应用约20年后才被投入使用。其实它的原理并无新意。

所有这些概念其实早已为人所知，其中一些还被贝尔用于他最初的电话设计中；事实上，这样的想法曾被反复提出，但都因被认为不值得考虑而被搁置。这正体现了在几乎所有快速发展的技术领域中都会出现的现象：在技术发展的初期被视作无用的想法，最终会被重新采用并加以利用。其原因在于，有些时候这些想法先于技术本身出现，或者在技术尚未准备好使用它们之前就被提出来；另外，最初提出的想法可能缺少某些虽小却至关重要的细节，或者更常见的是，早期的实验者缺乏足够的技能或知识，无法让这些想法满足他们的需求。

Monarch接收器。刚才提到的Automatic Electric Company的接收器仅使用一个电磁铁，以此来实现磁芯的初始磁化以及语音再现所需的可变磁化效果。Monarch电话制造公司的Ernest E. Yaxley则采用了另一种方法来解决直流接收器的问题，其结果如图54所示。这种接收器的结构与普通的永磁体接收器类似，不同之处在于它使用的是两个软铁芯1-1来代替永磁体。在这些软铁芯上绕有两条绝缘导线制成的长绕组，这样通过电话线传来的直流电就会流经这些绕组，从而使磁芯产生与永磁体相同程度的磁化效果。这些软铁磁芯1-1一直延伸到靠近线圈腔的位置，在那里与两个软铁极片2-2相连，而普通的音频电流绕组则绕在这些极片上。那两条可称为直流绕组的长绕组4-4的电阻值略低于音频电流绕组3-3的电阻值；不过由于它们的匝数更多，且磁芯中的铁含量也更高，因此其阻抗要远高于音频电流绕组3-3。这两组绕组4-4和3-3以串联方式连接。由于4-4绕组的欧姆电阻较低，因此它能吸收更多从线路上传来的恒定电流，从而有更大比例的恒定电流被用来磁化条形磁铁。而由于它们对交流电的阻抗较高，叠加在恒定电流之上的几乎所有音频电流都会……

流经线圈的电流会穿过音频电流线圈3-3，由于这些线圈靠近振膜，因此它们会改变磁芯2-2中的恒定磁场，从而促使振膜产生所需的振动。

图54. Monarch直流接收器
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与Automatic Electric Company生产的接收器一样，这种接收器并不依赖外壳来维持极片与振膜之间的固定关系。由黄铜压制而成的杯状部件5既容纳着音频电流线圈，同时也充当振膜的支撑结构。只需将耳件从硬橡胶外壳上拧下，就可以取出该接收器的所有工作部件，从而方便地将其整体取出来。

Dean接收器。Dean Electric Company最近推出的这款接收器具有极高的创新性，堪称革命性的产品，如图55所示。它属于直流型接收器，仅使用一个圆柱形的绕线管。该绕线管的磁芯以及其中产生的磁力线的返回路径，都是由呈E字形的软铁片构成的。这些软铁片被排列在一起……

这些部分共同构成了层叠式的软铁磁路，其横截面大致为方形。线圈绕在这个作为磁芯的E形结构的中心部分上，而该磁芯的横截面也呈近似方形。因此，这种仪器的磁路结构与Automatic Electric Company公司所生产的接收器类似，见图52和图53，只不过这里的磁芯是层叠结构而非实心结构。

图55：Dean钢制外壳接收器
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这款Dean接收器最独特之处在于，其外壳并非由硬橡胶或类似材料制成，而是完全由钢制冲压件构成。外壳的主要部分就是筒体1。显然，制造这个筒体时采用了冷拔工艺，因此它既没有接缝也没有焊点。耳罩2也是由与筒体1相同规格的钢材制成的。为了使这些钢制部件能够直接相互连接，人们并没有采用螺纹连接的方式，而是采用了巧妙的办法：在筒体部分加工出一个黄铜环3，在耳罩部分则加工出一个类似的黄铜环4，这两个环上都有槽口。

如8处所示，这些部件上设有键槽，以此防止它们在各自的位置上转动。环3带有外螺纹，而环4则带有内螺纹，因此接收器盖可以像普通橡胶外壳那样通过螺纹固定在枪管上。通过使用这些黄铜螺纹环，解决了类似部件在钢制结构中常出现的部件锈蚀粘连、无法拆分的难题。

图56：Dean接收器的各个工作部件
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该接收器的所有工作部件都位于杯状结构5内部，其边缘向外凸出，为隔膜提供支撑位置。如示意图所示，隔膜通过带螺纹的环6固定在壳体上。由绝缘材料制成的环7则位于枪管1的加宽部分内，杯状结构5的边缘就靠在这个环上，当盖子2被拧紧时，就能将隔膜固定到位。图56展示了该接收器部分拆解后的状态，从而更清晰地呈现出图55中未详细显示的一些结构特点。

不可否认，用户端设备维护工作中的主要问题之一就是接收器外壳的损坏。用户常常让接收器掉落到地面或墙壁上，这不仅会给连接线带来巨大压力，有时还会导致接收器外壳出现裂纹甚至完全破裂。Dean公司提出的将整个接收器外壳制成钢制的创新方案极具价值。正如所看到的，这种外壳与接收器的电路完全隔离，因此用户不会因接触而触电。此外，该外壳的内外表面还涂有搪瓷。

其表面涂有厚重的黑色绝缘釉面，据说具有极高的耐用性。不过这种釉面的耐磨损性能还有待观察。为防止内部部件与外壳金属发生接触，在外壳中那些可能产生接触的部位都设置了纤维衬里，进一步起到绝缘作用。这类接收器上市时间尚短，因此还无法根据实际使用经验来判断其长期性能如何。

到目前为止，本章仅讨论了通常被称为“手持式接收器”的那种接收器，也就是普通民众最常使用的那种接收器。

图57. 操作员用接收器
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操作员用接收器。在电话交换机的中心机房里，操作员们会配备这样的接收器，以便与用户或其他操作员进行沟通。为了让他们能够双手自由地完成线路的连接与断开以及各种切换操作，人们专门设计了一种接收器，它作为头饰的一部分佩戴在头上，因此被称为“头戴式接收器”。这类接收器必须结构轻巧，以免给操作员带来负担，同时还要具备良好的性能。它们通常通过一条金属头带固定在操作员的耳朵上。

图57展示了该接收器的截面结构，而图58则显示了其完整组装后的样子，包括头带部分。如图57所示，接收器的外壳1由铝制成，磁体则由钢环2构成，这些钢环经过交叉磁化处理，使得环的一侧为北极，另一侧为南极。两个L形磁极片3通过螺丝固定在这些钢环磁体的极上，如图所示，这些磁极片上还装有磁线圈。这些磁极以与大型手持接收器完全相同的方式作用于软铁振膜，而振膜则由硬橡胶耳罩固定到位。头带通常由覆有皮革的钢制材料制成。虽然头带的形状多种多样，但图58中所展示的即为最常用的样式。

图58. 操作员用接收器及导线
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图59. 接收器符号
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常规符号。图59展示了手持式及头戴式接收器的常用示意图。这些符号的含义一目了然。图中左侧的符号描绘了接收器的大致轮廓，是在电路图中表示各类接收器时最常用的符号，不过在需要更详细地说明时……

与接收器中一个或多个线圈的实际连接方式而言，建议使用右侧所示的符号；当然，根据需要，可以调整绕组数量及磁芯形状。

第七章 原电池

1786年，意大利医生伽尔瓦尼发现，化学作用能够产生电流。1800年，同样是意大利人的物理学家伏打进一步阐明了伽尔瓦尼的发现，并制造出了我们如今所熟知的伏打电池或伽尔瓦尼电池。为纪念这两位发现者，人们便使用了“伏特”“伽尔瓦尼”以及由此衍生出的各种术语。

简单的伏打电池：如图60所示，只需将一块铜板与一块锌板放入装有稀释硫酸的玻璃容器中，即可构成一个非常简单的伏打电池。当这两块板没有通过导线或其他导体相连时，实验表明铜板带正电，而锌板带负电。当两块板通过导线相连时，电流会通过导线从铜板流向锌板，这正是高电势导体与低电势导体相连时的预期现象。通常情况下，当一个带电体与另一个电势不同的物体相连时，由于电荷重新分布以及电势趋于平衡，产生的电流只会持续很短时间。然而在这种简单电池中，电流却是持续的，这说明有某种力量在维持着两块板上的电荷，从而保持它们之间的电势差。这种电流的能量来源于酸对锌的化学作用。实际上，这种电池可以说是一种“燃烧锌的炉子”。

在电池工作时，当两块板通过导线相连时，可以观察到锌板会被逐渐消耗，同时铜板表面会形成氢气气泡。

理论：目前尚不清楚，在伏打电池中，化学作用究竟为何或如何导致被消耗的板上出现负电荷。

现代理论认为，当酸被稀释在水中时，酸分子会分裂或解离成两个带相反电荷的原子或原子团，其中一个带正电，另一个带负电。这类带电的原子或原子团被称为离子。化学化合物的分子分解为带正电和负电的离子这一过程被称为解离。

因此，在所讨论的简单伏打电池中，硫酸通过解离作用分裂成带正电的氢离子以及带负电的SO4离子。整个溶液的电荷呈中性，因为正负电荷的数量相等且符号相反。

图60. 简单伏打电池
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已知当金属被酸溶解时，从金属上脱离的每个原子都会以带正电的离子形式离开金属。由于正电荷从原本中性的物体中移除，该物体就会带有负电。因此，锌板也就是被消耗的金属板，会带上负电。

在硫酸对锌的化学侵蚀过程中，由于带负电的SO4离子与锌有亲和力，带正电的氢离子会被释放出来。

正电荷的锌离子会导致溶液中形成硫酸锌。此时，由于锌离子从锌板上离开，溶液本身便带上了正电荷；而如前所述，在溶液中产生的自由正电荷氢离子则会被吸引到铜板上，将其正电荷带到铜板上。因此，铜板，也就是未被消耗的电极板，也会带上正电荷，并且表面会出现氢气泡。

伏打电池的电极并不一定非得是锌和铜，作为电解质的液体也未必是硫酸；只要将两种不同的元素浸入一种能更轻易地腐蚀其中一种元素的电解质中，就能构成伏打电池。在每一个这样的电池中，总会有一个电极被消耗，而在另一个电极上则会沉积出某种元素，这种元素有时是气体，有时则是固体。被消耗的电极始终是负极，而沉积有元素的电极则是正极，因此电流总是从未被消耗的电极流向被消耗的电极。在刚才讨论的简单铜-锌电池中，锌会被消耗，氢元素则会在铜板上沉积，而电流则从铜流向锌。

那些从被消耗的锌电极上离开，然后通过电解质流向未被消耗的铜电极的正电荷，实际上构成了在电解质中流动的电流。因此，电池中的电流是从锌电极流向铜电极的。所以，可以说锌相对于铜来说是正极。

电势差：当两种不同的元素浸入电解质中时，它们之间产生的电动势大小会因元素的不同以及电解质的不同而有所差异。对于某种特定的电解质而言，每种元素都与另一种元素存在一定的关系，也就是说，它们彼此之间要么是正电性，要么是负电性。在下表中，以稀硫酸作为电解质，列出了各种元素之间的电势关系。电正性最强的元素位于表格顶部，而电负性最强的元素则位于底部。

+ 钠、铅、铜
镁、铁、银
锌、镍、金
镉、铋、铂
锡、锑、石墨（碳）

从这份列表中选取任意两种元素，将其浸入稀硫酸中，即可构成一个伏打电池。两元素之间的电势差，也就是电动势，取决于它们在序列中的相对位置。电池中的电流总是从列表中位置较高的元素流向位置较低的元素，即从电正性较强的元素流向电负性较强的元素；因此，连接两极的导线中的电流则从列表中位置较低的元素流向位置较高的元素。

从这个序列可以看出，为什么锌和铜，以及锌和碳，常常被选作伏打电池的组成元素——它们在序列中的位置相差较大，且价格相对较低。

不过，这一序列并不适用于所有电解质，因为不同的电解质会改变元素在序列中的顺序。例如，如果将一块铁板和一块铜板浸入稀硫酸中，电流会从铁板流向铜板；但如果将这两块板子仔细清洗后放入硫化钾溶液中，电流的流动方向就会相反，此时铜板成为正极。

表II展示了各种主要金属在三种不同电解质中的电学行为。其格式与前面的表格相同，每种金属都比列表中位置较低的元素具有更强的电正性。

表II：金属在不同电解质中的行为

苛性钾、盐酸、硫化钾

+ 锌 + 锌 + 锌
锡 镉 铜
镉 锡 镉
锑 铅 锡
铅 铁 银
铋 铜 锑
铁 硼 铅
铜 镍 硼
镍 银 镍
- 银 - 锑 - 铁

需要记住的是，在所有电池中，无论使用何种元素或电解质，被消耗的电极会带负电，其端子也就成为负极；而未被消耗的电极则带正电，其端子则为正极。不过，由于电解液中的电流是从被消耗的电极流向未被消耗的电极，因此被消耗的电极被称为正极，未被消耗的则被称为负极。这可能会让人感到困惑，但只要记住：活性电极就是正极，因为它会向电解液中释放正离子，从而自身带负电，这样就能始终确定电流的流动方向，而这才是最重要的。

极化现象：如果将上述简单电池的端子用导线连接起来一段时间后，会发现电流会迅速减弱直至完全消失。这种电流减弱的原因是多方面的：首先，电池工作时产生的氢气会在铜板上形成一层沉积物，覆盖住铜板，从而减少其与电解液的接触面积。由于氢气是绝缘体，这就会增加电池的内阻。其次，被覆盖的铜板实际上就变成了氢电极，而氢是一种电正性很强的元素。因此，电池的电动势会下降，同时内阻也会增加。

电阻。这种现象被称为极化现象，而在商用电池中，必须采取相应措施来尽可能避免这种现象的发生。

实际上，防止或减少电池极化现象的方法可分为三类：第一类是机械方法。如果将氢气泡从电极表面刷掉，那么由这些气泡引起的电阻以及反向电势就会降低。通过管道向溶液中吹入空气，或者让液体保持流动状态，也能达到同样的效果。如果使电极表面变得粗糙或布满凸起点，气泡就会更易聚集在那些凸起点上，然后更快地被带到液面。不过，这类方法除了在实验室用的电池中外，几乎无法实际应用。

第二类是化学方法。如果在电解液中加入强氧化性物质，这些物质会在氢气泡形成初期就与它们发生反应，从而破坏这些气泡，进而防止内阻增加以及反向电动势的产生。常用的此类物质有重铬酸盐、硝酸和氯气。

第三类是电化学方法。通过多孔隔板或重力作用将电极与电解质分开的双电池结构，可以使得电流离开液体时释放出固体铜而非氢气，从而完全避免极化现象。这种方法也被广泛使用。

局部作用现象。当简单电池处于断开状态时，即电路未闭合时，会观察到有少量氢气泡从锌电极上升，而不是像电路闭合时的情况那样从铜电极上升。这是由于锌板中含有杂质，如铁、锡、砷、碳等颗粒。这些颗粒会与周围的锌发生反应，其作用方式与电解质中任意两种不同元素之间的反应类似；换句话说，它们构成了小型伏打电池。因此会产生局部电流，在两种相邻金属之间流动，从而导致锌板和电解液被不必要的消耗，进而影响电池的整体性能。这种现象就被称为局部作用现象。

纯锌材料。虽然使用化学纯度的锌可以避免局部作用现象，但由于成本过高，无法在商业应用中使用。不过，通过将锌与汞结合在一起，即给锌表面涂上汞层，就可以在很大程度上克服局部作用现象。因为铁颗粒和其他杂质不会像在汞中那样溶解。

锌会浮到表面，而可能形成的氢气泡会迅速将它们带走；在其他情况下，这些杂质则会沉降到电池底部。当糊状汞齐中的锌溶解在酸中时，汞膜会与新的锌结合，从而始终为电解质的作用提供一层清晰、明亮且均匀的表面。

将锌制成汞齐的方法是将锌浸入由以下成分组成的溶液中：硝酸1磅、盐酸2磅、汞8盎司。首先需将这两种酸混合，然后再慢慢加入汞直至其完全溶解。用碱液清洗锌，然后将其浸入该溶液中1到2秒，之后用清水冲洗并用刷子擦拭。

另一种制作锌汞齐的方法是先将锌浸入稀硫酸中进行清洗，然后再浸入汞中，让多余的汞流走。

目前用于伏打电池的商用锌，在铸造成板材或棒材之前，通常会在熔融的锌中加入约4%的汞。

串联与并联连接。当多个伏打电池串联在一起时，一个电池的正极与下一个电池的负极相连，如此依次连接下去。此时所有电池的电动势会相加，整个电池组的电动势就等于各组成电池电动势之和。这种情况下，所有电池中的电流大小都相同。

如果电池并联连接，则所有的正极通过一根导线相连，所有的负极通过另一根导线相连。此时所有电池的电流也会相加，而只要各个电池的电动势相同，那么整个电池组的电动势仍与单个电池的电动势相同。

显然，可以将这两种结构组合起来，例如将多个电池单元串联起来，再将这些串联的单元并联或以其他方式连接在一起。

“电池”一词通常用于指单个伏打电池，但实际上它更恰当的是用来指多个电池单元通过串联、并联或串并联的方式连接在一起，从而共同产生电流以驱动外部电路。因此，我们可以用“电池”来指代由多个电池单元组成的整体。不过，尽管从技术上讲并不准确，但人们仍常常将单个电池也称为电池，这样一来，“电池”这一术语由于必然意味着多个电池单元的存在，其原有的含义已逐渐丧失。

电池可分为两种类型：一次电池和二次电池。

一次电池是由不同元素的电极构成的，当这些电极置于电解质中时，即可立即开始工作。

二次电池，通常被称为储能电池或蓄电池，则由两块惰性金属板或金属氧化物板构成，它们浸在电解质中。在电流从一块板流向另一块板之前，电解质不会对这两块板产生任何作用。当电流开始流动时，电解质会发生分解，两块板的成分也会发生变化，其中一块变为正极，另一块变为负极。此时，当充电电流停止后，该电池就可以作为伏打电池使用。

本章仅讨论一次电池。

一次电池的类型。一次电池大致可分为两类：一类是能够提供恒定电流的电池；另一类则是只能提供间歇性电流的电池。这类电池之间的差异主要在于防止或减少极化现象的方法。显然，在那些完全避免了极化现象的电池中，电流可以持续流动，直到电池完全耗尽为止——也就是说，直到锌被完全消耗掉，或者电解质中的氢气耗尽，或者两者同时发生。而有些电池的结构则会导致极化现象更快地出现。

为防止这种情况发生，相关措施可以发挥作用。换言之，极化作用会逐渐超过这些预防措施的效果，从而通过增加电池的电阻并降低其电动势来逐渐减少电流。不过，在这类电池中，如果让电池处于静止状态，也就是当外部电路断开时，去极化作用就会逐渐起作用，将未被腐蚀电极上的氢气去除，从而使电池恢复到可再次使用的状态。

在这两种类型的原电池中，间歇性电流电池在电话通信中的应用远多于恒定电流电池。因为在电话系统中，原电池的使用大多属于间歇性的，因此，那种能够输出较强电流数分钟，之后又能几乎完全恢复初始性能并准备再次使用的电池，显然比那种能持续输出较弱电流的电池更受欢迎。

由于那些适合提供恒定电流的电池通常用于始终处于闭合状态的电路中，因此它们被称为闭合电路电池。而那些更适合产生间歇性电流的电池，则通常用于大部分时间都处于断开状态、仅在需要电流时才闭合的电路中，因此它们被称为开路电池。

开路电池——勒克兰谢电池：在电话通信领域，最重要的原电池当属所谓的勒克兰谢电池。这种电池有多种形式，但始终以锌作为负极材料，碳作为正极材料，而氨盐溶液则用作电解质。它采用化学方法来应对极化问题，所用的去极化剂是锰过氧化物，这种物质与碳元素紧密结合在一起。

勒克兰谢电池的最初形态——在不久前仍被广泛使用的那种形态——如图61所示。在这种结构中，碳元素被放置在一个由多孔黏土制成的圆柱形容器内，该容器的壁具有足够的渗透性，使得水分能够缓慢渗入。在这个被称为“多孔杯”的结构中，还放置有一块碳制板或圆盘，而在其周围则分布着由黑色锰氧化物构成的去极化剂。这种物质通常会与破碎的碳混合在一起，以此进一步提升其效果。

与去极化剂接触的碳元素的有效面积，也有助于降低电池的总内阻。锌电极通常只是一根锌棒，其上端装有合适的接线端子。

图61. LeClanché电池
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LeClanché电池内部的化学反应简述如下：氨盐在化学上被称为氯化铵，是由氯和氨结合而成的物质。当电流流过该电池时，氨盐会发生分解，其中的氯离开氨分子并与锌板上的原子结合，形成氯化锌，同时释放出氨气和氢气。氨气会立即溶解在电池中的水中，而氢气则进入多孔杯中；若非遇到了二氧化锰，氢气会迅速使电池极化。二氧化锰含有大量的氧，因此能够轻易地释放出部分氧，这些氧与已释放出的氢气结合形成水，从而留下所谓的二氧化锰。氢气的这种吸收或结合作用可以防止电池立即极化，但由于电池工作时氢气的生成速度远远快于其与锰中的氧结合的速度，因此电池仍会较快地发生极化现象。

当电池处于高负荷工作状态时，可以防止这种情况发生。然而，如果让电池的外部电路保持断开状态一段时间，氢气会逐渐与锰过氧化物中的氧结合，从而导致去极化现象，此时电池便能恢复过来，并在短时间内恢复到正常的电动势。

这种电池在刚出厂时的电动势约为1.47伏特。如图61所示的这种电池的内阻大约为1欧姆，通常情况下其值会更小而非更大。

图62以剖面图的形式展示了另一种更新型号的勒克兰谢电池。它实际上使用与图61中所示的旧式盘状勒克兰谢电池相同的材料，化学反应机制也相同。不过，它没有使用多孔杯结构，而是采用了碳电极，而碳电极本身就起到了容纳去极化剂的作用。

图62. 碳圆筒型勒克兰谢电池
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碳电极呈波纹状空心圆筒形，其内部的螺纹与碳盖外侧的相应螺纹相啮合。该圆筒内装有碎碳和过氧化锰的混合物。锌电极则呈空心圆筒形，几乎完全包裹着碳电极，两者之间通过缠绕在碳电极上的厚橡胶带隔开。作为锌电极端子的金属棒则穿过盖板上的瓷套，以避免短路。这种电池的电动势约为1.55伏，经过剧烈使用后也能很快恢复性能。此外，它的内部电阻也远低于那种使用多孔杯的勒克兰谢电池，因此能够产生更大的电流。

这类电池有多种不同的结构形式。在某些结构中，碳电极以及碎碳和过氧化锰被装入帆布袋中，再将其悬浮在电解液中，通常还会被锌电极包围。而在其他结构中，锰去极化剂则是直接与碳电极一起成型制成的。

为防止电池内的盐分溢出玻璃容器的边缘以及碳电极的上部，人们通常会将碳电极的上端以及玻璃容器的上缘浸入热石蜡中。

在组装勒克兰谢电池时，应在容器中放入不超过四盎司的白色氨盐，再注入三分之一直径的水，然后搅拌直至氨盐完全溶解。

所有物质都会溶解。随后将碳元素和锌元素放入相应位置。在多孔罐或碳圆柱体的通风孔中倒入少量水，有助于加速反应进程。

不应使用过量的氨盐溶液，因为饱和溶液会导致锌表面析出晶体；另一方面，溶液的浓度也不宜过低，否则锌表面会形成氯化锌。这两种情况都会显著增加电池的电阻。

勒克兰谢电池的一大优点是：在不使用时几乎不会产生任何材料浪费。它不含具有强腐蚀性的化学物质。这类电池几乎不需要特别照料，只需偶尔添加水以补充因蒸发而流失的水分即可，直到电极耗尽为止。它们能产生相对较高的电动势，内阻也处于较低水平，因此能够在短时间内提供较大的电流。如果制造得当，即便经过频繁使用导致极化，它们也能很快恢复功能。

干电池。迄今为止所讨论的所有类型的电池都可以被称为湿电池，因为它们都使用了液态电解质。这个术语是为了与后来出现的、通常被称为干电池的电池相区分而使用的。不过“干电池”这一名称在某种程度上并不准确，因为它实际上并非干燥的，如果真是干燥的，那就无法正常工作了。这类电池能够正常工作的前提是内部必须保持湿润，一旦水分蒸发，电池就不再具备功能，因为此时不会再有有效的化学反应发生。

所有的干电池都属于勒克兰谢类型，只不过该类型的液态电解质被一种能够长时间保持湿润的半固态物质所替代。

与普通的湿式勒克兰谢电池一样，其电极也是由碳和锌构成的。锌元素以圆柱形杯状存在，作为电池的容纳结构；而碳元素则以棒状或板状存在，位于锌的中心位置，且在任何点上都与锌保持隔离状态。

图63展示了一种优质干电池的截面结构。其外壳由锌制成，呈圆柱形杯状，不仅起到容纳作用，还充当负极。锌的外表面在侧面和底部均覆盖有厚厚的纸板，以此使其与可能接触的其他物体隔绝开来，尤其是与同一电池中其他电池的锌杯隔开。正极则是一根纵向有褶皱的碳棒，这样的设计是为了增加其表面积。该碳棒被放置在锌杯的中心位置，不会与其直接接触，而两者之间的空间则填充着过氧化锰、碳粉以及氨盐的混合物。

吸水纸的厚度构成了锌电极内部的衬层，可防止锰混合物直接与锌电极接触。电池则用沥青密封，而沥青则是铺在由等量沙子和锯末混合而成的层上的。

图63. 干电池
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这类电池中的电解质，其成分及比例因电池类型的不同而有所差异，同时，将各种元素放入容器中的方式也各不相同。

以下列出的材料及其大致比例，可作为常见类型电池填充混合物的参考示例：

二氧化锰：45%
碳或石墨，或两者兼有：45%
氨盐：7%
氯化锌：3%

向上述混合物中加入水，然后为每个电池取适量混合液，使得在放入碳之后，锌杯能被填满约八分之七。所需的水量取决于材料的初始干燥程度与细度以及纸衬层的质量。

在某些类型的干电池中，还会添加淀粉或其他浆状物，以改善电解质与锌之间的接触，并促进电解质的均匀分布。

在电解液中，通常还会添加汞，以促使锌发生合金化反应。

与普通的湿式莱克兰谢电池一样，锰的作用是充当去极化剂；而碳或石墨则用于提升锰的导电性，并形成较大的电极表面积。作为电池活性物质的氨盐必须没有结块，这样才能与锰和碳充分混合。

在干电池中，由于用于焊接锌杯以及将锌端子与锌杯相连的金属材质不同，会产生一定的局部电化学反应。不过，在质量较好的干电池中，这种反应相当轻微。由于这一原因，再加上电池内部水分逐渐蒸发，这些电池即便不使用也会逐渐性能下降——这种现象被称为“搁置损耗”。在体积较小的干电池中，搁置损耗更为严重。

干电池有各种不同的形状和尺寸，但最常用的是普通圆柱形。其尺寸从高1.5英寸、直径0.75英寸到高8英寸、直径3.75英寸不等。最常用且标准的干电池为圆柱形，高6英寸，直径2.75英寸。新且状态良好的干电池，其开路电压在1.5到1.6伏特之间，通常平均值为1.55伏特。

尺寸为2.75英寸×6英寸的干电池，在其使用寿命内最多可提供约30安时的电量，不过这一数值会因使用条件及电池品牌的不同而有很大差异。在其使用寿命期间，其有效电压约为1伏特；如果总共能提供30安时的电量，那么该电池的能量容量约为30瓦时。不过这一数值并不十分精确，因为电池的瓦时容量不仅取决于电池的型号，还与其放电速率密切相关。

观察图63可以发现，干电池具备勒克兰谢电池的所有基本要素。电极的材质相同，而勒克兰谢电池中的多孔圆盘则由吸水纸圆柱体来替代，在干电池中，该圆柱体用于将锌与碳电极隔开。带正电的电极并非仅仅指碳板或碳棒本身，而是指那些包裹着过氧化锰及碎碳混合物的碳棒。既然如此，显然电极之间的间距非常小，而两电极的表面积则很大。因此，该电池的内阻很小，能够输出的电流也较大。

在短路情况下，电流会相应地很大。一块尺寸为2又3/4英寸乘6英寸的优质电池，在刚使用时，短路时的电流可达18到20安培。

随着电池的使用，会生成氯化锌和氨气；由于水中含有足够的水分来溶解氨气，因此会形成锌铵双氯化物。这类双氯化物的溶解度低于单纯的氯化物，它们会填充在电解质与锌之间的纸质隔层中的孔隙里，从而大幅增加电池的内阻。随着电池使用时间的增加，其内部逐渐干燥，这也会进一步导致电阻上升。

近年来，干电池在机械结构、化学性能以及电气性能方面都得到了极大提升，其输出功率更高，充电性能也更好，远远优于其他类型的莱克兰谢电池。此外，由于其体积小、不会破损或泄漏，且成本较低，因此在便利性和经济性方面也毫无竞争对手。

**闭路电池——重力电池：** 接下来我们来谈谈闭路电池或恒流电池。其中最重要的一种就是由丹尼尔发明的著名重力电池，也就是人们常说的蓝石电池。这种电池被广泛用于电报通信，而在需要持续供应少量电流的电话系统中也有广泛应用。图64展示的就是这种电池的构造。

重力电池的电极由铜和锌制成。铜板浸入的溶液主要是硫酸铜溶液，也就是所谓的蓝石溶液，它溶解在水中。当电池开始工作后，锌板则浸入由其周围形成的硫酸锌溶液中。

玻璃罐通常为圆柱形，标准尺寸为直径5英寸、深度7英寸，或者直径6英寸、深度8英寸。铜电极是由铜片制成的，表面覆盖着蓝石晶体或硫酸铜晶体。在后来设计的电池中，铜电极往往只是一根水平放置的粗长矩形铜棒，直接置于蓝石晶体之上。在所有情况下，都会用绝缘橡胶线将铜电极固定起来，这条导线会穿过电解液，从而构成正极。

图64. 重力电池
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如所示，锌通常呈“乌头状”，因此这种电池才被称为“乌头形电池”。从本质上讲，这是一种双流体电池——在反应过程中会生成硫酸锌，由于硫酸锌的密度小于硫酸铜，它会上升至容器顶部并包围住锌。因此，重力起到了使两种液体保持分离的作用。

当外部电路闭合时，电池开始工作，此时会生成硫酸，硫酸会与锌反应生成硫酸锌，并释放出氢气。氢气会趋向于附着在铜板上。但在这一过程中，氢气必然要穿过围绕在铜板周围的硫酸铜溶液。氢气会立即与SO4离子结合，从而形成硫酸，并释放出金属铜。由于硫酸的密度小于硫酸铜，它会上升至锌的表面并继续与锌反应，生成更多的硫酸锌。如此产生的金属铜则会沉积在铜板上，从而使铜板表面保持光亮清洁。由于氢气被引开，不会在铜板上产生极化现象。

硫酸锌是无色的，而硫酸铜则是深蓝色的，因此很容易分辨出两种液体的分界线。这条分界线被称为“蓝线”，必须注意不要让它接触到锌，否则会导致铜沉积在锌上。

如前所述，这两种液体不易混合，但只要电池的化学反应能够快速消耗掉溶解的硫酸铜，它们最终还是会混合在一起。由此可见，虽然该电池不存在极化现象和局部反应，但如果电池无法持续快速地消耗硫酸铜，其性能仍会逐渐下降。

该元件允许在开路状态下长时间保持工作状态。因此，当需要恒定电流时才应使用它。

防止盐分迁移：在重力式电池中，由于盐分会从容器边缘迁移而引发诸多问题。为避免这种情况，人们常常将容器上缘浸入热石蜡中以形成保护层。有时也会在容器内的液体表面倒入油，以此防止盐分迁移以及电解液的蒸发。芝加哥的威廉·里德先生所进行的实验有助于了解这些方法以及其他防止盐分迁移方法的优缺点。

实验中使用的都是尺寸为5英寸×7英寸的玻璃容器，共组装了4个电池，它们被放置在较为干燥且温暖的环境中运行，其环境条件应不会比大多数电话交换机所在的环境更为恶劣。第1个电池为普通结构；第2个电池的容器边缘被浸入熔化的石蜡中约1英寸深，从而在边缘形成保护层；第3个电池则在液体表面倒入熔化的石蜡，形成厚度约为3/16英寸的密封层，冷却后又在密封层上钻了几个小孔以便气体排出；第4个电池的溶液表面则覆盖着厚度接近1/2英寸的厚石蜡油层（约6盎司）。

这些电池每天以0.22至0.29安培的电流运行15.5小时，连续运行30天后，得到了以下结果：

(a) 普通结构的电池（即第1个电池）需要添加26盎司的水来补充因蒸发而流失的水分。硫酸锌盐的分迁移现象十分严重。

(b) 边缘涂有石蜡的电池（即第2个电池）也有26盎司的水分蒸发，而且石蜡层并未能阻止硫酸锌盐的分迁移，因此这种处理方法毫无效果。

(c) 采用石蜡密封的电池（即第3个电池）几乎没有水分蒸发，硫酸锌盐的分迁移也很轻微，仅有在密封层与容器边缘接触不紧密的地方出现少量盐分迁移现象。

(d) 采用石蜡油密封的电池（即第4个电池）既没有水分蒸发，也没有盐分迁移现象。

里德先生通过上述实验得出结论：涂在罐口上的蜡完全无效，没有任何好处。虽然蜡封能在一定程度上防止硫酸锌盐的渗出，但并不能完全杜绝这一现象。带蜡封的罐子必须钻些孔以便气体排出。这种方法几乎无法用于商业应用，因为不仅难以制作出外观整洁的电池，而且也几乎无法对其中的物质进行操作。涂上厚度约为1/2英寸（约6盎司）的石蜡油，就能有效防止蒸发以及硫酸锌盐的渗出。经过石蜡油密封处理的电池，其外观要比1号和2号电池整洁得多。实验还发现，锌可以通过石蜡油被抽出、清洗后再放回，而不会对电压或电流产生明显影响。

组装方法：在组装电池时，首先将铜电极展开成十字形，然后将其放入罐底。接着向罐中加入足够的硫酸铜或蓝矾晶体，使其几乎覆盖住铜电极。再放入锌制部件即可。

然后将其固定在适当位置，使其位于铜块顶部上方约4英寸处。接着倒入足够量的清水，使液面距离罐顶约1英寸。

如果不需要立即使用该电池，可以让它处于短路状态一段时间，让其自行生成硫酸锌。不过，也可以通过从正在使用的电池中取出约半品脱的硫酸锌溶液并倒入该罐中来使其立即可用；如果这样做不方便，也可以向液体中加入4到5盎司的硫酸锌粉末，或者滴入大约10滴硫酸。当电池处于正常工作状态后，还可以加入厚度为半英寸的优质石蜡油。

如果蓝色标记的位置过低，且电池底部有足够的硫酸铜，可以通过用注射器抽出部分硫酸锌并替换为水来提升蓝色标记的位置；如果蓝色标记的位置过高，则可以通过让电池处于短路状态一段时间，或从另一电池中加入更多硫酸锌溶液来降低其位置。一旦硫酸铜耗尽，就需要再加入一些晶体来补充。

在寒冷天气中，需注意保持电池的温度在65华氏度或70华氏度以上。如果温度低于此值，电池的内阻会迅速上升，甚至在50华氏度时，电池的性能也会大幅下降。这是因为液体的电阻会随着温度的升高而降低，而在较低温度下化学反应的速度也会变慢。

重力电池的电压基本恒定，约为1.08伏特。其内阻相对较高，很少低于1欧姆，通常会达到6欧姆左右。因此，它最多只能产生约1安培的电流。重力电池可能是受电化学因素影响而出现去极化现象的最常见类型的电池。

富勒电池：这是一种适用于需要大电流的开放式电路工作以及封闭式电路工作的电池，其所能提供的电流强度高于重力电池。这种电池的电极分别是锌和碳，其中锌通常以重锥形的形式存在，放置在一个多孔杯中。富勒电池的电解液被称为电离子流体，由重铬酸钠或重铬酸钾、硫酸和水混合而成。

图65展示了标准富勒电池的各个组成部分，这种电池曾被多家贝尔电话公司广泛使用。该电池的容器由燧石玻璃制成，呈圆柱形，直径为6英寸，深度为8英寸。对于这种电池而言，必须使用质量上乘的玻璃来制作容器，因为鉴于电解质的特性，一旦容器破裂，将会带来极其严重的后果。

该电池的碳板为矩形，宽度约为4英寸，长度为8又3/4英寸，厚度为1/4英寸。碳块顶部的金属端子为青铜制成，其本身以及锁紧螺母和螺栓均经过镀镍处理，以减少腐蚀。碳块的上端被加热至高温，从而使其中的所有水分以及碳块本身的孔隙中的水分都被蒸发掉。

从截面可以看出，锌的形状为截头圆锥体，底部直径约为2又1/8英寸，高度为2又1/2英寸。在锌中还嵌入了规格为12号B.&S.的软铜线，这条铜线延伸到罐子顶部之外，从而为电池提供便捷的接线端。

多孔杯呈圆柱形，直径约为3英寸，深度为7英寸。木制盖子由经过窑干处理的白色木材制成，表面涂有两层沥青漆。盖子上设有用于放置碳块的凹槽，以及用于插入连接锌的铜线的孔洞。

该电池的电解液制备方法如下：重铬酸钠6盎司，硫酸17盎司，软水56盎司。将重铬酸钠溶解在水中，然后再慢慢加入硫酸，即可混合成电解液。也可用重铬酸钾替代重铬酸钠。

在组装电池时，先将汞齐化的锌放入多孔杯中，杯底预先放入约两茶匙的汞，汞的作用是确保锌能够保持良好的汞齐状态。之后将多孔杯放入玻璃罐中，在罐内倒入足够量的电解液，使其液面距离多孔杯顶部约1又1/2英寸。接着在多孔杯中放入约两茶匙的盐，再加入足够的软水，使多孔杯内的液面与周围罐子中的电解液液面保持平齐。随后将碳块通过盖子上的凹槽放入，再将连接锌的铜线穿过盖子上的相应孔洞，最后盖上盖子。此时电池即可立即使用。

该电池的工作原理如下：硫酸会与锌反应生成硫酸锌，同时释放出氢气。氢气试图像平常一样流向碳板，但在过程中会与铬酸中的氧结合，生成水。剩下的铬酸则与硫酸结合，形成硫酸铬。

图65. 富勒电池
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置于多孔杯底部的汞与锌一起作用，使锌始终处于合金状态。这一效果是通过毛细作用实现的——汞会覆盖锌的整个表面。虽然初始的合金化过程并非绝对必要，但它有助于促进毛细作用的发生。

在另一种常见的富勒电池中，碳元素呈空心圆柱形，环绕着多孔杯。在这种结构中，锌通常为横截面为十字形的长条状，其长度足以延伸至多孔杯的整个深度。与前述标准结构相比，这种电池的内阻略低。

如果由于疏于维护或过度使用而导致电解液过饱和，电池内部就会发生一系列副反应，从而在碳上形成黄色晶体。这会严重影响电池的电动势及内阻。出现这种情况时，应倒出部分溶液，再注入稀释后的硫酸，并仔细清除碳上的晶体。如果溶液的橙色消失并变为蓝色，说明需要添加更多的重铬酸钾或重铬酸钠。在状态良好的情况下，由于内阻较低，这种电池能够产生2.1伏的电动势，并输出较大的电流。

过去，富勒电池曾被广泛用于为那些需要高电流负荷的用户站中的电话发射机供电，但随着所谓“共用电池系统”的出现，以及高阻抗发射机的应用，它的使用频率大大降低。这其实是一件好事，因为这种电池操作起来比较麻烦，且维护成本较高。

不过，作为一种可用的电源，富勒电池仍然值得关注。在某些紧急情况下，它仍能发挥重要作用；同时，对于那些需要比勒克兰谢电池或重力电池更高电流的特殊临时需求，它也能满足。

拉朗德电池：这是一种专为恒流工作而设计的电池，有时也被用作小型电池组中的电流源。所谓铜氧化物电池，也就是拉朗德电池，爱迪生电池和戈登电池都属于这类电池。在所有这类电池中，负极材料为锌，正极材料为铜氧化物，电解质则为水中的苛性钾溶液。在爱迪生电池中，铜氧化物以压缩板的形式存在，该板与连接用的铜支架一起构成电极；而在戈登电池及其他同类电池中，铜氧化物则松散地装在带孔的铜制圆筒中。铜氧化物不仅充当电极，还起到去极化作用——电解质中的氢气会与铜氧化物中的氧结合生成水，从而留下游离的金属铜。

在开路状态下，这些电极不会受到腐蚀，因此当电池未使用时不会造成材料浪费。这一重要优点，再加上其内阻较低的特点，使得这种电池非常适合各种需要持续开路工作的场合。由于电池内部不存在极化现象，它也适用于需要持续闭路工作的场景。

这类电池的设计理念是让所有部件同时耗尽，这样一旦电池失效就必须整体更换，因此无需考虑该更换哪一部分部件。

在将电极和电解质放置好后，会在溶液表面倒入约四分之一英寸厚的重石蜡油，以防止溶液蒸发。这种电池几乎不需要特别保养，能够在完全耗尽之前保持大约三分之二伏特的恒定电动势。它在普通温度下不会冻结，但其电压较低是其主要缺点。

标准电池：银氯化物电池：银氯化物电池主要用于作为测试标准。由于其结构紧凑、便于携带，且不存在局部腐蚀问题，因此特别适合用于那些需要恒定电动势和极小电流的便携式测试设备中。

图66. 银氯化物电池
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图66显示了这种电池的一种结构剖面。其组成元件为一根化学纯度的锌棒，以及一根浸没在氨盐水溶液中的银氯化物棒。通常情况下，玻璃容器或管子的长度约为2.5英寸，直径为1英寸。将溶液倒入容器并放置好各元件后，会用石蜡塞将玻璃管密封起来。

这种电池的电动势为1.03伏特，其外部电阻会随着电池使用时间的增加而变化，初始时约为4欧姆。使用时必须注意避免使这些电池发生短路，也不应将其用于低阻值电路中，因为它们的能量储备很少，若在低阻值电路中工作会很快耗尽电量。

常规符号：无论是原电池还是二次电池，其常规符号都是由一条细长的线与一条短而粗的线并排平行组成。电池则由多对这样的线条表示，如图67所示。每对线条分别代表电池的两个电极。如果需要标明电池的极性，那么细长的线代表正极，短而粗的线则代表负极。线条的对数可以表示电池中的电池单元数量。不过，很多时候，只需用几对这样的线条来表示电池，而无需考虑其极性或电池单元的数量。

图67. 电池符号
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在图67中，A处表示的是由多个电池单元并联而成的电池；B处表示的是由多个电池单元串联而成的电池；而C处则表示的是其中一个极点被接地的电池。

第八章 磁电机信号装置

信号发送方式。用于电话通话的普通装置无法发出足够大的声音，以吸引远离该装置的人们的注意。因此，为了在各个站点之间进行信号传递，就需要使用辅助装置。在始终有工作人员在场的电话局里，人们通常会利用视觉信号来传递信息；而对于供公众使用的电话机，则会采用听觉信号而非视觉信号。

电池铃。那种用于门铃的普通振动式或电池驱动式铃铛，偶尔也会被用于电话系统中，但并不常见。这类铃铛的电力来自干电池或任何直流电源。之所以没有更广泛地使用它们，是因为电话信号通常需要通过较长的线路传输，而要在如此长的距离上为这些铃铛供电，所需的电压远远高于普通电话电池所能提供的电压。此外，普通电池铃依赖的通断触点在维护方面也存在诸多问题。

磁电机铃。幸运的是，后来出现了一种更为简单的电铃，它只需较小的电流即可工作，而且不需要任何通断触点。这种更简单的铃铛通常被称为极化铃或磁电机铃。其常规形式需要交流电来驱动，不过经过改进后，它也可以使用脉冲电流，也就是方向始终不变的周期性电流。

磁电机发电机。在电话技术发展的早期，每个极化铃几乎都配有一个磁电机发电机，用以提供合适的电流来驱动铃铛发声。因此，每部电话除了具备发射器和接收器之外，还配备了极化铃形式的信号接收装置，以及一种电流发生器，让用户能够生成适合的电流和电压，从而为其他站点的铃铛发声。

因此，仅从电话的信号装置来看，每部电话都配备了用于生成所需电流的电源装置。

在向其他站点发送信号时，动力来源于使用者施加在仪器侧边曲柄上的肌肉力量；同时，还有一种耗电装置，即极化电磁铃，它能够接收其他站点产生的电流，并将其部分能量转化为可听见的信号。

磁电机是最简单的电动发电机类型，其工作原理与那些用于电力照明及铁路供电站的更大型发电机相同。与普通发电机依靠电磁铁产生磁场不同，磁电机则利用永久磁铁来产生磁场，这些永久磁铁通常呈马蹄形，因此才被称为磁电机。

图68. 磁电机的工作原理
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为了将磁场集中在电枢旋转的空间内，铁制极片会与永久磁铁的极相配合，从而形成一个近似圆柱形的空间，电枢导体可以在其中旋转，而永久磁铁产生的几乎所有磁力线都会穿过这个空间。图68以示意图的形式展示了一个带有此类极片的马蹄形磁铁，金属线圈则位于这两块极片之间并可以随之旋转。磁铁1由硬化钢制成且已经过永久磁化处理。极片分别标为2和3，它们均由软铁制成，其平面部分能够与条形磁铁的内表面紧密接触；此外，这些极片上还有孔洞，从而在两者之间形成如图所示的圆柱形凹槽。条形磁铁通过极片间空间产生的磁力线方向由水平箭头表示，这些磁力线是从磁铁的北极（N）指向南极（S）的。图4中显示的则是一个应在轴线5-5所在的磁力场中旋转的金属线圈。

理论上，为了解释这个由导线构成的回路中如何产生电流，只需记住：当导体移动到与磁力线相交的位置时，导体内就会产生电动势，而这种电动势会促使电流在导体中流动。电动势的大小取决于导体穿过磁力线的速度，或者换句话说，取决于单位时间内有多少条磁力线被导体穿过。此外，电动势的方向也取决于导体的移动方向——如果导体沿某一方向穿过磁力线，那么电动势和电流也会朝同一方向；而如果导体沿相反方向移动，则电动势和电流会朝相反方向。

显然，当导线回路4围绕轴5-5在磁场中旋转时，那些与轴线平行的导体部分会依次以不同的方向穿过磁力线，从而在这些部分中产生方向不同的电动势。

现在来看图68，假设回路4按照极片上边缘之间所示的曲线箭头方向旋转，那么当回路处于垂直位置时，其水平方向的导线会沿着与磁力线平行的方向移动，因此不会与磁力线相交，此时电动势和电流均为零。

随着回路向虚线所示的位置移动，与轴线平行的上部导线会开始向下穿过磁力线，而与轴线平行的下部导线则开始向上穿过磁力线。这会在回路的这些部分中产生方向相反的电动势，而这些电动势会共同作用，使得电流沿着回路中虚线所示的方向流动。显然，随着回路的持续运动，它穿过磁力线的速度会逐渐增加，而在回路处于水平位置时这一速度将达到最大值，因为此时与轴线平行的两部分导线会以与磁力线垂直的方向移动。因此，在这一点上，电动势和电流也会达到最大值。

从这一点开始，直到环再次处于垂直位置为止，力线的切割方向依然不变，但切割速率会持续减小。最终，当环变为垂直状态时，与轴线平行的环各部分的运动方向将与力线方向一致，因此不会再发生切割现象。此时，环中的电动势和电流也将再次变为零。由此可见，在这半圈的转动过程中

从线圈处于垂直位置开始，到它再次处于垂直位置但方向相反为止的这段时间内，电动势会从零变化到最大值，然后再回到零，电流也会呈现同样的变化规律。

不难看出，当线圈继续转动半圈后，电动势和电流仍会呈现类似的起伏变化；不过变化方向会相反——因为之前沿磁力线向下移动的那部分线圈现在会上移，而之前向上移动的那部分线圈则现在会下移。

对于穿过磁力线的导体中产生的电动势和电流的规律，另一种表述方式是：当导体被弯成环状时，如果穿过该导电环的磁力线数量发生变化，那么就会在该环中产生电动势。无论是通过移动线圈来改变穿过环的磁力线数量，还是通过改变磁场本身来做到这一点，这一规律都成立。无论如何，如果磁力线数量增加，电流就会朝一个方向流动；如果磁力线数量减少，电流则会朝另一个方向流动。在其他条件不变的情况下，电流的大小取决于穿过线圈的磁力线数量变化的速率，而与变化的方式无关。因此，线圈旋转一周后，就会形成一个完整的交流电周期，即一个正脉冲 followed by 一个负脉冲。

图68中的示意图只是为了说明其中的原理。在实际的磁电机制造中，会使用多个条形磁铁，此外，电枢中的导线也被布置成许多线圈的形式。而且，电枢中的导线还绕在铁芯上，这样就能使磁力线在电枢线圈中的流动阻力尽可能小，从而大幅增加磁力线的数量，并确保几乎所有的磁力线都能穿过电枢导体中的线圈。

电枢。用于缠绕电枢导体的铁质部件被称为磁芯。普通电枢的磁芯如图69所示。它通常由软灰铸铁制成，经过加工后在1和2位置形成承重面，整个电枢可以围绕这些表面旋转；同时，其表面3也会呈现出相对于轴心的真正圆柱形结构。电枢导体则是通过将绝缘导线尽可能多地缠绕在两个平行面4之间的空间中来安装的。电枢绕组的一端被焊接在销5上，因此能够与发电机的框架相接触；而绕组的另一端则被焊接在销6上，该销6又与位于电枢轴末端纵向孔中的绝缘套管内的柱头7相连接。由此可见，发电机的框架……

机器将构成电枢绕组的一个端子，而绝缘销7则构成另一个端子。

图69. 发电机电枢
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在现代磁电机中广泛使用的一种另一种电枢结构如图70所示。在这种结构中，电枢旋转所依靠的轴并非电枢铁芯的组成部分，而是由从盘状件4和5的中心伸出的两个圆柱形销2和3构成的，这两个销则被拧在铁芯1的末端。这种被称为H型电枢铁芯的结构虽然比图69中所展示的简单结构包含更多的部件，但在绕组加工方面具有明显优势。由于其绕组空间更为简单，因此更易于进行绝缘处理和绕线操作；此外，由于轴并不穿过绕组空间，所以可以容纳更多圈数的导线。如示意图所示，电枢绕组的两端分别直接与框架相连，另一端与绝缘销相连。

图70. 发电机电枢
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图71. 发电机磁场与电枢
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图71展示了将极片彼此连接以及与永磁体相连的常用方法。至关重要的是，电枢旋转的空间必须为真正的圆柱形，而且电枢的轴承必须如此安装，使得电枢的旋转轴与极片圆柱面的轴线重合。因此需要一个坚固的结构来保证这一点，如图71所示，通常是通过用粗大的黄铜棒3和4将两个极片1和2连接在一起来实现这一目的。这些黄铜棒带有肩部结构，其末端则穿过从极片上延伸出来的法兰上的孔洞，然后通过铆接固定。电枢所安装的轴承板则被固定在这些极片的末端，后续的示意图将会展示这一点。这样就能确保极片之间以及极片与电枢轴承之间的刚性。

之所以需要这样的刚性，是因为电枢铁芯与其极片之间必须保持非常小的气隙；如果这些发电机的制造质量不佳，其调整状态就可能会发生变化，从而导致电枢表面与极片发生摩擦。在图71中，可以看到其中一个永磁马蹄形磁铁，其两端位于极片外表面的凹槽中，通常还会通过粗大的铁制螺丝将其固定在那里。

基于这种结构，结合图68中所阐述的理论，可以进一步发展出关于磁电机的理论。当电枢处于图71左侧所示的位置时，即铁芯的中心处于水平状态，那么从一极到另一极的磁力线就能有良好的传导路径。实际上，几乎所有的磁力线都会穿过铁芯的铁质部分，而非空气，因此它们也会穿过电枢绕组的线圈。

当电枢沿着弯箭头所示方向旋转约45度时，电枢法兰的右下部分仍与右侧磁极片的下表面相对，而电枢法兰的左上部分则仍与左侧磁极片的上表面相对。因此，磁力线仍然可以通过铁芯中的铁质部分，穿过电枢绕组的磁力线数量也几乎不会发生变化。然而，当电枢法兰的边缘远离磁极片的边缘时，情况会发生突然变化，这一点可以通过图71的右侧部分来最好地理解。此时，磁力线不再能通过电枢铁芯的中央部分——因为该部分与磁力线的流动方向呈直角。此时，磁力线有了另外两条路径，即通过现已呈水平的电枢法兰，这些路径几乎相当于将两个磁极片连接在一起。这样一来，磁力线就被引开了，不再经过电枢绕组，导致穿过绕组匝数的磁力线数量从很多突然减少到几乎没有。

随着电枢继续旋转，通过法兰的这两条路径会被切断，而通过电枢铁芯中心、进而通过绕组本身的路径则会重新建立起来。

从上述分析可以看出，在实际应用中，穿过电枢绕组的磁力线数量的变化并非像仅根据图68所显示的那样是逐渐变化的，而是在电枢法兰的边缘离开磁极片边缘时发生突然变化。这种突然变化会导致在旋转的这些位置上电动势急剧上升，因此，这类磁电机产生的电动势和电流曲线通常并非平滑的正弦波形，而是类似正弦波但在每个半周期内都有明显突起的形状。

图72. 去掉磁铁的发电机
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正如任何两极交流发电机所具有的特性一样，电枢每旋转一周就会产生一个电流周期。在正常情况下，人们能够……

需要以每分钟约两百转的速度转动发电机的手柄，由于齿轮传动比约为5:1，因此发电机的转速约为每分钟一千转，进而产生的电流频率也为每分钟一千次，不过这一数值会因操作人员的不同而有所差异。

如图72所示，用于支撑电枢轴承的端板通常会向上延伸，以便为曲轴提供支撑。曲轴上装有一个大齿轮，该齿轮与电枢轴末端的小齿轮相啮合，这样用户就可以让电枢快速旋转。图72所示的结构是现代磁电机发电机的典型结构，为便于说明，图中省略了永磁体的部分。

图73展示的是一种用于需要较大输出功率的场合的、已完全组装好的发电机。此外，还有其他类型的发电机，它们使用两个、三个或四个永磁体，而非图中的五个，这类发电机也同样属于标准产品。

图73. 五杆式发电机
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再回到图69，可以看到该图中以示意图形式显示的电枢绕组的一端连接到销5上，另一端则连接到销7上。当电枢被安装到发电机的框架中时，显然框架本身与电枢绕组的一端存在金属连接——因为销5与电枢铸件直接接触，而电枢铸件又通过轴承与发电机的框架相连。因此，机器的框架便构成了发电机的一个端子。在发电机组装完成后，总会有一种形式的弹簧抵在电枢的端子销7上，从而为电枢绕组形成另一个端子，使得电枢能够自由旋转。因此，这种弹簧也就构成了发电机的另一个端子。

自动并联装置。在几乎所有的实际应用情况下，都希望发电机在运行时能自动执行某种切换功能。作为……

例如，当发电机的电枢与电话线串联连接时，显然，如果让电枢绕组中的电阻和阻抗存在于语音电流必须通过的电路中，那将会带来问题。因此，为用于串联工作的发电机设计了所谓的自动并联装置；该装置能够在电枢静止时自动将电枢绕组并联或短路，而在发电机开始工作时则断开这种并联状态，从而让电流能够流入线路。

图74. 发电机并联开关
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图74展示了一种简单且常用的实现方式：1为电枢；2是从发电机框架引出的导线，构成发电机电路的一个端子；3则是构成发电机电路另一个端子的导线，该导线与弹簧4相连，弹簧4则抵在电枢的中心销上，从而与电枢绕组中与框架相连的那端形成接触。通过电枢的电路可从端子导线2开始，经过框架，再穿过轴承到达电枢1，然后通过中心销到达电枢绕组的右侧。继续沿着绕组本身，电路会延伸到从电枢轴左侧伸出的中心销，再到达抵在该中心销上的弹簧4，最后回到端子导线3。

通常情况下，这条电路会被一条几乎相当于短路的路径所并联，这条路径可从端子2开始，经过发电机框架，到达曲轴5，然后再到弹簧4的上端，最终通过端子导线3离开。这就是正常状态下的情况，只要发电机没有处于工作状态，它就能消除发电机所在电路中的电枢绕组电阻和阻抗。

不过，还有一种设计，使得每当转动发电机的曲轴时，曲轴5就会自动脱离与弹簧4上端的连接，从而断开电枢电路周围的并联路径。

如此一来，曲轴5便能够部分旋转，并在大齿轮的轮毂内做轻微的纵向移动。通常，弹簧7会将曲轴向左推，使其与弹簧4接触。曲轴上装有销8，该销位于轮毂6末端的V形槽中；因此当曲轴转动时，销会在大齿轮开始转动之前沿着该槽的表面移动，从而使曲轴5向右移动，进而断开其与弹簧4的接触。这样一来，只要发电机仍在工作，其电枢就会连接到线路电路中；但一旦发电机停止工作，电枢就会自动形成短路。这类装置被称为自动分流器。

在另一些情况下，希望让发电机的电路处于断开状态，这样在电话通话时就不会对线路的电气特性产生任何影响。在这种情况下，设计上会让发电机在启动时自动与线路形成正确的电路连接。

图75：发电机接入开关
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实现这一功能的常见结构如图75所示：弹簧1通常压在电枢的触点销上，构成电枢电路的一个端点；弹簧2则用于构成电枢电路的另一个端点，但它通常与其它部件隔绝开来。因此，在弹簧2与轴3之间，发电机的电路是断开的；但一旦发电机开始工作，曲轴就会通过驱动环4上的V形槽向左移动，从而与弹簧2接触。此时，发电机的电路便从弹簧1经过电枢销连接到电枢绕组，再连接到机器的框架，最后通过轴3连接到弹簧2。这类装置多用于所谓的“桥式”电话系统中，这类电话中的发电机和铃铛被设计成可以跨接在电路上使用。

另一种更理想的实现自动切换的方式是，不将曲轴作为导电路径的一部分，如图74和图75所示，而是让曲轴通过其纵向移动来实现功能。

该装置会向开关弹簧施加必要的作用力，从而使相应的触点弹簧接通或断开。图76展示了一种常用的此类结构。无需过多解释，只需说明曲轴末端装有一个绝缘柱1，开关弹簧2则压靠在该绝缘柱上。通常情况下，这个弹簧会压靠在另一个开关弹簧3上，但当发电机曲轴随着曲柄的转动而向右移动时，弹簧2就会使弹簧3断开连接，同时与弹簧4接通，从而完成发电机电枢的电路闭合。由此可见，这一操作可以实现一个电路的断开与另一个电路的接通，这一功能将在后文中进一步阐述。

图76. 发电机接入开关
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脉冲电流。有时人们希望发电机能够产生脉冲电流而非交流电；也就是说，这种电流应由同方向的脉冲组成，而非方向交替的脉冲。显然，只要在每次半圈旋转时都断开发电机的电路，使其仅在某一方向产生电流时才闭合电路，就能实现这一目标。

图77以示意图形式展示了这样的结构。与通常将电枢绕组的一个端子通过发电机框架引出不同，此处两个端子都被引出到安装在电枢轴末端的换向装置上。因此，代表电枢绕组的回路一端直接连接到电枢销1上，弹簧2则像往常一样压靠在该电枢销上。电枢绕组的另一端则直接连接到安装在轴上且与其绝缘的圆盘3上。该圆盘周向表面的一半为绝缘材料4，弹簧5则压靠在该圆盘上，并根据电枢的旋转位置交替地压在导电部分3或绝缘部分4上。显然，当发电机电枢处于所示位置时，其电路路径为：从弹簧2到电枢销1，再到达电枢回路的一个端子，然后穿过该回路回到圆盘3，最后通过弹簧5导出电流。然而，如果电枢处于另一种位置的话……

稍微转动一下，弹簧5就会压在绝缘部分4上，从而导致电路断开。

图77. 脉动电流换向器
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图78. 发电机符号
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显然，如果将电刷5布置成仅在产生正电流的那段旋转过程中与圆盘3接触，那么发电机就会产生正向脉动电流，而所有负向电流则会被切断。相反，如果让弹簧5压在圆盘的另一侧，那么所有正向脉冲都会被切断，发电机只能产生负向脉冲。这种发电机被称为“直流发电机”或“脉动电流发电机”。

磁电机或手摇发电机的符号通常为简化后的侧视图，一侧显示曲轴和齿轮，另一侧则显示分流装置或其他开关装置。图78中展示了三种这样的符号，它们之间的区别仅在于开关装置的细节。最左边的符号表示简单的分流装置，该装置能在发电机非工作状态下将其短路。中间的符号表示接入装置，其另一种形式已在图75中介绍；而图78最右边的符号则表示通断装置，相关内容已在图76中阐述。在这类发电机的示意图中，通常会略微夸大开关弹簧的尺寸，以便更清楚地展示它们在发电机所处电路连接中的作用。

极化铃铛。如前所述，极化铃铛是一种能够对磁电机发出的电流作出反应的装置。为了使交替出现的反向电流能使电枢朝相反方向移动，这些铃铛被赋予了固定的磁性，也就是具有确定的磁场方向。

说话时，线圈中的电流并不会在原本处于中性状态的铁中产生磁性，而是会改变已经磁化的铁的磁性。

西电公司的铃铛。图79展示了一种典型的极性铃铛结构，这正是西电公司所使用的标准铃铛。两个电磁铁并排安装，其铁芯通过软铁制成的轭件1连接在一起。该轭件上还装有用于固定钟片的支架2。这种安装方式使得可以稍微调整支架的位置，从而让钟片更靠近或更远离敲击装置。

软铁轭件1上还有两个黄铜柱3，这两个柱子又支撑着另一个黄铜制的轭件4。电枢5通过轴销螺钉固定在轭件4上，电枢从轴销两侧延伸出来，其两端分别位于两个电磁铁的自由极对面。从电枢中心伸出的是敲击杆，杆端装有球状或撞击装置，用于敲击两块钟片。

为了使电枢和铁芯保持固定的极性，人们在轭件1的中心安装了一块永久磁铁6。这块磁铁会延伸到电磁铁的背面，与电枢5紧密接触。这样一来，每个电磁铁铁芯的一端就会具有某一极性——比如北极——而电枢则具有另一极性——比如南极。电磁铁的两个线圈串联在一起，当电流按特定方向流动时，就会在一个自由极上产生北极，而在另一个自由极上产生南极。如果假设永久磁铁能使电枢始终保持南极极性，而流经线圈的电流则使左侧铁芯变为北极、右侧铁芯变为南极，那么显然电枢的左侧会被吸引，右侧则会被排斥。这样，敲击杆就会向右移动，从而敲响右侧的钟片。如果电流方向相反，效果则相反，敲击杆会敲响左侧的钟片。

极性铃铛的一个重要特点就是能够调节电枢与极片之间的距离。在西电公司的铃铛中，这是通过螺母7来实现的，螺母7用于将轭件4固定在支架2上。通过上下移动这些螺母，就可以让电枢更靠近或更远离极片，同时也能轻松地将各部件固定在任何所需的位置。

图79. 极化式铃铛
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Kellogg Ringer型铃铛。另一种典型的铃铛类型是Kellogg Switchboard and Supply Company公司所使用的那种，如图80所示。它与Western Electric公司的产品的主要区别在于电枢调节的实现方式。用于支撑电枢的轭1直接固定在磁铁的芯体上，无需使用任何辅助杆件。与其通过某种装置来调整电枢使其靠近或远离磁极，这种设计采用的是相反的方式，即让磁极本身具有可伸缩性。这是通过铁制螺丝2来实现的——这些螺丝实际上是磁铁芯体的延伸部分，通过旋转它们，可以使它们向内或向外移动，从而让磁极靠近或远离电枢。

图80. 极化式铃铛
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图81. 偏置铃状装置
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偏置铃状装置。脉冲电流发生器已在前面讨论过，其工作原理也在图77中有所说明。与这种发生器配套使用的就是所谓的偏置铃状装置。实际上，它只不过是一种普通的交流电驱动型铃状装置，再加上一个弹簧，该弹簧的作用是将电枢始终保持在某一极端位置，从而使敲击部件能够抵住其中一个钟面。图81展示的就是这样的装置，无需进一步解释。显然，如果电流以使敲击部件向左移动的方向流经该装置的线圈，那么就不会产生声音，因为敲击部件已经移动到了该方向上的极限位置。然而，如果让电流以相反方向流过线圈，那么电磁力就会克服弹簧的拉力，使敲击部件移动并撞击右侧的钟面。当电流停止时，弹簧又会发挥作用，将敲击部件推回并与左侧的钟面相接触。如此，一系列按正确方向产生的脉冲作用就会使敲击部件在两个钟面之间来回移动，从而像平常一样发出铃声。而若电流方向错误，则不会产生任何效果。

常规符号。图82展示了六种表示极性铃状装置的常规符号。最上方的三种符号仅由两个圆圈组成，用来表示平面视图中的磁铁，这类符号更为常用，因为它们具有标准化的形式、易于绘制，且能较好地表达含义。最下方的三种符号则从侧面展示了整个铃状装置，虽然更为具体，但缺点是占用空间较大，且不太容易绘制。

图82. 铃状装置符号
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符号A或B可用于表示任何普通的极性铃器。符号C和D则可互换使用，用来表示有偏压的铃器。如果该铃器仅能在正脉冲作用下工作，那么会在相应符号旁标上正号；而负号则表示该铃器仅能在负脉冲作用下工作。

有些特殊类型的铃器被设计为仅在特定频率的电流作用下工作。也就是说，它们会被设定为对每秒60次循环的电流作出反应，而对其他频率的电流则无反应。此类铃器可用符号E或F来标识；如果需要注明其具体工作频率，则可在符号后加上相应的数字，并再配上表示频率的短倒曲线符号。例如，50~即表示每秒50次循环的频率。

第九章 挂机开关

目的。在兼具通话与信号传输功能的完整电话设备中，显然需要避免让这两组功能同时与线路相连。因此，必须有一种切换装置，以便在不需要进行语音传输时，仅让信号传输装置保持与线路的连接；而在开始通话时，则能切断信号传输装置的连接。

对于那些依靠电池为发射器供电的电话设备而言，另一种切换功能是在通话时通过发射器和感应线圈闭合电池电路，因为如果始终保持电池电路处于闭合状态，显然会浪费电池能量。

在早期的电话中，这些切换操作是由手动开关来完成的，用户每次使用电话前后都必须手动改变开关的位置。这种方式的缺点并非在于给用户带来的体力负担，而在于对记忆力的要求。人们发现，将这种切换功能自动化几乎是必要的，因为用户很容易忘记在使用电话后将开关调整到正确位置，这不仅会导致电池迅速耗尽，还会使接收信号用的铃铛无法正常工作。最初看来颇为棘手的这个问题，最终通过所谓的自动挂机开关得到了解决——用户只需将听筒从电话机外壳侧面设计的挂环或支架上取下或放回，设备的电路就能自动恢复到正确状态。

自动操作。在设计任何供公众使用的电话设备时，都可以遵循一个基本原则：用户为使用该设备而必须执行的操作，应尽可能作为另一项用户显然知道必须执行的操作的自然结果出现。以挂机开关为例，电话用户知道他必须将听筒从固定支架上取下并贴在耳边；同样，在使用完毕之后，他也知道必须将听筒挂回专门为此设计的支架上。

通常情况下，这种开关会配备一个分叉状的钩子，用于将听筒固定在合适的位置。该钩子位于一个可旋转杠杆的自由端；当听筒没有放在该杠杆上时，弹簧会将杠杆向上压住。而一旦听筒被放在杠杆上，其重量就会使杠杆向下弯曲。杠杆的移动会通过机械方式传递到开关的各个部件，而这些触点通常被封闭起来，避免用户直接接触。当钩子被按下时，电路会处于某种状态，使得通话设备停止工作，电池电路断开，同时与线路相连的信号设备则开始工作。相反，当钩子处于抬起状态时，信号设备会停止工作，通话设备则能与线路正常连接，电池电路也会通过发射器闭合。

在所谓的共用电池电话中，由于用户的设备中没有磁电机或本地电池，因此仅仅抬起钩子就能实现另一个重要功能：它不仅能完成通往交换机通话设备的电路连接，还能因为线路电路的闭合而让电流从总机电池流过线路，从而为总机端的线路信号提供能量。在共用电池电话中，钩子开关的这一作用很好地体现了前述原则——即让用户需要执行的各项操作尽可能依赖于那些凭常识就能明白必须进行的动作。因此，在共用电池电话中，用户只需将听筒放在耳边并说出自己的需求即可。这一操作会自动在总机端产生信号，之后用户无需再做任何事情，直到接线员询问他想要拨打的号码。之后，他只需等待被叫方接听电话即可。通话结束后，出于个人便利考虑，他需要以某种方式处理听筒，于是便将其挂在最方便的物体上，也就是钩子开关上。这样一来，不仅能让电话设备处于可以接收下一个来电的状态，还能向总机发送断开连接的信号。

同样，在与自动交换机相连的电话中，挂断开关会自动执行许多功能，而用户却无从知晓这些功能的存在。虽然使用自动电话时用户需要执行的操作比使用手动电话时更多，但仔细研究后会发现，这些操作都是以一种对用户来说自然而然的方式进行的，因此用户只需具备最基本的知识即可正确使用该设备。在所有设计合理的设备中，其结构都使得用户若未能完成某些必要操作，也不会对设备或整个系统造成损害，只会给用户自己带来不便。

设计方面，挂断开关实际上是一种双位置开关。虽然目前它还比较简单，但其发展到如此完美的状态却经历了漫长的时间，过去存在的各种缺陷也曾引发过诸多麻烦。

在设计钩式开关时，有几点重要事项需要牢记。用于抬起钩子的弹簧必须具有足够的强度才能完成这一功能，但同时又不能过于强劲，以至于无法让开关在重物作用下移动到另一位置。该弹簧的弹性也必须受到一定限制，这样才能避免在多次使用后断裂；此外，其材质和形状也应确保不会因长期使用而失去弹性。当然，复位弹簧的形状与材质在很大程度上取决于作用在其上的杠杆臂长度以及弹簧所能活动的空间大小。

当钩式开关的杠杆移动时，用于实现电路切换的各种触点通常由德国银或磷青铜制成，这些材料经过硬化处理以具备必要的弹性，而且触点处一般还会镀上铂金，从而确保电路接通或断开时的接触面质量。每对触点在接触时产生轻微的滑动是可取的，因为这有助于清除可能积聚的污垢；不过这种滑动幅度不宜过大，否则触点表面会相互磨损，进而缩短开关的使用寿命。

关于触点材料，由于铂金的成本极高，人们进行了大量实验，试图找到适合用于钩式开关及电话设备中类似用途的替代金属。毫无疑问，铂金是最理想的材料，因为它具有抗腐蚀性和耐热性。硬银则是次优选择，一些高端设备会采用它。就作者所进行的广泛研究而言，那些旨在替代铂金或银的廉价合金其实毫无价值。

在较新型号的钩式开关中，开关杠杆本身并不属于电路的一部分，而只是用来驱动负责切换功能的弹簧进入不同的工作状态。将开关杠杆与电路中的载流部分隔离开来有一个好处：由于它必须从盒体或机柜中伸出，因此有可能与使用者身体相接触；而通过将其绝缘处理，就可以避免使用者因接触而触电的风险。

壁挂式电话挂钩。Kellogg公司出品。普通壁挂电话机中使用的那种典型的挂钩开关如图83所示，它正是Kellogg开关板与配件公司的标准型号。在该开关中，杠杆1在支架5上的点3处旋转，而支架5则构成了所有部件的基座，同时也用于将整个挂钩开关固定在电话机的机壳或框架上。通常情况下，安装在支架5上的弹簧2会向上推动该杠杆，使其处于工作状态。

在钩形杠杆的4号位置下方，杠杆臂1上装有一个绝缘销6。用于实现各电路通断的接触弹簧分别位于7、8、9、10和11处，这些弹簧彼此之间通过绝缘衬套连接在一起；整个组件则通过螺丝固定在从支架5水平伸出的凸耳上。中心弹簧9带有分叉状的延伸部分，该延伸部分能够夹住钩形杠杆上的销6。显然，当钩形杠杆上下移动时，会带动长弹簧9运动，从而使其与上方的两个弹簧7和8或下方的两个弹簧10和11产生电接触。图中显示的是钩子处于抬起状态，而这正是通话时所需的状态。当钩子放下时，两个弹簧7和8就会与长弹簧9以及彼此分离，此时三个弹簧9、10和11则会形成电连接，从而满足信号传输的要求。

图83：长杠杆式钩形开关
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接触弹簧的右端伸出绝缘支撑结构之外，这样做的目的是便于这些弹簧与从它们引出的各种导线之间建立电连接。这些突出的端部通常被称为“耳状部分”，其上一般设有孔或凹槽，以便用焊锡将导线固定在其上。

西电公司。图84展示了一种被西电公司广泛用于空间较为有限且需要紧凑设计的壁挂式电话机中的钩形开关。不难看出，这种开关的工作原理与图83中的类似，不过各部件的机械结构则有所不同。钩形杠杆1在支架2的3号位置处转动，该支架用于支撑开关的其他所有部件。接触弹簧则位于4、5和6处，其中弹簧6被设计为钩子的驱动弹簧——它的弯曲端会压在钩子的凸耳7上，因此当听筒的重力不再作用在钩子上时，就能推动钩子上升。两个较短的弹簧8和9没有电气功能，仅起到支撑作用，让弹簧4和5在听筒挂在钩子上时能够依靠在它们上面，同时给弹簧4和5施加一定的向止动弹簧8和9方向的弹力。显然，在这种弹簧布置方式下，当听筒挂在钩子上时不会形成任何电连接。

图84. 短杠杆式钩形开关
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关于这一特性，需要指出的是，图83中所示的凯洛格式钩形开关在抬起时会形成两个触点，同时断开另外两个触点；而西电公司生产的同类开关虽然也会形成两个触点，但抬起时不会断开任何触点。基于这些特点，人们通常将图83中所展示的那种钩形开关称为具有两个闭合触点和两个断开触点的开关，而将图84中所展示的那种钩形开关称为仅具有两个闭合触点的开关。

从这两种开关可以看出，通过调整弹簧结构来使其具备不同数量的闭合触点和断开触点其实是一件很简单的事情，几乎所有类型的开关都可以很容易地进行这样的改造。

图85. 可拆卸杠杆式钩形开关
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迪恩公司。图85展示了一种专为壁挂式电话机设计的独特钩形开关，这种开关是迪恩电气公司的标准配置。钩形杠杆1

该装置以2点为支点，另一根辅助杠杆3也以同一点为支点。辅助杠杆3的后端装有带槽的凸耳4，该凸耳与长形接触弹簧5相接，用于上下移动该弹簧，从而实现与弹簧6的接通与断开。这两根弹簧都安装在从底板7延伸出来的基座凸耳上，整个钩式开关机构便是安装在该底板上的。另一根弯曲的弹簧8也安装在这个基座上，它在9点处与辅助杠杆3相接，通常用于将辅助杠杆向上推，从而使接触弹簧5始终与接触弹簧6保持接触状态。开关弹簧完全由辅助杠杆3驱动，但为了使该杠杆能根据钩式杠杆1的要求而移动，该杠杆的下侧设有凹槽凸耳10，该凹槽可与辅助杠杆3上突出的凸耳11相接合。通过用手指按压凸耳11，就可以将开关杠杆从钩式开关的其余部分中拆下，这样凸耳11就会脱离凸耳10上的凹槽，随后再将钩式杠杆从支点2上拔出，如图所示。需要注意的是，钩式杠杆的支点端并非采用常规的孔结构，而是设计了凹槽。

能够将钩式开关整体从其他部件上拆下的优点，主要体现在仪器的运输方面。那些突出的钩子会导致仪器占用更多空间，因而需要更大的包装盒。此外，在仓库中搬运电话机或将其运送到使用地点时，这些突出的钩式开关也极易受损。正因如此，Dean钩式开关被设计成可整体拆下，以便在运输时将其放入电话机内部。

对于便携式桌面电话而言，虽然钩式开关的设计具有相同的基本特点，但由于桌面电话中用于开关触点的空间极为有限，其具体结构细节则有所不同。

西电公司。图86展示了一个将钩式开关设计应用于普通便携式桌面电话的绝佳实例。该图为某种常见类型桌面电话的底座与支架的截面图。如所示，底座由冲压金属制成，而用于支撑发射器以及接收器开关钩的支架则是由黑色搪瓷或镀镍黄铜管1构成的，它通过螺纹连接固定在底座上。开关杆2在黄铜插头4的3处铰接，该插头封闭了构成支架的管子的上端。这个黄铜插头还用于支撑发射器，不过在图中并未显示出来。通过螺丝5，有一个重质条带6连接到插头4上，该条带向下延伸至支架的底板，并通过螺丝7固定在那里。带有开关杆2和黄铜条带6的插头4可以被抬起。

如图所示，只需拧下固定条6的螺丝7，即可将该部件从标准装置中取出来。在条6上装有一组开关弹簧，当钩子上升或下降时，这些弹簧会促使仪器的电路发生变化。弹簧8的长度比其他弹簧更长，其向上延伸的距离足以与开关钩杆2上的凸耳相接。在未被开关杆阻挡的情况下，这个弹簧会自动使触点闭合；同时，当接收器从钩杆上取下时，它还会充当驱动弹簧，使钩杆2上升。当接收器从钩子上取下时，该弹簧会与右侧的两个弹簧相接；而当接收器重新放回钩子上时，则会与右侧的两个弹簧断开接触，转而与左侧的弹簧以及构成发射端子的触点9相接。

图86：桌面支架的钩式开关
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通过观察这个钩式开关可以发现，它具有两个闭合触点和两个断开触点。各种触点弹簧都与图中所示的各个接线柱相连，这些接线柱则构成了通往底座以及桌面支架内部导线的连接器。通过这些导线，电路可以连接到仪器的其他部件，比如感应线圈、呼叫铃，以及发电机（如果有的话）。在西方电气公司的桌面设备中，这些部件都是独立于桌面支架本身而安装的。

这种钩式开关便于操作，同时也能防止闲杂人员或恶意破坏者对其造成损坏。只需拧下螺丝7，整个钩式开关就可以从标准装置中取出，而连接各接线柱的导线则可以沿着管道滑出。通过这种方式即可实现连接。

钩式开关及其触点都很容易被负责维护工作的人员进行检查或修理。

凯洛格公司。图87展示了凯洛格开关与供电公司所使用的桌面式钩式开关的剖面图。从图中可以看出，与西电公司不同的是，该开关的弹簧并非安装在标准装置或管状结构中，而是安装在底座上；只需取下底座板即可方便地接触到这些弹簧。钩形杠杆通过一个铰接结构与弹簧组中的长弹簧相连，从而实现其功能。当电话听筒的重量不再压在杠杆上时，弹簧自身的力量就会使杠杆上升。

图87：桌面式钩式开关
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在这种开关中，钩形杠杆以及仪器上所有暴露在外的金属部分都与各触点弹簧隔开，因此使用该仪器的人几乎不会受到电击的危险。

常规符号。钩式开关在电话电路的运行中起着非常重要的作用；正因如此，需要有一些易于理解的常规符号，以便在电路图中对它们进行简洁表示。图88展示了几种适用于几乎所有电路的符号，无论实际使用的钩式开关的具体结构如何。图88中的A图显示的是具有单个闭合触点的钩式开关，这种图示可用于表示该类型的钩式开关。

图85所示为迪恩电气公司的开关结构：当听筒被取下时只有一个触点处于闭合状态，而听筒挂回原位时则没有触点闭合。类似地，图83中所示的凯洛格公司的挂机开关可以用图B来表示，该开关具有两个闭合触点和两个断开触点。图84中所示的西电公司的挂机开关则可用图C来表示，如前所述，它也只有两个闭合触点。图D展示了一种另一种改进结构：当听筒被取下时，挂机开关所闭合的触点可以控制两个独立的电路。假设实心黑色部分代表绝缘体，那么显然这些触点被分成了两组，且两组之间是相互绝缘的。

图88. 挂机开关符号
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目录

第十章 电磁铁与感应线圈

电磁铁。我们所称的电磁铁，其实是一种由导线绕制而成的螺旋结构，这些导线的各圈之间是绝缘的，通常还会在内部放置一个铁芯。在所有用于电话通信的所谓转换装置中，电磁铁无疑是最为实用的。在履行其基本功能时，电磁铁会将电流的能量转化为机械运动的能量；而另一个同样重要的功能则是将机械运动的能量转化为电流的能量。除了这些构成电话通信技术基础的功能之外，电磁铁在不需要机械运动的情况下也能发挥广泛的作用。作为阻抗线圈，它们能够对电路中的电流流动产生重要影响；作为感应线圈，则可以将一个电路中的电流能量转换为另一个电路中的电流能量，这一转换过程通常会伴随电压的变化，但并非总是如此。

当电流流过普通螺旋结构的导线时，即便该螺旋结构的核心是由空气、木头或黄铜等非磁性材料构成的，它也会表现出磁性的特性。不过，如果用铁块——比如铁棒或软铁丝束——作为核心，其磁性将会大大增强。这是因为相同的磁化力在铁中产生的磁力线数量，远远超过在空气或其他非磁性材料中所产生的数量。

磁化力。所谓电磁铁的磁化力，指的是那种促使磁力线穿过与电磁铁相连的磁路的力量。这种力量被称为磁动势，它与电动势类似，即那种促使电流在电路中流动的力量。

电磁铁的磁化力取决于电流强度与导线匝数之间的乘积。因此，当电流强度以安培为单位表示时，这种磁化力就用安培-匝数来表示，也就是电流强度与匝数相乘的结果。所以，某种电流所产生的磁化力仅取决于匝数，而核心材料的性质或核心的形状则不会对其产生影响。

磁通量。由磁化力产生的总磁化强度被称为磁通量，其作用方式类似于电流。磁通量的强度可以用每平方厘米或每平方英寸内的磁力线数量来表示。

虽然特定螺旋结构的磁动势或磁化力与磁芯的材料无关，但它所产生的磁通量却很大程度上取决于磁芯的材料和形状——不仅如此，还取决于磁通量返回路径中的材料。因此，可以说，在给定的线圈或螺旋结构中，由特定电流产生的磁通量大小取决于磁路中的材料以及该磁路的形状和长度。如果磁路是由空气、黄铜、木材或其他非磁性材料构成的，那么由特定磁化力产生的磁通量将会相对较小；而如果磁路部分或全部由铁或钢等高磁导率材料构成，那么产生的磁通量则会大得多。

磁导率。某种材料能够允许特定的磁化力在其内部产生更多或更少磁力线的特性，就称为该材料的磁导率。更准确地说，磁导率是磁化强度与产生该磁化强度的磁化力之间的比值。

物质的磁导率通常用希腊字母µ（读作“穆”）来表示。磁化力的强度则常用H来表示。由于空气的磁导率始终被视为1，因此我们可以用磁化力在空气中每平方厘米内产生的磁力线数量来表示磁化力的强度。

现在，如果让特定的磁化力H作用的空间被铁而非空气填充，由于铁的磁导率更高，每平方厘米内产生的磁力线数量将会大大增加。而铁中每平方厘米的磁力线数量正是所产生磁化强度的体现，这一数值通常用字母B来表示。

由此可得：

µ = B ÷ H

因此，当我们说在特定条件下某种锻铁样品的磁导率为2,000时，意思就是在该样品的单位截面上，由相同磁化力产生的磁力线数量是相同磁化力在空气中的单位截面所产生的磁力线数量的2,000倍。显然，对于空气而言B = H，所以µ的值为1。

空气的磁导率始终是一个恒定值。这意味着，无论穿过空气的磁力线密度大小如何，磁力线的数量始终与磁化力成正比。然而，对于电磁学计算而言，铁的磁导率并非如此。在磁力线密度较小时，铁的磁导率非常高；但当磁力线密度较大时，即铁中存在的磁力线数量很多时，其磁导率会降低，此时即使增加磁化力，通过铁的总磁通量也不会相应增加。

磁化曲线。图89中的曲线最能体现铁的这一特性，这些曲线展示了在不同磁化力作用下各种铁材料的磁化程度。在这些曲线中，纵轴表示总磁化强度B，横轴则表示磁化力H。从这些曲线可以看出，随着磁化力H的增加，磁通量的强度也会增加，但增长速度逐渐减慢，这表明在较高磁力线密度下铁的磁导率正在下降。这些曲线还能显示出不同种类铁的磁导率之间存在很大差异；同时也能说明，当磁化力变得非常大时，铁会接近所谓的饱和状态，即再增加磁化力也无法使铁芯进一步磁化。

根据图89中的曲线数据——这些曲线通常被称为磁化曲线——可以很容易地得出其他数据，进而绘制出所谓的磁导率曲线。在磁导率曲线中，不同铁材料的总磁化强度被作为横轴标出，而相应的磁导率则作为纵轴标出。

图89. 磁化曲线
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磁力线的方向。螺旋线芯内部的磁力线始终具有特定的方向，这一方向取决于电流在芯部流动的方向。记住这一方向的简单方法是将螺旋线想象成用右手握住，手指部分环绕着它，而拇指则指向其轴线。如果流经螺旋线各圈的电流方向与手指环绕螺旋线的方向一致，那么磁力线就会沿着拇指所指的方向穿过螺旋线芯。

对于如图90所示的简单条形电磁铁，从磁铁一端产生的磁力线必须穿过空气回到另一端，如虚线和箭头所示。磁力线所经过的路径被称为磁路，因此图90中所示电磁铁的磁路部分由铁构成，部分由空气构成。根据关于空气和铁的相对磁导率的说明，显然，磁路中存在如此长的空气路径会大大减少给定磁化力所能产生的磁力线数量。在磁路中存在气隙，其对磁力线总流量的影响，就如同在原本由良导体构成的电路中存在不良导体时对电流流动的影响一样。

磁阻。正如在电路中阻碍电流流动的物理量称为电阻一样，在磁路中阻碍磁力线流动的物理量则称为磁阻。在电路中，电阻是电导率的倒数；而在磁路中，磁阻则是磁导率的倒数。与电路中的情况类似，电流的大小等于电动势除以电阻；同样，在磁路中，磁通量也等于磁化力或磁动势除以磁阻。

图90. 条形电磁铁
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低磁阻电路的类型。由于电磁铁对其衔铁的吸引力取决于从磁芯流向衔铁的磁力线总数——也就是总磁通量——而给定磁化力下的总磁通量又取决于磁路的磁阻，因此显然，电路的设计……

电磁电路的构造对磁体的作用有着重要影响。显然，任何能够减少磁路中空气或其他非磁性材料含量的方法，都会降低磁阻，进而提高在给定磁化力作用下的总磁化强度。

马蹄形结构。降低电路磁阻最简单且最常见的方法，就是将普通条形电磁铁弯成马蹄形。为便于了解电流的流动方向，请参见图91。该图展示的是一根简单的铁棒，其整个长度上都有同一方向的绕组。铁棒中间的间隙将绕组分为两部分，这一设计只是为了说明：绕组无需覆盖铁棒的整个长度，只要电流通过即可使铁棒磁化。图92则展示了一根类似的铁棒，其上也有相同的绕组，但被弯成了U形，就好像被人用手握住并直接弯折而成。在相同电流方向下，铁棒两端的磁极性仍与之前相同。显然，由于铁棒被弯折，穿过空气的那部分磁路长度大大缩短了。因此，电路的磁阻显著降低，磁体的磁力也随之增强。

图91. 条形电磁铁
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图92. 马蹄形电磁铁
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图93. 马蹄形电磁铁
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如果图92所示电磁铁的衔铁足够长，能够从南极完全延伸到北极，那么磁路中的气隙就会进一步缩短，此时气隙仅表现为衔铁两端与磁芯两端之间的微小间隙。这种衔铁紧贴磁极的电磁铁被称为闭合回路电磁铁，因为磁路中铁质部分中唯一的间隙就是用于吸引衔铁的那个间隙。

图93展示了与图92对应的电学与磁学结构。虽然磁路并非由单根铁棒构成，而是由两个磁芯以及一个固定在一起的后盖组成，但这并不影响其工作原理，只是表明该结构可以进行改进。在图93所示的结构中，衔铁1直接抵靠在两个磁芯2和3上，这两个磁芯通过轭铁4连接在一起，而轭铁与衔铁及磁芯一样，也是由磁性材料制成的。磁力线路径用虚线表示。这是一种非常重要的电磁铁类型，被广泛用于电话系统中。

铁壳式结构。另一种常用于电话系统的闭合回路电磁铁构造方式是将螺旋状绕组置于由磁性材料制成的外壳中，该外壳的一端与磁芯相连。这种结构就形成了所谓的管状或铁壳式电磁铁，其剖面图和端面图分别见图94。在这种结构中，磁芯1是一根直铁棒，位于由铁制成的圆柱形外壳2的中心位置。通常，这根铁棒会通过螺丝固定在壳体内，如图所示。电流流过线圈后在磁芯中产生的磁力线会流向铁壳底部的中心，然后再通过壳体的金属部分、壳体边缘与衔铁之间的气隙返回，最终聚集在衔铁的中心并回到磁芯的末端。由于这种结构的磁路磁阻较低，因此是一种效率极高的闭合回路电磁铁。

图94. 铁壳电磁铁
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这类电磁铁常用于需要将大量电磁铁紧密排列在一起的场景中，同时要求一个电磁铁中的电流不会对相邻电磁铁的线圈产生感应效应。之所以在铁壳或管状电磁铁中能够避免相邻电磁铁之间的互感，是因为铁壳为磁力线提供了完整的返回路径，从而几乎消除了所有杂散磁场。

特殊的马蹄形结构。图95展示了一种常用于电话电路中的继电器。本章展示它的目的并非为了讨论继电器本身，而是为了说明一种电磁铁的改进设计——通过为磁芯中的磁力线提供返回路径，从而降低磁路的磁阻，实际上就形成了仅在一边带有绕组的马蹄形电磁铁。在磁芯1的末端固定有一块L形的软铁2，该软铁向上延伸并向前延伸至整个磁芯的长度。L形衔铁3则位于软铁2的前缘上，因此可以在由此形成的“刀刃状”支撑面上进行轻微的摆动。从虚线可以看出，磁路几乎是闭合的，唯一的间隙在于衔铁3的下端与磁芯的前端之间。当线圈通电时，衔铁的吸引力会填补这一间隙。这样一来，衔铁3向后突出的部分就会上升，进而推动弹簧4，使其断开与弹簧5的原有接触，并与弹簧6建立新的接触。这样，电磁铁线圈产生的能量就能驱动某些部件，而这些部件又会控制开关装置的工作。

这些装置会引发电路中的变化。关于这类继电器以及电磁铁的其他变体形式，我们将在后面进行更详细的讨论。

图95. 继电器的电磁铁
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电磁铁的种类几乎多得数不胜数，但此处我们展示了在电话系统中常用的几种主要类型。根据所阐述的一般原理，这些类型的各种变体也就很容易理解了。

电枢的运动方向。一般来说，当电磁铁的线圈通电时，其电枢总会以某种方式移动，或者试图移动，从而降低穿过线圈的磁路中的磁阻。因此，在所有讨论过的电磁铁类型中，当电枢被吸引时，它的运动方向都是为了缩短气隙，并尽可能让电枢中的铁芯进入磁力线的路径中，进而降低磁阻。对于螺线管型电磁铁，或者用“线圈与活塞式”来称呼更为准确，当其线圈通电后，实际上会把铁芯或活塞吸向自己，从而使更多的铁芯处于磁路中磁通密度最高的区域。

图96. 并联差动电磁铁
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差动电磁铁。在电话系统中，电磁铁往往具有多个绕组。双绕组电磁铁的一个作用就是在两个绕组之间产生所谓的差动效应，也就是让其中一个绕组产生的磁化方向与另一个绕组相反，这样两者就能相互抵消，或者至少产生相反的作用力。差动电磁铁的原理可以通过图96来说明。图中，导线1和2以相同的方向缠绕在铁芯上，两根导线的末端在3处相连。显然，

如果只使用其中一个绕组并让电流流过它，例如将电池的端子与4号和3号点相连，那么磁芯就会像普通磁铁一样被磁化。同样地，如果让电流从5号点流向3号点，磁芯也会被磁化。假设两个绕组的电阻和匝数相同，那么无论激活1号绕组还是2号绕组，所产生的效果都会一致。如果将电池的正极接在5号点上，负极接在4号点上，那么电流将会流经2号绕组，并在磁芯中产生与箭头所示方向相同的磁场。然而，当电流流过2号绕组后，它会开始流经另一个绕组1号绕组，并沿着该绕组的长度以相反的方向环绕磁芯，这会在磁芯中产生与箭头所示方向相反的磁场。由于两股电流的大小以及每个绕组的匝数都相同，因此这两种磁化作用显然会完全相等且方向相反，从而不会产生任何磁性效应。如图96所示，当两根导线并排排列时，这种绕组结构被称为并联差动绕组。

另一种实现差动磁化的方法是将一个绕组置于磁芯的一端，另一个绕组置于另一端，然后将它们连接起来，使流经它们的电流以相反的方向环绕磁芯。这种结构如图97所示，被称为串联差动绕组。虽然这种结构在实际应用中已经足够好，但无法完全消除磁性效应。这是因为部分磁力线会从磁芯中间的位置穿过空气，导致有些磁力线经过某个绕组的匝数多于另一个绕组。只有先将两根导线以均匀的方式绞合在一起，然后再同时将它们绕在磁芯上，才能实现完全的磁化中和。

图97. 串联差动电磁铁
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机械结构方面，我们现在来探讨电磁铁的实际机械构造。这一方面对于电话设备来说非常重要，因为不仅需要产生适当的电学和磁学效应，而且磁铁的整体结构还必须能够避免出现故障，同时不受湿度、温度、不当操作或其他不利条件的影响。

电话系统中最常用的磁体结构如图98所示。该磁体的核心由柔软的挪威铁制成，通常为圆柱形，其上缠绕有

两个由纤维或硬橡胶制成的垫圈。通常首选纤维材料，因为它更坚韧，不易断裂。在核心周围、两个端盖之间，还会包裹几层纸或特制布料，这样就能使构成绕组的导线与核心完全隔绝开来。随后，将导线的一端穿过靠近核心的其中一个端盖或垫圈上的孔，然后逐层缠绕导线。有时会在每层导线外再覆盖一层纸，以防止各层之间的绝缘层出现破损。当最后一层导线缠绕完成后，再将导线的另一端从端盖上的孔穿出，这样导线的两端就会露在外面。

图98 电磁铁的构造
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磁芯用导线。用于绕制磁芯的导线自然是电磁铁的重要组成部分。必须确保相邻的导线匝之间相互绝缘，这样电流才能沿着每匝导线的全长在核心周围流动，而不会像没有绝缘层时那样选择从一匝直接流向另一匝的较短路径。为此，导线通常会涂上某种绝缘材料。不过，也有一些方法可以使用裸导线来绕制磁芯线圈，并通过其他方式来保证匝与匝之间的绝缘性，这一点稍后会提到。

用于绕制磁芯线圈的绝缘导线被称为磁芯线。铜几乎是所有情况下都用作导体的材料，其高导电性、良好的延展性以及低成本使其优于其他所有金属。但在某些特殊情况下，如果需要极高的导电性且绕制空间有限，有时会使用银线；而在需要极高电阻且绕制空间有限的场合，则会使用铁、德国银或其他高电阻合金。

导线规格。用于电气领域的导线有各种不同的标准规格。所谓的不同规格实际上是一系列按尺寸分类的导线，直径从大约半英寸到接近女性头发的细度不等。在电话系统的某些领域，比如线路建设中，多种不同的导线规格很容易造成混淆。不过幸运的是，就磁芯线而言，所谓的布朗标准和……

在美国，几乎普遍使用夏普制或美国线规。这种线规的缩写为B.&S.或A.W.G.

表三：铜线参数表

该表列出了在68华氏度条件下，基于马蒂森标准电导率计算的铜线的重量、长度及电阻值。

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 0000 | 460.211,600 | 0.00007639 | 0.0000489 | 1.561 |
| | | | 20,440 | 0.6405 |
| | | | 13,090 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 000 | 409.6 | 0.0001215 | 0.0000617 | 1.969 |
| | | | 16,210 | 0.5080 |
| | | | 8,232 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 0 | 364.8 | 0.0001931 | 0.0000778 | 2.482 |
| | | | 12,850 | 0.4028 |
| | | | 5,177 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 1 | 324.9 | 0.0003071 | 0.0000981 | 3.130 |
| | | | 10,190 | 0.3195 |
| | | | 3,256 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 2 | 289.3 | 0.0004883 | 0.0001237 | 3.947 |
| | | | 8,083 | 0.2533 |
| | | | 2,048 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 3 | 257.6 | 0.0007765 | 0.0001560 | 4.977 |
| | | | 6,410 | 0.2009 |
| | | | 1,288 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 4 | 229.4 | 0.001235 | 0.0001967 | 6.276 |
| | | | 5,084 | 0.1593 |
| | | | 810.0 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 5 | 204.3 | 0.001963 | 0.0002480 | 7.914 |
| | | | 4,031 | 0.1264 |
| | | | 509.4 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 6 | 181.9 | 0.003122 | 0.0003128 | 9.980 |
| | | | 3,197 | 0.1002 |
| | | | 320.4 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 7 | 162.0 | 0.004963 | 0.0003944 | 12.58 |
| | | | 2,535 | 0.07946 |
| | | | 201.5 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 8 | 144.3 | 0.007892 | 0.0004973 | 15.87 |
| | | | 2,011 | 0.06302 |
| | | | 126.7 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 9 | 128.5 | 0.01255 | 0.0006271 | 20.01 |
| | | | 1,595 | 0.04998 |
| | | | 79.69 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 10 | 114.4 | 0.01995 | 0.0007908 | 25.23 |
| | | | 1,265 | 0.03963 |
| | | | 50.12 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 11 | 101.9 | 0.03173 | 0.0009273 | 31.82 |
| | | | 1,003 | 0.03143 |
| | | | 31.52 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 12 | 90.74 | 0.05045 | 0.001257 | 40.12 |
| | | | 795.3 | 0.02493 |
| | | | 19.82 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 13 | 80.81 | 0.08022 | 0.001586 | 50.59 |
| | | | 630.7 | 0.01977 |
| | | | 12.47 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 14 | 71.96 | 0.1276 | 0.001999 | 63.79 |
| | | | 500.1 | 0.01568 |
| | | | 7.840 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 15 | 64.08 | 0.2028 | 0.002521 | 80.44 |
| | | | 396.6 | 0.01243 |
| | | | 4.931 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 16 | 57.07 | 0.3225 | 0.003179 | 101.4 |
| | | | 314.5 | 0.009858 |
| | | | 3.101 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 17 | 50.82 | 0.5128 | 0.004009 | 127.9 |
| | | | 249.4 | 0.007818 |
| | | | 1.950 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 18 | 45.26 | 0.8153 | 0.005055 | 161.3 |
| | | | 197.8 | 0.006200 |
| | | | 1.226 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 19 | 40.30 | 1.296 | 0.006374 | 203.4 |
| | | | 156.9 | 0.004917 |
| | | | 0.7713 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 20 | 35.89 | 2.061 | 0.008038 | 256.5 |
| | | | 124.4 | 0.003899 |
| | | | 0.4851 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 21 | 31.96 | 3.278 | 0.01014 | 323.4 |
| | | | 98.66 | 0.003092 |
| | | | 0.3051 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 22 | 28.46 | 5.212 | 0.01278 | 407.8 |
| | | | 78.24 | 0.002452 |
| | | | 0.1919 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 23 | 25.35 | 8.287 | 0.01612 | 514.2 |
| | | | 62.05 | 0.001945 |
| | | | 0.1207 | |

| 线规规格 | 直径（密耳） | 单位长度电阻（欧姆） | 单位长度重量（磅/英尺） | 单位长度电阻（欧姆/英尺） |
|----------|------------|----------------------|------------------------|--------------------------|
| 24 | 22.57 | 13.18 | 0.02032 | 648.4 |
| | | | 49.21 | 0.001542 |
| |

24 20.10 404.0 20.95 0.02563 817.6 39.02 0.001223 0.04773
25 17.90 320.4 33.32 0.03231 1,031. 30.95 0.0009699 0.03002
26 15.94 254.1 52.97 0.04075 1,300. 24.54 0.0007692 0.1187
27 14.2 201.5 84.23 0.05138 1,639. 19.46 0.0006100 0.01888
28 12.64 159.8 133.9 0.06479 2,067. 15.43 0.0004837 0.007466
29 11.26 126.7 213.0 0.08170 2,607. 12.24 0.0003836 0.004696
30 10.03 100.5 338.6 0.1030 3,287. 9.707 0.0003042 0.002953
31 8.928 79.70 538.4 0.1299 4,145. 7.698 0.0002413 0.001857
32 7.950 63.21 856.2 0.1638 5,227. 6.105 0.0001913 0.001168
33 7.080 50.13 1,361. 0.2066 6,591. 4.841 0.0001517 0.0007346
34 6.305 39.75 2,165. 0.2605 8,311. 3.839 0.0001203 0.0004620
35 5.615 31.52 3,441. 0.3284 10,480. 3.045 0.00009543 0.0002905
36 5.0 25.0 5,473. 0.4142 13,210. 2.414 0.00007568 0.0001827
37 4.453 19.83 8,702. 0.5222 16,660. 1.915 0.00006001 0.0001149
38 3.965 15.72 13,870. 0.6585 21,010. 1.519 0.00004759 0.00007210
39 3.531 12.47 22,000. 0.8304 26,500. 1.204 0.00003774 0.00004545
40 3.145 9.888 34,980. 1.047 33,410. 0.9550 0.00002993 0.00002858

在Brown和Sharpe规格中，从最大号开始，各尺寸依次编号为0000、000、00、0、1、2，以此类推直至40。大于16号的Brown和Sharpe规格导线很少被用作电话用磁线，但为使列表完整，表III仍列出了所有Brown和Sharpe规格的尺寸。

表III中给出了每个规格对应的导线直径（以千分之一英寸为单位）、横截面积（以圆形密耳为单位，即直径为千分之一英寸的圆的面积）、不同长度和重量条件下的电阻值、根据电阻和重量计算出的导线长度，以及根据长度和电阻计算出的导线重量。

需要说明的是，表III中所指的导线为纯铜制成的裸线。实际上完全使用纯铜并不可行，普通磁线的导电率仅为纯铜的约98%。对于大多数实际应用而言，表中的数据已经足够精确。

绝缘材料方面，用于包裹磁线的绝缘材料通常是丝绸或棉花。就一般用途而言，丝绸是更好的选择，因为它的绝缘性能远优于棉花，且厚度更薄。不过棉花也被广泛使用，尤其是在较大规格的磁线上。这两种材料都有一个缺点，那就是容易吸湿。为了解决这个问题，人们通常会在绕制线圈后，将其浸入熔化的绝缘化合物中，如蜡、清漆或沥青，这些物质冷却后会固化，从而填满线圈内部的缝隙。若要实现彻底的饱和处理，最佳做法是将线圈置于真空室中排出空气，然后再注入热态的绝缘化合物，使其渗入线圈结构的最深处。

市面上常见的丝绸绝缘导线要么有一层丝绸绝缘层，要么有两层，分别被称为单层丝绸导线和双层丝绸导线。单层丝绸导线仅有一层丝绸纤维包裹，而双层丝绸导线则有两层，且两层的缠绕方向相反。

方向。棉质绝缘线也是如此。通常，还会采用两种材料的组合方式，即在导线外先包裹一层或两层丝绸，再在外面加上棉质层。在这种结构中，棉质层主要起保护丝绸的作用，而真正的绝缘性能则来自丝绸本身。

搪瓷。在磁线绝缘技术的发展过程中，出现了所谓的搪瓷线。与用丝绸或棉质等纤维材料包裹导线不同，这种导线会被加热并穿过液态绝缘材料或搪瓷浴，从而使搪瓷以极薄的层附着在导线上。随后，导线会被送入烘炉中，让搪瓷进一步固化。这一过程会重复多次，从而在导线上形成多层薄薄的搪瓷层。

对于优质的磁线搪瓷绝缘材料而言，其应具备以下特性：具有极高的绝缘性能；表面光滑无瑕疵；质地坚硬但不会易碎；能够牢固地附着在导线上，即便经过反复操作也不会出现开裂或剥落现象；其弹性系数要高于导线本身；能够承受高温；具备防潮性且不受腐蚀作用影响；并且不会在长时间使用后变干或变脆。

空间利用。在电磁铁的设计中，如何有效利用绕组空间是一个重要因素，因为显然只有铜或其他导体才是能够产生磁场的部分。从这方面来看，绝缘材料所占据的空间属于浪费空间。理想的绕组应该是所有空间都被导线占据，但这意味着导线必须为方形截面，且绝缘层需做到无限薄。在这样的绕组中就不会有空间浪费，也能最大限度地使用金属作为导体。当然，这样的条件是无法实现的，实际上在导线层之间以及相邻的绕组之间还是需要加入一些绝缘材料。导体所占空间与整个绕组所占空间的比例，也就是导体与绝缘材料所占空间的比例……

绝缘层的厚度被称为线圈的空间利用率系数。对于理想状态的线圈而言，其空间利用率系数应为1。通常情况下，粗导线的空间利用率系数高于细导线，因为随着导线尺寸的增大，导线直径与绝缘层厚度的比值也会随之增加。

搪瓷绝缘材料用于磁线时的最大优势在于其极薄的厚度，以及由此带来的高空间利用率系数。优质搪瓷绝缘层的厚度大约仅为普通单丝绝缘层的四分之一，而其介电强度则与之相当或更高。在需要节省绕线空间的情况下，这一优势就显得尤为重要。例如，用36号单丝导线绕制线圈时，约有半数的绕线空间被绝缘层占据；而使用36号搪瓷导线时，只有约五分之一的空间被绝缘层占用。这样一来，空间利用率系数就从0.50上升到了0.80。实际效果是，在相同的绕线空间内，使用搪瓷导线时可以比使用单丝绝缘导线多绕60%的匝数；当然，与双丝绝缘导线或棉质绝缘导线相比，这一比例还会更高。另外，如果希望减少绕线空间同时保持相同的匝数，那么使用搪瓷导线替代丝质或棉质绝缘材料，就可以在相应减少绕线空间的前提下实现相同的匝数。

在耐热性能方面，搪瓷导线明显优于丝质和棉质绝缘材料。棉质或丝质绝缘材料在约260华氏度时就会开始炭化，而优质搪瓷导线则能在400至500华氏度的温度下仍保持绝缘性能不受损害。不过，在处理过程中容易受到损伤，或者用于绕制形状不规则的线圈时，搪瓷导线显然不如丝质或棉质绝缘导线。在绕线过程中，如果搪瓷导线碰到磁芯的尖锐边缘，或是在送入磁芯的过程中接触到坚硬表面的边缘，就很容易被损坏。那些核心并非圆形、或者磁芯头部有尖锐棱角的线圈，通常不应使用搪瓷导线来绕制。

搪瓷绝缘材料的介电强度远远高于相同厚度下的丝绸或棉质绝缘材料。这是一个明显的优势，通常将这两种绝缘材料结合使用能够制造出性能更优异的电线。如果用搪瓷绝缘的电线再外加一层丝绸或棉质绝缘层，不仅可以保持搪瓷的绝缘与介电性能，还能进一步防止搪瓷表面出现裸露部分，同时为搪瓷提供一定的机械保护。

绕制方法：在绕制线圈时，首先将准备好的线轴放置在一个可以快速旋转的轴上。通常情况下，人们是手动引导电线进行绕制；不过有时也会使用机器，让电线穿过一种沿线轴长度方向来回移动的工具，从而以适当的速度将电线绕制上去。这种工具的运作方式与螺纹切削车床中的工具类似。

除非需要处理高电压，否则对于采用丝绸或棉质绝缘材料的磁线来说，通常没有必要用纸将各层电线隔开；不过在需要特别高的绝缘电阻时，则会采取这种措施。而对于用搪瓷电线绕制的磁体，则必须用纸片或薄油布将各层电线隔开。

图99：使用裸线的电磁铁
查看完整尺寸的插图。

图99展示了一种成功用于用裸线绕制磁体的方法。在这种方法中，相邻的各圈电线之间会通过缠绕在电线旁边的细丝状丝绸或棉线来隔开。每层电线和这些丝线在被放置到磁芯上时……

通过一层纸将线圈与后续的层完全隔开。这本质上是一种机器绕制的线圈，而用于绕制的机器已经非常完善，可以同时绕制多个线圈，每绕完一层后纸张就会自动送入。

另一种绕制裸线的方法则不使用丝线，而是依靠导线在绕制过程中因略微陷入其所在的纸层中而实现固定位置。在这种情况下，每次绕线时导线的进给长度略大于导线本身的直径，这样相邻两圈之间就会留下一定的间距。

无论采用何种方法完成线圈的绕制，通常都会在线圈上覆盖一层装订用布，以此为绝缘导线提供一定的机械保护。

绕组端子的处理。在制造各种用途的电磁铁和线圈时，如何处理绕组的端子一直是一个备受关注的问题。如果绕组是由细导线构成的，那么最好用一段较粗的导线来加固其端部。此时，较粗的导线会绕在线圈主体上几圈，这样与它相连的细导线就能免受来自导线突出端部的任何应力作用。在处理内部端子——即与内层相连接的端子时——必须格外小心，确保端子导线不会接触到随后绕制的任何层。

图100. 带有端子的电磁铁
查看全尺寸插图。

在需要节省空间的情况下，一种简便的线圈端子处理方法是将刚性端子固定在线轴头部。对于纤维材质的线轴头部，可以通过……来实现这一目的。

将重型金属端子压入纤维中。随后，通过焊接的方式，利用这些坚固的金属端子将从绕组引出的两根导线连接起来。图100展示了带有此类端子的线圈在完成后的状态。

绕组参数。对于电话用电磁铁的制造而言，最主要的两个影响因素是绕组的匝数以及绕线本身的电阻。电阻决定了在给定两端电压差的情况下能够流过线圈的电流大小；而匝数则决定了电流在磁芯中产生的磁力强度。在绕制线圈时，可以使用简单的计数器来统计匝数。一旦线圈制作完成，测量其电阻也很简单。不过，要提前确定在特定线轴上可以绕多少匝，或者在达到所需匝数后该线轴上导线的电阻值是多少，则并非如此容易。

表IV

绝缘导线——丝绸及棉质外层的绕组参数

美国线规 B & S 20 21 22 23 24 25 26
直径（密耳） 31.961 28.462 25.347 22.571 20.100 17.900 15.940
横截面积（平方密耳） 1021.208 10.10 642.705 09.454 04.01 320.402 54.01
带绝缘层后的直径
单层棉质 37.861 34.362 31.247 28.471 26.000 23.800 21.840
双层棉质 42.161 38.662 35.547 32.771 30.300 28.100 26.140
单层丝绸 34.261 30.762 27.647 24.871 22.401 20.200 18.240
双层丝绸 36.161 32.662 29.547 26.771 24.300 22.100 20.140
每线性英寸的匝数
单层棉质 25.7 28.3 31.0 34.4 36.9 38.0 42.0
双层棉质 22.5 24.5 26.7 28.97 31.35 33.92 36.29
单层丝绸 27.70 30.97 34.39 38.19 42.37 47.02 52.06
双层丝绸 26.22 29.07 32.11 35.53 39.14 42.94 46.81

每平方英寸的匝数
单层棉纤维：660.5、800.9、961.0、1183.0、1321.6、1444.0、1764.0
双层棉纤维：506.3、600.2、712.9、839.2、982.8、1150.8、1317.0

每立方英寸的欧姆值
单层棉纤维：0.646、0.981、1.502、2.359、3.528、5.831、6.941
双层棉纤维：0.533、0.795、1.188、1.772、2.595、3.802、5.552

单层丝绸：0.801、1.261、1.956、3.049、4.739、7.489、9.031
双层丝绸：0.6875、0.8450、1.0310、1.2624、1.5320、1.8438、2.1912

A.W.G. B & S等级：27、28、29、30、31、32、33
直径（密耳）：14.195、12.641、11.257、10.025、8.928、7.950、7.080
圆形面积（密耳²）：201.50、159.79、126.72、100.50、79.71、63.20、50.13

绝缘层外的直径
单层棉纤维：20.095、18.541、17.157、15.925、14.828、13.850、12.980
双层棉纤维：24.395、22.841、21.457、20.225、19.128、18.150、17.280
单层丝绸：16.495、14.941、13.557、12.325、11.228、10.250、9.380
双层丝绸：18.395、16.841、15.457、14.225、13.128、12.150、11.280

每线性英寸的匝数
单层棉纤维：48.0、53.0、56.5、59.66、64.125、68.600、73.050
双层棉纤维：38.95、41.61、44.27、46.93、49.78、52.34、55.10
单层丝绸：57.67、63.36、70.11、77.14、84.64、92.72、101.65
双层丝绸：51.59、56.43、61.56、66.79、72.39、78.19、84.17

每平方英寸的匝数
单层棉纤维：2304.0、2809.9、3192.3、3359.2、4112.2、4692.5、5333.5
双层棉纤维：1517.2、1731.0、1959.9、2202.5、2478.0、2739.5、3036.1
单层丝绸：3326.0、4014.5、4915.5、5950.2、7164.0、8597.5、10332.0
双层丝绸：2661.6、3184.5、3789.8、4461.0、5240.0、6114.0、7085.0

每立方英寸的欧姆值
单层棉纤维：10.814、17.617、25.500、34.800、48.5、73.8、104.5

双棉线：8.078、11.54、16.47、23.43、32.83、46.19、64.30
单丝线：13.92、26.86、41.29、62.98、95.70、144.70、217.8

A.W.G. B & S等级：34、35、36、37、38、39、40
直径（密耳）：6.304、5.614、5.000、4.453、3.965、3.531、3.144
圆形面积（密耳）：39.74、31.52、25.00、19.83、15.72、12.47、9.89
绝缘层外的直径：
单棉线：12.204、11.514、1090.0、10.353、9.865、9.431、9.044
双棉线：16.504、15.814、15.200、14.653、14.165、13.731、13.344
单丝线：8.504、7.914、7.300、6.753、6.265、5.831、5.344
双丝线：10.504、9.814、9.200、8.653、8.165、7.731、7.344
每线性英寸的匝数：
单棉线：77.900、82.600、87.100、91.870、95.000、100.700、106.000
双棉线：57.57、60.04、62.51、64.70、66.80、68.80、71.20
单丝线：112.11、119.7、130.15、140.6、151.05、163.04、177.65
双丝线：90.44、96.90、103.55、110.20、116.85、122.55、129.20
每平方英寸的匝数：
单棉线：6068.56、773.3、7586.5、8440.0、9025.0、10140.5、11236.0
双棉线：3314.23、605.0、3907.5、4186.1、4462.2、4733.6、5069.8
单丝线：8179.59、389.5、16940.0、19770.0、22820.0、26700.0、31559.0
双丝线：8179.59、389.5、10772.0、12145.0、13665.0、15018.0、16692.0
每立方英寸的欧姆值：
单棉线：151.4、202.0、298.8、418.0、567.0、811.0、1113.0
双棉线：70.58、125.9、166.3、225.6、305.5、409.8、545.5
单丝线：342.1、489.0、721.1、1062.0、1557.0、2266.0、3400.0

如果已知线圈的绕线空间长度和深度以及磁芯的直径，那么就不难确定可以在其上绕多少根指定规格的裸铜线，不过这其实相当复杂。

关于被棉纱或丝绸包裹的铜线的这些事实，我们其实已经了解。不过还是可以采取一些措施，人们已经为不同规格的导线制定了标准，明确了相应厚度的棉纱和丝绸绝缘层的参数。通过大量实际绕制线圈所获得的数据，20号至40号的B&S规格导线每线性英寸及每平方英寸的匝数已被列成表格；再加上三种不同绝缘层导线每立方英寸绕组空间的欧姆值表，这些数据均列在表IV中。

需要记住的是，表IV中的所有计算都是基于“绝缘层外的直径”这一数值，表中还分别给出了四种不同绝缘层的相应数值，由此就能明白“每线性英寸匝数”的含义。而“每平方英寸匝数”则是指：如果将绕制好的线圈沿穿过磁芯轴线的平面切开，那么在一平方英寸的区域内会露出的匝数。只要知道线轴两端的距离以及线圈的缠绕深度，就可以轻松选择出能在给定空间内达到所需匝数的导线规格。需要注意的是，缠绕空间的深度等于磁芯直径与绕制后线圈总直径之差的一半。通过知道绕组空间的总体积，再乘以所选导线每立方英寸的欧姆值，就可以提前算出整个绕组线路的电阻；具体来说，需将线轴两端的距离以英寸为单位，再乘以磁芯直径与缠绕空间直径之差的平方，最后再乘以0.7854。将这个结果乘以表中给出的每立方英寸欧姆值，即可得到绕组的电阻值。

在为较细的导线施加丝绸绝缘层时，其方法存在相当大的差异，也正是在这些较细的导线规格上，误差（如果有的话）会最快地累积起来。不过，该表格所依据的数据仍来自大量采用当前小线圈绕制工艺实际绕制而成的样品。还需指出的是，该表格并未考虑在导线各层之间添加纸层的情况。该表格已经经过大量实例验证，并被用于提前计算绕组参数，其准确性相当高。

该近似值可通过相关公式得出，且其优点在于应用起来并不复杂。

绕组计算。在涉及线圈绕制的实验中，通常需要先尝试一种绕组方式，以了解其在特定电路结构中的效果，再根据所得信息选择另一种更适合该条件的绕组方式。正是在这种替换过程中，该表格才显得极为有用。假设需要一个特定尺寸的线轴和磁芯，用25号单层丝包导线进行绕制，其电阻为50欧姆。同时，电路要求将该线轴重新绕制，使其电阻达到1,000欧姆。那么应使用何种规格的单层丝包导线呢？显然，绕制空间保持不变或几乎不变。电阻需要从50欧姆增加到1,000欧姆，即变为原来的20倍。因此，所选导线的每立方英寸电阻值必须是25号导线对应值的20倍。25号导线的电阻值为7.489欧姆/立方英寸，20倍之后即为149.8欧姆/立方英寸，但并没有恰好符合这一数值的导线规格。不过32号导线几乎能达到这一电阻值，若以完全相同的绕制深度进行绕制，其电阻约为970欧姆；再多绕几圈就能再增加30欧姆的电阻。

同样地，对于已知匝数固定的线圈，该表格也可帮助确定为获得更多或更少匝数而应选择的导线规格。在这种情况下，与更换不同电阻值的绕组类似，无需再测量或计算线轴及磁芯的尺寸。假设某个线轴当前使用的是30号双层丝包导线，现在需要将其匝数增加一倍。要实现这一目标，导线每平方英寸的匝数应为8922匝，对应的规格应在34号与35号之间。可以选择这两种导线中的其中一种：使用较小规格的导线时，可适当增加绕制深度；而使用较大规格的导线时，则可减少绕制深度。

阻抗线圈。如前所述，在电话系统中，电磁铁的功能往往不仅限于通过吸合或释放衔铁来产生动力。它们还被用作阻抗线圈，用以阻挡交流电或其他快速变化的电流通过，同时允许……

恒定电流可以相对自由地通过。当需要使电磁线圈具有高阻抗时，通常会使用层压芯而非实心芯。实现这一目的的方法是：将薄薄的软铁片叠放在一起构成适当尺寸的芯，或者将多根软铁丝捆绑在一起。使用层压芯的目的是为了防止涡流的产生——如果涡流得以流动，不仅会浪费能量，还会破坏所需的较高阻抗。在某些铁壳式阻抗线圈中，铁壳上还会开有纵向槽口，以阻断壳内的涡流。

通常，电磁线圈仅起到提供阻抗的作用，无需将电能转换为机械能。在这种情况下，这类线圈被称为阻抗线圈、延迟线圈或扼流线圈，因为它们的作用就是阻碍或延迟快速变化的电流流动。因此，阻抗线圈与普通电磁线圈的区别在于功能，因为从结构上看它们可能相同，其设计和制造原理也大体一致。

匝数。需要记住的是，阻抗线圈是通过产生反向电动势来阻碍交流电的流动，而非依靠欧姆电阻。在其他条件不变的情况下，自感产生的反向电动势会随着线圈匝数的增加而增大，同时也会随着穿过线圈的磁力线数量的增加而增大；而后者又取决于磁路的内阻。因此，要想获得高阻抗，就需要较多的匝数或较低的内阻，或者两者兼备。由于对直流承载能力的要求以及空间限制，往往无法使用过高的匝数，在这种情况下，可以通过采用内阻极低的磁路——通常是完全闭合的磁路——来获得足以抑制语音信号等快速变化电流的高阻抗。

铁的类型。在设计阻抗线圈时，磁路中所用铁的材质是一个重要因素。显然，这种铁应具有最高的磁导率，此外，其横截面积也应足够大。

为避免磁化程度接近饱和状态，必须采取相应措施。如果可能的话，应让铁材处于其磁导率最高的磁化密度下，这样才能获得最大的阻抗效应。

类型：开路式——在处理极微弱的电流时，尤其是没有直流电流动的情况下，通常会使用开路式磁路。图101展示了具有开路磁路的阻抗线圈的截面结构，图102则显示了其外观，并详细说明了绕组端子的引出方式。

图101. 开路式阻抗线圈的截面结构
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图102. 开路式阻抗线圈
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图103. 闭路式阻抗线圈
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闭合回路型：这是一种延迟线圈，广泛用于同时进行电报和电话传输的系统，即所谓的复合系统，如图103所示。这种线圈的磁芯由多股细铁丝构成，这些铁丝先被弯成U形，之后再将磁芯的各自由端连接在一起，从而形成闭合的磁路。该线圈具有大量由较粗铁丝构成的绕组。使用这种线圈时，需要其具备极高的阻抗以及较大的载流能力；幸运的是，无需将其放置在极小的空间内这一要求并不存在。

环面型：另一种延迟线圈，因其磁芯是由连续的细铁丝绕制而成的环面结构而被称为环面型，如图104所示。这种线圈的两个绕组可以串联起来，从而形成单个绕组；或者也可以作为“分绕组”线圈使用，此时两个绕组仍为串联状态，但在电路中还会加入电池等其他元件。显然，无论以何种方式连接，由于该线圈磁芯的磁阻较低，因此都非常适合用于需要高阻抗的场景。

图104. 环面型阻抗线圈的符号
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这种线圈通常安装在底板上，且其线圈会被封装在防护用的铁壳中，如图105所示。每个线圈的两个绕组的引线都会引出到底板一端的接线端子上，以便于进行必要的电路连接。

图105. 环形阻抗线圈
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阻抗线圈的常用符号如图106所示。这一符号与普通条形磁铁的符号相同，不同之处在于穿过磁芯的平行线表示该磁芯是由多层磁片构成的，从而体现出高阻抗的特性。图104中的符号很适合用来表示环形阻抗线圈。

图106. 阻抗线圈的符号
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感应线圈。感应线圈由两个或更多绕组组成，这些绕组通过同一个磁路相互连接。在具有两个绕组的感应线圈中，如果其中一个绕组（即初级绕组）中的电流强度发生变化，那么流经该磁路的磁通量也会随之发生变化，进而导致另一个绕组（即次级绕组）中的磁通量也发生变化。根据电磁感应定律，这会在次级绕组中产生相应的电动势；如果次级绕组的电路是闭合的，那么就会在该绕组中产生相应的电流。

电流与电压的比例。在设计良好的感应线圈中，次级绕组中的能量，也就是感应电流的大小，实际上与初级绕组中的电流大小相等。不过，感应电流的电压和电流值可能与初级绕组的电压和电流值有很大差异。对于那些呈周期性变化的电流，比如商用交流电，初级绕组与次级绕组之间的电压比例是恒定的。

即初级线圈的匝数与次级线圈匝数之比。由于两个电路中的能量实际上是相同的，因此初级线圈中的电流与次级线圈中的电流之比，就等于次级线圈匝数与初级线圈匝数之比。在电话系统中，由于电流并非简单的周期性电流，且电流强度的变化速率也各不相同，因此上述规律并不适用于所有情况；但总体而言，只要次级线圈的匝数多于初级线圈，那么感应电流的电压就会更高、电流强度则会更小，反之亦然。

功能。因此，在电话系统中，感应线圈的主要功能就是实现电压转换，也就是要么提升电流的电压，要么降低其电压。不过，在不需要改变电压和电流强度的情况下，感应线圈还有另一个作用：它可以将两个存在导电连接的电路在电气上隔开，同时仍允许通过感应作用让电流在两个电路之间自由传递。这一功能在电话系统中的重要性几乎不亚于单纯的电压转换功能。

设计。用于电话系统的感应线圈可分为两大类：第一类是具有开放磁路的线圈，第二类则是具有封闭磁路的线圈。无论属于哪一类，核心材料都必须经过妥善的层压处理，通常是通过将直径约为0.02英寸的柔软瑞典或挪威铁丝编织而成。线圈的直径和长度、初级线圈与次级线圈的匝数比例，以及线圈的机械结构，这些因素在实际应用中都有很大的差异。虽然这些因素之间的适当关系非常重要，但由于其中发生的物理过程极为复杂，而且很难获得有关其工作原理的基本数据，因此除非通过实际测试各种不同的线圈，否则很难确定这些因素之间的准确关系。因此可以说，感应线圈的设计几乎总是需要通过实验来确定的。

通过“试错法”来实现这一目标，当然，需要运用实验者所掌握的各种科学与实用知识。

图107. 感应线圈
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图108. 感应线圈的截面图
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用途与优点。所谓局部电池电话机中使用的感应线圈的用途及优点已在前面的章节中阐述过。这类感应线圈几乎都属于开式磁路结构，其核心由一束经过退火处理的小铁丝构成，呈长条状；在该核心上绕有匝数较少、线径相对较粗的初级线圈，而在其外层则绕有匝数众多、线径相对较细的次级线圈。图107展示了安装在底座上的此类线圈的样貌，图108则显示了其截面图。该图中清楚地标出了引出线圈端子的方法：2和4为初级线圈的端子，1和3为次级线圈的端子。通常会将这些导线引出后，用焊料将其固定在合适的端子夹上。在图108所示的线圈中，这些端子夹安装在线圈的木质部分上；而在图107所示的设计中，它们则如图中所示安装在底座上。

重复线圈。电话系统中使用的所谓重复线圈实际上就是一种感应线圈。它有多种用途，其主要功能是实现两个电学上相互隔离的电路之间的感应连接。通常，重复线圈的匝数比为一比一。

也就是说，初级线圈与次级线圈的匝数是相同的。不过，情况并非总是如此——有时人们会故意让两者的匝数不同，此时根据初级线圈匝数是多于还是少于次级线圈匝数，这类线圈就被称作升压型或降压型重复线圈。几乎所有的重复线圈都属于闭合磁路类型。

关于振铃与通话功能的问题。由于重复线圈常用于连接两部电话，因此有时不仅需要通过它来传输语音信号，还需要让它能够处理较强的振铃电流。这意味着该线圈的设计必须能够同时处理强度较大的振铃电流以及强度较小的电话或语音电流。振铃电流的频率通常在每秒16到75次之间，而语音电流的频率则从几百次/秒到一万次/秒不等。因此，用于处理语音电流的最佳类型的重复线圈，往往并不适合处理强振铃电流，反之亦然。如果只考虑强度较大的振铃电流，那么重复线圈可以采用结构较为坚固的设计，其磁路中可使用大量铁芯；而若仅用于传输语音电流，则应使用少量铁芯并配备较少的绕组，这样可以避免铁芯中的能量浪费，同时实现高响应度且尽量减少波形失真，从而使语音电流尽可能保持原有的特性。因此，当需要一种线圈同时处理振铃电流和语音电流时，就必须进行折中设计。

类型。图109展示了一种常用于同时处理振铃电流和语音电流的重复线圈的构造。这种线圈的磁芯是由直径约为0.02英寸的导线束构成的软铁芯，这些导线的两端留有足够的长度，以便在绕组安装完成后将其弯回，从而为磁芯形成完全闭合的磁路。该线圈共有四组绕组，每组约有2,400匝，电阻约为60欧姆。当该线圈与本地电池相连使用时，各绕组会两两串联，从而形成两组绕组，每组的电阻约为120欧姆。整个线圈被装在铁制保护壳中。

如所示，各端子被连接到木制底座上的相应夹子上。该线圈的外部视图见图110。如图所示，每个绕组都有八个端子，因此可以以多种方式将它们连接起来——既可以成对连接从而形成初级绕组和次级绕组，也可以像通常那样将初级绕组和次级绕组分开，并在每对绕组之间接入电池。

图109：重复式线圈
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图110：重复式线圈
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图111以剖面图形式展示了一种仅用于语音传输的商用线圈。该线圈有四个绕组，每个绕组的匝数为1,357匝；当用于本地电池供电时，这些绕组会成对串联，从而使重复式线圈的每一半具有约190欧姆的电阻。该线圈的磁芯由一束软铁丝构成，而作为磁力线返回路径的外壳则由非常柔软的薄铁板制成。该外壳被制成杯状，线圈插入后，通过插入一个软铁头来封闭其开口端，如图所示。与图109和图110中的线圈一样，这种线圈也有八个端子。

该线圈被设计成这种结构，从而具备了必要的连接灵活性。

图111. 循环线圈
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图112. 环形循环线圈的示意图
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图113. 环形循环线圈
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另一种类型的循环线圈如图112所示，其结构则如图113所示。与图104中所示的阻抗线圈类似，这种线圈的磁芯是由多股软铁丝绕成环形构成的。通常，它的磁芯上会有两个彼此相对设置的初级绕组，以及两个次级绕组。

每个初级绕组之上。实际上，这两个初级绕组被连接在同一个电路中，而两个次级绕组则连接在另一个电路中。这就是贝尔公司目前在其共用电池电路中所使用的标准重复线圈结构。

图114. 感应线圈的符号
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常规符号。用于本地电池系统的感应线圈的常规符号如图114所示。它仅仅由一对平行的之字形线条构成。初级绕组通常用较粗的线条表示，且之字形线条的数量较少；而次级绕组则用较细的线条表示，之字形线条的数量较多。通过这种方式即可表明初级绕组使用的是较粗的导线，且匝数相对较少。这种图形符号可以根据不同情况加以调整；当存在三级绕组以及次级绕组时，只需再添加一条之字形线条即可表示出来。

图115. 重复线圈的符号
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图115中的两个图表分别以符号形式展示了重复线圈的结构。当无需标明线圈的内部连接方式时，通常会使用该图左侧所示的符号。然而，如果线圈由四个绕组组成，且需要说明这些绕组的连接方式，则会使用右侧所示的符号。图116展示了另一种表示四绕组重复线圈或感应线圈的方法。有时，这些绕组可以通过相互连接而合并为仅有的初级绕组和次级绕组。

在其他情况下，四个绕组各自独立工作，此时可以将其中一个视为初级绕组，而其余的则分别视为次级绕组、三级绕组和四级绕组。

图116. 四绕组重复线圈的符号图
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当采用环形结构的重复线圈时，前面已经提到过的图112所示的图形便是一种很好的符号表示方式。

目录

第十一章 非电感式电阻器件

在电话电路中，人们常常需要引入简单的欧姆电阻，以此限制电流大小，或是在电路的特定点产生特定的电势差。

温度系数。为不同用途设计或选择电阻器件时，往往需要考虑温度对所用导体电阻的影响。导体的电阻会随着温度的变化而改变。几乎所有金属的电阻都会随温度升高而增加，而碳的电阻则在受热时反而会降低。

导体的温度系数是一个系数，需将该导体在某一温度下的电阻值乘以这一系数，才能算出温度上升1度时该导体电阻的变化量。

表五 温度系数

纯金属的温度系数
（摄氏度/华氏度）
银（退火态） 0.00400 0.00222
铜（退火态） 0.00428 0.00242
金（99.9%） 0.00377 0.00210
铝（99%） 0.00423 0.00235
锌 0.00406 0.00226
铂（退火态） 0.00247 0.00137
铁 0.00625 0.00347
镍 0.0062 0.00345

锡：0.00440 0.00245
铅：0.00411 0.00228
锑：0.00389 0.00216
汞：0.00072 0.00044
铋：0.00354 0.00197

正温度系数与负温度系数。那些随着温度升高而电阻增大的导体被称为具有正温度系数，而那些随着温度升高而电阻减小的导体则被称为具有负温度系数。

纯金属的温度系数始终为正值。根据福斯特的研究，一些常见金属的温度系数数值如表V所示。可以看出，铁的温度系数是所有金属中最高的。而碳的负温度系数则很大，因为普通白炽灯的灯丝在冷却状态下的电阻几乎是其达到最大发光功率时的两倍。

目前已有一些合金被开发出来，它们的温度系数非常低，这类合金可用于制造在各种常温下都能保持几乎相同电阻值的电阻元件。此外，这些合金的电阻值也远高于铜，因此有助于在较小空间内实现高电阻值。

其中最常用的电阻丝材料是一种名为“德国银”的合金。这种含18%该成分的合金，其电阻值约为铜的18.3倍，温度系数为每华氏度0.00016。而含30%该成分的合金，其电阻值约为铜的28倍，温度系数为每华氏度0.00024。

为便于设计德国银线制成的电阻线圈，表VI和表VII列出了20号B.&S.规格以下所有尺寸的18%合金及30%合金的长度、电阻值和重量等相关数据。

还可以获得温度系数低至每华氏度0.000003的特殊电阻合金。对于那些需要承载大电流且会因此达到较高温度的应用场景，人们会选用镍钢合金；此类应用中尤其需要具备良好的抗腐蚀性能。这类合金的电阻值可达到铜的约50倍。

表VI

18%德国银线

B.&S.规格 直径 重量 每英尺长度 电阻值
英寸 磅/英尺 英尺/磅 欧姆/英尺
21 0.02846 0.002389 418.6 0.2333
22 0.02535 0.001894 527.9 0.2941
23 0.02257 0.001502 665.8 0.3710
24 0.02010 0.001191 839.5 0.4678
25 0.01790 0.0009449 1058. 0.5899
26 0.01594 0.0007493 1335. 0.7438
27 0.01419 0.0005943 1683. 0.9386
28 0.01264 0.0004711 2123. 1.183
29 0.01126 0.0003735 2677. 1.491
30 0.01003 0.0002962 3376. 1.879
31 0.008928 0.0002350 4255. 2.371
32 0.007950 0.0001864 5366. 2.990
33 0.007080 0.0001478 6766. 3.771
34 0.006304 0.0001172 8532. 4.756
35 0.005614 0.00009295 10758. 5.997
36 0.005000 0.00007369 13569. 7.560
37 0.004453 0.00005845 17108. 9.532
38 0.003965 0.00004636 21569. 12.02

39. 003531.00003675 27209. 15.16
40. 003145.00002917 34282. 19.11

表VII

30%德国银线

规格编号 直径 单位重量 长度 电阻值
英寸/规格 英尺/磅 每英尺欧姆数
21. 02846 0.002405 415.8 0.3581
22. 02535 0.001907 524.4 0.4513
23. 02257 0.001512 661.3 0.5693
24. 02010 0.001199 833.9 0.7178
25. 01790 0.0009513 1051. 0.9051
26. 01594 0.0007544 1326. 1.141
27. 01419 0.0005983 1671. 1.440
28. 01264 0.0004743 2108. 1.815
29. 01126 0.0003761 2659. 2.287
30. 01003 0.0002982 3353. 2.883
31. 008928 0.0002366 4227. 3.638
32. 007950 0.0001876 5330. 4.588
33. 007080 0.0001488 6721. 5.786
34. 006304 0.0001180 8475. 7.297
35. 005614 0.00009358 10686. 9.201
36. 005000 0.00007419 13478. 11.60
37. 004453 0.00005885 16994. 14.63
38. 003965 0.00004668 21424. 18.45
39. 003531 0.00003700 27026. 23.26
40. 003145 0.00002937 34053. 29.32

感应中性性：当要求电阻值必须为非感应性的，并且以线圈形式存在时，就需要采用特殊设计。

该设计旨在实现所需的电感中性特性。

防过热措施：当由于需要通过大电流而使电阻器产生大量热量时，必须特别注意结构的耐热性能，同时还要确保有足够的散热表面或相应的结构来帮助散发产生的热量。

图117. 云母片式电阻器
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类型：云母片式电阻单元。图117展示的是实际应用中最常见的电阻线圈之一。它由细长的纯德国银丝绕制在云母片上构成，各绕组之间的间距足够大，因此各圈之间不会相互接触。该电阻器由两片云母片加以保护，整个结构则通过金属条固定，绕组的末端也固定在这些金属条上。端子上还有接线柱，便于将电阻器安装到支撑框架上；这些接线柱的末端则是焊接端子，通过它们可将电阻器接入电路中。

差分绕组结构。另一种电阻线圈的类型是将绕组置于由耐热材料制成的绝缘芯上，并以能够抵消感应效应的方式进行绕制。为此，要绕在芯上的导线会在中间部分折回形成两股，然后这两股导线同时绕在芯上，从而形成两个匝数相同的螺旋结构。流经整个线圈的电流必须在一个螺旋结构中沿与芯相同的方向流动，而在另一个螺旋结构中则沿相反方向流动，这样就能通过一个螺旋结构的感应效应来抵消另一个螺旋结构的感应效应。这种结构被称为非感应式绕组，实际上就是差分绕组的一种形式。

灯丝。一种出色的非感应式电阻元件就是普通的碳丝白炽灯。它被广泛用于电池、发电机以及其他电源的电路中，用以防止线路发生短路时出现过载情况。这类灯价格低廉、耐用，具有较大的载流能力，而且过热时也不容易引发火灾。此外，当电路出现过载时，灯丝会发光，从而直观地显示出过载状况。

显然，当碳丝白炽灯被用作电阻元件时，由于碳的负温度系数，它在没有电流通过时会对电路呈现最高的电阻值；而随着电流的增加以及随之产生的发热效应，其电阻值则会逐渐降低。在某些应用场景中，这种特性并不符合要求，此时更理想的特性应该是：在小电流作用下电阻值较低，而在大电流作用下电阻值相对较高。

图118. 铁丝镇流器
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铁丝镇流器。克劳德·D·埃诺克斯利用铁极高的正温度系数，制造出了具有这种特性的电阻器件。该器件的结构具备碳丝灯的紧凑性，如图118所示。其电阻元件实际上就是绕在玻璃芯上的铁丝，而玻璃芯则被置于真空灯泡中以防止氧化。这种电阻在低温时的阻值相对较低，但当有足够大的电流流过使其温度显著上升时，其阻值会大幅增加，从而抑制电流的进一步上升。从某种意义上说，这是一种自调节型电阻，能够使所在电路中的电流保持稳定。

第十二章　电容器

电荷。如果一个导体与其他所有物体隔绝，且处于一定的电势作用下，它就会获得并储存一定量的电能（即电荷）。如图119所示，如果一块与其他物体隔绝的金属板与电池的正极相连，而电池的负极则接地，那么电流就会流入这块金属板，直到其电势与所连接的电池极点的电势相同为止。在其他条件不变的情况下，流入金属板的电流量取决于充电电源的电势；实际上，它与充电电源的电势成正比。这一电量数值可以用来衡量该金属板的电容，就如同浴缸能容纳的水量可以用来衡量浴缸的容量一样。

电容。与测量实物时的体积或重量不同，电量的单位是库仑。绝缘导体的电容单位是法拉，当某绝缘导体在1伏特电势下能够吸收1库仑的电荷时，就说它的电容为1法拉。

如图119所示，由于电池的负极与大地相连，其电势可视为零。如果该电池的电势恰好为1伏特，那么当有1库仑的电荷从电池流到金属板，使得金属板的电势上升至与正极相同的水平，即比大地电势高1伏特时，就可以认为该金属板的电容为1法拉。当然，在连接之前，金属板的电势也应为零。另一种理解方式是：1库仑相当于1安培的电流持续流动1秒所产生的电量。

导体的电容取决于多种因素，其中就包括其面积。如果将图119中的电极板面积扩大一倍，而在其他条件不变的情况下，其电容也会变为原来的两倍。不过，还有其他因素会影响导体的电容。请看图120，该图展示的是两个与图119中相同的电极板，它们相对放置，并分别与电池的正极和负极相连。当电极板与电池连接后，这两个电极板会带上电势差，这个电势差恰好等于电池的电动势。假设在连接之前这两个电极板的电势均为零，那么电流就会从电池流入电极板，直到它们的电势分别达到对应电池端子的电势。如果将这两个电极板靠得更近，虽然它们之间的电势差仍然保持不变，但由于它们仍与电池相连，因此会有更多的电流流入每个电极板。

图119. 电容器电极板
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从理论上讲，由于电极板彼此靠近，A板上的正电荷会被B板上的负电荷吸引而向B板移动；同样，B板上的负电荷也会被A板上的正电荷吸引而向A板移动。这些相互吸引的电荷可以被视为“束缚电荷”。而A板右侧以及B板左侧的电荷则是自由电荷，因为它们并未受到任何束缚。

没有什么能够吸引它们，因此，电池向电极板输送的电流会抵消这种吸引力。

图120. 电容器的工作原理
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显然，电极板之间的距离越近，两个电荷之间的相互吸引力就越强。由此可知，对于电极板A而言，当两块电极板被拉得更近时，会有更多的正电荷流入电极板A，以抵消该电极板右侧不断增加的负电荷。当电极板继续被拉近时，电荷分布会发生变化，从而导致更多正电荷流入电极板A，同时更多负电荷流入电极板B。因此，电极板之间的距离越近，由于分隔两极板的电介质所产生的感应作用增强，电极板储存电荷的能力也就越高。

电容器的定义：电容器是一种由两块相邻的导电材料构成的装置，这两块材料之间被一种称为电介质的绝缘材料隔开。其作用是通过减小电极板之间的距离，来增加在给定电势作用下每块电极板所能接收和储存的电量。

电介质：我们已经知道，电容器的容量取决于其电极板的面积以及两者之间的距离。不过，还有另一个影响电容器容量的因素，那就是分隔电极板的绝缘介质的特性。带电导体与其他导体之间也会产生感应作用。

在图120中A板与B板之间的区域，这种现象被称为静电感应，它在电话通信中起着重要作用。研究发现，带电导体使其他相邻导体产生电荷的能力，会因分隔两者的绝缘介质或电介质的不同而发生很大变化。电介质具备的、能够使两个分离的导体之间产生感应作用的特性，被称为感应电容。通常，这种电介质的特性是以干燥空气中的相应值作为基准来衡量的，干燥空气的该数值被定为1。如此表示时，就称为比感应电容。更为精确地说，某种电介质的比感应电容，是指以该电介质为介质的电容器与以干燥空气为介质、且在零摄氏度、14.7磅/平方英寸压力条件下工作的相同电容器的电容之比。举例来说，如果制作两个电极大小相同、间距也相同的电容器，一个以空气为介质，另一个以硬冕玻璃为介质，那么以玻璃为介质的电容器的电容将是以空气为介质的电容器电容的6.96倍。因此可以说，硬冕玻璃的比感应电容为6.96。

对于许多常见物质的比感应电容，不同机构的数值差异较大。表VIII中的数值选自史密森尼物理表。

表VIII

比感应电容

以空气的值为1作为参考
真空：0.99941
氢气：0.99967
碳酸：1.00036
干燥纸张：1.25至1.75
石蜡：1.95至2.32
电木：1.9至3.48
硫磺：2.24至3.90
虫胶：2.95至3.73
古塔波胶：3.3至4.9
平板玻璃：3.31至7.5

瓷：4.38
云母：4.6至8.0
牙胶：3.3至4.9
玻璃——轻质燧石：6.61
玻璃——硬质玻璃：6.96
硒：10.2

这些数据很有趣，它显示出不同材料的比电感容量存在巨大差异，同时同一材料在不同测量条件下的数值也差异很大。毫无疑问，后者主要是由于各种材料本身存在很大差异所致，例如石蜡，其从液态变为固态时的冷却速度不同，从而导致其比电感容量也有很大差别。

由此可见，电容器的电容会随着极板面积、所使用电介质的比电感容量而变化，同时还会与极板之间的距离成反比。

因此，要制造出大容量的电容器，就必须尽可能增大极板面积，让极板尽可能靠近彼此，选择绝缘性能良好的电介质以避免极板间出现漏电现象，同时还要在成本和其他适用性允许的范围内，选用比电感容量尽可能高的电介质。

电介质材料。云母。在所有电介质中，云母是最适合用于电容器的材料，因为它具有极高的绝缘电阻和较高的比电感容量，而且还可以制成非常薄的片状。那些用于测量和标准化工作的优质电容器，通常都以云母作为电介质。

图121. 卷式电容器
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对于电话应用而言，需要的是在有限空间内实现大容量且成本低廉的电容器。为此，人们发现浸过石蜡的薄型纸浆是最佳的绝缘材料。电容器中的导体几乎总是用锡箔制成，因为其价格低廉且厚度适中，堪称理想的材料。在电话技术对低成本、紧凑型电容器提出迫切需求之前，人们通常的做法是将油纸或云母与锡箔交替堆叠起来，其中锡箔的尺寸要略小于绝缘材料层，这样才能确保边缘处有良好的绝缘效果。当堆叠了足够数量的这类层后，这些锡箔层会被连接在一起，形成电容器的一个极板，而其他层则被连接起来形成另一个极板。显然，这种方式能够以最小的间距实现大面积的电极结构。

图122. 卷式电容器
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不过，后来有一种专为电话应用而开发的电容器，其用途也扩展到了其他需要电容器的领域，那就是所谓的卷式电容器。这种电容器是通过将四层材料卷合在一起而制成的。

薄型胶纸，编号为1、2、3、4，还有两条稍窄的锡箔带，编号为5和6，见图121。这些锡箔带和胶纸以连续的形式被送入卷轴中，且在任何情况下，两片胶纸都会位于两条锡箔带之间。在卷制电容器时，还会将薄的金属端子7和8卷入其中；由于这些端子伸出胶纸边缘，因此在电容器制成后便可以充当其端子。卷制完成后，需将卷轴放入热石蜡中加热，以便彻底浸透并去除所有水分。之后再将其置于压力机中挤压，并在加压状态下冷却，这样多余的石蜡就会被排出，同时电容器的两极板也会被压得非常靠近。最终效果如图122所示。此时，电容器会被封装在通常为矩形的金属壳中，其外观如图123所示。

图123：卷制式电容器
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还有一种制造电容器的方法，虽然尚未在实践中得到充分验证，但有望取得良好效果。该方法与上述方法的不同之处在于，所使用的胶纸上已涂有极薄的导电材料。这种导电材料属于金属性质，实际上就是胶纸的一部分。要制作这种电容器，只需将胶纸卷在一起，然后像之前那样放入石蜡中加热并加压即可。

容量方面，电话系统中常用的电容器容量一般在1/4微法到2微法之间。若需要更大的容量……

如果需要超过2微法拉的电容值，可以通过将多个较小容量的电容器串联起来来实现。表IX列出了市场上常见各类电容器的电容值、形状及尺寸。

表IX：电容器参数

尺寸单位：英寸
电容值 形状 高度 宽度 厚度
2微法 椭圆形 9–1/6 4–3/4 11/16
1微法 椭圆形 9–1/6 4–3/4 11/16
1微法 椭圆形 4–3/4 2–3/32 13/16
1/2微法 椭圆形 2–3/4 1–1/4 3/4
1微法 椭圆形 4–13/16 2–1/32 25/32
1/2微法 椭圆形 4–3/4 2–3/32 13/16
3/10微法 椭圆形 4–3/4 2–3/32 13/16
1微法 椭圆形 2–3/4 3 1

常规符号：图124展示了在电话电路图中用于表示电容器的常规符号。这些符号都体现了由绝缘材料隔开的两个导电板这一概念。

图124：电容器符号
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功能：显然，当电容器被接入电路中时，它会成为直流电流动的障碍，因为其两端之间不存在导电路径，而电介质则具有极高的绝缘电阻。不过，如果将电容器接在交流电源的两端，那么电流会先朝一个方向流动，然后再朝另一个方向流动；电路中的电动势会从一个方向上的零逐渐增大到最大值，然后再减小回零。

在另一个方向上则会出现最大值，以此类推。当电容器连接到这样的交变电动势源上时，随着电动势的上升，电容器两端的电动势也会上升，于是电流就会流入电容器中。当电动势达到最大值时，电容器便已充满该电压下的电荷，此时流入它的电流就会停止。而当电动势开始下降时，电容器就无法再保持其电荷，因此电流就会从它那里流出去。显然，此时电容器中的电流流动情况就如同它是一个导体一样。

用于分离电流的方法。总而言之，电话工程师可以利用各种线圈——无论是非感应型还是感应型，也无论是一圈还是多圈绕制——以及电容器，来实现电路设计中的诸多功能。显然，电容器可用于传输语音电流或波动电流，同时阻挡恒定电流的通过；而阻抗线圈则可用于轻松传输恒定电流，但几乎无法让语音电流或波动电流通过。通过使用这些简单的装置，就可以从同时包含恒定电流和波动电流的电路中分离出语音电流，或者以同样的方式分离出恒定电流，让语音电流继续在电路中传输。

在电话电路的设计中，有一个非常重要的特点：那些能够驱动部件运动、从而产生实用机械效应的电磁铁，本身就具有阻抗特性。因此，用于控制电话交换机中各种信号继电器的磁铁，常常也被用作电路中那些只允许恒定电流通过的部位的阻抗线圈。不过，如果必须将具有较高阻抗的继电器磁铁直接放入语音电路中，那么可以通过在它旁边并联电容器或相对较高的非感应电阻来消除其对语音电流的负面影响。这样，语音电流就会绕过继电器线圈的高阻抗，通过电容器或电阻来传输，而那些需要保留的恒定电流则可以继续正常传输。

在操作继电器时，电流仍不得不全部或部分地流经属于它的继电器线圈。
同样地，感应线圈也能实现两种电路之间的完全隔离，使得两者之间无法有直流电流流动；同时，又可以通过电磁感应将一种电路中的电流传递到另一种电路中。这样，就实现了对直流电流的隔离，而交流电流则可以自由地在这两个电路之间传输。

第十三章 传输器的电流供应方式

为电话传输器提供电流以使其工作的方法可分为两类：第一类是电池或其他电流源位于与传输器同处的站点，由该处为传输器供电；第二类则是电池或其他电流源位于远离传输器的地方，在这种情况下，该电池便成为多个站点传输器的共同电源。

将传输器及其供电电池置于与感应线圈初级绕组相连的本地电路中，而将感应线圈的次级绕组置于线路中的优点前文已有所阐述，此处可简述如下：当传输器直接接入线路且线路长度较长时，除非使用高电压电池，否则流经传输器的电流必然会很小；此外，传输器所能产生的电阻变化量仅占线路总电阻的一小部分，因此其引起的电流变化也相对较小。而当传输器与电池一起置于本地电路中时，该电路的电阻可能较小，即便使用低压电池，电流也会相对较大，这样一来，传输器就能在较大的电流基础上产生较大的变化。

为了比较这两类不同的传输器电流供应方式，我们将结合以下几幅图来分析若干案例，每幅图都展示了通过电话线相连的两个站点。同时也会简要介绍本地电池供电方式，以便让本章的内容尽可能完整。

目前，为发射器供电的常用方法有各种可能。

本地电池。图125展示了通过接地线相连的两个站点。每个站点的发射器都处于一个低阻抗的初级电路中，该电路包含电池以及感应线圈的初级绕组；初级电路与线路电路之间的联系则是通过感应线圈的初级绕组与次级绕组之间的感应作用来建立的，而各个站点的次级绕组则位于与接收器相连的线路电路中。

图125. 采用接地电路的本地电池站点
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图126展示的也是同样的结构，只不过采用的是金属电路而非接地电路。学习者应当习惯于用大地来替代金属电路中的某根线路导线，同时也要了解图125和图126中所采用的、用于区分接地电路与金属电路的方法。

图126. 采用金属电路的本地电池站点
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图127展示了对图126所示电路的略微修改：即将感应线圈的初级绕组的一端与次级绕组的一端相连，从而将两者连接在一起。

初级电路与线路电路，这些电路中的每一部分都会与局部接线中的一小段线路共享。图126和图127所示的电路在工作原理上并无任何差异，后者只是为了阐明这一事实而展示的。在局部电池电路中，通常会将初级绕组与次级绕组的一端连接起来，因为这样不仅可以省去钩式开关中的接触点，还能简化接线。

图127. 采用金属电路的局部电池站
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在每个用户站点配备与感应线圈初级电路中的发射器相连的局部电池，虽然能带来诸多优势，但从商业角度来看却存在一些缺点。局部电池并非一种经济高效的电能生成方式——无论其以何种商业形式存在，都需要消耗锌，而锌是一种价格昂贵的材料。不过，电话实际所需的电流功率很小，因此这种因电能生成方式不经济而带来的缺点并不算十分严重。从维护角度考虑，使用用户站点的局部电池则存在更为严重的弊端：无论是“干式”还是“湿式”电池，即便不使用也会逐渐老化，而如果电话每天被频繁使用，其老化速度会更快。这就需要定期更换电池，这不仅会产生购买新电池或新材料的费用，还会产生人工成本以及运输成本。当这些站点分布在人口稀少的地区时，问题会更加严重——即便只是处理一些只需几分钟就能完成的任务，员工们也可能需要花费数小时的时间往返于各个站点之间。

共用电池。其优点在于：如果能够从单个效率较高的发电源为所有用户的发射器供电，而非依靠分布在通信网络各处的多个低效小型电源，那么成本将会更低。这种集中供电方式的优点不仅在于能以更经济的方式产生电能，还在于电能供应源集中在一处，从而可以以最低的成本对其进行维护。基于这些考虑，便出现了所谓的“共用电池系统”——所有用户发射器所需的电能都由位于中心局的电源提供。

在采用这种供电方式的情况下，几乎在所有情况下，用户端的磁发电机都被废弃了，取而代之的是依靠中心局的电源来为用户提供信号发送所需的能量。因此，这类系统将所有的能源供应点集中到中心局，故而常被称为集中式能源系统。

注：在本章中，关于集中式能源系统或共用电池系统的讨论仅限于其为用户发射器提供电能这一方面；而有关信号传输机制的讨论则留待后续章节阐述。

串联电池。如果只需考虑一对线路，那么可以采用图128所示的配置。在这种配置中，电池位于中心局，与从中心局通往两个用户站的两条接地线路串联在一起。该电池的电压需足够高，以便在包含各种设备的整个线路电路中提供所需的电流。显然，A站发射器中的电阻变化会影响整个线路中的电流流动，而发射器振膜振动所引起的波动也会在B站以及A站的接收器中产生相应的声音。

图128. 与两根线路串联的电池
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图129展示了将相同结构应用于金属电路的情况。如图128和129所示，当电池被串联在两个站点之间的电路中时，显然每个站点的发射器都必须改变由这两根线路构成的整个电路的电阻，这样才能影响远处站点的接收器。实际上，这就使得发射器电路的长度变为实际所需长度的两倍，后续所分析的系统也会体现出这一点。此外，将电池串联在两根线路的电路中，也不利于从单一电源为多对线路供电。

图129. 与两根线路串联的电池
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串联式变电站电路。如图128和129所示，将发射器和接收器串联在线路电路中的这种布置方式是最简单的，也被广泛使用。不过，当使用带有永磁体的接收器时，这种布置方式会带来一个严重问题：必须以某种方式将接收器接入线路电路，使得电池提供的恒定电流不会在接收器的铁芯中产生与永磁体磁化方向相反的磁化效应。只要电流流动的方向能够增强永磁体的磁化效果，通常就不会出现问题；但当电流流动方向相反时……

通过接收器线圈来抵消或对抗永磁体的磁化力，会严重干扰接收器的正常工作。因此，必须以特定方式将接收器接入线路电路中，而这一操作被称为“极化处理”。

为避免进行极化处理，并获得其他理想的效果，直到最近，人们几乎普遍采用这样的设计：让接收器处于经过线路的语音电流回路中，但直流电不会流经它。这一条件是通过各种电容、阻抗线圈或感应线圈的配置来实现的，具体方式将在后文说明。然而在1909年，由于一些公司开始使用所谓的“直流式”接收器，直流电就必须流经接收器线圈，才能为接收器核心提供适当的磁化作用，这又使得电路结构回归到非常简单的形式——即把接收器和发射器直接接入线路电路中。这一现象很好地体现了那些有机会密切关注技术发展的人所经常观察到的规律：有时需要复杂的配置，发明家们会多年致力于完善这些配置；而一旦这些配置被完善并得到广泛应用及标准化之后，新的理念或某些方面的细微改动又会要求人们回到最基本的原则，从而使得那些历经艰辛才获得的成果变得不再必要。

图130. 带有重复线圈的桥式电池
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如前所述，将电池串联接入中心局的线路电路中并不是理想的做法，据我们所知，这种做法也从未被广泛使用过。

因此，常见的做法是将它置于线路电路中的桥式路径上，而基于这一原理的多种设计方案也被广泛使用。图130展示了西方电气公司的标准配置，几乎所有贝尔公司的运营机构都在采用这种配置。在这种配置中，中心局的电池连接在重复线圈两侧的中间位置，这样电池的电流就可以同时输送到两条相连的线路上。

观察该图中部所示的中心局设备，1和2可视为重复线圈一侧的两半，通过这样的划分使得电池的电流能够流入各自的电路；同样地，3和4也可视为重复线圈另一侧的两半，其划分方式也与此相同，目的也是为了实现同样的功能。该重复线圈的各绕组通常具有相同的特性，也就是说，1和2组合起来的电阻、匝数以及阻抗与3和4组合起来的是相同的。当A站正在通话时，1和2作为初级绕组，而3和4则作为次级绕组；当B站通话时，则情况相反。

由此可见，从电池正极流出的电流会分成两路，分别流经绕组2和4，然后沿着每条线路的上半部分流动，经过各站的发射器，再沿着线路的下半部分返回，流经绕组1和3，最后这两路电流在绕组1和3处重新汇合并流向电池负极。显然，当没有发射器工作时，流经两条线路的电流都是恒定的，因此两条线路之间不会产生互感效应。然而，当A站的发射器开始工作时，它所引起的电阻变化会导致电流出现波动。这些波动会通过重复线圈的绕组1和2，通过电磁感应作用在绕组3和4中产生交流电，而这些交流电会叠加在那些线路中的恒定电流之上，从而影响B站的接收器，这一点后文将会详细说明。当B站通话时，情况则相反。

贝尔公司的变电站配置。图130中所展示的各站变电站电路，正是目前常用的一种配置方式的示例。

这样可以防止电池中的恒定电流流过接收线圈。各种贝尔公司生产的常用电池式仪器都是采用这种结构。从B站的情况来看，显然恒定电流会流过发射器以及感应线圈的次级绕组，而只要这种电流保持恒定，就不会有电流流过电话接收器。不过，接收器、发射器以及感应线圈的初级绕组都与电容器共同构成了一个局部电路。由于电容器的存在，直流电无法沿着这条路径流动。如果将A站视为接收站，那么显然通过线路传入该站的语音电流会流过次级绕组，并在初级绕组中产生交流电，这些交流电会在包含接收器和电容器的局部电路中流动，从而驱动接收器工作。而当该站被当作发射站时，情况就不再那么简单了。在这种情况下，恒定电流显然会流过发射器。很明显，如果不存在包含接收器的局部电路，那么这个电路就会作为发射电路来工作，因为发射器能够使线路中的恒定电流产生波动，进而影响远端的站点。因此，发射器可以通过改变线路电路中的电阻来直接影响线路中的电流。不过，在这个电路中还存在另一种作用机制。显然，由于恒定电流的流动，发射器两端之间会产生电压降。这意味着电容器的上端电压会与发射器上端电压相同，而下端电压则与发射器下端电压相同。当发射器的电阻发生变化时，其两端的电压也会随之变化，进而导致电容器两端的电压也发生变化，这样一来，交流电就会流过感应线圈的初级绕组。因此，发射器通过自身的作用，使得交流电在感应线圈的初级绕组中流动，同时通过对线路电路的直接作用，使线路中的恒定电流产生波动。而流过线圈初级绕组的交流电又会在线圈的次级绕组中产生电流，这些电流会进一步加剧由直接作用所产生的波动。

该电路中的发射器所产生的作用，既体现在其对线路中电流的影响上，也体现在其对包含感应线圈初级绕组的本地电路的影响上；而后者则通过感应线圈的次级绕组在线路电路中再次产生作用。

该电路中的接收器位于本地电路中，因此不会受到线路中流动的恒定电流的影响，也就无需对其进行极化处理。这种电路的效率很高，但存在一个缺点：会在发射站的接收器中产生较强的旁音。所谓“旁音”，指的是由于发射站的作用而在该站的接收器中产生的噪声。旁音之所以令人不满，原因有二：其一，它可能会让用户感到烦躁；其二，更为重要的是，正在通话的用户听到自己接收器中有很大的噪音后，会不自觉地认为自己的声音太大，于是便压低声音，有时甚至会压到无法正常传达到远处站点的程度。

图131. 带阻抗线圈的桥式电池结构
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带阻抗线圈的桥式电池结构。如图130所示，从公共电池向线路供电的方法被称为“分路重复线圈法”。与之不同的是图131中所展示的阻抗线圈法。在这种方法中，电池被接在两条串联线路的电路上，电池两侧各有一个阻抗线圈1和2。来自电池的恒定电流可以通过这些阻抗线圈轻松流动，因为这些线圈的欧姆电阻相对较低，电流会分成多路流经这两条线路的电路。然而，从任一站点产生的语音信号则无法通过位于线路中间的并联电路传递。

由于这些线圈具有较高的阻抗，信号不得不传送到远端的站点，从而影响那里的接收器，无法达到预期的效果。与图130所示的重复线圈法相比，这种阻抗线圈法似乎具有更简单的优点；而就通话效率而言，两种方法几乎没有差别。不过，重复线圈法相比阻抗线圈法仍有优势——因为采用该方法时，两条线路实际上是被隔开的，只有两个绕组之间的感应连接将它们相连，因此其中一条线路出现不平衡状况时，不太可能导致另一条线路也出现不平衡状况，而阻抗线圈法则是两条线路直接相连的。图131中的变电站布置与图130相同。

图132. 凯洛格双电池系统
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带阻抗线圈的双电池结构。凯洛格交换机及供电公司的所有中心办公室系统都采用了对阻抗线圈法的改进版本。该方案结合了阻抗线圈与电容器，能够像重复线圈法一样彻底实现线路间的电气隔离。所有凯洛格式共用电池系统的共同特点是使用两块电池，其中一块始终与一对连接线路中的主叫线路相连，另一块则始终与被叫线路相连。如图132所示，左侧电池通过阻抗线圈1和2与通往A站的线路相连；右侧电池则通过阻抗线圈3和4与通往B站的线路相连。这四个阻抗线圈分别缠绕在不同的磁芯上，彼此之间不存在任何感应关系。电容器5和6则用于实现线路间的完全隔离。

电流以导电方式流动。因此，来自左侧电池的电流只会流向A站，而来自右侧电池的电流则流向B站。每当A站的发射器被激活时，它会在线路中产生电流波动，从而导致两个阻抗线圈1和2的外端之间出现变化的电势差。这样一来，电容器5和6的两个左端就会承受变化的电势差，而根据静电感应原理，这些电容器의右端也会出现相应的电势差变化。由此可知，会有交流电流出现在右侧线路中，而这些电流会影响B站的接收器。

描述该电路工作原理的一种简单方法是将它视为与图131所示的阻抗线圈电路类似，即认为源自某条线路的语音电流由于阻抗的存在而无法通过中心局的桥式路径，因而不得不继续沿原线路传输，而串联在两条线路之间的电容器则允许这些电流顺利通过。

凯洛格变电站电路结构。凯洛格公司在其所有使用共同电池的电话系统中所采用的变电站电路结构如图132所示。需要说明的是，本章中展示的几乎所有变电站电路都适用于各种中心局电路。展示这些不同电路的目的是让人们了解所使用的各种变电站电路，并尽可能将它们与通常与之配套使用的特定中心局结构联系起来。

在凯洛格公司的这种变电站电路结构中，线路电流首先流经发射器，然后分成两支：一支流经阻抗线圈7，另一支则流经接收器以及串联在其后的电容器8。来自中心局电池的稳定电流可以轻松地通过发射器和阻抗线圈，但由于电容器8的存在，无法通过接收器。而通过线路传送到该站的语音电流则可以顺利通过接收器和电容器，但由于阻抗线圈的高阻抗，无法通过该线圈。

在将该站点视为发射站来考虑时，发射机产生的电压变化会通过同一站点内的电容器和接收机，而为发射机提供电源的恒定电流则通过阻抗线圈。用于此目的的阻抗线圈具有较低的电阻值，但匝数较多，因此能够为恒定电流提供良好的传导路径，而对语音电流来说则构成阻碍。凯洛格公司采用的这种分路结构，是一种非常简单的消除接收机电路中直流电流的方法，同时还能让语音电流自由通过。

图133：迪恩系统
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迪恩变电站的布局方式与凯洛格公司用来防止恒定电流进入接收机电路的方案截然不同。图133所示的便是这种布局方式，它被俄亥俄州埃利里亚市的迪恩电气公司广泛采用。在这种方案中，中心办公室所使用的仍是那种无需进一步说明的分体式重复线圈。不过，变电站的布局方式则独具特色，堪称在无需对电路进行绝缘处理或设置任何障碍物即可阻止电流流动方面的典范。它通过合理的电路设计，使得电路两侧始终保持相同的电位，从而杜绝了电流流过的可能性。

在这种变电站布局中，有四组线圈——1、2、3和4——以特定的方式连接在电路中：两组线圈串联，另外两组则并联。来自中心办公室电池的电流在经过发射机后，会分成两路，分别流经包含线圈1和3以及线圈2和4的路径。而接收机则……

线圈2与4的连接点与线圈1与3的连接点之间相互连通。这些线圈的电阻值经过精心选择，使得通过线圈2的电压降等于通过线圈1的电压降，同样地，通过线圈4的电压降也等于通过线圈3的电压降。这样一来，接收器就会连接在两个电势相等的点之间，因此不会有直流电流流过它。那么，如果电路要发挥任何作用的话，语音电流又是如何穿过接收器的呢？线圈2和3的阻抗较高，而线圈1和4则被设计为无感性的，因此除了欧姆电阻之外没有其他阻抗。所以，适用于直流电流的规律并不适用于语音电流，因此语音电流无法走直流电流所走的路径，而是由于线圈2和3的阻抗过高而被阻挡，从而只能通过无感性的线圈1、接收器以及无感性的线圈4。

该电路采用了惠斯通电桥结构，并将其调整到对直流电流呈平衡状态，从而使直流电流无法进入接收器。这并非因为接收器电路对直流电流有阻碍作用，而是因为接收器电路的两端电势相等，因此没有电流流过的趋势。为了避免同样的原因导致交流电流也通过而非流入接收器电路，惠斯通电桥中相对的两条支路被设计成具有较高的自感，从而使这两条支路对交流电流的阻抗很高。因此，适用于直流电流的条件并不适用于交流电流，正是这种差异使得交流电流能够穿过接收器，而直流电流则被阻挡在外。

在实际应用中，Dean变电站电路中的线圈1、2、3和4都是绕在同一磁芯上的，但线圈1和4——即那些无感性的线圈——是通过将导线绕回自身两倍的长度来绕制的，以此来消除它们的自感。

Stromberg-Carlson方案：另一种对中心局配置以及用户端电路的改进方案如图134所示，该图为这类电路的简化表示。

在Stromberg-Carlson电话制造公司工作。
总机处的电池供电方式与图132所示的不同之处在于：此处使用的是单个电池而非两个电池，电流通过阻抗线圈1和2输送到其中一条线路，再通过阻抗线圈3和4输送到另一条线路；电容5和6则用于隔离这两条线路。在用户端，线路电路会经过感应线圈的次级绕组以及发射器。接收器则完全处于本地电路中，因此不会有直流电流流过它，但它能够通过感应线圈的初级绕组与次级绕组之间的电磁感应来接收语音电流。

图134. 斯特龙伯格-卡尔森系统
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图135. 诺斯电气公司系统
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诺斯电气公司采用了另一种中央办公室电池供电方式，如图135所示。该系统中使用了两个电池，分别为主干线提供电流，同时通过电容器来实现各线路之间的电气隔离。这与图132中所示的凯洛格方案不同——在凯洛格方案中，线圈1和2绕在同一磁芯上，而线圈3和4则绕在另一个磁芯上。在此方案中，为避免同一磁芯上的两个线圈产生的感应效应相互抵消，这两个线圈的绕向被设定为使得它们的磁化作用始终是叠加的，而非相互抵消的。

图130至135中所介绍的中央办公室供电方案，正是目前商业领域中常用的那些方案。

并行方式下的线路供电。为了进一步展示从单一电源向多个变电站供电的各种可能方式，这里还将简要介绍几种具有潜在应用价值的方案，尽管这些方案尚未得到广泛商业化应用。图136所示的方案是由迪恩提出的。

在共用电池供电系统的早期，这种设计方案被实际应用且取得了不错的效果。但后来它被图130所示的贝尔公司所采用的方案所取代，该方案后来成为了该公司的标准配置。在这种新方案中，来自中心局的共用电池的电流并非通过两条线路以串联方式传输，而是通过多条路径传输，同时利用用户端到中心局的接地回路作为回路。在由两条相连线路构成的金属电路上，中心局处设有一个阻抗线圈1，该阻抗线圈的中心点与地面之间连接着共用电池。在用户端则设有另一个阻抗线圈2，它也跨接在两条线路上，该阻抗线圈的中心点与地面之间则连接着发射器，而发射器又与感应线圈的初级绕组并联在一起。在变电站处，接收器以及感应线圈的次级绕组也串联在这两条线路之间。

图136. 通过线路并行支路进行电流供应
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这一电路的工作原理起初看起来有些复杂，但只要逐步分析就能轻松理解。发射器的供电电路可以从中心局的电池开始，然后通过阻抗线圈1的两个半部分以多路径方式传输；接着再通过两条线路以多路径方式传输到例如A站；之后再通过阻抗线圈2的两个半部分以多路径方式传输到该线圈的中心点；随后通过感应线圈的初级绕组以及发射器所提供的两条路径继续传输，最终回到地面，再回到中心局电池的另一极。通过这样的电路，变电站中的发射器就能获得所需的电流。

当发射器在工作时，其电阻会发生变化，这会导致流经感应线圈初级的供电电流也发生相应的变化。

感应线圈的这些变化会在与该线圈串联的线路电路的次级绕组中产生类似的交流电。这些在次级绕组中产生的电流会沿着线路的一侧流向远端的站点；然后通过该站点的次级绕组及接收器，再流向线路的另一侧，最后再通过那一侧返回接收器。由于这些是语音电流，因此会根据阻抗原理无法通过由阻抗线圈1和2构成的金属电路中的旁路路径。

图137. 线路并行支路上的电流供应方式
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对于这种电流供应方式以及其他类似方式——即发射器电流通过线路的两侧并配合地线回路进行传输——存在一个弊端：由线路两侧构成的地线回路同样会受到其他线路的感应干扰，就像普通的带地线线路一样容易受到感应干扰。因此，这种电流供应电路容易受到外部干扰的影响，而这些干扰会通过变电站中初级绕组与次级绕组之间的电磁感应作用进入金属电路，进而影响到各种仪器设备。

图137还展示了一种从中心办公室电池获取电流的有趣方法。与刚才讨论的电路类似，这种方法也是通过线路的两侧并配合地线回路将能量输送到用户的站点。不过，在这种情况下，变电站内设有一个本地电路，其中装有储能电池1、感应线圈的初级绕组2以及发射器。其原理是：来自中心办公室的电流会流经储能电池并为它充电。当使用发射器时，这个储能电池就会为包含发射器及初级绕组的本地电路提供电流。

线圈2的连接方式与本地电池系统中的完全相同。发射器在该本地电路中产生的交变电流会作用于感应线圈的次级绕组3，从而在該绕组中产生交变电流，这些电流会被传送到中心局，然后再被发送到远端的站点。

从单一电源为多条线路供电：现在我们来探讨如何让一个电池同时为中心局的众多对相连线路提供电流。在之前的讨论中，我们仅了解到每个电池只能为一对相连线路供电，而无法为其他线路供电。

重复线圈：图138展示了如何让一个电池同时为四对不同的线路供电，每对线路都用于通话。可以看出，图中所示的这些线路对都是按照图130所示的方案来连接的。那么，为什么尽管这四对线路都连接到同一个能源上，因而彼此之间是电性连通的，但各对线路仍能实现无干扰的通信呢？换句话说，为什么源自A站的语音电流只会传送到B站的接收器，而不会传送到C站或H站的接收器呢？原因在于，从每对线路中重复线圈绕组连接点1和2处，有独立的供电导线通向电池端子，而且电池本身以及连接电池的导线的电阻和阻抗都非常小，因此，虽然源自A站和B站之间线路的那微弱语音电流会流经电池，但它们却无法显著改变电池的电压。这样一来，从电池端子通往7点和8点等位置的供电导线，就不会因为源自A站和B站之间线路的电流而出现电压变化。

图138. 多条线路的公共电源
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图139. 多条线路的公共电源
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延迟线圈——单个电池：图139以类似的方式展示了如何通过单个电池为四对不同的线路供电。该电池通过与线路相连的阻抗线圈和电容器来实现与线路的连接，这一原理在图133中已有详细说明。正是由于这种连接方式，各对线路之间的通话才不会相互干扰。

在这种情况下，其原理与前面结合图138所示系统所讨论的原理相同。这里的阻抗线圈的作用是防止电话电流泄漏到它们原本所属的线路对之外的其他线路中；图138所示的系统也是如此，因为图138中的每一组独立绕组本身都相当于一个阻抗线圈，能够阻止电流从某一对线路泄漏到另一对线路中。

延迟线圈——双电池结构：根据凯洛格的双电池系统为多对线路供电的布置方式如图140所示。鉴于前几幅图的说明，这一结构已无需进一步解释。值得注意的是，在这种结构中，左侧电池仅为主动发起通话的线路供电，而右侧电池则仅为被呼叫的线路供电。在实际应用中，主动发起通话的线路始终由左侧电池供电，而被呼叫的线路则始终由右侧电池供电。因此，为发起通话的线路提供的能量来源始终不同于为被呼叫线路提供的能量来源。

图140. 多条线路的两路电源
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图141. 从远处提供电流
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从远处提供电流。有时，从远离目标点的电流源为以某点为中心的一组线路供电会更为方便。在所谓的专用交换机系统中，这种情况很常见——某个企业或机构会拥有自己的交换机，用于连接该机构内各电话机之间的线路，同时也将这些线路与城市交换机的线路相连。不过，在这样的专用交换机上设置单独的电池来为本地交换机提供所需电流，并不总是容易或方便的。

在这种情况下，就会采用图141所示的方案。图中显示了两对通过阻抗线圈系统相连的线路，这两对线路具有公共端点1和2，通常情况下，公共电池会连接到这两个端点上。然而，这里并没有在两个端点之间直接安装电池，而是在本地交换机上在这两个端点之间连接了一个大容量的电容器，然后通过电路导线3和4将这两个端点与远处中心局中的适当电压电池相连。此时，这个电容器的作用是为那些从一对线路的一侧透过横跨在两线之间的阻抗线圈泄漏到另一侧的音频电流提供一条短路路径。这样一来，就可以避免因公共导线3和4的电阻过高而带来的问题。

这样一来，蓄电池带来的问题就能得到解决，同时各连接线对之间的串扰现象也会消失。通常，人们不会采用这种结构，而是会在端子1和2之间连接一个容量较小的蓄电池，而非电容器；这些蓄电池则通过导线3和4从远处的电流源获得充电能量。

如果考虑将电流从同一电源输送到多条线路的各种方法，就会发现蓄电池本身的电阻必须尽可能低。此外，从蓄电池到分配点、再到各连接线对的路径上的电阻和阻抗也必须非常低，这样才能确保因不同线路中的通话而产生的电流不会对蓄电池端子间的电势差造成显著影响。

第十四章 电话机

我们已经了解了构成一部完整电话机的基本部件，即接收器、发射器、挂断开关、电池、发电机、呼叫铃、电容器，以及各种线圈。这些部件共同构成了用于传输和接收语音及信号的装置。现在，我们将探讨如何将这些部件组合成一个能够正常工作的整体，也就是电话机。

在讨论不同类型的电话机之前，有必要说明的是，“电话机”这一术语的使用往往比较随意。有时人们会将接收器本身称为电话机或手持电话机。由于它才是最初的通话电话设备，因此这样称呼接收器也有一定道理。不过，现代习惯上更多是将“电话机”这一术语用于指代整个通话及信号传输装置，包括相关的线路以及安装该装置的机柜或支架。或许“电话机”这一名称比“电话”更合适，因为它能避免人们对具体所指设备的误解。此外，电话机也常被称为用户端设备，意指安装在用户处的那些设备。但实际上，仅指电话机并不够准确，因为用户端设备还包括用户场所内的内部线路，以及防雷装置和其他保护设备（如果有的话）。

为避免混淆，本书中凡是涉及通话及信号传输装置及其相关线路、安装机柜或支架的整体，都将称之为电话机或电话装置。而接收器则通常直接称为接收器，而非电话机。“用户端设备”这一术语则指的是用户处的全部设备，其中包括电话机、内部线路等。

保护装置，以及可能与电话线相连并位于用户场所内的其他各类设备。

电话的分类。根据其工作所依赖的系统类型，电话可分为两大类：磁电电话和共用电池电话。

磁电电话。在电话技术最初发展时，“磁电电话”这一术语指的是现在所称的接收器，尤其是那些同时兼具发射功能的接收器。由于这种设备已几乎不再被用作发射器，因此“磁电电话”这一术语在指代接收器时已失去意义。而由于许多电话都配备了用于通话的磁电发电机，所以人们便一致将任何带有磁电发电机的电话都称为磁电电话。磁电电话通常还配有本地电池，为发射器提供电力，因此这类电话也常被称为本地电池电话。不过，本地电池电话并不一定是磁电电话，反之亦然——因为有些磁电电话没有本地电池，而有些本地电池电话则没有磁电发电机。不过，几乎所有配备有磁电发电机的电话也都配有用于通话的本地电池，因此“磁电电话”与“本地电池电话”这两个术语通常指的是同一种电话。

共用电池电话。另一方面，共用电池电话是指那些既没有本地电池也没有磁电发电机的电话，其通话和信号传输所需的电力均来自电话局端的公共电源。

壁挂式电话与桌面电话。我们还可以根据电话各部件之间的连接方式来对电话进行分类，而无需考虑该电话包含哪些部件。那些适合安装在墙壁或隔墙上的电话可称为壁挂式电话；而那些接收器、发射器和听筒都配有独立支架、能够放置在桌面等平面上的电话则可称为桌面电话。

后者也被称为便携式电话或便携式桌面电话。一般来说，磁电机电话或本地电池电话与普通电池电话在结构上存在差异：磁电机电话必定配有磁电机发电机以及本地电池，而普通电池电话则没有任何本地电源。另一方面，壁挂式电话与桌面电话的差异主要体现在结构上；显然，这两种类型的电话都可以使用普通电池或磁电机作为动力源。只要两种电话适用于相同的服务类型，其构成部件也是相同的，区别仅在于这些部件是如何相互连接以及如何得到保护的。图142：磁电机壁挂式电话组。查看完整尺寸图片。

图143. 磁电机壁挂式电话机。查看全尺寸插图。

磁电机电话机的壁挂式型号。图142展示的是一种常见的壁挂式电话机。其外壳内包含了该设备的所有工作部件，只有那些必须置于外部以便用户能够操作的部分除外。图143则显示了打开外壳后的样子，这样就能清楚地看到设备内部的布局。可以看到，带有极性的铃铛或其发声装置安装在外壳的门或盖子内侧，而其发声部分则伸出外壳，从而能够在外壳外的钟形装置中发出声音。同样，用于支撑发射器并可根据使用者的身高进行上下调节的装置也安装在门的前面，而在图143中可以看到连接该装置的导线固定在门的后部。

在某些壁挂式电话机中，通往铃铛和发射器的导线是通过门的铰链与设备其他部分的线路相连的，这样一来，即使反复开关门，导线也不会断裂。为确保铰链的固定部分与活动部分之间始终保持良好的电接触，人们会在铰链销上缠绕一根细线，其中一端焊接在固定部分上，另一端则焊接在铰链的活动部分上。而在其他类型的壁挂式电话机中，通往铃铛和发射器的导线则是直接从机壳的固定部分连接到门的后部，这些导线的长度也足够长。

该装置具有足够的灵活性，使得门可以自由开合而不会损坏电线。

在盒子的上部装有钩式开关，这种开关属于短杠杆类型。钩状杠杆从盒子侧面伸出，从而可以作为接收器的支撑。钩式开关的正右侧则装有感应线圈，其下方则是发电机，发电机的曲柄手柄也从盒子的右侧伸出，以便于操作。通常，发电机会被安装在柜子中部的横向架子上，该架子下方还设有一个隔间，用于放置两节或三节干电池。

壁挂式电话机有多种不同的设计形式。在1895年左右之前，人们通常使用湿电池，此时磁电机、极化铃铛以及钩式开关一般都安装在一个长形背板顶部的矩形盒子里。在该盒子正下方的背板上则装有发射器，有时发射器的底座上还会装有感应线圈。再往下则是电池盒，它通常体积较大，足以容纳两节或三节普通的勒克兰谢电池。

在这个国家，干电池已经几乎完全取代了湿电池。因此，如图142和143所示的那种新型壁挂式电话机逐渐取代了那些结构复杂且外观不佳的旧式湿电池电话机。壁挂式电话机上通常会设有某种支架，如图142所示，以便用户记录笔记或信息。

对于桌面式电话机而言，图144展示了所谓的桌面支架，它包含了发射器、接收器以及钩式开关，还有用于固定这些部件的支架。显然，这个桌面支架并不包含磁电机桌面电话机的全部组件，因为其中缺少发电机、极化铃铛以及电池。发电机和铃铛通常被安装在一个盒子里，这个盒子可以放在用户的桌子下方，或者挂在靠近椅子位置的墙上。桌子上的各个部件之间通过导线相互连接。

电话机应放置稳固，电池、发电机和铃铛则通过柔性导电线相连，这些导线根据相应电话电路的要求包含多根导体。图145展示的就是这样一套完整的磁电机式台式电话机，它是由Stromberg-Carlson Manufacturing公司生产的型号之一。

图144：台式电话机支架
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在实际应用中，磁电机式台式电话机的各部件可以有多种不同的组合方式。有时，如图145所示，电话机的铃铛盒上会设有接线端子，用于连接导线中的所有导体，而线路导线也会连接到这些接线端子上。

在图中所示的电话机中，铃铛盒的尺寸仅够容纳发电机和呼叫铃，而电池则安装在其他地方，比如桌子的抽屉里；而在其他情况下，除了图中所示的部件外没有其他设备，电池则直接安装在铃铛盒内。还有些情况下，带极性的铃铛装在一个盒子里，发电机装在另一个盒子里，电池则放在桌子的抽屉里，而感应线圈则安装在电话机支架的底座、铃铛盒或发电机盒中。在这些情况下，所有分散在各处的部件所构成的电路都会被连接到位于某个方便位置的接线板上。

该接线板上装有用于连接来自各部件的导线以及线路导线的端子。通过将这些导线连接到接线板上的端子中，就可以构成电话的完整电路。在另一些情况下，感应线圈也被安装在接线板上，而单独的导线或导线组则被引向带极性的铃铛和发电机、电话机支架本身以及电池。这些不同的设计方式主要取决于制造商或用户的意愿或个人想法。就通话电路和信号电路的工作原理而言，所有这些设计都遵循相同的原理。

图145. 磁电机式电话机
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磁电机式电话机的电路结构。无论是壁挂式还是桌面式的磁电机电话机，都可以根据挂断听筒时电话机铃铛的磁铁是与电话线路处于串联关系还是桥接关系，分为两类：串联式和桥接式。

串联式。在所谓的串联电话线路中，多部电话机被串联在同一条线路电路中，采用串联式电话机的话，所有电话机的铃铛也会处于串联状态。这意味着，在某一时刻正在使用的电话机产生的语音电流必须依次通过那些未使用中的电话机铃铛的磁铁。为使这些磁铁能够……

声音电流必须通过这些路径，因此应尽量减少其对声音电流的干扰。在串联电话中，通常会使用低阻值的磁铁，这类磁铁的匝数较少，且磁芯长度较短，这样才能使阻抗尽可能小。同样，由于需要用发电机为所有串联的铃铛供电，因此它不必具有很大的电流输出，但必须具备足够的电压，以便克服串联铃铛的电阻以及线路中的电阻。正因如此，这类发电机通常是三极式的，有时也只有两极。

图146以简化形式展示了普通串联电话的电路结构。图中，听筒被取下，这样通话装置就可以开始工作了。线路导线1和2分别连接到端子3和4上，这两个端子构成了该设备的接口。当听筒挂回挂钩上时，端子3和4之间的电路就会包含听筒、感应线圈的次级绕组，以及开关挂钩上的一个上触点5和挂钩杠杆本身。这样就形成了接收语音的电路。开关挂钩还有一个上触点6，该触点与触点5之间则连接着本地电路，该电路由发射器、电池以及感应线圈的初级绕组串联而成。如所示，初级绕组和次级绕组在一端相连，并与开关触点5相连。由此可见，当听筒挂回挂钩上时，经过听筒的电路会自动闭合，同时包含初级绕组、电池和发射器的本地电路也会闭合。这样一来，语音传输和接收的所有条件都得到了满足。

图146. 串联磁电机装置的电路结构
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然而，当挂钩处于放下状态时，接收电路与发送电路会被断开，但挂钩开关杆与下侧挂钩触点7的接合会形成另一条电路。该触点与线路的一侧相连，而极性铃铛及发电机则连接在另一侧。因此，当挂钩处于放下状态时，电路可从线路导线1延伸至接线端子3，再通过发电机的旁路连接到呼叫铃，随后通过下侧开关触点7连接到接线端子4和线路导线2。如第八章所述，通常情况下发电机的旁路会将发电机与电路隔离开来。但当发电机开始工作时，这一旁路就会被断开，从而使发电机的电枢与极性铃铛的绕组串联在一起。将发电机电枢与线路电路隔离开来的做法具有多种优点：首先，发电机绕组的阻抗通常不会出现在电路中，这样一来，在有多个通话点的线路中，通话电流就不必流经那些未使用的站点中的发电机电枢；此外，这种隔离措施还能保护发电机电枢免受雷击的损害。

图147. 串励磁电机装置的电路结构
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图147展示了更为完整的串联磁电机电话电路。图中，线路连接端子标为1和2；电话机柜底部还有四个连接端子，分别标为3、4、5和6。其中3和4用于接收器端子，而5和6则用于发射器及电池端子。该电路与图146中的电路基本相同，只是图147中的电路展示得更为详细。这种电路类型常见于那种将发电机、铃音装置、挂断开关以及感应线圈都安装在仪器顶部的所谓磁电机铃盒中，而发射器则安装在该铃盒下方的支架上，电池则放置在发射器下方的独立隔间中的设备。在组装完整电话机时，只需将接收器连接到3和4号端子，再将电池及发射器电路连接到5和6号端子即可。

在另一种情况下，即多部电话共享同一条线路时，这些电话的铃音装置会并联在电路上。因此，它们的磁铁需要具有大量的绕组匝数，从而导致较高的电阻值。为了进一步增加阻抗，这些磁铁的铁芯会被做得又长又重。由于这类线路上的发电机必须能够提供足够的电流，以便分配给所有并联的铃音装置，所以这些发电机必须具备较大的电流输出能力，同时还要有足够的电压，才能让线路最远端的铃铛发出声音。由于这种设备的铃音装置是通过并联方式连接到线路电路中的，因此它们通常被称为并联式磁电机电话。

图148：并联式磁电机电话的电路结构
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桥式电话的基本特征在于：它的线路中存在三条可能的导通路径。第一条路径是通过通话装置，第二条路径是通过发电机，第三条路径则是通过铃铛。图148以简化形式展示了这一结构。通话装置以常规方式与挂机开关的两个上侧触点相连，无需进一步说明。发电机构成第二条独立的导通路径，通常处于断开状态，但在发电机开始工作时会自动闭合，这种自动闭合是由曲轴的转动实现的。第三条导通路径则涉及带极性的铃铛，通常情况下该路径是始终处于闭合状态的。不过，有时也会采用这样的设计：铃铛路径通过由发电机曲轴驱动的开关保持闭合状态，而当发电机开始工作时，这条路径会自动断开，同时发电机自身的路径也会自动闭合。这样一来，发电机就永远无法让自己的铃铛响起来，因为在发电机接入电路之前，其开关总会先切断本机铃铛的电路。

图149展示的是桥式电话的完整电路。该图所示的电路适用于那种与图142和图143中所展示的类型相似的本地电池供电式电话机。该图的左下角有简化的电路示意图，从图中可以看出，线路中的铃铛电路通常是通过发电机开关右侧的两个常闭触点来构成的。然而，当发电机开始工作时，这两个触点会分离，与此同时，发电机开关的长弹簧会与左侧的弹簧相接，从而使发电机本身接入电路。

图149. 桥式磁电机电路
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在图149顶部的三个接线端1、2和3中，1和2用于连接线路导线，而3则用于接地，它与安装在电话顶部、在图149中标记为4的避雷器共同发挥作用。该避雷器对通话或铃声功能没有影响，其详细作用将在第十九章中阐述。目前只需知道：这类避雷器通常由两个导电体组成，其中一个永久性地连接到每个线路接线端上，另一个导电体则连接到接地接线端上。这三个导电体彼此间距很近，但之间有良好的绝缘措施；这样做的目的是，当线路导线被雷击或受到其他危险电势的影响时，线路上的电荷可以通过这些导电体之间的间隙安全地导入地面。

注意：学生应练习从实际接线图绘制简化图。两者的区别在于，简化图是为了便于理解而设计的，而实际接线图则是为了展示导线安装时的真实走向。

如果将图149中的复杂详细电路与同一图中的简化理论电路进行比较，会发现各种导电路径是相同的。这样的简化图比冗长的描述更能帮助人们掌握复杂电路的基本结构。

因为这样就能一目了然地看出整体结构。不过，要显示电线实际所经过的路径，就需要更详细的电路图。

桌面式电话机的电路与壁挂式电话机的电路在本质上并无差异，唯一的不同在于电话机的各个部件并非都安装在同一机柜或同一标准装置上。为便于桌面式电话机与其他部件之间进行相对移动，人们会用柔性导线将桌面式电话机本身与那些固定不动的部件相连，比如电池以及发电机和铃盒内的各部件。

图150：桥式磁电机桌面式电话机的电路图
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图150展示的是图145中所描述的Stromberg-Carlson型磁电机桌面式电话机的电路结构。鉴于前面已经介绍过的内容，这张图无需再作解释。从桌面式电话机组件连接到铃盒组件的导线被汇总在一条柔性电缆中，如图145所示；这些导线一端连接到桌面式电话机内的各个接线端或接触点，另一端则连接到铃盒的底部。这些柔性导线各自都有绝缘层，并且还被共同的编织外层所覆盖。通常，人们还会在绝缘编织层中加入彩色线丝，以便于识别。

找出柔性绳索或电缆两端的同一导体的两端。
图151. 共用电池式壁装装置
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图152. 共用电池式电话机
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共用电池式电话机由于没有独立的电流源，因此通常比磁电机式电话机更为简单。无论是壁挂式还是桌面式的共用电池式电话机，其组成部分包括发射器、接收器、挂机开关、极化铃铛、电容器，有时还有感应线圈。电容器的作用是在电话未使用时，防止直流电或恒定电流流过铃铛的绕组。共用电池式电话机的信号传输要求是：在电话未使用时，铃铛必须与线路相连，以便能够随时接听来电；同时，线路的两端之间也不应存在任何导电路径。为满足这两个看似矛盾的要求，人们将电容器与铃铛串联在一起——这样，铃铛就能顺利传递来自电话局发电机的交流电，而电容器则能完全阻止恒定电流的通过。此外，电容器有时也会被用作通话装置的一部分，这一点稍后会提到。

图151和152展示了由Stromberg-Carlson制造公司生产的那种常见型电池式壁挂电话机的两种视图。这类电池式壁挂电话机通常都具有这种结构：发射器安装在背板顶部的可调节臂上，而装有铃铛及设备所有工作部件的盒子则位于发射器下方，该盒子的顶部还设有用于书写的架子。图151中显示的是挂钩开关和听筒；在它们下方可以看到极化铃铛的磁铁，其后面则是一个装有电容器的矩形盒子。就在振铃磁铁的正前方则是感应线圈。

图153展示了这种电话机的电路细节。该图还给出了简化的电路结构，有助于更直观地理解其中的原理。可以看出，感应线圈的初级绕组与发射器串联后接在电路线上；感应线圈的次级绕组则与听筒串联，再与电容器及发射器一起串联在电路线上。

在某些情况下，为了节省空间，这类电池式壁挂电话机会省略书写架，将整个设备安装在一个小型矩形盒子里，发射器则安装在盒子前部的短臂上，或者干脆不安装在任何臂上。这类电话机通常被称为酒店用电话机。

这类设备最初主要被用于酒店内，因此才被称为“酒店用设备”。不过后来，它们开始在更广泛的场合得到应用，尤其是在居民家中。这类设备的外壳通常由木头制成，但近年来越来越多地采用压铸钢来制作外壳。钢制外壳一般会涂上黑色搪瓷，有时也会根据周围木制品的颜色来调整搪瓷的颜色。图154和图155展示了由Dean Electric Company生产的那种常见酒店用设备的两个视图。

这类设备外观十分整洁，而且不会占用太多墙面空间；从商业角度来看，其重量轻、体积小，便于运输。不过这种设备的缺点是，由于所有部件都被放置在一个狭小的空间里，难免会显得有些拥挤，这会影响对各个部件的取用。不过，人们已经想出了很多巧妙的办法，使得在需要维修或调整时能够方便地接触到各个部件。

图154. 钢制外壳酒店用设备

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图155. 钢制箱式电话机组件
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办公桌。采用共用电池的桌面电话相比磁电机式桌面电话来说结构更为简单，因为磁电机电话中体积最大的两个部件——发电机和本地电池，在这种电话中无需配备。有些公司在制造用于共用电池的办公桌支架时，会将与通话电路相关的电容器、感应线圈或阻抗线圈等元件安装在支架底部，而将用于响铃的极化振铃器及电容器则安装在一个可固定在墙壁或办公桌上的独立铃盒中。还有些公司则只将发射器、接收器和挂断开关安装在办公桌支架上，而将电容器、感应线圈或其他与通话电路相关的元件放在铃盒中。这两种设计方式其实并无太大差异。柔性电缆中的导线数量则取决于所采用的电路结构。

图156. 同电池式桌面装置
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图157. 同电池式桌面装置的铃铛
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Kellogg开关板与供电公司将除极化式铃铛及相关电容器之外的所有部件都安装在桌面支架中。图156显示的是去掉底板后的桌面支架的俯视图。在底座圆环的上部，有一个小电容器，它与接收器串联在一起，位于通话电路中。在底座圆环的右侧，则有一个小阻抗线圈，它与发射器串联，但与电容器及接收器并联。

图158. 共用电池式办公桌套装的铃铛装置
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图157和图158展示了凯洛格公司用于共用电池式办公桌套装的铃铛装置的两种结构示意图。该铃铛装置由压铸钢制成，配有可拆卸的盖子，如图158所示。通过这个盖子，可以方便地接触到铃铛的各个部件，以及从办公桌支架引出的电缆和线路电路的接线端。与铃铛串联的电容器也安装在这个盒子里。虽然需要使用两个电容器——一个安装在足够大的铃铛装置中以传输铃声信号，另一个安装在办公桌支架的基座上且仅能传输语音信号——但这也有其优势：从铃铛装置到办公桌支架的柔性电缆只需两根导线即可。

图159. 微型电话机
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图159展示的是一种主要在国外使用的桌面电话机，而在我国则几乎无人使用。这种电话机的发射器和接收器是固定在一起的，接收器呈手表盒状，其位置经过精心设计：当将接收器放在耳边时，发射器的话筒正好位于使用者的嘴唇前方。为使发射器在使用过程中保持垂直状态，就必须采用如图所示的弯曲式话筒。这种将发射器与接收器结合在一起的装置，在我国通常被称为“微型电话机”，不过这一名称并无合理依据。该装置的发射器与接收器并非依靠普通的钩形开关来支撑，而是通过如图所示的叉形支架来固定，该支架负责控制开关弹簧——当支架承受微型电话机的重量时，弹簧处于某一位置；而当重量消失后，弹簧则处于另一位置。这款微型电话机是由纽约州布法罗市的L.M.爱立信电话制造公司生产的。这类电话机的电路结构与普通桌面电话机并无本质区别。

图160. 凯洛格型共用电池电话机组合
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图161. 迪恩公司型共用电池电话机
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共用电池电话机的电路结构。凯洛格型电话机的完整电路结构如图160所示，左侧为电话机主体部分，右侧为铃盒部分。可以看出，只有两根导线从前者连接到后者。该图的右上角还展示了简化的理论示意图。

迪恩电气公司所使用的共用电池电话机电路的详细结构如图161所示。这种电路采用了平衡式惠斯通电桥结构。关于这种电路的另一个特点是……

需要进一步说明的是，根据之前的描述，极化铃铛与电容器串联连接，这样在电话未使用时，电路的两端就可以相互绝缘，同时仍能让振铃电流通过铃铛。

图162：Monarch公司的一体式电池电话机
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所谓直流接收器的使用，使得多家制造公司的整体电池电话电路变得极为简单。在这种结构中，发射器和接收器串联在电路上，而这条路径通常会被挂机开关的触点断开。极化铃铛和电容器则位于电路中的另一条支路上，这条路径不会受到挂机开关触点的影响。因此，这样一套完整的整体电池电话机只需包括接收器、发射器、挂机开关、铃铛、电容器以及机壳或其他支撑结构即可。

图162展示了这类电话机电路的极度简洁性，它说明了Monarch电话制造公司是如何利用前文图54中已介绍的直流接收器来连接电话机的各个部件的。

第十五章 非选择性群线系统

群线是指供多个站点共同使用的线路。因此，它是一种连接中心局与两个或更多用户站点的线路；如果不存在中心局，则是连接三个或更多独立站点之间的线路。群线的特点在于其服务的站点数量超过两个，如果存在中心局的话，中心局也视为一个站点。

严格来说，“群线”这一术语应是与“专用线”相对而言的。不过，经营电话交换机的公司常常会将线路出租给个人作为专用线使用，这类线路没有与中心局交换机的连接，按照惯例被称为“专用线”。这类线路也可用于连接两个或更多独立站点。因此，在电话交换机操作领域中，专用线实际上也可能属于群线，尽管这看起来有些矛盾。

与交换机相连的电话线路称为交换机线路，如果该线路连接了多个站点，则属于群线；如果只连接了一个站点，则为专用线或单一线路。没有与中心局连接的线路被称为“独立线路”，如果该线路连接了两个以上站点，则仍属于群线。

在群线上进行语音传输的问题相对简单，其复杂性几乎不高于专用线或单一线路。然而，向各个站点发送信号的问题则并非如此。因为这条线路是供所有使用者共同使用的，所以无论是操作员还是用户，都必须能够以某种方式让目标站点的用户知道有来电送达。实现这一目的通常有两种方法。

(1) 最简单的方法就是不设置任何机制来单独触发线路中的某一个铃铛，这样一旦有站点需要接通电话，所有铃铛就会同时响起。为避免所有站点都响应呼叫，必须以某种方式向目标站点传达“该呼叫是发给它的”这一信息，同时向其他所有站点传达“该呼叫并非发给它们”的信息。在这类线路中，这是通过所谓的“编码铃声”来实现的，这种编码由不同长度的铃声组合而成。

(2) 另一种更为复杂的方法则是实现选择性响铃，即呼叫方可以仅让目标站点的铃铛响起，而其他站点的铃铛则保持安静。

图163. 接地电路串联线路
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因此，这两类通话系统可分别被称为“非选择性系统”和“选择性系统”。非选择性通话系统既可用于与中心局相连的线路，也可用于通过中心局与其他线路相连的线路，同时还适用于没有中心局连接的独立线路。非选择性线路最常用于农村地区，以及那些人口分布较为稀疏的地区，因为在这些地方，铺设单独的线路或仅为少数用户服务的线路成本过高。

非选择性电话通话系统通常采用磁电机电话。早期的此类电话使用的是普通的串联式磁电机电话，其铃铛的电阻和阻抗都较低，而发电机则配有自动切换装置，使得其在正常情况下不会接入线路电路中。

串联系统。采用接地回路的串联电话线路的总体结构如图163所示。在此结构中，三台普通串联电话被连接在一起，各终端站则与地面相连，从而为振铃电流和语音电流提供返回路径。

图164. 金属电路串联线路
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图164展示了一条金属电路串联线路，该线路上有五台普通串联电话。这种结构不使用接地装置，电流通过线路导线返回，因此整个电路均为金属结构。

图165. 串联电话线路
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通过图165可以最清楚地了解普通串联电话线路的局限性。图中显示了三台串联电话的电路通过同一条线路相连。A站的听筒处于挂起状态，而B站和C站的听筒则处于未挂起状态，这表示这两个站的用户正在通话中。由于B站和C站的挂机开关处于抬起状态，这些站的振铃装置和发电机已被切断，只有电话设备本身仍在电路中；而A站的挂机开关因为听筒的重力而处于按下状态，因此该站的电路仍然保持连通状态。

该站点的振铃器处于电路中，因此B站和C站的语音电流必须通过这个振铃器传输。

A站的发电机并不在语音电流的电路中，不过由于该发电机配备了自动分流装置，正如第八章中所描述的那样。

稍加分析该图所示的串联系统即可发现：任何两个正在使用的站点的语音电流都必须（如粗线所示）通过所有未使用站点的振铃器来传输；而当大量站点连接在同一条线路上时，这些振铃器所带来的阻抗就会成为语音电流传输的严重障碍。这种串联式线路的缺陷是根本性的，因为显然，为了使那些站点始终能够接听电话，就必须让它们的振铃器保持在未使用站点的电路中。

通过降低振铃器的阻抗，可以在一定程度上缓解这一缺陷。这正是串联式电话机的常用做法——振铃器的磁芯通常较短，绕组匝数也相对较少，其电阻一般约为80欧姆。

桥式系统。与串联式的线路连接方式相比，将电话设备以桥式结构连接在电路中的方式要好得多，这类线路通常被称为桥式线路或桥接线路。这一方案最早是由美国电话电报公司的现任总工程师J.J.卡蒂大力倡导并得以广泛应用的。

图166展示了一个桥式电话线的简单示意图，图中三部电话机各自通过桥式路径与线路导线及地面相连，这种类型被称为“接地桥式线路”。它在农村地区被广泛使用。

图167则展示了一种更优的连接方式，即金属电路桥式线路，三部电话机通过并联或桥式路径连接在两条线路导线上。

桥式线路的实际电路结构在图168中展示得更为清晰。该系统包含三个站点，每个站点上都有三条可能的桥接路径，用于连接线路的两端。第一条桥接路径由挂机开关控制，其状态为常开。不过当挂机杆被抬起时，这条路径就会通过接收器以及感应线圈的次级绕组而闭合，同时初级电路也会闭合，从而将电池和发射器纳入电路之中。这就构成了一台普通的本地电池供电通话设备。

图166：接地型桥式线路
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图167：金属桥式线路
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图168：金属桥式线路
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每个站点的第二条桥接路径则通过铃铛来实现，而在大多数桥式电话中，这条路径是始终处于闭合状态的，因此无论挂机开关如何变化，或者与发电机相连的自动开关如何工作，都不会影响这条路径的连通性。

在每个车站，都有一条通过发电机的第三条桥接路径。如前所述，这条路径通常是断开的，但当发电机开始工作时，其自动切换开关会闭合该路径，从而使电流能够输送到线路中，进而让所有车站的铃铛响起。

当任何一台发电机开始工作时，其产生的电流会分流，通过线路导线并同时驱动所有铃铛发声。因此，用于桥接的发电机必须具备产生足够大电流的能力，这样才能确保这些电流足以驱动每一个铃铛发声；同时，它还必须能够产生足够的电压，以便将电流输送到附近的车站，以及线路尽端的车站。

乍看之下，这种桥接系统似乎只是解决了一个问题，却又引发了另一个问题。显然，它避免了串联系统中的问题——因为语音电流无需依次通过那些处于待机状态的车站的所有铃铛才能到达远端车站。不过，在每个车站都存在一条通过线路连接的泄漏路径，语音电流可能会通过这条路径从线路的一侧无谓地泄漏到另一侧，而无法以足够的强度传送到远端车站。但实际上，这个问题并不严重。通过使铃铛的阻抗较高，语音电流从线路一侧泄漏到另一侧的量实际上可以忽略不计。

显然，在负载较重的桥接线路中，发起呼叫的那个车站的铃铛所承受的电流会略多于其应有的份额，而且这样的情况下，该铃铛的响声也就没有任何实际作用了。因此，人们通常会采用这样的设计：让发电机在启动时自动将自己所在车站的铃铛从电路中切断。图169清晰地展示了实现这一功能的电路结构。通常情况下，铃铛的电路是闭合的，而发电机的电路则是断开的。然而，一旦转动发电机的曲柄，这两种状态就会互换——铃铛的电路被切断，而发电机的电路则闭合，这样发电机的电流就可以全部通过线路传输。由于本地铃铛在自身发电机启动时不会发出声音，这一设计也有其优势，因为其他车站的……

当某个站点正在拨打电话时，该站点的电话铃声不会受到干扰。

在非选择性桥接线路中会出现一种问题：起初看起来似乎并不严重，但实际上却会带来诸多麻烦。有些人喜欢偷听那些并非发给自己所在站点的电话内容。那些按道德标准不应偷听或窥探他人隐私的人，却常常从事这种电话窃听行为。

通常，不仅会有一个人，而是很多人会对发给其他人的电话作出反应并偷听对话内容。这会在多个方面带来不良影响：它破坏了双方之间的隐私；使电话机的电池白白消耗能量；还会大大降低电话线的响铃效率。造成这种干扰的原因是，线路中对端存在低阻抗的接收器，导致任何发话设备发出的电流都能大量通过这些接收器，从而使阻抗较高的响铃装置无法获得正常工作所需的能量。正因如此，一方往往无法再次拨打电话，因为在第一次和第二次通话之间的间隙里，会有很多人为了偷听而将接收器从挂钩上取下。挂断或清除信号也会受到干扰。

图169. 桥接站电路图
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针对由窃听行为导致的响铃干扰，一种可行的解决办法是在接收器中加入一个低容量的电容器。

如图169所示，每个站点都设有这样的电路。由于电容器能够轻松传输高频语音电流，因此这并不会对语音传输造成严重干扰。不过，这类电容器的容量不足以让它们顺利传输低频的振铃电流，因此这些电流不得不通过专为它们设计的铃铛来传递，而非通过电阻较低的接收路径泄漏出去。

用于此用途的最佳电容器容量约为1/2微法，这一容量足以满足语音传输的需求，同时还能有效阻挡大部分发电机产生的电流。如果使用容量更大的电容器，那么发电机产生的电流就能更轻易地通过，从而违背了其设计目的。

为了给用于连接不同线路的振铃装置提供所需的阻抗，通常会将其线圈的磁芯做得较长且直径稍大，同时使用较细的导线来绕制线圈，以确保达到所需的匝数。桥接用铃铛的电阻通常为1,000欧姆或1,600欧姆，这两个数值已成为标准。不过，对于桥接用铃铛而言，更重要的是高阻抗而非高电阻；真正起决定作用的是线圈的匝数。

如前所述，用于连接不同线路的发电机能够输出比串联式设备更高的电流，为此，这类发电机通常至少配备四块、通常为五块条形磁铁。其电枢的长度也相应较长，通常采用33号导线进行绕制。

有时，当一条被桥接的线路连接到电话局的交换机时，需要让该线路只能让用户向电话局的操作员发送信号，而用户之间则无法互相通话。此时，可以采用偏置型铃铛来替代普通的极性铃铛。为防止用户自身的发电机驱动这些铃铛发声，这类发电机会被设计成直流类型，并且会以适当的方式与系统相连。

因为它们发出的电流方向错误，无法驱动铃铛发声。而总机端的发电机为直流型，其输出电流的方向是正确的，因此可以用来驱动铃铛发声。这样一来，线路上的任何用户只需转动自己的发电机曲柄即可拨打总机电话，这一操作不会导致其他用户的铃铛响起。接线员随后便可接听电话，并发出方向正确的电流来让所有铃铛发声，同时通过编码方式将电话接通到指定的用户那里。

信号编码：在非选择性电话线路上，用于标识不同用户的编码通常是由长响声和短响声的组合构成的，类似于摩尔斯电码中的点与划。例如，一次短响可能表示第1号用户；两次短响表示第2号用户，以此类推，五次短响则表示第5号用户。连续发出超过五次短响并不可取，因为这容易让人搞不清实际响铃的次数。因此，当需要用编码方式联系的用户名字超过五个时，最好采用长响声与短响声的组合形式，一种有效的办法是采用部分十进制系统——每十个数字中省略大于五的数字，用长响声表示十位数字，用短响声表示个位数字，详见表X。

表X：信号编码

用户编号 | 响铃方式
------|------
1 | 1次短响
12 | 1次长响 + 2次短响
2 | 2次短响
13 | 1次长响 + 3次短响
3 | 3次短响
14 | 1次长响 + 4次短响
4 | 4次短响
15 | 1次长响 + 5次短响
5 | 5次短响
21 | 2次长响 + 1次短响
11 | 1次长响 + 1次短响
22 | 2次长响 + 2次短响

通常还会采用其他各种安排，通过这些方式几乎可以产生多种易于区分的信号。使用这类电话线的用户能够以相对较低的错误率区分出那些专为他们而准备的呼叫与那些为其他人准备的呼叫，但正如前文所指出的，他们往往无法真正做到这一点。

局限性。对于质量良好的电话来说，单条线路所能连接的站点数量限制，更多是由于响铃功能上的限制，而非通话功能上的限制。随着连接站点的数量不断增加，最终会达到这样一个状态：发电机无法产生足够的电流来让所有电话同时响铃，而这种情况很可能会在通话效率因线路上的桥接设备过多而受到严重影响之前就出现。

不过，上述因素都不应成为决定一条线路上可连接站点数量上限的标准。真正的限制并非由单个发电机所能驱动的电话数量，或是能够正常传输语音的电话数量，而是指在不造成各用户之间过度干扰的前提下所能连接的站点数量。当线路过载时，不仅会导致用户无法在需要时使用电话，而且在非选择性线路中，还会因为电话铃声不断而引发混乱，此外，随着连接站点数量的增加，信号编码的解读也会变得更加复杂。

通过电话线完成的业务量通常被称为“通信量”。但在考虑线路使用情况时，应当明白，每天、每小时或更短时间内的呼叫次数并不能真正反映通信量，因此也无法准确体现线路上各用户之间可能产生的干扰程度。

另一个同样重要的因素是通话的平均时长。在城市电话线中，也就是城市交换机所连接的线路中，通话时间通常较短，平均约为两分钟。而在为农村地区居民服务的乡村电话线中，由于通信条件较差……

彼此见面时，尤其是在冬季，交谈时间通常会很长。在农村地区，人们往往通过电话来交流，半小时的通话时长并不罕见。显然，在这种条件下，拥有众多接入点的电话线路会遭受严重的干扰，那些需要使用该线路处理业务的人往往不得不等待很长时间才能使用线路。

因此，无论是因为大量短时间的通话还是相对较少的长时间通话，线路上的通信量都是决定在经济上可在这条线路上设置多少接入点的主要因素。建设线路的可行性也是重要考量因素，因为在条件较差的地区，可能没有足够的资金来建设足够多的线路以应对相应的通信需求。因此，往往需要折中处理，而唯一可行的原则就是根据实际情况，在一条线路上设置尽可能少的接入点。

虽然无法为所有情况设定统一的限制，但可以肯定的是，在正常情况下，非选择性线路上不应设置超过十个接入点。不过，20个接入点是很常见的，有时甚至会有40个甚至50个接入点连接在同一条线路上。在这种情况下，即便通话和接通效率尚可，由此产生的混乱也会使得这类超负荷线路的服务质量让所有使用者都不满意。

第十六章 选择性线路响铃系统

在设计选择性线路响铃系统时，需要解决的一个问题是：如何让电路中某个指定分机的电话铃对总机发出的信号作出反应，而其他分机的电话铃则不响。当然，这一目标必须在不影响电话线路及设备的正常功能的前提下实现。也就是说，用户仍需能够拨打总机并在需要时请求断开连接，同时，选择性信号装置与电话线路的连接也不得干扰语音信号的传输。目前已有许多实现选择性线路响铃的方法被提出，其中不少也被实际应用。根据其工作原理的不同，所有这些方法都可以归为四类。

分类：(1) 极性系统之所以如此命名，是因为它们的工作依赖于使用具有特定极性的电话铃或其他响应装置，这类装置只能对某一方向的电流作出反应。这些电话铃或其他装置在与线路相连的方式上经过精心设计，使得只有需要响铃的分机才会接收到正确方向的电流从而被激活，而其他分机则要么不会接到任何电流，要么会接到方向错误的电流，因而无法被激活。

(2) 谐波系统的原理在于：当摆锤或弹性簧片处于可以自由振动的状态时，它们会以某一特定的频率振动，而且很容易就处于这一频率状态。将这样的摆锤或弹性簧片置于与线路相连的电磁铁的作用之下，由于它们很容易以某一特定频率振动，而很难以其他频率振动，因此，对于特定频率的电流脉冲来说……

当频率与簧片的自然振动频率相同时，簧片会随之振动；而对于其他频率，则不会产生反应。

通过该系统按政党线路进行选择的方法是：将线路上的所有簧片调整到不同的振动频率，再通过发送适当频率的电流来使目标铃铛发声。用于驱动这些铃铛的电流生成装置能够发出与各簧片振动频率相对应的不同频率的电流。因此，若要选择某个站点，只需发送与该站点簧片振动频率相对应的电流频率，由于这一频率与其他站点的簧片频率不同，就能使目标站点的簧片振动，而其他站点的簧片则不会振动。

在逐步式系统中，线路上的铃铛通常并不直接与线路相连，要使目标站点的铃铛发声，需先向线路发送一定数量的脉冲信号。这些脉冲信号会同步驱动各个站点的机械装置，使得在发送了一定数量的脉冲后，各个站点的铃铛才会开始发声，且不同站点所需的脉冲数量各不相同。

断线式系统是电话技术中的新方法，在某些应用领域展现出良好的前景。在这种系统中，线路通常被分成多个段落，第一段连接到中心局外的第一个站点，第二段连接到第二个站点，以此类推。在线路处于正常或非工作状态时，只有第一个站点的铃铛与线路相连，能够被触发发声，而线路的其他部分则是断开的。不过，只要发送一个脉冲信号，就能启动切换装置，使第一个站点的铃铛断开连接，同时让线路与第二个站点相连。可以通过发送适当数量的脉冲信号来建立通往目标站点的线路，之后再发送振铃电流，这样就能仅让目标站点的铃铛发声。

极性法。在双线通信系统中，用于实现选择性信号传输的极性法可能是应用最广泛的一种方法。美国电话电报公司的标准选择性系统就是基于这一原理运行的。

双线系统。显然，在单条金属电路线上，无需使用具有不同极性的电流或特殊铃铛，即可实现两方之间的选择。因此，金属电路的一条支路可以用作一条接地线，用来使某一方 的铃铛响起；而另一条支路则可用作另一条接地线，用来使另一方的铃铛响起。这两条支路还可以一起作为普通通话用的金属电路。

如图170所示，中心局中的拨号键在图的左侧被标记为K1和K2。这些键的工作原理将在后续章节中详细说明，但只要记住：在正常情况下，这些键会使电路保持图中所显示的状态即可。然而，一旦按下其中任意一个键，两个长弹簧就会被压开，从而使弹簧之间的正常触点断开，同时接通两个外侧触点——从图中可以看出这两个外侧触点此时是断开的状态。这两个外侧触点分别连接到普通的交流电铃响发生器以及地线，不过两个键上的连接方式是相反的。

图170. 简单的双线系统选择方式
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在A站，普通的通话设备以简化形式呈现，仅由接收器、发射器以及位于线路上的钩式开关组成。一个带极性的铃铛则与电容器串联，连接在线路的下半部分与地线之间。

在B站，同样的通话电路被展示出来，不过其极性不同的铃铛与电容器被连接在线路的上半部分与地线之间。

如果操作员想要呼叫A站，她将按下键K1，这样线路的上半部分就会接通地线，而线路的下半部分则与发电机G1相连，这样一来，A站的铃铛自然就会响起。而B站的铃铛则不会响，因为它并不在电路中。相反，如果操作员想要让B站的铃铛响起，她就会按下键K2，这样来自发电机G2的电流就可以通过线路的上半部分、经过B站的铃铛及电容器，然后再通过地线返回。在电话交换局中将按键的两端接通地线的目的，就是防止错误铃声的产生，也就是避免错误的铃铛响起。如果不将按键接通地线，当某个站的听筒未被挂起时，发送出的振铃电流就可能会通过这条路径传导，此时，来自发电机G1的振铃电流不仅会按照预期通过A站的铃铛，还会通过线路另一端处于连接状态的听筒，进而传到B站的铃铛上。而由于按键已接通地线，这种情况显然就不会发生，因为振铃电流要经过错误铃铛的路径总会被同一侧通往地线的直接路径所阻断。

在这种双方线路选择系统中，发电机G1和G2可以是同一个发电机，也可以是普通的交流电型发电机。铃铛同样也可以是普通的交流电型铃铛。

上述这种双方线路选择系统实际上采用了两个独立的振铃电路。单独使用其中一个电路，就可以通过使用极性相反的两个偏置铃铛，并根据需要让振铃电流朝某个方向流动，从而实现两站之间的选择性振铃。图171展示了这种电路的结构。在该电路中，两个偏置铃铛分别位于A站和B站，它们都与地线相连，且只能对正负脉冲做出响应。在电话交换局中，则有键K1和K2。图中还展示了一个交流电发电机G，其刷子1接通地线，而刷子2则连接到安装在发电机上的换向盘3上。

轴，从而随之旋转。该圆盘的一半由绝缘材料构成，这样与圆盘接触的刷子4和5就会交替地与圆盘相连，进而与发电机的刷子2相连。由于刷子2是交流电机的一个端子，其电位会不断变化，而换向器的设计使得始终处于刷子2电位的圆盘：在带正电时仅与刷子5相连，在带负电时仅与刷子4相连。因此，刷子5会依次接收到正电脉冲，而刷子4则依次接收到负电脉冲。显然，当按下键K1时，只有A站的铃铛会响；同样，按下键K2时，也只有B站的铃铛会响。

图171. 极性选择原理
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四方线路系统。从上述两种两方线路系统可以看出，很容易就能实现四方线路系统——只需在金属电路的两侧各使用两个极性相反的铃铛即可。要选择四个铃铛中的任何一个，只需决定电流应从线路的哪一侧传递，再在该侧的兩个铃铛中选择电流的极性即可。

图172展示了这种四方线路系统。图中没有显示发电机，但从四个按键引出的导线上标有正号或负号，这些符号表示它们应连接到发电机的哪个端子。同样，连接在线路下侧的两个铃铛也标有正负号，连接在线路上侧的两个铃铛也是如此。根据对图170和图171的描述可知，如果按下键K1，那么A站的铃铛就会响。

只有那个铃铛会响，因为C站和D站的铃铛并不在电路中，而且从线路低端传来的正向电流极性也不适合让B站的铃铛响起。

图172所示的系统中存在一个相当严重的缺陷。在后续章节中将会指出，在共用电池的系统中，只要有任何一位用户将听筒从挂机状态取下，就会在金属电路的两端之间建立连接，从而影响中心局对线路信号的检测。这类共用电池的系统应当确保线路的两端完全相互绝缘。然而在刚才描述的系统中并非如此，因为存在一条导电路径：从线路的一端，经过该端的两个铃铛，再连接到地面，然后通过另一对铃铛连接到线路的另一端。这意味着，除非让铃铛绕组的电阻变得非常高，否则信号电路的电阻就会足够低，从而导致中心局能够接收到线路信号。

图172. 四方极性选择
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通过在与铃铛串联的电路中加入电容器来克服这一问题是不可行的，就像图170所示的系统那样。因为铃铛必然需要一定的偏压，而显然，这样的铃铛通过电容器后无法正常工作——因为在它们的电路中加入电容器后，流经铃铛的电流就会变成交流电而非脉冲电，尽管电源本身的电流可能是脉冲形式的。

图173. 标准极性系统
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为解决这一难题，人们会在每个铃铛旁并联一个阻值极高的非电感电阻，其阻值约为15,000或20,000欧姆；同时也会让铃铛的绕组具有相对较高的电阻，通常约为2,500欧姆。即便采取了这些措施，总机电池的电流仍会通过两条并联的接地路径从线路的一侧泄漏到另一侧。因此，这种选择性信号传输方式更多被用于磁电机系统。为将这一原理应用于普通电池系统且避免上述问题，人们采用了改进方案：在每个站点都设置一个继电器，使其保持接地连接断开状态。如图173所示，这就是美国电话电报公司及其授权方所使用的标准四方线路振铃电路。

在该系统中，处于偏置状态的铃铛通常与线路断开，因此不存在从线路一侧到另一侧的泄漏路径。每个站点都配有继电器绕组，该绕组可通过与电容器串联在线路上的振铃电流来驱动。这样一来，当振铃电流在线路中传递时，所有站点的继电器都会被激活，从而带动其衔铁动作。这样就能使所有铃铛与线路相连，暂时形成与图172相同的状况。因此，当有正电流从下层线路流出并返回地面时，A站的铃铛就会响起；而B站的铃铛由于极性相反而不会响；C站和D站的铃铛则因为位于线路另一端与地面之间的电路中而不会响。一旦振铃电流停止，所有继电器就会释放衔铁，从而使所有铃铛与线路断开连接。

通过这一极为简单的装置，就可以消除因线路信号工作不正常而产生的问题。因为通常情况下，由于每个站点中的桥式电路中都装有电容器，所以不会有一侧的电信号泄漏到另一侧。

图174. 铃音控制装置
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在图174中，展示了中心局内铃音控制装置的完整连接方式。通过这些连接，可以以正确的方式向线路输送正或负的铃音电流，从而让图172和图173中所示类型的任意一条线路上的四个铃铛中的任何一个发出响声。

在此装置中，发电机G及其换向盘3，以及各种刷子1、2、4和5的布置方式与图171所示相同。从上述内容可以看出，从发电机的刷子2和换向盘3引出的导线6会传递交变电势；导线7则传递正极性的脉冲电势；而导线8则传递负极性的脉冲电势。图174所示的装置中有五个按键，其中K1、K2、K3和K4这四个按键的连接方式与图172和图173中的示意图一致，显然它们能够将适当的电流输送到线路的相应路径上，从而让某个铃铛发声。而第五个按键K5则是为了方便操作员在连接到普通无偏压线路时让该线路上的铃铛发声而设计的。由于该按键的两个外部触点分别连接到交流发电机G的两个刷子上，因此当其触点闭合时，显然会在线路中产生交流电。

双方通话电话的电路结构。图175详细展示了通常与图170所示的选择性响铃系统一起使用的电话机的接线方式。在該电话机以及后续两种电话机的接线中，需要记住的是：在通话过程中使用的电路部分可以有多种接线方式，而这些方式都不会影响选择性响铃功能的实现；不过，图中所示的正是与相应选择性响铃系统最常搭配使用的接线方式。在将这种电话机的电路连接到线路时，两条线路导线会被连接到接线端子1和2上，而接地则通过接线端子3实现。实际上，为了避免在将电话机设置为A站或B站时需要更改其固定接线（见图170），在这两个站点上，线路导线的连接顺序会相反；也就是说，在A站，图170中的上层导线连接到接线端子1，下层导线连接到接线端子2；而在B站，则是上层导线连接到接线端子2，下层导线连接到接线端子1。这种电话机的固定接线方式与那些连接到仅有一个端点的线路的电话机所使用的接线方式相同，具体的响铃电路则是通过连接各个接线端子来构成的。例如，如果将这种电话机用于只有一个端点的线路，那么接线端子1和2仍会像以前一样连接到线路的两条导线上，而接线端子3则会被连接到接线端子1上，而非直接接地。

图175. 双方通话站的电路结构

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四线制电话的电路结构。图172所示系统中所使用的电话机的接线方式在图176中有详细说明。该电话机的接线设计为可配合本地电池或磁电机使用，因为这种选择性响铃方式在磁电机系统中更为常用，而应用于共用电池系统时则会出现诸多问题。在该图中，线路导体连接到接线柱1和2上，接地则通过接线柱3实现。为使所有电话机都能以相同方式接线，同时又能让它们与任意一个站点相连，电话机的铃声装置并未永久连接到电路的某个固定部分，而是具有灵活的连接结构，这样就可以根据需要将电话机正确地连接到任意站点。铃声装置的端子连接到接线柱9和10上，而这些端子又通过柔性导体与接线柱7和8相连。这些端子可以根据需求以适当的方式连接到接线柱4、5和6上，从而将电话机设置为A、B、C或D站点。例如，要将电话机设置为A站点，需将端子7连接到接线柱6，再将端子8连接到接线柱5；若要设置为B站点，则将端子7连接到接线柱5，端子8连接到接线柱6；设置为C站点时，端子7连接到接线柱6，端子8连接到接线柱4；设置为D站点时，端子7连接到接线柱4，端子8连接到接线柱6。

图176. 无继电器的四方站电路
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图177. 有继电器的四方站电路
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与图173所示系统相连接的电话机的详细接线方式如图177所示。该电话机的接线采用共用电池的方式，因为这种接线方式更便于……

该信号电路尤其适用于共用电池的工作方式。不过，这种设计也常被用于磁电机系统——因为在磁电机系统中，用户在端点处建立永久性的接地连接也是不可取的，因为这会增加判断线路导体上是否存在意外接地的难度。该装置的接线方式也经过精心设计，使得只需使用一种标准接线方式，就能让任何电话机作为A、B、C或D型终端进行连接。

谐波法。原理。要更好地理解谐波式同线信号系统的运作原理，需要记住：一根一端固定、另一端可自由振动的弹性簧片，就像小提琴的琴弦一样，具有特定的自然振动频率；也就是说，一旦通过手指弹动使其开始振动，它就会以一定的频率持续振动，直到完全停止为止。这样的簧片最容易在受到与其自然振动频率完全一致的脉冲作用时开始振动；即便脉冲的幅度很小，只要时机恰到好处，也能使其振动。

众所周知，如果一个人在推动秋千时能准确把握节奏，使推力与秋千的自然振动频率相匹配，那么即使用很小的力也能让秋千产生较大的振动幅度。当然，通过施加足够的力，也可以让秋千以其他频率振动。再举个例子，钟表的摆锤每秒摆动一次，正是由于发条在恰当时刻给予的轻微推动，才使得沉重的摆锤能够持续摆动。不过，如果有人抓住摆锤并摇晃它，根据个人的力气和技巧不同，摆锤几乎可以以任何想要的频率振动。

因此，结论是：通过在恰当的时间间隔内施加脉冲，就可以轻松地让簧片或摆锤开始振动；而如果在非恰当的时间间隔施加脉冲，则很难使其振动。这些原理正是谐波式信号系统的基础。

电话中谐波鸣响技术的先驱是马萨诸塞州洛厄尔的殡葬业者雅各布·B·柯里尔。他将谐波铃串联在电话线中，80年代初这种技术在新英格兰地区得到了广泛商业应用。稍后，旧金山的詹姆斯·A·莱特海普独立发明了另一种谐波鸣响系统，并在萨克拉门托以及加利福尼亚州的其他一些小城镇成功实现了商业化应用。莱特海普让这些铃产生极化效应，并将其与电容器串联在电路中，这一设计方式与现代技术类似；尽管其设计上还存在一些缺陷，但从原理和结构上看，他的装置与当今仍在使用的同类装置极为相似。

大约在1903年，Wm. W. 迪恩再次独立开发出了谐波系统，他设计的铃与莱特海普的非常相似，但设计更为精良，由此开启了这一技术的发展历程，最终使其得以广泛应用。

在谐波鸣响系统中，信号接收装置表现为一种振铃器，其电枢和撞击部件安装在较为坚固的弹簧上，而非轴上。这样一来，振铃器的活动部件实际上就相当于一个簧片，它具有特定的自然振动频率，因此可以很容易地以足够的振幅振动并撞击钟铛。因此，谐波振铃器与普通的极化铃或振铃器不同——后者的电枢在相当宽的频率范围内都能振动，而谐波振铃器的电枢则只在某一特定频率下最容易振动。

通常，谐波线路系统最多只能支持四台终端设备。所使用的频率一般为16又2/3赫兹、33又1/3赫兹、50赫兹以及66又2/3赫兹，对应每分钟1,000次、2,000次、3,000次和4,000次振动。选择这些频率是因为它们大致处于理想的频率范围之内；而且，早期这类系统中的振铃装置是通过将四台不同发电机的电枢安装在同一根轴上来实现的，这四台发电机分别具有两极、四极、六极和八极。两极发电机每转一圈产生一次振动，四极发电机每转一圈产生两次振动，六极发电机每转一圈产生三次振动，八极发电机则每转一圈产生四次振动。

当机器的转速恰好为每分钟1,000转时，就能达到前述的频率。这一频率范围被证明非常适合实际使用，而且早期的钟声装置也都被调校为在此频率范围内工作，因此，除了个别例外，所有生产这类钟声装置的制造商都一直遵循这一振动频率标准。

调校。将钟声装置的电枢调整到特定的振动频率的过程被称为调校。人们通常会说某件钟声装置被调校到了某个特定的振动频率，就如同人们会说小提琴的琴弦被调校到了某个特定的音高或振动频率一样。

不同频率的钟声装置在物理结构上的差异主要体现在振动簧片末端的重物大小上，也就是那些用于敲击钟体的重物的大小。当然，低频钟声装置的重物最大，而高频钟声装置的则最小。人们通常通过在敲击杆上放置适当重量的重物来初步将钟声装置调校到所需的频率，然后再通过微调这些重物在敲击杆上的位置来进行更精确的调校。如果希望让簧片的自然振动频率略低，就需要将重物移得离簧片的固定端更远；而如果希望其自然振动频率略高，则需将重物移向固定端。通过这种方式可以做出非常精确的调整，而生产这类钟声装置的各工厂的目标就是让这种调整保持永久不变，这样操作方就无需再对其进行调整了。多年来的使用经验表明，一旦正确组装，这类钟声装置就能始终保持稳定的振动频率。

操作谐波钟有两种通用方法。其中一种可称为“调准系统”，另一种则为“欠调系统”。最初采用的就是欠调系统。

欠调系统。早期从事谐波信号传递技术研究的人士发现，当簧片的敲击部件撞击锣时，簧片的自然振动频率会发生变化，或者更准确地说，簧片的振动频率会与其自然频率有所不同。这是因为锣的弹性特性导致了这一现象。

需要考虑那些导致簧片以特定频率振动的各种条件，而这些附加因素的作用总是会加快簧片在未敲击钟鼓时的振动速度。换言之，锤子从钟鼓上反弹的力往往会加速振动速度，而这自然会给钟声的实际演奏带来严重困难。举例来说：如果簧片在未敲击钟鼓时的自然振动频率为每秒50次，而电路中施加的频率也为每秒50次，那么簧片会很容易就达到这一振动频率；但一旦振动幅度大到足以使敲击装置敲击钟鼓，由于钟鼓会使簧片以更高的频率振动，簧片的音调就会失准。这会导致钟声不规律，往往足以使钟声完全停止或以极不理想的方式响起。

为了解决这一难题，Currier和Lighthipe公司早期制造的钟器采用了后来被称为“欠调”原理的设计。Kellogg Switchboard and Supply Company生产的首批钟器也是以这一原理作为核心设计理念的。这些钟器的簧片在未敲击钟鼓时的自然振动频率都略低于所使用的电流频率，但又不会低到让钟声严重失准、无法被电流频率驱动的程度。这样设计的好处是，当敲击装置开始敲击钟鼓时，簧片的振动速度会逐渐加快，最终与电流频率保持一致，只要电流持续流动，钟声就能保持规律的响动。由此可见，这种欠调系统虽然在启动阶段存在一定难度，但却能确保钟声在响动过程中的规律性。

这类钟器始终只配备一个钟鼓，因为使用两个钟鼓时很难实现声音的均匀性以及调整的统一性。虽然目前已不再制造这类钟器，但仍有大量此类钟器在使用中，因此有必要对它们进行介绍。即便没有其他原因，仅从帮助人们更好地理解更先进的钟器类型的角度来看，了解这类钟器的工作原理也是很有意义的。

图178和图179分别展示了原始凯洛格铃的侧视图和正视图。整个装置为独立结构，所有部件都安装在底板1上。电磁铁为双线圈类型，由支架2和3支撑着。支架2由铁制成，可作为电磁铁磁场的磁轭；而支架3则由黄铜制成，以避免磁力线在气隙中发生短路。如图178所示，铃的唯一活动部件是由钢制弹簧5、软铁电枢片6、辅助弹簧7以及敲击球8组成的结构，这些部件均通过铆接固定在一起。钢制弹簧5牢固地安装在支架3上部的夹紧件9中，正是由于该弹簧的弹性，才使得铃舌能够振动。辅助弹簧7的重量远轻于弹簧5，它的作用是在敲击球与由铁条6-6构成的较硬电枢部分之间提供一定的弹性。磁极片的末端穿过支架3，并在那里装有与磁芯呈直角的方形软铁磁极片10，从而形成一条狭窄的气隙，电枢便可在其中振动。

图178：欠调铃声装置
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磁芯以及铃舌的极性是通过L形条形磁铁4来确定的。该磁铁一端固定在铁制磁轭2上，另一端则靠近弹簧5的末端；由于弹簧5是钢制的，因此可以为磁力线提供通往电枢的路径。由此可见，通过这块永磁体，两个磁芯被赋予了相同的极性，而铃舌本身则被赋予了另一种极性。

极性问题，这正是之前在讨论普通极化铃铛时所描述过的条件。

促使这种簧片振动的电磁作用力，与普通极化铃铛的完全相同；两者的区别在于：在这种谐波铃铛中，簧片只会对某一特定的振动频率产生反应，而普通极化铃铛则几乎对任何振动频率都有反应。

如图178所示，敲击球会撞击单个钟体的内表面。位于敲击球与电枢主体之间的辅助弹簧7的作用，是在敲击球与电枢的平衡部分之间提供一定的弹性，从而在一定程度上抵消钟体对电枢的加速作用。如前所述，这类铃铛中簧片的自然振动频率被设定得略低于铃铛实际工作的频率，因此需要用略偏离该频率的电流来启动簧片；当敲击球撞击钟体时，钟体产生的加速度会使簧片的振动频率发生变化，最终使其与驱动它的电流频率相一致。换句话说，在这个系统中，施加到电路中的驱动电流频率，恰好对应着簧片的振动频率，而这些振动频率则是簧片本身的自然频率经过钟体撞击作用后的结果。

图179. 频率偏低的铃铛
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“调谐系统”。更为现代的调音方法是将簧片的自然振动频率——也就是在未敲击锣时其自身的自然振动频率——调整到与钟声的振动频率完全一致，从而使簧片的自然振动频率与实际驱动频率相同。这样一来，钟声就能更轻松地开始振动，这比传统调音方式有着显著的优势。在传统调音方式中，由于簧片初始状态就处于失谐状态，因此需要更大的电流才能使其开始振动，而这显然容易导致钟声产生异常振动，即对非目标频率产生响应。

同样，易于启动也是一个重要优点。因为当电枢处于静止状态或仅有微弱振动时，它与电磁铁极点的距离最大，因而受到的作用力也最弱。因此，足以使钟声开始振动的电流，同样也能维持钟声的正常振动。

图180：Dean调谐式钟鸣器
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在这种“调谐”工作模式下，当电枢被激发而产生足够大的振动，进而促使敲击装置敲击锣时，锣可能会加速簧片的振动，但流经电磁铁线圈的电流仍会保持与之前完全相同的频率。在这种振动状态下，当簧片……

振动幅度足够大时，敲击装置就会撞击钟片；此时，电枢的两端会最接近磁极片，从而使磁极片对电枢产生最大的磁力作用。即便钟片具有相当大的加速趋势，但由于与簧片的自然振动频率相同的较大磁引力存在，这些力足以阻止簧片的实际加速。因此，作用在电枢两端的磁引力以初始速度持续存在，从而起到抑制作用，抵消钟片撞击可能给振动中的簧片带来的任何加速趋势。

显然，在“调音”系统中，当电枢最接近磁极片时，电磁作用力必须足够强大，才能防止钟片带来的任何加速趋势使电枢偏离与电流同步的振动状态。正因如此，这种系统通常会将电枢调整成在开始振动时其两端能够撞击到电磁铁的磁极片上。敲击杆被赋予足够的弹性，使其能够在电枢两端撞击磁极片而停止运动的点之后继续移动，从而产生推动作用，让球体继续运动并最终撞击钟片。钟片反弹时的力量则由敲击杆的弹性吸收，使其恢复到未弯曲的状态；大约在此时，磁极片会释放电枢，使其向另一方向摆动，进而让敲击装置撞击另一面钟片。

图181. Dean Ringers的敲击装置
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俄亥俄州埃利里亚市的Dean Electric Company所使用的“调音”谐波铃的构造如图180、181和182所示。从图180可以看出，磁铁与电枢的整体结构与普通极性铃的结构相同；其本质区别在于电枢是通过弹簧固定的，而非通过铰链连接。电枢以及敲击杆通常处于相对于磁铁极片和铃铛的中央位置。图181展示了四种不同频率下所需的四个铃的完整振动部件。组装好的电枢、敲击杆及敲击装置都是通过铆接固定在一起的，且不可调整。所有调整工作都在工厂完成：首先选择合适重量的配重，然后将该配重固定在敲击杆上的适当位置，从而获得所需的振动频率。

图182：Dean调音谐波铃
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这款Dean谐波铃的一个有趣特点就是其铃铛的调节方式。如图所示，铃铛安装在由杠杆支撑的柱子上，而这些杠杆则固定在铃架的铰链上。这些杠杆的外端装有带齿轮齿的弯曲齿条，这些齿轮齿可与铃架上安装的蜗杆或螺纹相啮合。显然，通过向不同方向转动这个蜗杆，就可以让铃铛略微靠近或远离电枢或敲击杆。这种调节方式非常精确，而且不会出现松动或失调的情况。

图183：Kellogg In-Tune振铃器
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图183展示的是由Kellogg Switchboard and Supply Company生产的“In-Tune”型谐波振铃器的结构图。除了钟声调节方式不同之外，它与Dean公司生产的同类产品并无本质区别——后者的钟声调节是通过一根穿过钟体支柱上螺母的螺丝来实现的，如图所示。

在Kellogg和Dean公司的这类振铃器中，由于电枢弹簧的刚性较大，且电枢处于空气间隙最大的位置，因此磁力最小，除非激励电流恰好与其自然振动频率相匹配，否则电枢几乎不会受到影响。当合适的电流接入电路时，球体会开始剧烈振动，电枢的两端会与那些未经任何屏蔽处理的裸铁极片接触。此时电枢会受到极大的吸引力，从而立即停在与极片接触的位置上。这些钟片的调节方式使得敲击球需要移动约1/30英寸的距离才能击中钟片。在敲击球撞击钟片并部分返回的过程中，电枢始终被压在极片上；而此时极片对电枢的吸引力极为强大，以至于钟片产生的加速作用根本无法加快电枢的振动速度。

图184. 迪恩谐波系统电路图
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电路结构：图184以简化形式展示了四节点谐波电话系统的电路结构。可见，在中心机房中有四个振铃键，它们分别用于在电话线上产生四种不同频率的振铃电流。在线路上的四个节点A、B、C和D处，各有四个经过调谐的谐波铃。在节点A处，展示了采用惠斯通电桥结构的通话装置；其他节点的通话装置结构完全相同，但为简化起见未予展示。在每个铃器上均串联有一个电容器，这样当各节点的接收器都处于挂机状态时，就不会有直流电流从线路的一侧流向另一侧。

图185展示了完全相同的电路结构，不同之处在于节点A处的通话装置为凯洛格交换机与供电公司的产品。除此之外，迪恩公司、凯洛格公司以及所有其他生产谐波振铃系统的公司的电路结构都是相同的。

优点：谐波电话系统的最大优点在于用户端设备的简单性。谐波铃的复杂程度几乎与普通极性振铃器相当，而谐波电话与普通电话的唯一区别就在于振铃器本身。由于没有继电器及其他机械部件，也无需在电话上连接接地线，这些都是谐波电话系统的优势所在。

图185. 凯洛格谐波系统电路
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局限性。如前所述，除一家公司外，其他各公司的谐波系统都仅限于四种频率。例外的是北电气公司，该公司有时使用四种频率，有时则使用五种频率，因此可以选择五个不同的站点进行呼叫。在北电公司的四频系统中，这些频率并非像迪恩和凯洛格系统那样以较低频率的整数倍形式存在，而是按照5、7、9、11这些整数的比例来设定的——当然，这些数之间没有公因数。因此，北电系统所使用的频率分别为30.3、42.4、54.5和66.7赫兹。而在五频系统中，则额外加入了16.7赫兹这一频率。

虽然市场上所有的商用谐波系统都仅限于四种或五种频率，但这并不意味着不能选择更多站点进行呼叫。如果将第一组四或五种频率的线路相互连接，再将第二组四或五种频率的线路一端接地，那么就可以在一条线路上设置双倍的站点数量，并对它们进行选择性呼叫。如前所述，第一组频率可以通过在金属电路中传递振铃电流来实现选择性呼叫；而第二组频率则可以通过在线路的一支路上传递振铃电流并让电流返回地面来实现选择性呼叫。这种方法在乡村电话线路上被广泛采用，因为人们希望在线路上安装超过四或五种电话设备。

逐步式方法。虽然已有大量逐步式系统被提出并付诸实践，但它们在商业电话系统中并未取得巨大成功，其使用频率远低于极性系统和谐波系统。

原理。要了解这种逐步式系统的一般特点，可以这样设想：在线路的每个站点都设置一个棘轮，该棘轮上有一个齿轮，用于使其逐级转动；这个齿轮与电磁铁的衔铁相连，而电磁铁则从线路电路中接收电流脉冲。因此，每个站点都有一个这样的驱动电磁铁，它们都连接在电路上，这样一来，当中央控制室发出一个电流脉冲时，所有的棘轮都会向前移动一步。再发送一个脉冲，所有棘轮又会再向前移动一步，如此反复，直到发出指定次数的脉冲为止。这样一来，所有的棘轮就会同步地逐级转动。

进一步设想，所有这些棘轮上都设有凹槽、孔洞或突起，这些结构在各个站点的表现形式完全相同，唯一的不同在于它们在棘轮上的位置。需要明确的是，虽然所有棘轮上的凹槽、孔洞或突起形状相同，但它们在每个站点所处的位置却不同。

再设想，每个站点的铃音电路通常处于断开状态，但当棘轮旋转使得凹槽、孔洞或突起到达某个特定位置时，该电路就会闭合。

进一步设想，第一个站点上的凹槽、孔洞或突起被设置为在发送一个脉冲后就能使铃音电路闭合，第二个站点的相应结构则在发送第二个脉冲后使电路闭合，以此类推，适用于所有站点。这样一来，随着棘轮的同步转动，各个站点的铃音电路也会依次闭合。因此，要呼叫某个特定的站点，只需同步转动所有的棘轮，不断发送相应的脉冲，直到目标站点的结构处于能够闭合该站点铃音电路的位置为止。由于所有凹槽、孔洞或突起都是在不同时间闭合各自站点对应的铃音电路的，所以当目标站点的电路闭合时，其他所有站点的电路则仍处于断开状态。因此，只要向线路发送足够数量的脉冲以闭合目标站点的铃音电路，即可实现通话。

在电话线路上施加振铃电流时，显然只有该电话机的铃铛会响，其他电话机的铃铛则不会响起。当然，必须采取措施确保为驱动齿轮转动提供能量的磁铁不会受到振铃电流的影响。实现这一目的的方法有多种，其中最常见的是将驱动磁铁的极性设定为某一方向，而各电话机上的铃铛则被设定为相反的极性，这样振铃电流就不会影响驱动磁铁，驱动电流也不会影响铃铛磁铁。

通话结束后，可以通过多种方式使电话线恢复到正常状态。通常会使用所谓的释放磁铁，它们作用于各电话机上的释放装置。当这些释放磁铁被通电后，就会使卡住棘轮的部件脱离，从而使所有棘轮都回到正常位置。有时，这些释放磁铁是通过一段较长的电流脉冲来控制的，这样的脉冲作用速度较慢，无法响应快速变化的电流信号；有时则通过将释放磁铁与线路的另一端接地来避免其受到通过金属电路传输的驱动电流或振铃电流的影响；还有些时候则会采用其他方法来确保棘轮能在适当的时间被释放，人们为此付出了大量的心血。

由于实际上所有商用的分步式群呼系统都具备一些旨在保障用户通话隐私的功能，因此它们都属于“隔离式群呼系统”这一类别。关于这类系统的商业应用实例，将在专门讨论此类隔离式系统的下一章中介绍。

点划线法。点划线系统与分步式系统一样，本质上也是一种隔离式系统，因此这里仅会介绍其实现选择性振铃功能的基本原理。

原理。在这种系统中，没有经过调谐的铃铛，也没有在线路两侧与地面相连、具有正负极性的铃铛，更没有通常用于实现群呼线路中选择性信号传输的分步式装置。取而代之的是，每个……

线路上的通信设备会与线路建立连接状态，之后直到所需的用户接通为止才会解除这种连接状态。在用户接通后，其他所有设备都会被隔离，此时线路上不会存在任何额外的电路，也不会有设备干扰通话过程。此外，在选择某个用户或使其电话铃响时，不会像常规做法那样在各个站点的磁铁之间分配电流，而是让工作电流直接流向目标站点，且全部电流都用于该站点以完成其功能。

为便于理解该系统，可以先说明：金属电路线的一侧仍如常规做法那样作为连续导体，穿过所有站点。而线路的另一侧则被分成多个段落，每个用户站点处都会中断其连续性。图186以最简单的方式展示了如何让线路的电路从一个站点延伸到另一个站点，从而确保一次只有某个站点的电话铃处于工作状态。图中显示了线路的两侧：左侧的L段从中心局一直延伸到右侧的最后一个站点，没有中断；而R段则仅延伸到第一个站点，在那里它通过开关的断开触点与Rx支路断开。为简化示意图，该开关被描绘成普通的手动开关，但实际上它是继电器的一部分，其工作线圈位于开关正上方的6号位置，与电话铃电路串联在一起。

图186. 断线式系统的原理
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显然，如果从中心局通过金属线路输送适当的振铃电流，那么只有A站的铃铛会响，因为其他站点的铃铛并不在电路中。如果 somehow使A站的开关杆2从与触点1的连接状态变为与触点3的连接状态，那么A站的铃铛就不再处于电路中，而线路的R支路则会连接到扩展端口Rx上，此时B站的铃铛就会处于电路中。此时，从中心局通过线路输送的任何电流都会使该站点的铃铛响起。在图187中，A站和B站的开关都已被如此操作，因此C站也进入了电路状态。观察该图可以发现，A站、B站以及D站的铃铛都处于断开状态，因此中心局发出的电流无法影响它们。这种选择方式在相关领域尚属新事物，但对于某些应用来说，它无疑具有很大的潜力。

图187. 断线式系统的原理
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目录

第十七章　分组线路系统

农村地区的线路分组问题与城市地区有所不同。在城市中，由于用户分布较为密集，从经济角度考虑，通常认为不宜将超过四名用户接入同一条线路。对于这样的线路而言，无论是从设备还是操作层面来看，实现选择性呼叫都十分简单；而且由于每条线路上的用户数量较少，加之使用分组线路服务的用户之间的通话量也不大，因此同一线路上的用户之间产生的干扰并不严重。

而在农村地区，尤其是那些隶属于小城镇的区域，情况则完全不同。由于各用户站点之间的距离较远，从线路成本的角度来看，将用户数量限制在四名以内是不可行的。因此需要使用更多数量的线路，而这所带来的混乱不仅会给用户带来困扰，也会给电信公司的管理工作带来麻烦。于是，就有必要采用分组线路系统，以便为农村地区的有限用户提供至少接近于单独线路服务水平的通信质量。

为提供电话服务所需的主要投资，就是用于建设电话线路的成本。在许多情况下，电话设备本身的成本相对于线路建设成本来说要低得多。在农村地区，大多数用户每天使用电话的次数相对较少，如果为这样一位每天仅使用几分钟电话的用户而维护一条昂贵的电话线路，显然是一种经济上的浪费。因此，在实行单独线路服务的情况下，要么是平均每位用户需要支付高于应有的费用，要么就是电信公司……

以低于成本的价格出售服务，或者最多只能获得微薄的利润。这两种情况都是不正常的，也无法持续下去。

那种通过一条线路为多名用户提供服务的方式可以解决这一难题，但如果是普通的无选择性或仅有选择性功能的线路，那么当要在其上接入大量电话站时，就会出现许多不良后果，而这些不良后果会损害电话使用者和运营商的利益。

为了克服在人口稀少的地区使用共享线路所带来的种种弊端，人们尝试开发了所谓“锁定系统”。顾名思义，这类系统通过特定的结构设计，使得当某两条线路被占用时，其他所有用户都无法接入该线路，必须等到当前使用的用户结束通话后才能接入。虽然已经有多种实现这一功能的系统被提出，但它们大多结构复杂，且存在诸多不良影响，从而严重影响了系统的正常运行和服务质量。

不过，尽管经历了多次失败，我们仍然认为这种带有锁定功能的选通信号线路具有实际应用价值。越来越多的运营商和制造商开始意识到这一需求，因此，让农村地区的用户摆脱他们一直以来所忍受的糟糕服务状况指日可待。下面将详细介绍几种最具前景的锁定式线路系统。

普尔系统。普尔系统是一种纯粹的锁定系统，其装置实际上是一种用于选通信号线路的锁定装置，可用于极性型或谐波型线路，尤其是那些采用共用电池传输方式的线路。此处将以其在普通谐波振铃系统中应用为例进行说明。

图188展示了一条配备普尔锁定装置的四站式共享线路，假设每站的振铃器均为……

该系统为谐波系统，而总机处的按键则是普通按键，其作用是在线路上产生适当的频率，从而让任意一个站点能够接到电话。除了每个用户端现有的通话和拨号装置外，还有特殊设计的继电器以及按钮式按键。

图188. Poole锁止系统
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每个继电器都有两个绕组，一个电阻较高，另一个电阻较低。由于该设备所应用的系统始终是共用电池系统，因此线路的正常状态下，两个绕组之间会存在电位差。这样一来，当某条未使用的线路上的用户将听筒从挂钩上取下时，就会形成一条电路：电流从挂钩的上端触点通过挂钩的杠杆，到达继电器的高阻值绕组1，然后再通过导线6到达线路的另一端。这会导致电流流经继电器的高阻值绕组，从而使继电器的衔铁被吸起。一旦衔铁被吸起，它又会通过与触点4和5的接触来形成另外两条电路。

触点4的闭合会形成一条电路：电流从线路的上端，经过开关挂钩的上端触点，再经过按钮3的触点，随后流入继电器的低阻值绕组2，最终到达端子4；之后电流再通过继电器的衔铁和发射器，回到线路的下端。这条低阻值路径不仅能使继电器的衔铁保持被吸起的状态，还能为发射器提供电流以用于通话。不过，这条低阻值路径还有一个重要作用：它实际上使得线路相对于所有高阻值继电器绕组而言处于短路状态。

这样一来，即便其他站点的用户试图在线路正在被使用时摘下听筒来窃听或拨打电话，其他高阻抗继电器的绕组也无法获得足够的电流以启动。由于只有通过使本站点中的继电器电枢被吸合，才能形成有效的通话条件，因此显然，如果无法让继电器电枢被吸合，就无法与线路建立连接。

继电器电枢被吸合后还会使触点5闭合，从而通过电容器、听筒以及线路构成完整的通话回路。这种设计的结果是：只有首先摘下听筒的那方才能成功与线路建立连接，因为其他用户的尝试都会失败——毕竟线路已经通过低阻抗绕组以及已与线路相连的站的发射器形成了短路。

继电器的动作会带动一个小装置移动，从而为拨打电话的用户提供视觉反馈，指示其是否成功使用了线路。如果继电器正常工作且该用户成功控制了线路，这个小装置就会随之移动；而如果线路正被他人使用且继电器没有动作，该装置则不会移动，以此表明这一情况。

当一方希望与同一条线路上的另一方通话时，他需按下自己站点的按钮3，直到被叫方接起电话并作出回应为止。这样就能保持其所在端低阻抗绕组的电路处于断开状态，从而避免在未被叫方接入线路之前就发生锁定。即使在被叫方端形成了低阻抗通路，呼叫方的继电器电枢也不会回弹，因为它仍然能获得足够的电流以保持电枢处于被吸合的状态。被叫方回应后，呼叫方站点的按钮就会被释放，此时两个低阻抗保持线圈就会同时发挥作用。

该系统并未使用感应线圈，且保持线圈的阻抗设计使得传入的语音电流能够顺利通过。

根据示意图可知，电容器与接收器与保持线圈并联。而保持线圈则与本地发射器串联，从而构成与之前讨论过的Kellogg共用电池通话电路类似的电路结构。

该系统可能存在的一个缺陷，也是许多其他基于相同工作原理的锁定系统中都存在的缺陷。当这些仪器被用于较长的线路时，就会出现这个问题。由于那些未被正在使用的仪器锁定的所有仪器，其锁定状态都取决于正在使用的仪器在线路中设置的低阻值并联电路，因此，在长线路情况下，线路导线的电阻会影响锁定功能，有时甚至会使其失效。也就是说，如果第一个使用该线路的仪器位于线路的远端，那么它对靠近中心局的另一个仪器所产生的并联效应，实际上是由线路电阻以及远端仪器中的保持线圈电阻共同决定的。线路导线的电阻可能高到足以让足够电流流过靠近端的设备中的高阻值线圈，从而使该设备能够正常工作，即便远端的仪器已经在使用中。

接下来我们来探讨完整的选择性信号锁定系统——在这种系统中，选择特定用户并锁定其他用户是其固有的功能。我们将以逐步式选择性锁定系统和断线式选择性锁定系统为例进行说明。

逐步式系统。由俄亥俄州代顿市的Dayton Telephone Lock-out Manufacturing Company生产的所谓K.B.系统，就是基于逐步式原理工作的。在该系统中，用户电话设备的关键部件就是那种具有继电器功能的逐步式驱动装置。该装置由一个带有两个磁芯的电磁铁组成，两个磁芯之间还有一个永久性极化磁铁，其结构与普通极性铃铛类似。该电磁铁的衔铁会驱动一个摇臂，该摇臂除了能逐步移动选择开关外，还在某些情况下……

在满足相应条件时，钟声电路与通话电路就会闭合，具体机制如下所述。

图189. K.B.锁定系统
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首先看图189，该图以简化形式展示了四工位的K.B.锁定装置。图中1处为电磁铁，2处为摇臂。这里的棘轮3并非完整的轮状结构，而只是其一部分，且上面有一系列深度不同的凹槽。显然，这些凹槽的深度决定了摇臂上端向左移动的程度，这一程度取决于棘爪6能够插入该部分的深度。最上面的那个凹槽始终具有足够的深度，使得摇臂2能够与触点杆4相接，但不会让摇臂向左摆动到足以使该触点与钟声触点5相接的程度。正如后面将说明的那样，通话电路闭合的条件是摇臂2必须抵靠在触点4上；由此可见，每个部分上的正常凹槽深度都恰好能使该工位的通话电路闭合。每个圆盘上的第二个凹槽以及其他所有凹槽的深度都很浅，只有一个凹槽除外。在每个圆盘的第三个到倒数第二个凹槽位置上，有一个较深的凹槽，这个深凹槽被称为选择凹槽。当棘爪6落入这个凹槽时，就能使该工位的响铃电路接通。在线路上，各个凹槽的位置各不相同，因此，只要同时移动所有的部分，直到所需工位上的深凹槽与棘爪6相对，就可以让该工位的响铃电路闭合，而其他工位的电路则保持断开状态，这样就能实现仅让特定工位的电路工作。

向左移动后，不仅可以闭合2与4之间的电路，还能闭合2、4与5之间的电路。此时，通话电路和振铃电路都会被闭合。

在任意位置上，该段圆周上的最深凹槽——也就是选择性凹槽——的位置取决于该位置的编号；因此，4号位置的段会在第六个位置出现深凹槽；9号位置的段则会在第十一个位置出现深凹槽；而任意位置上的段，其深凹槽都会出现在与该位置编号加二相对应的那个位置上。

由此可知，每个段上的第一个，也就是普通凹槽，其深度刚好足以让活动棘爪6下降到适当位置，从而使摇臂2仅能闭合通话电路。其余的凹槽都相对较浅，虽然它们能让活动棘爪6在摇臂2的作用下移动段3，但却无法让摇臂2向左移动到足以同时闭合通话电路和振铃电路的程度。唯一的例外就是那个深凹槽，或者说选择性凹槽，它的深度足以让棘爪6深入到相应位置，从而使摇臂2能够同时闭合通话电路和振铃电路。除了活动棘爪6之外，还有止动棘爪7。它始终将段3保持在活动棘爪6上次使其移动后的位置上。

如前所述，驱动磁铁1是具有极性的，当有电流以某一方向流过时，摇臂会带动棘爪6移动，使段3的凹槽位置前进一个档位。而当电流以相反方向流过该继电器时，活动棘爪6和止动棘爪7都会被拉开，从而使段3在重力作用下恢复到正常位置。这一过程是通过以下机制实现的：电枢止动件绕着摇臂的表面旋转，其摆动平面与继电器的极面平行；当继电器受到某一极性的信号驱动时，该止动件会因撞击继电器极面上的一块板而向相应的极面移动，从而起到限制摇臂运动的作用。不过，当继电器受到相反方向的电流驱动时，即处于释放状态时，电枢止动件就会发生摆动。

当摇臂转向相反的极面时，其末端的凸耳会与继电器上的孔对齐，这样在磁铁的吸引作用下，摇臂就能完全移动。摇臂的这一动作会使锁止棘爪不再与相关部件相接，从而使该部件能够回到正常位置。如图189所示，每个继电器磁铁都永久性地连接在线路的两个分支之间。

每个站点都配有一个按钮（图中未显示），呼叫方可以通过该按钮在信号通过线路传输期间阻止自己设备中的摇臂被激活。这样做的目的是让一方能够在操作员正在为另一方拨号时按下自己的按钮，从而让自己的设备保持正常状态——正如我们之前所看到的，此时他的通话电路是闭合的；而其他所有部件则处于上升状态，直到目标站点的响铃和通话电路处于正确位置，这时响铃电流才会通过线路传输。图189中的各个部件，除了C站点的之外，都处于第六位置，这一位置对应着第四站点D的响铃状态。该图所示的情况是指C站点的用户发起呼叫并按下了按钮，因此他自己的部件仍保持正常状态，从而可以与D站点建立通话连接。

当线路处于正常状态时，任何用户都可以通过自己的磁发电机（图189中未显示）向中心局发起呼叫，该发电机可以启动中心局的装置，但不会使任何用户的电话铃响起，因为所有的电话电路都是断开的。当某用户希望与另一条线路建立连接时，操作员会向线路发送信号，使得除呼叫方之外的所有设备的电路都处于上升状态并被锁定。

图190. K.B.锁定装置
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图190展示的是一套完整的K.B.锁定电话设备。这种设备通常是新设备订购时随附的。不过，如果希望将K.B.系统与已投入使用的普通电话一起使用，那么如图190所示位于门内侧上部的锁定及选择装置就需要单独安装在一个盒子里，该盒子可以安装在普通电话附近，并通过适当的电线与之连接，如图191所示。可以看出，这种设备既使用本地电池来进行通话，也使用磁电机来向中心办公室发起呼叫。

中心办公室的设备则包括一个与脉冲轮相连的拨号盘，以及用于操控各种电路的按键。这个拨号盘及其相关装置可以安装在普通的交换机柜中，也可以装在单独的盒子里，然后放置在交换机柜旁边，位置如图192中的1或2所示。

为向目标号码发送适当次数的脉冲信号，操作员会将手指放在拨号盘上对应该号码的孔中，然后旋转拨号盘，直到手指与图192所示的拨号盘底部的固定挡块相接。随后，在弹簧的作用下，拨号盘会回到正常位置，这一过程会触发箱内的开关，从而让电池电路按正确次数接通或断开。

操作方式：结合图193即可完整了解其操作流程。图193与图189类似，但更详细地展示了中心局的呼叫装置以及各用户端的通话电路。

图191：K.B.锁定站
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在中心局设备中，可以看到常规的振铃键，其内部触点分别与听筒及操作员的电话机相连，这与普通交换机的结构相同。在该振铃键的外部触点与振铃发生器之间，还有一对触点弹簧8-8以及另一对触点弹簧9-9。触点弹簧8可通过由操作员操控的拨号盘直接驱动的脉冲轮来前后移动。

这些弹簧8处于正常位置时，振铃电路会通过释放键弹簧9与振铃发生器相连。只有当拨盘处于正常位置时，这些弹簧8才会处于正常状态，这是因为接触轮上存在凹槽10的缘故。在其他任何情况下，也就是当脉冲轮不在正常位置时，这些弹簧8要么被压下从而与下方的电池触点相接，要么处于中间状态，既不与电池触点相接也不与发电机触点相接。

图192. K.B.系统通话装置
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当需要拨打某个号码时，操作员会转动拨盘选择该号码，同时保持振铃键按下状态，这样拨盘就会恢复到正常位置。这一操作会使脉冲电池与用户的线路建立连接，重复此过程直至用户的拨号盘转到正确位置，进而促使各个继电器依次动作。当脉冲轮回到正常位置后，与其相连的弹簧8又会因为脉冲轮上的凹槽10而与上方的触点相接，从而在振铃发生器与用户线路之间建立连接。

拨号键仍被按住。因此，当拉动发射器旋钮同时保持拨号键处于按住状态时，不仅会向线路发送脉冲信号，还会随之产生振铃电流。向线路发送五个脉冲后，所有档位都会移动到第六个位置，这一位置正是让第四个站点能够正常工作的条件。图193展示了这种状态，假设是C站的用户发出了呼叫，并按下了自己的按钮，从而防止其所在档位偏离正常位置。这样一来，C站的通话电路保持闭合状态，而被呼叫的D站的通话电路和振铃电路也处于闭合状态，而其他所有站点的通话电路和振铃电路则保持开放状态。因此，D站可以接通电话并与C站进行通信，而线路上的其他所有站点由于其通话电路和振铃电路都处于开放状态而无法接入通话。

图193：K.B.系统电路图
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当通话结束后，操作员会通过常规的信号得到通知，随后她按下释放按钮，这使得弹簧9不再与发电机触点接触，而是与电池触点相接，从而使电池电流以与脉冲轮发出的电流相反的方向流入线路。该电流会流经所有的继电器，使移动爪和固定爪都从相应档位上脱离，从而使所有档位恢复到正常位置。当然，在产生这种释放电流时，操作员必须同时按下振铃键和释放键。

在每个站点的接收电路中都装有一个0.5微法拉的电容器，这样一旦有用户……，线路就不会被占用。

他不小心没有将接收器的挂钩挂上。这样一来，虽然声音信号可以传递，但用于控制继电器动作或使其释放的直流电却无法通过。

图193所示的电路比实际应用中的电路要简化一些，需要记住的是：图中未显示的挂钩开关会以常规方式控制接收器、发射器电路以及发电机电路的连通性，而发电机则像普通电话一样连接到线路中。

虚线系统。这种用于在电话线路中实现选择性信号传输及锁定功能的方案是由霍默·罗伯茨及其同事提出的。

图194. 罗伯茨锁存继电器
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要理解图186和图187中所展示的原理是如何被实际应用的，就需要了解图194中以两种可能状态呈现的锁存继电器结构，以及图195中的立体结构。参考图194，其左侧视图显示了该继电器处于正常状态时的样子，可以看出该装置的框架与普通极性铃器类似。当有电流从左侧线圈流过时，该装置的衔铁会压下硬橡胶柱4，同时弹簧1、2和3也会被向下挤压，直到弹簧2穿过由弹簧5支撑的锁扣。当流经线圈6的电流停止时，衔铁对弹簧1的压力就会消失，从而使弹簧1恢复到正常位置，同时弹簧3也会与弹簧2结合在一起。由于受到锁扣5的约束，弹簧2无法上升，从而形成这样的状态。

如图194右侧所示，这种结构确实存在。可以看出，在这一过程中，弹簧2所发挥的作用与图186和图187中描述的开关杆的功能完全相同。对这一动作的分析表明，直到线圈6断电之前，弹簧1与弹簧2之间的正常接触才会被切断；而这一接触正是通过继电器线圈和铃铛来控制电路的。也就是说，磁铁会在完成其功能之前一直保持作用状态。因此，该继电器不可能在使弹簧2在锁扣5作用下处于压缩状态之前就自行断开电路。如果让电流以正确的方向流经继电器的线圈7，那么电枢的另一端就会被拉下，此时电枢左端的硬橡胶部件会压迫弹簧5的弯曲部分，从而使该弹簧的锁扣松开，进而让继电器恢复到正常状态，即非锁定状态。

从图195可以很好地了解该继电器的机械结构。在每个站点上，罗伯茨系统的全部选择功能都是由这个简单的装置来实现的。

图195：罗伯茨锁定继电器
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图196以简化形式展示了一条四站式的线路结构，其电路细节比第十六章中的图示更为详尽。可以看出，第一站的铃铛与继电器线圈6被连接在通往中心局的线路两侧之间。同样地，每个后续站点处的铃铛与继电器磁铁也被连接在通往该站点的线路两支路之间，但A站之后的各站点中的这种连接其实不起作用，因为最靠近中心局的那个站点的线路是断开的。

图196：罗伯茨系统的简化电路图
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要使A站发出铃声，只需从中心局发送出铃声电流即可。这种电流的方向不会导致继电器动作，尽管它会流经线圈6。而如果想要让B站发出铃声，则需要先从中心局通过金属线路发送一个脉冲，这个脉冲的作用是使A站的继电器动作，但不会使该站的铃铛发声。A站继电器的动作会使其弹簧2与弹簧3相接，从而将线路延伸到第二站。当A站的弹簧2与弹簧3接触后，它会被弹簧5的锁扣固定住，从而保持这种连接状态。当来自中心局的脉冲停止时，弹簧1会恢复到正常位置，进而切断该站铃铛所在的电路。由此可见，A站线圈6的作用使得继电器无法再执行任何操作，同时线路也已延伸到第二站。如果再从中心局发送类似的脉冲，就会使B站的继电器将线路延伸到C站，同时切断B站继电器线圈及铃铛所在的电路。通过这种方式，就可以选中任意一个站点。

向从目标站点到中心局之间的所有站点的线路继电器发送适当数量的脉冲，选定某个站点后只需发送振铃电流即可——该电流的方向仅能使该站点的铃响，而不会驱动该站点的继电器磁铁。

图197展示的是如图196所示的四站点线路情况，此时已通过线路发送了两个初始脉冲，从而使A站和B站的线路继电器被激活。因此，只有C站的铃会受到来自中心局的振铃电流的影响而响起。

图197：罗伯茨系统的简化电路图
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由于任何时刻电路中都只有一盏铃和一个继电器在工作，显然流经线路的所有电流都只会用于驱动那一盏铃或那个继电器。与那种需要逐个启动设备的桥式系统不同，后者会将电流分配给多个铃，这往往会导致每个铃所接收的有效电流过小，难以使其正常响应。在罗伯茨系统中，所有可用能量都会直接作用于当前正在工作的设备上。这样一来，设备的动作更加可靠，而且调整各设备时也不必像在需要同时操作多个、每台设备都需要执行大量工作的系统中那样小心翼翼。

关于继电器的解锁方式已简要提及。按照前述方法与某站点建立连接后，操作员可在适当时机通过发送特定类型的脉冲来解除线路连接，从而让 해당站点的线路继电器停止工作。

在选定用于工作的继电器之外，电路会继续延伸至线路的末端。当位于线路末端的继电器动作时，图196和图197中所所示的接地装置的线圈8就会被接入电路。该装置与线路继电器类似，但其操作弹簧处于常闭状态，从而使线路的两部分与地面保持断开状态。随后通过金属电路传来的脉冲会穿过线圈8，从而触发该接地装置的动作——该装置会从闭合状态变为开启状态，进而通过线圈8使线路的L部分与地面相连。线路末端的这种临时接地状态使得可以从中心办公室向L部分发送解锁或恢复电流，该电流会流经图194、图196和图197中所所示的所有解锁线圈7，从而同时解除所有线路继电器的锁定状态，使线路恢复到正常状态，如图196所示。

图198. 锁定继电器连接结构的细节
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如前所述，线路继电器上的线圈7实际上就是用于解锁的线圈。在图196和图197中，为简化示意图，这些线圈并未被标明为相互连接的状态，但实际上它们每一个都串联在线路的连续部分L中。如果不存在那些与相应线圈7同绕在一个磁芯上的平衡线圈7’的话，这种情况将会给线路通信带来严重问题；因为这些平衡线圈也串联在线路的R部分中，且其作用是抵消流经线路两部分的电流所产生的差异。

绕组7才是真正的解锁绕组，而绕组7’则仅用于抵消这些必须串联在通话电路中的解锁绕组所产生的感应效应。所有这些绕组的欧姆电阻都很低，正如前文所述，这种结构能够在不引入线路自感、也不对信号传输产生明显影响的情况下实现预期效果。通过研究图198，就可以清楚地了解各站点中这些解锁绕组与平衡绕组的连接方式。

目前所描述的运作原理表明，可以通过将线路分段来选择通话方，而在通话结束后再将其重新分段。已有说明指出，用于选择所需通话方的同一操作，同时也能让该方使用线路并隔离其他用户。这一点可以从以下事实中理解：当按动铃器时，它不仅会响铃，还会使图194所示的那一组弹簧松开，这一动作使得该用户的通话电路能够与线路相连，同时也会闭合其发射器所在的本地电路。铃臂的第一次移动就会完成这一松开操作，之后该铃器就会像普通的极性偏置式铃器一样正常工作。

图199. 可弯曲式铃器
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这种铃器的结构相当有趣，图199展示了它的两种可能状态。位于其框架上的那组弹簧在铃器响铃过程中完全不受铃臂运动的影响。

在反向电流的作用下，电枢会朝与敲钟所需方向相反的方向移动，这使得弹簧被卡在正常位置。为使该装置同时具备敲钟和继电器功能，铃锤杆通过铰链与电枢相连，从而只能随电枢向一个方向移动。罗伯茨系统的发明者及工程师将这种结构称为“折背式敲钟器”，这一名称恰当地体现了电枢与铃锤杆之间的可动关系。这种敲钟器的结构与目前普遍使用的标准极性敲钟器类似，但其特点是电枢与铃锤杆之间存在一种特殊的铰链结构：当电枢向一个方向移动时，铃锤杆会随之移动；而当电枢向另一个方向移动时，铃锤杆则保持完全静止状态。

图200. 敲钟器连接结构示意图
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要了解这种“折背式敲钟器”是如何控制通话与锁定状态的，最好参考图200。在正常情况下，所有位置的敲钟器弹簧都处于锁定状态。在这种状态下，由于弹簧10和11的作用，接收器处于短路状态；在弹簧10和12之间，接收器电路处于断开状态；而在弹簧9和12之间，本地电池电路也处于断开状态。因此，那些敲钟器处于锁定状态的用户，会在多个方面被限制无法使用电话。

当电话铃响起时，第一次振动就会使弹簧松开，此时弹簧会处于图199右侧所示的位置。从图200可以看出，这种状态为用户发送和接收语音信号创造了合适的条件。

钩形开关在处于下降状态时会切断发射电路和接收电路；而当其上升时，则会在接地端与线路的L端之间形成临时电路。在钩形开关上升的过程中，上下两个触点会同时与钩形杠杆接触。

图201展示了电话局中用于快速选择正确号码的机制。如前所述，选择正确的用户是通过从电话局发出预定数量的脉冲来实现的，这些脉冲只能沿单一方向在金属电路中传输。一旦找到正确的用户，就会在相反方向上施加振铃电流。

图201：电话局脉冲发射器
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操作员只需将指针对准拨盘上与所需号码对应的数字，即可确定要发送的脉冲数量。来自普通极性转换器的电流脉冲会自动推动棘轮转动，而这类转换器通常用于驱动振铃装置。当发送完所需数量的脉冲后，由一组弹簧支撑的凸起物会落入选择轴鼓上的凹槽中，这一动作会立即停止选择电流的流动。

该装置会产生脉冲，同时还会产生由反向脉冲构成的振荡电流。它的动作速度极快，因此即便普通换极器的振动频率被调至最高，它仍能迅速响应这些脉冲。

操作原理：由于篇幅限制，无法详细阐述中心局选择装置的各项细节，但借助图202可以大致了解该系统的运作方式。该图展示了一条四站线路，其中三个站的电路结构已被简化。图中，A站、B站和D站处于关闭状态：A站和B站已通过C站的选择与振铃机制被激活，而D站因为未被选中且线路在C站处仍处于断开状态，所以无法工作。因此，线路由C站控制。

当C站的用户提起听筒准备拨打中心局电话时，听筒上升的过程中会形成“闪光”接触，从而使线路的L支路暂时接地（见图200）。这种“闪光”接触是由于听筒的结构设计所导致的——其下方的触点凭借弹性会跟随听筒杠杆移动，直到杠杆与上方的触点接通，之后下方触点才会断开。这样一来，听筒的上方和下方触点就会暂时与杠杆相连，从而使线路的L支路暂时接地。由于这条支路始终处于连通状态，因此一旦出现这种“闪光”接触，就能触发中心局的线路信号。

图202：罗伯茨线路的电路结构
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不过，由于线路上的所有通话方通常都无法接入通话电路，因此必须有一种方法，让操作员能够将需要通话的方接入电路，而让线路上的其他设备保持原有的锁定状态。实际上，操作员必须能够自动识别出发出呼叫的站点，并启动相应的装置来解除控制该站点通话电路的弹簧的锁定状态。为此，操作员会从接地的电池中向线路发送脉冲信号，这些信号用于驱动线路继电器，从而建立通往被呼叫站点的电路。当足够数量的脉冲到达该站点后，电流会通过L端找到通向地面的路径——之所以能形成这条路径，是因为该站点的接收器并未挂断。为了解释这种接地连接是如何实现的，需要记住：每个铃铛磁铁都会在每次选择脉冲的作用下被激活，但其作用方向并不会使铃铛响起，因为所有铃铛装置通常都是处于锁定状态的。当指向C站点的选择脉冲到来时，它会穿过该站点的铃铛装置及选择继电器线圈，进而启动其余的铃铛装置，使得弹簧12与弹簧13相互连接。这样一来，就从线路的L端建立了接地连接，电流会通过L端、开关的上触点，再经过弹簧12和13最终到达地面。而在线路继电器还有时间再次锁定之前，这一过程就会触发中心局的快速动作继电器，后者会切断后续的脉冲信号，从而自动终止通话。随后，反向的电流会被送入线路，这会使铃铛的弹簧解锁，从而使发起呼叫的用户能够接入通话电路。当操作员与发起呼叫的用户完成通话后，如果她希望与另一条类似线路上的用户通话，她只需将选择器上的指针转到对应号码的位置，然后按下信号键。按下该键后，脉冲信号会沿着线路传输，从而选中目标用户并使其铃铛响起，具体过程如前所述。这样，两方之间就能建立连接，除非得到操作员的许可，否则其他人无法接入该线路。

显然，通话结束后必须要有某种方法来使选择继电器恢复到正常状态。参考……

如图194所示，锁止弹簧5的上端是弯曲的。当电流流经线圈7时，电枢会被吸引，此时电枢左端的凸轮会与弯曲的凸轮面相接，从而推动锁止装置复位，使弹簧2恢复到正常位置。

为恢复线路连接，操作员会发送足够的信号脉冲，以将电路延伸至线路末端，从而使接地装置接入电路。接地装置的绕组设计使得下一个信号脉冲能够使其锁止装置解除锁定，进而让长弹簧与接地弹簧接触。随后，操作员会通过线路的连续部分L发送接地信号，该信号会经过所有站点处的复位线圈7以及接地装置的右侧线圈，从而实现接地。这样一来，所有的选择继电器也会同时恢复到正常状态。接地装置也会在相同电流的作用下被激活并恢复到正常位置。

如果主叫方发现自己的线路正在被占用而无法与中心站通话，他可以不挂听筒。当正在使用该线路的人挂断听筒后，系统会自动向操作员提示有另一人希望接通电话，操作员便会切断刚刚结束通话的那个人的线路，让等待中的用户能够接通电话。如果没有任何用户正在等待服务，那么中心站的停止继电器就不会动作，直到线路的接地端被解锁，此时选择继电器才会自动恢复到正常状态。

这些电路的设计使得无论线路是否处于繁忙状态，任何子站中的开关手柄的上下移动都会向操作员发出信号。如果这种移动是缓慢且重复进行的，那就表明有用户需要紧急通话，操作员可以根据具体情况决定是否中断当前正在通话的用户，以便了解紧急呼叫的内容。如果操作员发现某用户滥用了紧急通话的权限，她可以将线路重新连接到之前正在通话的用户手中。

罗伯茨系统的一个显著特点在于，操作员始终能够控制线路。在获得许可之前，用户甚至无法使用自己的电池。如果用户为了能在线路空闲时收到操作员的信号而将接收器挂起，也不会对本地电池造成任何损害，因为振铃器上的开关触点会保持电池电路断开状态。不过，不可否认的是，这一系统相当复杂，而且还存在其他缺陷。例如，如前文所述，线路的两端都必须连接到每个用户的设备上，因此需要四根传输线，而非两根。不过，可以通过将线路继电器置于经过适当保护的壳体内来解决这一问题，这样一来，只需从较近的线路向设备铺设两根传输线即可。毫无疑问，这一系统还有其他缺陷，但尽管存在种种问题，它仍然具有极大的研究价值；虽然在很多方面都较为激进，但它所带来的启示无疑具有很高的价值。

第十八章 电气危害

所有的电话系统都面临着一定的电气危害。当这些危害真正发挥作用时，就会带来有害后果。这些有害后果分为两类：一类是对财产造成损害，另一类则是对人员造成伤害。对人员的伤害可能极其严重，甚至导致死亡；而对财产的损害则可能使某些设备或线路失去使用功能。此外，财产损失还可能引发设备或线路的损坏，进而因火灾而造成更严重的后果。

危及生命与财产的电流可能由自然因素或人为因素产生。能够造成此类损害的天然电通常以闪电的形式出现。在极少数情况下，由于地球表面不同区域之间的电位差过大，电流会沿着接地线路流动，从而损坏这些线路上的设备；而只有通过保护装置的介入，才能避免这种损害的发生。

自从电信技术诞生以来，电话系统就一直面临自然电气危害的威胁；而自从电灯和电力系统发展起来之后，又多了人为电气危害这一威胁。与人们的一般认知相反，目前危险性更大、种类更多的是人为电气危害，而非自然电气危害。

在人为电可能对电话系统造成的损害方式中，来自外部电源系统的电流威胁要大于来自电话系统自身电源的异常电流。不过，现代技术实际上也为电话系统以这种方式自我破坏提供了可能。因此，电话系统的工程设计必须为保护系统的各个部分提供手段，使其免受外部以及内部的损害。

针对“内部”危害，这种保护措施应具备足够的覆盖范围，能够防止人员受伤以及财产因各种过热或电解作用而受损。

凡是有可能与外部电源（无论是自然产生的还是人为制造的）发生接触的电话系统部件，都被视为处于电气危险之中。接触的可能性大小或其他干扰程度通常以“暴露程度”这一相对概念来表示。对于电路之间的感应关系，也使用相同的术语。在电路设计方面，尤其是电线系统的设计中，人们总是力求以某种方式限制电路的暴露程度，其目的就是让系统的所有部件都免受危险影响。

目前的设计技术还不足以让所有电路完全避免暴露于危险之中，因此需要采取防护措施，以便在危险出现时保护设备和电路。

云层与地面之间的雷电放电常常会使裸露的电线带上足够高的电压，从而损坏设备；偶尔还会导致电线本身被破坏。云层之间的雷电放电也会在电路中产生足够的电荷，进而损坏与这些电路相连的设备。由雷电引起的巨大电流有时会在那些没有直接受到雷电影响的邻近电路中产生破坏性电流。在那些线路暴露最多的地方，雷电带来的危险最为严重。在一个所有线路均为裸露导线且全部用作接地电路的小城市里，如果只有100到200条线路，那么一次雷电放电就可能损坏许多交换机信号装置和电话铃声装置；而如果在同一区域内有800到1000条线路，那么可能就不会有任何损坏。

用于保护线路和设备免受雷电损害的措施，其实与电报发明初期所使用的措施并无太大区别。这些措施已经足以实现对人员和设备的全面保护。

根据各监管机构的标准，电力电路被分为高电压电路和低电压电路。美国国家火灾保险协会将低电压电路定义为电压低于550伏的电路；高电压电路则为电压在550伏至3,500伏之间的电路；而超高压电路则是电压高于3,500伏的电路。100,000伏的电压也越来越常见。在电力价值高昂且传输距离较长的情况下，从经济角度考虑，使用如此高的电压是合理的。不过，这类高电压对电话系统而言却构成了巨大威胁。未经保护的电话系统若与此类高电压发生接触，必然会危及生命和财产安全。用于照明和供电的常见配电方式是三线制，即带有接地中性线的系统，其相对于地面的最大电压约为115伏。

无论是高电压还是低电压的电力电路，都可能对电话线路及设备造成损坏。所有情况下财产损失的原因都是电流的流动。至于人员伤亡，比如触电致死，通常是由于身体不同部位之间存在高电压所致。现有研究表明，死亡总是由心脏受到电击引起的。据信，即使100伏的电压也足以导致触电死亡。目前还无法确定不会导致死亡的最低电压值。一个重要的原则是：绝不要让他人与任何电压的电流直接接触。

电能可以产生四种主要作用：生理作用、热效应、化学作用以及磁效应。从危害的角度来看，生理作用可能会伤害或杀死生物；热效应产生的热量足以熔化金属、使可燃物炭化甚至引发火灾；化学作用则可能通过改变金属的状态来破坏财产价值，例如将原本需要的固态金属转化为不需要的溶液状态；而磁效应则不会带来直接的危害。对财产价值而言，最大的威胁就是电热效应——也就是那些让电灯和电暖器能够正常工作的特性，反而可能带来危险。

会在不需要的地方产生热量，且热量量级超出了安全承受范围。

设计时通常会力求让所有设备能够在不过热的情况下承受电话系统中所可能出现的任何电流，并为这些设备配备专门的装置，以使其免受外部电流的影响。经过这样设计的设备，不仅能承受自身正常工作时的电流，还能承受当某件设备直接连接在电话系统最大电压下时所产生的电流，这类设备被称为具有自我保护功能。而那些虽然能够承受最大工作电流，但在面对系统中的最大电压时却容易过热、损坏，甚至可能自我毁坏并引发火灾的设备，则不具备自我保护功能。

要让所有电气设备都具有自我保护功能，即通过特殊装置来防止外部异常电流的影响，其实并不像看上去那么简单。例如，虽然某种灯能够承受电话局电池提供的全部电压，但它并不适合直接用于数英里长的线路中，因为它无法在该线路及电话机之间产生所需的信号。而那种适合与此类线路及电话机一起使用的灯，一旦线路在电话局附近发生短路，就会因自身正常工作产生的电流而烧毁。在“信号”一章中提到的镇流器，正是为了快速增加电阻、抵消可能导致灯烧毁的电流上升趋势而设计的。

再举一个例子：一种非常小的直流电动机可以通过按钮开关启动，其转速上升得足够快，从而避免电枢绕组过热。不过，对于体积较大的同类电动机来说，若不在启动时在电枢电路中加入电阻，并随着电枢转速的上升逐渐移除该电阻，就无法安全地启动它。要使这类电动机具备自我保护功能，就需要使用比实际运行所需更大的导线来制作电枢绕组，其尺寸必须足以承受较大的启动电流而不致过热。

以及其绝缘性能。使用启动箱会更好，这也是长期以来的标准做法。必须承认，这类电机在启动之前不具备自我保护功能，不过在以正常速度运行时则具有自我保护能力。一旦启动，这类电机可能会因过载而减速。此时会有更多的电流流经电枢，从而使其绕组再次面临危险。设置过载断路器的目的正是为了在电机达到额定转速后因机械原因再次减速并陷入危险状况时将其从电路中切断。这种断路器是一种用于防止内部危害的装置，也就是针对电机所在电力系统内部的危害进行保护的装置。

另一个例子是：在某些情况下，那些设计用于承受大电流冲击的设备虽然能够成功应对正常的电流冲击，但却无法持续承受相同强度的电流。因此，可以设置保护装置，在电流作用时间不足以保证安全时将此类设备从电路中断开。这正是一种电流强度虽正常但持续时间过长而带来危险的例子。

最后一个关于内部危害造成损害的例子与电热生成原理有关。电流越大、导体电阻越大，或者通电时间越长，该导体产生的热量就越多。不过，所产生的热量与电阻、通电时间以及电流的平方成正比，即遵循以下公式：

产生的热量 = C²Rt

其中，C表示电流，R表示导体的电阻，t表示通电时间。

显然，对于电机而言，过载断路器之类的保护装置，或者对于电话设备而言的保护装置，都需要在面对大电流时比面对小电流时更快地动作，而这正是所有设计良好的保护装置所应具备的功能。这些由发热现象带来的问题对于电话设备及其电路而言，就是如何让电话系统的各个部分都能顺利承受可能流经其中的任何电流。

内部或外部压力，或者通过一些装置来补充这些力量，从而阻止或引导那些可能导致过热的电流。

电解危害并非源于电流的加热效应，而是源于其化学作用。正是使一次电池和二次电池能够发挥作用的同一自然规律，也会对电话电缆的外层以及其他导体构成威胁。当电流流经与电解质接触的金属时，该金属就会逐渐溶解到电解质中。在电镀和电铸过程中，电流从阳极进入电解液，再从阳极穿过溶液到达阴极，从而将金属从阳极上移除并沉积在阴极上。在以锌作为正极材料的一次电池中，电流会在电池内部从锌流向负极，导致锌溶解。根据同样的原理，任何埋在土中的管道都可能成为电流传递的通道。由于单轨铁路系统中的正极导线会持续向发电站输送大量电流，因此这类管道在其长度上的某些部位可能会相对于潮湿的土壤呈现正电势。从这些部位流出的电流足以使管道中的金属溶解，进而使其无法再正常使用。

埋在土中的铅制电话电缆尤其容易受到电解作用的损害。原因在于这类电缆通常很长，其外层金属是良好的导体；而且当存在电位差时，金属在大多数水溶液中都会很容易溶解。电缆的长度使得它们能够连接电位差较大的不同点。而正是因为缺乏足够的长度，埋在土中的大量结构用金属才不会受到电解损害。

单轨铁路系统的电力供应主要以直流电的形式进行。通常，一个城市内的所有电车导线都与发电机相连，从而使它们相对于铁轨呈现正电势。这就使得电流从电车流向发电站，而回路则由铁轨、大地本身、可能用于补充回路的专用导线，以及土中的其他导电物质共同构成。

这些主要是覆有铅层的电缆以及其他管道。这些条件决定了电流倾向于从电缆和管道中流出的特定区域，也就是说，在这些区域内，电缆和管道相对于其他物体而言呈正电性。这类正电区域通常比负电区域小得多，也就是说，电流倾向于流入电缆的区域所占据的面积，要大于电流倾向于流出电缆的区域所占据的面积。这些事实简化了保护电缆免受直流电损害的方法，同时也减少了采取相应补救和预防措施所需的成本与复杂性。

并非所有的电气化道路都使用直流电。在牵引电机中使用单相交流电所带来的某些简化措施，使得更多道路开始采用交流电供电系统。当使用交流电时，电解条件会发生变化，从而产生新的问题：由于电流会不断改变流动方向，某一时刻呈正电性的区域，下一刻就会变成负电区域。因此，保护措施必须根据这些变化后的要求进行调整。

第十九章　保护措施

前章所述的各种发热危险都可能产生电流，从而损坏设备。所有用于保护设备免受此类损害的装置，其作用都是阻止危险电流的流动，或者将电流引向其他路径。

防止高电压危害。雷电是一种几乎无处不在的危险因素。所有裸露的导线都在某种程度上面临雷电的威胁。雷电产生的破坏性电流源于极高的电压。此外，雷电放电具有振荡特性，即呈交替变化且频率极高。那些容易受到雷电损害的装置，其绕组会因雷电放电而被烧毁。这类绕组对雷电高频振荡的阻抗非常大。对于普通频率的交流电来说，几圈粗导线的阻抗可以忽略不计，因为导线的电阻较低、电感较小，且频率有限。而由于雷电放电的频率极高，这类线圈对雷电放电的阻抗则要高得多。

若非雷电放电的压力极高，其高频振荡特性本可以让普通线圈具备自我保护能力。但只要压力足够大，电荷就可以通过空气或其他绝缘介质传导。70,000伏特的电压就能在1英寸宽的空气间隙中引发放电，而更低的电压则能在更短的距离内引发放电。当雷电遇到某种阻抗时，它很少会像普通电流那样流经整个绕组，而是通常会通过现有的最短路径传导。这些路径往往位于线圈外层绕组之间的绝缘层上。雷电放电穿过线圈外层并熔化其铜线的情况并不少见。

放电通常会从绕组的内层直接流向磁铁的芯部。当磁芯接地时，这种情况更易发生。

空气间隙避雷器。由于绕组具有抵抗雷电放电的特性，而雷电又容易通过绝缘间隙传导，因此需要采用相应的防护措施。这类装置由两个被空气间隙或其他绝缘体隔开的导体组成，被称为雷电避雷器、火花间隙、开距式断路器或空气间隙避雷器。构成间隙的这两个导体可以都是金属，也可以一个是金属、另一个是碳，或者两者都是碳。另一种组合则是碳与液态金属汞。导体之间的间隙可以充满空气或固体物质，也可以是真空状态。一般来说，导体之间总是存在某种绝缘体作为隔离物。由绝缘体隔开的两个导体就构成了电容器。开距式避雷器中的绝缘体通常被称为介质。

图203：锯齿形避雷器
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通过间隙的放电：在给定距离内，如果放电发生在两点之间，其所需电压会比在光滑表面之间时更低。因此，避雷器上会设置尖点。图203展示了一种被称为“锯齿形”避雷器的装置，因为其金属板上带有锯齿状结构。这种避雷器能够将接地端靠近与线路相连的金属板，从而有效保护那些连接在金属电路上或与单线电路串联的设备。

图201则展示了另一种形式的金属板空气间隙避雷器，它还具有让电流从一根导线传输到另一根导线的功能。

其他方式：将插头插入两块线板之间的孔中，即可使线路导线在避雷器处直接相连。这种设计是用于串联线路的，当插头就位时，它会使电话机处于短路状态。

大多数普通型金属间隙式避雷器的缺陷在于：强烈的放电会熔化电极板的齿状边缘，甚至使其焊接在一起，因此需要格外注意才能重新维持所需的间隙。

碳材料的优点在于：固态碳是一种比金属更好的材料，因为放电不会使其熔化，而且其表面存在大量放电点，使得放电更容易发生。

图204. 锯齿形避雷器
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图205. 碳块式避雷器
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目前，碳块式避雷器已广泛采用图205所示的结构。与线路导线相连的碳块与接地端的碳块之间通过某种绝缘隔件隔开。云母常被用作这种隔件，而在云母片中开出的孔洞则有助于放电在两个碳块之间自由传递。

防止碳块相互接触。多孔的赛璐珞被用作碳块之间的隔层，丝绸以及各种特殊材料也有其用途。

图206. 阻流器隔片
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碳块间的灰尘：碳块之间的放电现象会导致碳颗粒从碳块上脱落。由于碳块之间的间距很小——仅为0.005到0.015英寸——这些碳颗粒可能会滞留在气隙中、隔片的边缘或其他地方，从而在两个碳块之间形成导电路径。隔片上若有少量水分，有助于聚集这些灰尘，进而为线路中的相应导线提供接地。虽然这种接地的电阻可能很高，但每台与线路相连的阻流器上都应该有这样的接地装置。在某些特殊结构的碳阻流器中，人们试图通过让碳尘沉积来降低这种接地风险。图206中U形隔片的作用在于使阻流器能够以这样的方式安装：即隔片上的开口朝下，这样松动的碳颗粒就能从碳块之间的间隙中掉落。不过，U形隔片内侧的碳沉积物通常非常细小且附着紧密，因此不会掉落。该隔片会伸出碳块之外，以避免碳沉积在碳块的外侧边缘。

商业产品型号：图207展示了图205中所显示结构的商业化版本，这是美国电熔丝公司生产的多种产品之一。线路导线连接到图中所示的外部接线柱上，而接地导线则连接到前部的金属接线柱上。带有隔片的碳块则安装在夹具和接地板之间。碳块之间的气隙大小由隔片的厚度决定。

图207. 碳块避雷器
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图208. 罗伯茨“自清洁”避雷器
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罗伯茨碳质避雷器的设计重点在于如何处理碳尘，正因如此它才被称为“自清洁”型避雷器。该装置中碳块与电介质的排列方式如图208所示；云母被粘附在碳块上，其尺寸足够大，能够在四周形成凸起结构。该避雷器表面的火花间隙并非均匀分布，而是通过磨削碳块而形成楔形结构。据称，持续的电弧作用会使得楔形空间内充满热空气或气体，从而使整个空间变成对地电阻很低的区域；这些气体的膨胀则会将可能飞散出的所有碳粒排出。显然，与碳块表面平行排列的情况相比，楔形结构更有利于碳尘的脱落。

图209展示了由F.B.库克设计的用于金属电路的户外避雷器。该装置可安装在杆子上或其他位置，并配有保护盖。其使用的碳块体积较大。

这些部件之间由一种特殊化合物隔开，该化合物有助于实现自清洁功能。由于三个碳原子被组合成一个整体，因此该装置能够直接处理从一个端子流向另一个端子的电流，而无需经过两个间隙。这种结构与图204中的结构相同。

图209. Cook空气间隙避雷器
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图210展示了西电公司专为铁路线路户外使用而设计的避雷器，图中还显示了其外壳。

图210. 西电公司空气间隙避雷器
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Kellogg公司通常在其磁电电话中配备如图211所示类型的空气间隙避雷器。这两个线板为半圆形且由金属制成；接地板则为碳制，呈圆形，它通过云母隔片将两个线板连接起来。该避雷器安装在电话的背板上，并与线路及接地端子永久性连接。

图211. 凯洛格空气间隙避雷器
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真空避雷器：——迄今为止所提到的所有碳基避雷器都依赖通过空气进行放电。在相对良好的真空环境中，相同的电压下可以实现更远的放电距离。国家电气专业公司采用了图212所示的白炽灯式结构，在真空环境中安装三根导体。这种方式能够实现更大的间距，从而降低短路的可能性。这类真空装置中可以使用碳板或金属板；如果使用碳板，那么在相同的放电压力下，这些板之间的距离还可以更大。

图212. 真空避雷器
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阻抗的作用：——已有研究指出，阻抗的存在会阻碍雷电通过线圈释放。图213展示了这种阻抗与空气间隙避雷器之间的关系。如果将图中的线圈视为具有电感的导体结构，就会发现，在该阻抗与导线之间设置空气间隙避雷器是较为理想的方案。实际上，由于电流通过长距离的裸线传入电缆，往往会在电缆的第一个转弯处或弯曲处引发放电，而这种放电往往会同时损坏电缆的芯线与绝缘层；因此，应尽可能将此类弯曲部位设置在电缆的末端，而在端子连接处设置的弯头也有类似的优势。

图213. 阻抗与空气间隙
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某些类型的避雷器也运用了这一原理，如图214所示的那种避雷器，它在自身结构中就包含了阻抗元件。该装置由一个绝缘基座构成，基座上装有接地的碳棒以及两个阻抗线圈；这些阻抗线圈缠绕在绝缘杆上，使其靠近但不接触接地碳棒。当放电导致导线表面状况恶化时，这些线圈还可以被转动以调整位置。

图214. Holtzer-Cabot避雷器
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金属电极：——对于前面所描述的大多数避雷器而言，可以用表面经过处理的铜块或其他金属块来替代碳块，这些金属块之间则用绝缘材料隔开。不过，金属块存在一些缺陷……

碳材料的优点在于：在相同的间隙条件下，它能够以更低的电位实现放电；同时，它不会产生导电性粉尘。

图215. 碳空气间隙避雷器
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防止持续电弧的措施：为切断电弧，可在避雷器的某个碳块中放入低熔点合金颗粒。对于仅用于引导雷电放电的避雷器而言，这一功能并非必需；其作用是在由人工电流产生的电弧在碳块之间存在足够长时间从而熔化合金颗粒时，为电流提供一条直接通往地面的路径。图215展示了西方电气公司生产的那种避雷器的平面图及剖面图，该避雷器与其他元件一起用于处理异常电流及潜流——这类电流的强度不足以使空气间隙避雷器或大型保险丝发挥作用。

防止强电流的装置：保险丝。保险丝是一种金属导体，其承载能力低于与其串联的电路在需要动作时的电流强度。电气电路中使用的保险丝通常由铅的某种合金制成，这类合金的熔点相对较低。虽然铅合金的导电性低于铜，但相同电流强度下，细小的铜线也可能熔断，而较粗的铅合金线则未必会熔断。

保险丝的局限性：保险丝并非理想的雷电避雷装置。由于雷电造成的损害是由电流引起的，而正是电流会烧毁保险丝，因此雷电放电可以通过熔化保险丝金属来切断其经过的电路。不过，雷电不仅可能烧毁保险丝，还可能同时破坏与保险丝串联在一起的其它设备。这有两个原因：其一，雷电放电的速度极快，可能在使保险丝充分加热并熔断之前就已经破坏了相关设备；其二……

当保险丝所承受的电流大到足以使其蒸发时，其产生的蒸汽在形成后会暂时充当导电路径。由于雷电放电产生的极高压力，这种导电路径虽然电阻很大，但仍能让电流通过。完整的保护系统可能会包含保险丝，但并不能指望它们总能拦截雷电，甚至无法协助其他装置拦截雷电；因此不应认为它们具备这方面的作用。此外，只有当保险丝能够有效阻止异常电流，同时还能承受可能穿过它的雷电放电时，它才适合作为整体保护系统的一部分。在其他条件相同的情况下，最理想的保护系统应是所有雷电放电都由间隙避雷器来拦截，而保险丝则不会因雷电放电而动作。

云母保险丝：一种方便且广泛使用的保险丝类型如图216所示。这种保险丝的两端装有金属端子，保险丝丝线则连接在这些端子上。通过用螺丝固定端子或像图217和218所示那样将端子插入夹具中，即可将该保险丝安装到电路中。对于需要较小电流保护的电路而言，这种安装方式的优点在于可以清楚地看到保险丝丝线，保险丝烧断后也便于更换，而且其结构相对紧凑。然而，作为整体保护系统中的组件时，普通类型的云母保险丝存在不足之处：其长度过短，且没有自行熄灭保险丝烧断后可能产生的电弧的功能。不过，作为用于从电话局电源站分配低电压电流的保护装置，它们表现相当出色。通过简单的方法，就可以让它们以声音或视觉信号来表明自己已经动作了。

图216. 云母保险丝
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图217. 邮政用云母保险丝
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图218. 西联电报用云母保险丝
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封闭式保险丝：如果将绝缘管内的保险丝丝线与管子上的金属盖相连，并在管子周围填充非导电粉末，那么熔化的保险丝金属产生的气体就能更快地被吸收，这比没有填充粉末时的情况要好。此外，这种封闭式保险丝还能减弱保险丝熔化时产生的爆炸声。

图219. 一对封闭式保险丝
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无论是否填充粉末，这类封闭式保险丝都被广泛用于各种电路中，而且也得到了火灾保险机构的推荐。图219展示的是一种带有封闭式保险丝的避雷器，该产品由H. W. Johns-Manville公司生产。

图220. 密集安装的保险丝
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在电话系统中，常常需要在有限的空间内安装大量保险丝或其他保护装置。图220展示的就是这样一组西方电气公司生产的管状保险丝。这类保险丝的承载电流通常为6或7安培。由于流经这些保险丝以及需要保护的设备的电流仅为6或7安培，因此预计它们不会熔断。其作用在于能够承受雷电冲击；当有异常电流通过时，其他设备会进一步增加电流强度，从而使保险丝熔断。可以看出，图220中的保险丝上端是开口的，这一端与线路中的裸露导线相连；而下端则是封闭的，这一端与设备相连。当保险丝熔断时，管内的衬层会一定程度上减弱放电产生的声响，但仍然会有足够的爆炸力，使得加热后的气体向外喷出，从而切断因金属蒸发而形成的电弧。

图221展示的是两支库克公司生产的管状保险丝，它们是单独安装的。这类保险丝不像普通保险丝那样一端是开口的，但其盖子上设有让加热气体逸出的通道。这些保险丝的管体可由木材、熔岩或陶瓷制成。

图222则展示了另一种管状保险丝，其结构图中可以看到石棉衬层的布置，这种衬层既能够减弱放电时的噪音，又能吸收并冷却产生的气体。

图221. 一对木管式保险丝
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气隙保护装置与保险丝保护装置的区别。希望学生能够清楚地理解这两种装置的作用差异。气隙保护装置是在面对雷电或高压电路产生的高电压时起作用的；而保险丝则是在有特定电流流过时起作用。在为电话线路设计的优质保护装置中，这一最小电流值其实并不小，通常会是线路能够安全承载的最大电流的几倍。有些保险丝可以被设计得极为灵敏，能在可能损害设备的最小电流作用下就触发保护功能，早期的保护系统就是依靠这种原理工作的。不过，这类灵敏度极高的保险丝存在一个缺点：它们的可靠性不够高，而且随着使用时间的增加，其承载能力会发生变化，在不同的环境及温度条件下，其工作性能也不稳定。此外，它们还对雷电放电敏感，却无法阻止或引导这些放电电流。

防止潜流侵害。正因如此，仅依靠保险丝和气隙保护装置的系统，是无法防范那些持续存在且数值较小的异常电流的——尽管这些电流因为持续不断而足以损害设备。这类电流被称为“潜流”，这个名称虽然不太优雅，但却很能准确描述其特性。虽然潜流数值很小，但如果让它们长时间流经电磁铁的绕组，就会产生足够的热量，从而烧毁或损坏绝缘层。正因为其隐蔽性，这类电流才更加危险。

图222. 含石棉填充物的管状保险丝
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潜流抑制器。如图223所示，这正是典型的潜流抑制器结构，虽然图中并未展示其确切的形态，但该装置曾广泛用于电话线和信号线中。电流从线路流向设备的正常路径是通过嵌入密封蜡中的细线圈。弹簧则构成另一条路径，其张力足以使其在不受限制的情况下与接地端接触；不过，通过连接在弹簧与刚性支撑物之间的绳索，可防止弹簧与接地端接触。该绳索被从中剪断，两端打结后嵌入含有线圈的密封蜡中。

图223. 潜流抑制器的原理
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当有微小电流流过该线圈时，产生的热量足以使密封蜡软化，从而使绳索分离，此时弹簧便会将线路接地。如此简单的装置却能以相当高的精度发挥作用。低于某一临界值的电流可以持续流过加热线圈，而产生的热量会迅速散失，从而避免密封蜡继续软化以及绳索再次分离。一旦电流超过这一临界值，抑制器就会开始工作，且电流越大，其动作时间越短。需要记住的是，产生热量的规律为：热量 = C²Rt；因此，如果某电流能在40秒内使抑制器启动，那么两倍的电流则应在10秒内使其启动。换言之，抑制器的工作时间与电流的平方成反比，也与电阻成反比。若希望让抑制器在给定电流下更灵敏地响应——即更快地启动——可以通过增加线圈的匝数或使用更细的导线，或者选用电阻率更高的金属来制作导线，以此提高线圈的电阻。

目前标准型的潜流抑制器便融合了图223中所展示的两种元件：一种用于将危险电流转换为……的电阻材料。

电流会悄悄流入局部区域并产生热量，这种热量会使易熔材料软化，从而触发某种开关机制。

作为电阻材料的，可以是电阻丝，也可以是碳元素；虽然两者都适用，但碳元素更为理想。而易熔材料则是一种在较低温度下就会熔化的合金。铅、锡、铋和镉可以按适当比例混合，使得该合金在140°至180°华氏度的温度下就能熔化。这类合金其实就是焊料——在常温下它足够坚硬，能够承受强力弹簧的作用力；但在远低于沸点的温度下就会完全融化。

图224. 加热线圈
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加热线圈。图224展示了一种将加热元件与被加热元件结合在一起的实用方法：一个铜制线轴上绕有电阻丝，而一根金属针则通过易熔合金被焊接在线轴的孔中。当电流使线轴足够发热时，这根金属针就会在线轴内滑动或转动。它可以通过多种方式滑动或转动，而这正为设计出各种类型的避雷器提供了可能。例如，金属针可能会被拔出、推入、穿过去，或者像轴承中的轴一样旋转；又或者线轴会像车轴上的轮毂那样转动。海斯、罗尔夫、库克、麦克伯蒂、凯斯林以及许多其他发明家都在避雷器的设计中运用了这些组合与运动方式。所有这些装置都依赖于同一个原理：即电阻产生的热量使低熔点合金软化。

当加热线圈与合适的开关弹簧配合使用时，它便能成为一种避雷器。这些开关弹簧始终用于将线路导线接地。在某些避雷器中，通过使导线接地的同一动作，就能切断线路导线与设备相连的那部分线路。而在另一些避雷器中，线路并不会被切断，只是被接地而已。每种方法都有其优点。

完整的线路保护装置。图225展示了明线中各保护装置的整体结构，以及它们与中心局设备及用户电话终端之间의连接关系。中心局设备包含加热线圈、弹簧以及碳制避雷器。在中心局与用户住所之间的某处，每根导线上都装有保险丝；而在用户住所处，每根导线则还装有其他保险丝，这些保险丝与碳制避雷器相连。图中还显示了中央电池装置，电话的振铃器与该装置中的电容器串联在一起。配备此类装置的用户端无需再安装漏电流避雷器。

假设线路在X点出现电气危险。如果是雷电，它将通过连接到该点处的碳制避雷器向地面或用户端的设备释放电荷。如果是来自电力电路的高电压且超过350伏特，那么当这些避雷器中碳块间的间距小于或等于0.005英寸时，电弧就会在中心局的相应导线或用户电话上产生；如果碳块间用赛璐珞隔开，赛璐珞会被烧毁，从而使碳块重新接触，进而熄灭电弧。若碳块间用云母隔开，且其中一块碳上装有低熔点合金颗粒，电弧产生的热量会熔化该合金，从而闭合间隙并熄灭电弧。不过，电流向地面流动的路径仅包括导线和避雷器本身，因此产生的电流可能会非常大。由于避雷器处的电压原本就为350伏特或更高，要形成电弧并使间隙短路，电流将会达到7安培或更高，除非施加的电压奇迹般地降至50伏特或更低。由于流经保险丝的电流超过7安培，保险丝会立即熔断，从而切断线路并隔离相关设备。需要指出的是，这一原理同样适用于线路两端的设备，因为保险丝位于接触点与碳制避雷器之间。

图225. 完整的线路保护装置
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另一方面，假设接触点位于Y处。此时，中心局的碳弧抑制器会启动，使线路接地，从而导致电流增大。由于没有保险丝可以熔断，更糟糕的情况就会发生：线路导线过热，甚至可能在中心局引发火灾。因此，显然必须在碳弧抑制器与那些在碳弧抑制器动作时可能产生异常电流的部件之间安装保险丝。

再假设第三种情况：X处的接触点所处电位较低，或者接触不良，导致碳弧抑制器两端的电位差低于其触发电位。此时电流会试图通过碳弧抑制器流动，但不会使其启动；不过，这些电流若要进入设备，就必须流经加热线圈的绕组。如果这种电流持续流动足够长的时间，就足以使设备过热，但在那之前，它已经足以加热加热线圈的绕组，使其内的易熔合金软化，进而释放出用于接地线路的弹簧，就像前一种情况中的碳弧抑制器一样。此时电流也会变大，从而烧断位于该电流路径与外部电流源之间的保险丝。同样地，如果Y处也发生接触，中心局的线路也会被接地，而由于没有保险丝，线路就会过热。

暴露式与非暴露式线路。地下电缆、由橡胶绝缘线制成的电缆，以及安装良好的室内线路，都可以被视为非暴露式线路，也就是说，它们不会受到外部高电位、放电、异常电流的影响。而其他所有类型的线路，如裸线、架空电缆等，则应被视为暴露式线路。

这些电线会面临此类危险，因此，在其裸露部分与中心机房或用户设备之间的每根电线上都应安装保险丝。据此，正确的操作原则为：保险丝应安装在裸露部分与非裸露部分之间的电线上。

学生可能会认为，那些带有金属护套的架空电缆——无论该护套是否接地——都不会面临电气危险；对于已接地的护套而言，人们可能会认为电缆与高电压电线接触时，只有外来电流会通过护套流入地面，从而熄灭电弧，使接触点自行断开。但如果假设护套未接地，那么学生可能会认为高电压电线根本不会产生电流。

这两种假设都是错误的。对于已接地的护套，当其与高电压电线接触时，电流会流向护套；此时金属护套会被熔化，电弧会击中电缆内的其他电线，电流则会直接传送到中心机房及用户处。而对于未接地的护套，其整个长度都会迅速带上与高电压电线相同的电压；在某个时刻，电缆内的某根电线会与护套足够接近，从而导致电弧产生，进而引发故障。如果该电缆与高压输电线路的主电路中的电线发生接触，那么电缆中的所有电线都会面临危险。任何串联的电弧电路都具有高电压威胁性。即便只是450伏特的电车线或馈电线，也能在几秒钟内将带有金属护套的电缆完全烧毁。作者们曾亲眼见过这种情况：由于电车杆的位置不当，杆子的一侧接触到电车线，而另一端则刚好接触到电话电缆，结果就导致了电缆被烧毁。

答案就在上述原则之中：应将保险丝安装在可能接触到高电压的电线与不可能接触到高电压的电线之间。在实际应用中，这一原则也有一定的灵活性。对于那些一出中心机房就处于架空状态的电缆，应在中心机房内安装保险丝；而对于完全埋设在地下、从中心机房一直延伸到用户处的电缆——比如用于办公楼的馈电电缆——则无需安装保险丝。

这样，中央办公室内的线路就处于地下状态，而外部线路则处于空中状态；应在线路从地下转为空中的位置处对它们进行熔接处理。地下电缆分成的多条分支在转为空中线路时也应当在其分叉处进行熔接。

如果用户场所内的电线安装得当，则视为没有暴露在外。根据相关定义，如果用户场所外的电线是暴露的，那么保险丝应安装在电线进入该建筑物的位置或附近；而如果电线并未暴露，那么按照这些定义就不需要安装保护装置。即便有安装要求的，也必须遵守这一规定，因为遵循最佳实践是理所当然的义务。在涉及生命、肢体安全以及财产价值的问题上，采用低于最佳标准的做法显然是不妥的。

对于使用中央电池供电的用户设备，其保护装置无需配备防潜流装置，因为电容器可以将这种风险降至可忽略的水平。而使用磁电机供电的用户设备的振铃电路中通常没有电容器，不过在群呼线路的通话电路中则可能有电容器。在大约98%的情况下，振铃电路都是电话机中电流流动的唯一路径。因此，对于磁电机供电的设备，其用户端保护装置中应当配备防潜流装置，除非是在那些没有照明或电力线路的农村地区。当使用防潜流装置时，其部件的布置方式与图225中所展示的中央办公室部分的布置方式相同。

中央办公室保护装置的类型：图226展示了一种由热线圈和空气间隙保护装置组合而成的装置，这种装置被贝尔公司广泛用于中央办公室的保护。两个内侧弹簧作为金属电路线路两端的端子，而两个外侧弹簧则作为通往交换机的线路的端子。热线圈分别位于两侧，支撑在内外弹簧之间。高压电流会通过空气间隙保护装置接地，而潜流则能使热线圈的针脚在套管内移动，从而实现对外部线路以及通往交换机的线路的接地。

图226. 潜流式避雷器与空气间隙避雷器
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自焊式热线圈：Kaisling设计的另一种类型，由美国电熔丝公司制造，如图227所示。在这种结构中，热线圈中的针状部件从线圈两端以不等长度突出；在潜流的作用下，固定该针状部件的焊料会熔化，从而使外部弹簧将针状部件推过线圈，直至其压紧接线弹簧并同时打开通向开关板的路径。当针状部件处于这一新位置后，由于电流停止流动，它会冷却下来并重新焊接牢固，此时只需由操作人员将其两端对调即可恢复原状。针对这种自焊原理，人们提出了许多改进方案，同时也存在很多关于其是否实用的争议。不过，它确实具有便利性这一优点。

图227. 自熔式热圈避雷器
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有些制造商在热圈结构中不使用绕线式电阻元件，而是采用高电阻材料作为电流路径中的阻滞物。Kellogg公司长期以来一直使用短石墨棒作为其漏电避雷器中的电阻元件；该石墨棒的两端经过镀铜处理，然后再焊接上黄铜端子头。这些端子头可用于与相应的固定弹簧相连。

图228. Cook避雷器
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另一种用于电话局线路保护的装置也是以特殊金属复合材料作为发热元件，它是由弗兰克·B·库克设计的，如图228所示。该装置中的碳块为圆柱形，并经过特殊处理以实现“自清洁”功能。与那些具有自焊接功能的防漏电装置不同，库克设计了一种在设备使用后可通过电气方式重新焊接碳块的方案——通过专用夹具将碳块固定在适当位置，再让电池电流流过它们以重新熔化焊料。

在小型磁电机交换机中，为了保护电话局线路，人们常常会同时使用保险丝和气隙式防雷器，这些保险丝就是前面提到过的云母安装型保险丝。迪恩电气公司生产的这类防雷器组合如图229所示。

图229. 云母保险丝与气隙式防雷器
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用户端保护装置的类型。图230和图231展示了为适应中央电池供电系统及磁电机系统需求而设计的用户端保护装置。如前所述，如果用户线路是暴露在建筑物外的，那么这些保护装置应安装在用户线路进入建筑物的入口处或附近。如果将保险丝安装在建筑物外的入口附近，只要设计得当，就能确保其安全性和有效性。至于防漏电装置以及碳基防雷器，由于需要避免它们受到天气影响，因此必须安装在建筑物内部，或者如果安装在室外，则必须置于防护罩中。

一般来说，更常见的做法是将用户端保护装置的所有组件都置于建筑物内部。如果将保护装置直接设置在外部电线进入建筑物的位置，那将更接近理想的布置方式。

图230. 西部电气公司的避雷器
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图231. 用于磁电机站的库克式避雷器
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带状保险丝与管状保险丝相比的一个特点在于：在某些最优质的带状保险丝中，其导电材料并非以圆形导线的形式存在，而是呈扁平的带状。这种结构能够让一定量的可熔金属分布在更大的表面积上，而相同重量的圆形导线则具有最小的表面积——因为圆形的周长比其他任何形状都要短，从而能覆盖更小的面积。给保险丝提供尽可能大的表面积，是为了降低其被雷电击穿的可能性。事实上，这类保险丝确实比相同规格的圆形保险丝更能承受雷电冲击，这一现象很好地证明了雷电放电的振荡特性，因为在导体表面及其附近，雷电放电的电流密度更高。

在金属内部，因此，将保险丝压平后会提高其承受高频电流的能力，而对其承受直流电流的能力则几乎不会产生影响。之所以压平保险丝后其承受直流电流的能力会提升，是因为这样能够增加热量散发的表面积。不过，当保险丝被置于管状结构中时，热量的散发会受到限制，因此对于直流电流而言，保险丝的承载能力与横截面积密切相关。

城市交换机系统的要求。以上内容阐述了普通城市交换机系统中应遵循的良好实践标准。只有符合图225所示的总体布局，才能有效应对此类交换机系统可能面临的各类风险。现代的合理做法是通过电缆来布设线路，再辅以成对绞合的短绝缘导线。没有裸露的导线可以大大降低电气风险，但风险依然存在。

尽管应当遵循这一保护方案的精神，但仍可能存在其他风险，这就需要额外的保护措施。无论是架空还是埋设的电缆，其末端都可能存在较长的裸露导线，这些导线可能作为农村或长距离电路使用。如果这些导线的长度超过一两英里，在大多数地区它们都会遭受雷击，同时还可能面临高电位接触的风险。

如果某种具体情况表明这些电缆可能处于危险之中，那么就在这些裸露导线与电缆的连接处安装额外的空气间隙避雷器。关于避雷器的类型，不同公司的做法各不相同。如果使用间距为0.005英寸的碳制避雷器，由于每次轻微放电后都需要派人到电缆末端清除碳尘，因此维护成本会上升。与碳制避雷器相比，经过处理的金属避雷器不易接地，因此通常只有在发生严重放电之后才会有人去检查这些避雷器。

美国电话电报公司在这方面的建议和实际操作方式与其他公司有所不同，而其他公司的做法则取决于工程师们的决策。对于那些通往偏远地区的长距离电缆，美国电话电报公司规定使用铜制避雷器。

只有当这些线路暴露在雷电冲击之下时，才需要使用电缆。如果裸露线路的长度超过半英里，则被称为长距离线路。若这些线路还面临高电位危险，那么应使用碳块而非铜块作为防护装置。该公司的其他规范则要求：对于那些面临2,500伏以上电压危险的线路，必须使用铜块制成的避雷器。

由于金属块避雷器不会受到灰尘的影响，因此相比碳块避雷器具有更大的经济优势。在相同的隔离效果下，碳块避雷器与金属块避雷器的击穿电压之比为7比16。在太平洋沿岸的某些地区，虽然雷电风险较低，但高压风险很高，此时在电缆两端使用金属块避雷器就能提供有效的保护。

强风会将雪或灰尘吹到长距离线路的裸露导线上，从而在这些导线上产生静电荷，这些电荷会以各种方式从线路中释放出来。通常，这些电荷会通过避雷器释放，而当这种放电发生时，线路的平衡状态就会被打破，从而导致电话中出现噪音。

图232. 排流线圈
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如果一条电话线在很长一段距离内都与高压输电线路相邻，那么它就可能会受到静电或电磁场的作用，或者同时受到这两种作用的影响。如果保持线路的电气特性平衡，包括通过调整导线来维持平衡，那么静电感应效应就可以被抵消。不过，电磁感应仍然可能干扰线路的正常运行。

排流线圈。如图232所示，这种装置实际上是一种向地面泄放电流的感应元件，其作用就是解决由暴风雪和电磁感应带来的问题。要求它的阻抗足够高，以便将语音信号的损耗降到最低，同时又足够低，以便……

有效消除线路中的干扰电荷。这类装置被称为“泄流线圈”。

电解。为防范化学作用带来的危险而采取的保护措施，如前章所述，属于防止电气危害的防护措施中的一个独立范畴，因此有必要专门用一章来阐述电解的相关内容。

第二十章 电话交换机的基本特征

到目前为止，我们只探讨了在同一条线路上两个或更多站点之间可以实现的电话服务类型。在电话技术被实际发明后不久，人们便提出了电话交换机的概念——即将多条线路集中到一处，并通过相应的设备实现它们之间的互连，从而使任意一条线路上的用户能够与另一条线路上的用户通话。

为社区内的各个电话站点提供电话服务的所有设备，包括线路、电话机以及用于实现线路互连的交换设施，统称为电话交换机。

那些用于集中多条电话线路以实现互连的建筑物被称为中心局，而其内部的电话设备则称为中心局设备。 “电话局”与“电话交换机”这两个术语常常被混用。虽然电话局建筑确实可以被称为电话交换机建筑，但将电话局直接称为电话交换机则并不恰当。在现代用语中，电话交换机不仅指中心局及其设备，还包括与之相连的线路和电话机；此外，一个电话交换机可能包含多个通过所谓的中继线相互连接的电话局，这样就能让那些线路连接在某个电话局的用户与那些线路连接在其他电话局的用户实现通信。

由于一个电话交换机可能包含一个或多个中心局，因此有必要对它们进行区分：那些仅包含一个中心局的交换机被称为单局交换机，而那些包含多个中心局的交换机则被称为多局交换机。

在电话交换系统中，有三种类型的线路——用户线路、干线以及收费线路。

用户线路。所谓用户，通常指的是电话服务的使用者。因此，其电话终端被称为用户终端，而该终端上的电话设备则称为用户终端设备。从电话交换局连接到一个或多个用户终端的线路，也被称为用户线路。如前章所述，如果一条用户线路仅连接一个终端，那么它就是单线；而如果它用于连接多个终端与电话交换局，则属于多线。

干线。干线并非专为某位特定用户服务，而是用于连接位于同一地点的一组用户线路与位于另一地点的另一组用户线路。如果这两组用户线路都位于同一栋建筑或同一个交换机内，那么连接它们的干线就属于本地干线。而如果这些用户线路位于不同的电话交换局内，那么这种干线则被称为跨局干线。

收费线路。收费线路是指使用此类线路时需要支付额外费用的电话线路，这些费用并不包含在用户日常使用的本地电话服务费用中。收费线路可以连接相距较近或较远的各个电话交换区，根据距离远近，它们通常被分为本地收费线路和长途收费线路。无论属于哪种类型，收费线路本质上都可以视为跨交换机干线。

区域。在一个社区中，由一个电话交换局所服务的区域被称为交换局服务区。同样地，由整个电话交换机所服务的区域则被称为交换机服务区。因此，一个交换机服务区可能由多个交换局服务区组成，就像一个电话交换机也可能包含多个交换局一样。例如，芝加哥电话公司在其所在城市及其部分郊区提供的服务范围，就是一个交换机服务区。

交换区。由某个中心办公室所服务的区域，比如海德公园办公室、奥克兰办公室、哈里森办公室或其他任何这样的办公室，就构成了一个办公区。

交换机。位于中心办公室内的设备，用于连接电话线路以便通话，之后再断开这些线路；同时，它还负责完成提供完整电话服务所需的各种其他功能。在小型交换机中，这种设备可能比较简单，而在大型交换机中则极为复杂。

有时，这类交换机需要操作员——通常是女性——来负责连接和断开线路以及执行其他必要操作，无论规模大小，这类交换机都被称为手动式交换机。

有时，这类交换机则无需操作员，所有的连接、断开及信号传输功能都由专门的设备来完成，而这些设备由打电话的用户自行控制。这类交换机被称为自动式交换机。

近年来，又出现了一类新的交换机，它们在一定程度上兼具自动式交换机和手动式交换机的特点。这类交换机通常被称为半自动式交换机，因为它们被认为既是半自动的，又是半手动的。

手动式交换机可以根据用于通话的能量分配方式进一步分为两类。一类是磁电机式交换机，这类交换机能够为配备磁电机电话的线路提供服务，通话时使用本地电池。另一类则是共用电池式交换机，这类交换机适用于那些使用共用电池电话的线路，所有用于通话和信号传输的电流都来自中心办公室。如果忽略用于通话和信号传输的能量分配方式，还可以以另一种方式对手动式交换机进行分类。

交换机可用于公共电池供电或本地电池供电的线路系统，存在非多路交换机与多路交换机两种类型。

所谓多路交换机，是指其面板上每隔一定距离就设有所有线路的连接端子或插孔，这样每位操作员都能方便地接触到每条线路的端子，从而能够独立完成该交换机上任意两条线路之间的连接。

而非多路交换机则没有在面板上间隔设置线路端子的设计，因此每条线路在面板上只有一个端子。这类交换机主要用于那些仅有几百条线路的小型交换局。在这种情况下，只需一至三名操作员就能处理所有通话业务，而且由于所有操作员都能接触到面板上的所有端子，因此每条线路无需设置多个连接端子。这类交换机可被称为简单交换机。

还有一种非多路交换机，适用于规模比简单交换机更大的交换局。要理解其工作原理，可以想象一排简单交换机，每台都为所属的线路组配备端子或插孔。为了实现其中一台交换机上的线路与另一台交换机上的线路之间的连接——而第一台交换机的操作员无法直接接触到第二台上的线路——就需要在两台交换机之间铺设短的连接线，这些连接线被称为转接线或干线。为使任意两台简单交换机之间都能建立连接，需从每台交换机向其他所有交换机铺设一组转接线。

在这种交换机中，某台交换机上的操作员可以自行完成其所在交换机上任意两条线路之间的连接。但如果需要连接的线路位于另一台交换机上，那么该操作员就会使用通往那台交换机的转接线，再由那台交换机上的操作员来完成连接，如此一来，两位用户的线路便通过转接线实现了连接。因此，这种转接式交换机在运作方式上具有明显的特点。

在交换机系统中，接线员往往无法独自完成连接工作，通常需要两名接线员共同操作。

目前，转接系统已不再被广泛使用——对于那些规模过大、超出简单交换机处理能力的电话交换系统而言，多路交换机几乎已经完全取代了转接系统。不过，在那些设有多个分机的手动电话交换系统中，由于需要在不同的中心局之间建立连接，因此仍然存在类似转接系统中所用的干线连接的需求。显然，为了在 해당地区提供全面的通信服务，一个中心局的线路必须与另一个中心局的线路相连。为此，人们会使用局间干线；当某个局的操作员接到来自另一局用户的通话请求时，她不会直接将呼叫方的线路与被叫用户的线路相连（因为该线路不在她的控制范围内），而是通过干线将呼叫方线路连接到被叫用户所在局的线路上。之后，她会通过所谓的指令电路将这一连接需求告知另一局的操作员。随后，通过连接两局之间的干线，即可完成被叫用户线路与呼叫方线路之间的连接。

在这种系统中，每个局的多路交换机都被分为两个部分，分别称为A板和B板。除后续章节会提到的例外情况外，这两个板上都配备了足够数量的接口，用于连接所有进入该局的线路。A板上配有被称为A类操作员的员工，他们负责接听所有终端位于该局的用户的来电。对于同一局内的通话，他们可以自行完成连接，无需其他操作员的协助。而针对其他局的用户来电，则需要通过前述的干线进行连接，这些干线始终终止于该局的B板上。因此，B类操作员就是那些负责接收通过干线传来的通话，并将其与目标用户的线路相连的操作员。

为了更具体地定义这些术语，A板是一种多路交换机，某个办公区域的用户线路都接入到这种交换机上。因此，A板常被称为用户端交换机，而负责操作该交换机并接听用户来电的接线员则被称为A类接线员或用户端接线员。B板则是用于连接来自同一交换局内其他办公区域的进线端点的交换机。这类交换机通常被称为进线总线交换机，简称总线交换机，而负责操作这些交换机并接收其他A类接线员指令的接线员则被称为B类接线员或进线总线接线员。

那些专门供接线员使用、用于在接线员之间传递指令的电路——比如A类接线员向另一台交换机上的B类接线员下达连接指令——被称为呼叫电路或指令传输电路。

有时，总线线路的设计使得可以在其任意一端发起通话。而在其他情况下，连接两个办公区域的一组总线线路仅用于单向通信，而连接同一两个办公区域的另一组总线线路则仅用于反向通信。根据总线线路是处理单向还是双向通信，它们分别被称作单向总线或双向总线。那种由同一组总线线路同时处理双向通信的系统被称为单轨系统；而由两组总线线路分别处理双向通信的系统则被称为双轨系统。显然，这种命名方式借鉴了铁路领域的术语。

还有一类手动交换机，被称为收费交换机，也需要加以说明。在同一交换局范围内，一个人拨打另一个人的电话时，通常会按每月固定费用或每次通话的固定费用来计费，而且一般不考虑通话时长。而如果通话是在交换局范围之外进行的，即涉及不同的交换局，那么费用则通常是根据通话时间来计算的。

会使用长途线路来建立连接。这类通话及其后续对话的收费标准远高于普通本地通话，具体费用取决于相关站点之间的距离。长途线路与本地线路之间的连接通常由专门处理长途通话的接线员来完成，他们要么使用安装在本地交换机上的特殊设备，要么使用独立的交换机。用于处理长途或付费通话的这类设备通常被称为付费交换机。

它们与本地交换机的区别在于：(a) 它们为更少数量的线路服务；(b) 它们具备相应的功能，使得付费通话的接线员能够在最少依赖本地接线员协助的情况下完成连接；(c) 它们还具备记录通话双方身份以及通话时间的功能，从而能够向正确的用户收取相应费用。

第二十一章 简单磁电交换机

定义。如前所述，那些专为与磁电电话配合使用而设计的交换机被称为磁电交换机。这类交换机上的信号装置属于电磁设备，能够响应用户端磁电发电机产生的电流。由于磁电电话通常配备有本地电池，因此磁电交换机无需负责为用户端提供通话所需的电流。正因如此，磁电交换机常被称为本地电池交换机，这与那些专为向连接的用户端提供通话电流而设计的公共电池交换机形成区别。

在本章及下一章的标题中，“简单”一词指的是那些适用于线路数量极少的交换机——这类交换机仅需一名或极少数的操作员即可进行管理；每条线路只有一个连接端子，而且所有这些端子都在操作员的直接操作范围内，如果有多名操作员的话。在讨论转接交换机和多路交换机时，这一区别会更为明显。

工作原理。任何简单手动交换机的工作流程可简要概括如下：希望建立通话连接的用户会向中心局发送信号，操作员看到该信号后便与主叫线路建立连接，并与主叫用户进行电话沟通以了解其需求；随后操作员再与被叫用户的线路建立连接，并向该线路发送振铃电流，从而让被叫用户的电话铃响起；之后两名用户便可以通过已建立的线路进行交谈。当通话结束后，其中一方或双方都可以向中心局发送信号以断开连接，这种信号被称为……

清零信号：一旦收到清零信号，操作员就会断开两条线路，并将所有与该连接相关的交换机设备恢复到正常状态。

组成部件。在进一步探讨手动交换机的运作原理之前，先简要了解一下构成交换机的各个组件较为合适。

线路信号。在磁力式交换机中，线路信号几乎总是以电磁指示器或开关的形式出现。它由一个可接入线路电路中的电磁铁构成，该电磁铁的衔铁用于控制一个锁扣；在电磁铁未通电时，该锁扣可使开关或挡板保持抬起状态，而当电磁铁通电时，则会释放开关或挡板，从而让信号得以显示。图233展示了这种电磁开关的符号表示。

图233. 开关符号
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插孔与插头。每条线路都配有以开关插座形式存在的连接端子。这类端子的形态多种多样，但本质上都是一个圆柱形开口，开口内部设有一个或多个弹簧触点。该开口用于容纳插头，而插头则具有一个或多个金属端子，这些端子用于连接插头所连接的软线中的导线。当插头插入插孔后，插头上的触点会与插孔中的某些触点相接，从而使连接在插孔触点上的线路导线与连接在插头触点上的软线导线相连。通常情况下，当插头插入时，插孔中的某些弹簧触点还会与其他触点相接或断开，以此来建立或切断辅助电路。

图234. 弹簧夹具
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图234中展示了弹簧夹具的简单结构。图235则显示了与图234中的夹具相配合的插头的剖面图。图236中为插头插入夹具后的状态。夹具的圆柱形部分通常被称为套筒或衬套，它一般构成夹具的一个主要触点；而另一个主要触点则由弹簧构成，由于该弹簧与插头的末端相接触，因此被称为尖端弹簧。尖端弹簧通常会与另一个触点相接触，这个触点可被称为砧座。当插头如图236所示插入夹具时，尖端弹簧就会脱离与砧座的接触，从而切断通过它的电路。需要明白的是，弹簧夹具并不一定只有三个触点，插头也不一定只有两个触点。有时插头会有三个甚至更多的触点，而与之对应的夹具则不仅有与插头各触点相对应的触点弹簧，还有多个辅助触点，这些辅助触点的通断状态会随着插头是否插入夹具而改变。图237展示了插头和夹具的符号表示形式。这些符号用于电路图的表示中，旨在以简洁的方式呈现插头和夹具的基本结构及其工作原理。当然，这些符号也可以根据所代表的插头和夹具的具体特点进行适当修改。

图235. 插头
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图236. 插头与插座
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图237. 插座与插头符号
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按键。手动交换机中的其他重要元件就是振铃键和听音键。操作员可通过这些装置来控制总机发电机或电话机与连接线路之间的通断关系。图238展示了简单型振铃键和听音键的结构。它由两组弹簧组成，一组有四个弹簧，另一组有六个弹簧，每组中的弹簧在安装点处是相互绝缘的。其中，振铃键组中的两个弹簧1和2比其他弹簧更长，它们在正常位置时可与内侧的弹簧3和4相接，在被推动到另一位置时则可与外侧的弹簧5和6相接。这些弹簧的移动是由安装在操作杆上的凸轮驱动的，操作员通过操作该操作杆来控制凸轮的动作。当操作杆向某一方向移动时，凸轮会迫使弹簧1和2分开，从而使它们不再与弹簧3和4相接，而与弹簧5和6相接。

图238. 振铃键与听音键

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另一组弹簧构成了听音键的开关元件，其工作原理与振铃键的弹簧非常相似，不同之处在于它们没有像3和4那样的一对内部弹簧。因此，两根长弹簧7和8通常不会与任何物体接触，但当按键杆被按下，迫使凸轮位于这两根弹簧之间时，它们就会与外部的一对弹簧9和10相接合。

图239. 振铃键与听音键的符号
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振铃键与听音键的设计与结构有多种形式。不过总体而言，它们的功能都与图238中所展示的装置所具备的开关功能相同。图239中展示了易于理解的振铃键与听音键的符号；为便于示意，通常会省略那个作用于两根长弹簧的凸轮部件。在理解这些符号时，可以知道：对于振铃键来说，这两根长弯曲弹簧通常会与一对内部触点接触；而对于听音键来说，则不会与任何物体接触。当按键被操作时，这两根弹簧会分开，从而与原本处于断开状态的外部一对触点相接合。

线路与电缆设备。交换机中与用户线路相关的部件被称为线路设备；在磁电机交换机中，这类设备包括线路插头、插座以及将它们正确连接起来的相关接线。

线路电路。交换机中与连接线路相关的部件——包括一对插头以及与之相连的电线、振铃键、听音键和清除杂音的功能装置——被称为线缆设备。由一对插头和电线及其相关装置构成的完整电路则称为线路电路。为使交换机能够同时实现多对线路之间的连接，就需要设置多个线路电路，其数量取决于一天中业务最繁忙时的通信量。

操作员设备。那些不属于线路或线路电路本身的设备，但可根据需要与它们中的任意一个配合使用的部分，被称为操作员设备。这类设备包括操作员的发射器和接收器、感应线圈、电池连接装置，以及为使其与其他设备协调工作而必需的接线和其他相关部件。另一类也不属于线路或线路电路的设备是呼叫电流发生器。它可以是整个办公场所共用的，也可以为每个操作员的位置单独配备。

详细操作流程。基于上述概述，我们现在可以更详细地探讨以磁电机交换机为核心的电话系统的各种操作流程。为此，最好先分析相关的电路结构，而不必过分关注设备的具体细节。

接下来要介绍的这些图示展示了磁电机交换机的操作周期，几乎所有类型的这种交换机都遵循类似的原理。图中所示的设备均为符号化表示，这些符号仅用于表明设备的类型，而非该类别中的具体型号。

线路的正常状态。图240展示了一条普通磁电机线路的电路结构。位于左侧的用户端设备是一台普通的桥式电话机，不过也可以将其视为串式电话机。用户端通过一条金属导线与中心局相连，这条导线的其中一端连接到电话插座的弹簧1上，另一端则连接到插座的套管或衬套2上。通常情况下，弹簧1是处于静止状态的。

插孔中的第三个触点，即砧座3。其结构设计为：当插头插入时，该弹簧会被插头抬起，从而与砧座3断开接触。当然，与这个插孔相配的插头有两个触点，分别称为尖端和套筒；尖端与尖端弹簧1接触，而套筒则与套筒或套管2接触。

图240. 线路的正常状态
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线路信号与砧座3之间是永久性连接的。因此，在正常情况下，线路信号会形成通路，从而能够接收用户发送的信号电流。不过，当插头插入插孔后，线路与信号源之间的这种连接就会被切断。

在这种线路的正常状态下，中心局端的接收装置随时准备接收来自用户的信号，而变电站端的发信装置也随时准备在用户操作开关后立即接入线路电路。同样，变电站端的响铃装置——也就是用于接收呼叫的装置——也始终处于在线状态，以便能够响应中心局发出的任何呼叫信号。在这种线路正常状态下，用户的通话设备则通过开关被隔离在电路之外。

用户发起呼叫时。图241展示了变电站内的用户在拨打电话时的线路状态。当用户操作发信装置时，控制该装置与线路连接的两个弹簧会相互接合，从而使发信装置产生的电流能够通过线路传输出去。中心局的情况也是如此。

图240所示的情况，只不过此处电话听筒处于关闭状态，以此表示有来电。

图241. 主叫方拨打电话
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接线员接听电话。接下来的步骤就是由接线员接听该电话，如图242所示。主叫方已松开电话机的操作手柄，因此电话机便自动从电路中断开。同时，他还将电话听筒从挂钩上取下，从而使自己的通话设备接入线路电路。而接线员则将插头Pa插入插座中。这一操作使得弹簧1从砧座3上抬起，从而切断了通过电话听筒的电路；同时，通过电线电路的导体，线路电路得以保持连通。这样，线路的上半部分通过弹簧1的尖端与插头上的尖端4相连接，进而与电线电路中的导线6相连；同样，线路的下半部分则通过插座中的套管触点2与插头Pa的触点5相连接，进而与电线电路中的导线7相连。接线员还按下了监听键L.K.，这样一来，弹簧8和9便与砧座10和11相接触，从而将她的电话听筒与感应线圈的次级绕组通过电线电路中的导线6和7连接起来。在她的电话听筒的次级绕组旁边，还有一个包含发射器、电池以及感应线圈初级绕组的初级电路。现在，主叫方已经可以与接线员进行对话了，对话内容通常是接线员询问“请报号码”，而主叫方则给出所需电话线的号码。在图242中所示的插头Pc和振铃键R.K.在此过程中并未被使用。用于切断电路的装置C.O.则永久性地连接在电线电路的导线6和7之间。

目前该装置没有功能；由于其电阻和阻抗值很高，因此不会对信号传输产生任何不良影响。

图242. 操作员接听电话
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此处可以说明的是，一对插头中，通常将其中一个称为接听插头，另一个称为呼叫插头。正如图242所示，操作员在接听电话时总是使用接听插头。而呼叫插头则用于与被叫用户的线路建立连接。在接听电话期间，呼叫插头处于闲置状态，只有在被叫用户发出通话请求后才会被启用，此时它便用于与被叫用户建立连接。

图243. 操作员发起呼叫
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现在我们来探讨操作员是如何向被叫用户发起呼叫的。这一操作所需的条件如图243所示。操作员在收到被叫用户的呼叫请求后，会将呼叫插头Pc插入被叫用户所在线路的插孔中。这一操作会立即将该线路的两端与线路中的6号和7号导线相连。

如前所述，该电路不仅能够建立通话连接，还能消除被叫方的线路阻降。图中显示，接线员已按下监听键L.K.并松开振铃键R.K.。这样一来，来自总机发电机的振铃电流就会通过两个振铃键弹簧12和13，流向主叫插头的触点，然后再到达插座的触点弹簧1以及套筒或指环2，最终传送到通往分机的金属线路的两端，并通过电话铃实现信号传递。这样就能使被叫方的电话铃响起。之后接线员会松开振铃键，使得该键的两个弹簧12和13再次与各自的触点14和15接通，从而使电缆电路中的两根导线6和7从应答插头的触点连接到主叫插头的触点，从而为两方用户之间的通话创造条件。

图244. 进行通话的用户
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当用户开始通话时，要实现双方之间的完整通话功能，还有一点必不可少：被叫方必须将听筒从挂钩上取下，而他会在接到呼叫后立即这么做。图244展示了双方通话时的电路状态。可以看出，主叫线路的两根导线分别与被叫线路的两根导线通过电缆电路相连，而接线员的听筒和总机发电机则分别因监听键和振铃键的作用而被切断。同样，两条线路的阻降也被消除，总机电路中仅剩下跨接在电缆电路上的清除线C.O.。与各连接点处的振铃装置类似，这些装置在处于桥接状态时也会跨接在电路上，但其电阻和阻抗极高，几乎不会为信号传递提供通路。

线路中会存在从一侧流向另一侧的波动电流。例如，主叫方设备产生的波动电流会通过感应线圈转化为交流电，这些交流电会在该设备的感应线圈次级绕组中流动。假设有一股电流流过主叫方设备感应线圈的次级绕组，它会通过线路的上半部分传送到中心局中对应线路的插孔的弹簧1；再从接听插头的触点4传送到电话线的导体6上；接着通过构成振铃键一边的触点14和12，回到主叫插头的触点4；随后到达被叫用户线路插孔的弹簧1；再通过该用户的电话机以及感应线圈的次级绕组，传送到上方的开关触点之一；接着通过挂钩杠杆传送到线路的下半部分，最终返回中心局，再经过插孔的触点2和插头的触点5；之后通过另一对振铃键触点13和15，再通过电话线的导线7，分别到达接听插头和插孔的触点5和触点2；最后通过主叫用户线路的下半部分，回到其设备上的挂钩杠杆；再通过该挂钩的上方触点，回到感应线圈的次级绕组——也就是电流的起始点。

图245. 清除信号
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显然，当被叫用户与主叫用户通话时，电流也会沿着相同的路径流动。这样，接线员随时都可以按下监听键L.K.，将两部电话连接起来，从而聆听对话，或在必要时与任意一方通话。

结束通话。在对话结束时，任一或双方用户都可以在挂断听筒后通过启动其发电机来发送结束通话信号。这一情况如图245所示。在通话期间，中心局的设备位置与图244中的完全相同，只不过此时用于结束通话的遮板已经放下。两名用户已挂断听筒，从而关闭了他们的通话设备，同时启动发电机以发送结束通话信号。接到这一信号后，操作员会拔下呼叫端和被叫端的插头，使它们恢复到正常位置，从而使两条线路恢复到图240所示的正常状态。这些线路又会重新与各自的线路相连，以便接收后续的呼叫；而各分站中的呼叫发电机则因为与之相连的自动开关触点断开而不再接入线路电路中。

操作原理。上述操作流程虽是以磁电机交换机为具体示例进行描述的，但稍加修改后也适用于几乎所有手动交换机的操作。在更先进的类型的手动交换机中，某些功能会由系统自动完成，同时还会增加一些在简单交换机中并不需要的功能。不过，几乎所有手动交换机的基本操作方式都是一样的，因此学习者应充分了解简单交换机的操作原理及电路结构，以此作为理解后面那些更为复杂、也更难理解的交换机的基础。

商用型交换机。最早的交换机。现在我们来谈谈商用型的交换机设备，首先需要了解的是磁电机线路信号或装置。早期形式的交换机装置大多采用双线圈磁电机，其磁芯的前端通过铁制轭片连接在一起，而电枢则位于两个磁芯后端的对面，并可绕轴转动。电枢上还连有一根锁杆，该锁杆向前延伸至设备前端，用来抵住铰接式遮板的上边缘，从而在需要时将遮板保持在抬起或未显示的状态。

这种电枢结构不会产生磁吸效应。西电公司生产的此类降磁装置如图246所示。

图246：传统式降磁装置
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串扰问题：这类降磁装置仅适用于空间不是重要考虑因素的小型配电盘，而且即便如此，也只有在通话时将该降磁装置完全从电路中断开的情况下才能使用。之所以有这样的要求，是因为磁铁的绕组周围没有磁屏蔽装置，也无法防止某个磁铁中的电流产生的杂散磁场通过感应影响其他电路中的磁铁绕组。因此，除非将这类降磁装置完全从电路中断开，否则很可能会在相邻电路之间产生串扰。此外，这种结构的降磁装置在空间利用方面也不够高效——两个线圈并排放置，所需空间几乎是那种采用单个磁铁线圈的降磁装置的两倍。

管状降磁装置：对于那些在通话时可以轻易从电路中断开的线路降磁装置来说，串扰问题并不严重。但有时，线路降磁装置以及用于消除干扰的降磁装置必须保持与通话电路的连接状态。出于空间利用效率以及避免串扰的考虑，人们发明了所谓的管状或铁壳式降磁装置，其剖面图如图247所示。这种装置是由西电公司的E.P. Warner先生在多年前设计的，此后经过改进后已成为几乎所有制造企业的标准产品。该装置只有一个绕线架，而这个绕线架则被包裹在柔软的挪威铁壳中。

铁制部件的前端是封闭的，并如所示与磁芯的末端相连，从而为线圈中产生的磁力线形成完整的返回路径。外壳与磁芯的后端都在同一平面上被切断，而电枢则被设计成能够几乎完全封闭外壳的这一端。电枢上有一根杆子，它贯穿整个外壳长度，延伸到结构的前部，在那里与可转动的遮板的上边缘相接；当电枢产生吸引力使锁扣松开时，该遮板就会下降，从而露出其后的目标物。

图247. 管状式滴形元件
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图248. 管状式滴形元件串
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这些滴形元件可以单独安装在开关面板上，但更常见的做法是将它们以5个或10个一组的形式安装。凯洛格开关面板及配件公司生产的5个一组的产品如图248所示。用于安装这些元件的前部面板通常由黄铜或钢制成，并镀有铜层，其重量足够大，能够为安装在其上的所有元件提供稳固的支撑。这种结构不仅便于开关面板的组装，还能节省空间——显然，在开关面板上需要节省的正是由垂直和水平尺寸所决定的空间。这类仅包含一个线圈的管状式滴形元件，可以很容易地以1英寸的间距进行垂直或水平安装。有时甚至还会使用更小的间距。

大于此尺寸的装置则无法实现这种结构。不过，这种构造方式的最大优点在于能够完全避免相邻两个部件之间的串扰。磁场被严格限制在外壳材料内部，因此几乎不存在杂散磁场；即便将两个这样的部件置于不同的电路中，且它们彼此紧邻安装，也不会产生任何串扰。

夜间报警装置：当开关板上的部件下落时，产生的噪音很小。而在白天，由于操作员需要持续在控制台前工作，这些部件发出的视觉信号就足以吸引操作员的注意。然而，在规模较小的交换机系统中，往往难以在夜间或其他相对空闲的时间段保持有操作员在控制台旁，但此时仍需处理传入的电话。为此，就需要除了视觉信号之外的其他警示方式，而所谓的夜间报警装置正是为满足这一需求而设计的。它实际上是一种通过部件下落时关闭一对触点来接通普通振动铃或蜂鸣器电路的装置，该装置会持续发声，直到部件恢复到正常位置为止。图249中的1和2所示即为这类触点。夜间报警触点有多种形式，其中一些将在讨论其他类型的部件时提及。

图249：带有夜间报警触点的部件
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插孔的安装方式：与部件类似，插孔虽然也常常单独安装，但更多情况下是以条形形式安装的。图250展示了一个单独安装的插孔，而图251则展示了一条包含十个插孔的条形装置。在这种条形插孔装置中，用于支撑各个插孔金属部件的支架通常由经过黄铜加固的硬橡胶制成，以此确保足够的强度。不同制造商会采用多种形式的支架，而这些支架在开关机框架中的固定方式则各不相同。

千斤顶条端的黄铜耳环可用于与螺丝相接，这些螺丝则插入铁制框架的固定部分；有时也会在框架中安装销钉，再通过螺母将千斤顶固定在这些销钉的螺纹端上。

图250. 单个千斤顶
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图251. 千斤顶条
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千斤顶与插孔的连接方式。在交换机中布置插孔和千斤顶有两种常见方法。一种是将所有千斤顶集中放置在操作员前方面板的下部，而所有插孔则集中放置在千斤顶组的上方。另一种则是将每个千斤顶都设置在与其对应的同一路线的插孔旁边，这样操作员就能立即注意到需要插入插头的千斤顶。后一种方法相比前一种具有诸多优势。当所有插孔集中在一处、千斤顶集中在另一处时，操作员看到有插孔掉下来后必须先在心中记住这一情况，然后再从千斤顶组中找出对应的千斤顶。而如果千斤顶与插孔彼此紧邻，则插孔掉下来的瞬间就能立刻吸引操作员的注意，无需额外思考。

将插孔与千斤顶直接关联在一起还有另一个优点——它能使插孔与其对应的千斤顶之间形成机械上的联动关系。

那种在将插头插入插座以实现连接时，能自动且机械地使拨号杆恢复到上升位置的插座，被称为自复位型插座。由于拨号杆与插座在结构上通常是一体化的，因此它们也常被称为组合式拨号杆与插座。

手动复位与自动复位……关于拨号杆是采用手动复位还是自动复位，人们存在诸多不同意见。有些人认为自动复位并无优势，因为操作员在接到来电用户的指令或处理其他工作时，有足够的时间手动将拨号杆复位。持这种观点的人认为，只有当交换机前端空间不足，导致拨号杆位于操作员难以触及的位置时，才需要自动复位功能。这就引出了后面将会提到的电驱动复位方式。

另一些人则认为，即便拨号杆位于操作员容易触及的位置，让操作员不必承担复位的工作也是有益的。他们指出，虽然在实际工作中有时操作员可以在不干扰其他工作的情况下手动复位拨号杆，但这种要求会占用她的注意力，造成不必要的负担，而这些精力本可以用于实际的连接工作。

直到最近，各贝尔电话公司在其小型交换机系统中仍采用手动复位方式，而大多数所谓的独立运营公司则采用自动自复位型插座。

自动复位的方法。实现拨号杆自动复位有两种常见方法。第一种是机械式方法，即利用插座或插头在插入时的某个活动部件，将拨号杆机械地推回其复位位置。这通常意味着要将拨号杆与相应的插座设计成相邻安装的结构，而这又往往会导致拨号杆与插座形成一体化的结构。

杰克式。第二种是电气驱动方式，即插头插入插座后会控制一个复位电路，该电路包含电池或其他能源以及位于下方的复位线圈。当插头插入插座后，这个辅助电路就会被接通，从而为复位磁铁提供能量，磁铁的衔铁会将快门拉回其初始位置。每当需要将装置安装在操作员难以触及的位置时，贝尔电话公司就会采用这种方式；其他情况下则不会使用。

机械式——与插头的直接接触。一种常用的机械复位方法曾被西部电话建设公司成功应用，其原理是将快门悬挂在这样一种位置：它会在立即落到插座前方，这样操作员若想用插头接入插座，就必须直接将插头压在快门上，以此使其恢复到正常或抬起的状态。在这种结构中，复位磁铁的线圈直接安装在插座后方，而由衔铁控制的锁杆则向前延伸，与插座平行，直至快门处——如前所述，快门就是悬挂在插座正前方的。这样一来，电路板正面的空间利用效率非常高，而且这类组合式的装置是以大约1英寸的间距安装的，因此100个这样的装置所占的空间仅略大于10平方英寸。

美国电气电话公司采用的改进方案则是将装置直接安装在插座上方，这样当快门处于关闭状态时，它会位于插座开口的正上方。插头上有一个环状结构，当它插入插座时，会与快门底部的凸轮相接，从而通过机械力将快门推回抬起状态。

如今，这两种复位方式——也就是通过快门或其部分与插头或其部分的直接接触来实现复位——已不再像过去那样被广泛使用。人们发现，在磁力开关系统中，并没有必要像以前那样将快门直接悬挂在装置前方以获得极高的紧凑性，后来的发展也体现了这一趋势。

多年来，人们一直在努力让这种组合式升降装置在结构上更加完善，为此不得不牺牲开关面板上的一些空间。

图252. 凯洛格型升降装置
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凯洛格型：一种被广泛使用的机械修复方案，就是凯洛格开关设备公司生产的米勒型升降装置所采用的那种。其工作原理可通过图252来理解。该图展示了这种组合式升降装置在三种不同状态下的样子。该升降装置由框架B和空心螺丝A组成，其中空心螺丝A起到套筒的作用，其外部带有螺纹，可用于固定框架B的前端。该升降装置安装在黄铜安装条C的下部，但与安装条之间有绝缘处理。如图252下方所示，该升降装置的弹簧末端通常会向下弯曲，以便与插头的末端相接，之后还会继续延伸形成部分D，这部分D会穿过安装板C上的孔洞。在正常状态下，该弹簧末端会抵靠在另一个弹簧上，而那个弹簧则是升降装置绕组的一个端子。

而信号指示器则呈管状，其遮板则安装在安装条C的前面，位置正好在部分D的正上方。

尖端弹簧的作用。因此，当插头插入插座时，尖端弹簧的向上作用力会迫使该部件回到其初始位置，如图中的下侧视图所示。这类部件通常以五个一组的形式安装，如图253所示。

图253：Kellogg型插头与插座组件
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西方电气公司的产品：为满足专业用户的需求，西方电气公司最近推出了这种组合式的插头与插座装置。它与其他产品的不同之处在于采用了球形部件作为开关，而非普通的平面开关。图254展示了该装置的三种不同状态。在正常情况下，通过安装板上的孔，可以看到黑色的表面；而构成开关的球体是失衡的，当电磁铁将其推开时，球体会落到图254中间的位置，此时操作员看到的就是红色表面而非黑色表面。当操作员插入插头时，插头会带动S形杠杆的下端，进而使球体恢复到正常位置。图255展示了这种组合式信号装置及插座的透视图。

在最近设计的用于磁电机系统的插头与插座中，一个备受重视的特点便是能够方便地拆下线圈以便维修。上文所述的西方电气公司产品就具备这一特点：只需拧下一颗螺丝，即可取出线圈，而不会影响到其他部件或连接部分。线圈的绕组末端位于线轴前端的两个突起上，这些突起会与外壳内部的弹簧夹相接，从而确保线圈能够正确固定。

只需将线圈插入外壳中，其连接就会自动完成。

图254. 西部电气式的插头与插座
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图255. 西部电气式的插头与插座
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迪恩型：——迪恩电气公司生产的这种插头与插座组合如图256和257所示。这两幅透视图展示了该插头与插座的整体结构，以及如何将磁线圈从外壳中抽出。可以看出，磁铁绕制在空心芯上，而该空心芯则可滑动地套在铁芯之上；即便线圈被抽出，铁芯仍会始终固定在外壳中。

图258展示了该组合中所使用的插座的结构细节，从中可以看出，用于实现插头复位的弹簧并不存在。

并非指那个顶针弹簧本身，而是位于其上方、与它绝缘且通过机械方式与其相连的另一个弹簧。

图256. Dean型下降装置与千斤顶
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图257. Dean型下降装置与千斤顶
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图258. Dean型千斤顶的细节结构
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Monarch型：另一种组合式下降装置与千斤顶来自芝加哥的Monarch电话制造公司，其结构如图259所示的剖面图。它与常规类型的不同之处在于……

电枢安装在电磁铁的前端，其锁臂在上升时可将快门保持在正常位置，而当电枢产生的吸力使锁臂下降时，则会释放快门。如图所示，在磁铁的芯部有一个可调节的螺旋弹簧，该弹簧会向前推压电枢，而当电枢被磁铁吸引时，这个弹簧会被压缩。夜间报警触点位于支撑快门的装置正下方，该装置由一个弹簧构成，当快门下落时，该弹簧会与快门上的凸耳相接，并将快门向上压向固定触点。在这种情况下，恢复快门原位的办法是使用一个弯曲的辅助弹簧，当插入插头使弹簧复位时，该弹簧就会带动快门回到原来的位置。

图259. Monarch型快门装置及插头
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代码信号传输。在那些用户有时会拨打同一线路上的其他用户的电话，有时又会拨打总机以连接至另一条线路的情况下，总机操作员往往难以判断来电是打给自己的还是线路上的其他用户。在这种线路中，自然会采用代码铃声机制，而在大多数情况下，操作员区分来电是自己还是线路上的其他用户的唯一方法，就是听快门装置发出的响声。对于Monarch型快门装置而言，通过调节电枢上的弹簧张力，就可以确保无论线路长短，电枢都能对交变铃声产生合适的响应。

图260. 代码信号装置
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Monarch公司还提供了另一种在交换机上进行代码信号传输的方式。在某些情况下，会使用如图260所示的专用装置，通过该装置可将代码信号重复传递到夜间报警铃上。这种装置实际上是一种安装在交换机上的特殊部件，它由一个轻质、扁平的弹簧组成，该弹簧与电枢相连，构成局部电路的一侧；电路的另一侧则连接到一个安装在交换机框架上的装置上，该装置上有一个螺丝，其铂金尖端则作为另一个接触点，从而可以实现精确调整。在螺丝与弹簧接触的位置，还有一个铂金铆钉。当操作员并不始终在岗时，这种代码信号装置相比传统的交换机信号解读方式具有优势，因为它能让人们从远处听到代码信号。当然，为交换机电枢添加弹簧触点会使得结构更加复杂，同时也可能降低交换机的灵敏度，这些都是需要权衡的缺点。

图261. 组合式落闸与铃声装置
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对于非常长的线路，采用组合式落闸与铃声装置来通过落闸动作发出信号是最理想的方案；不过这样一来，插入插头后机械装置对快门的复位功能所带来的优势就会丧失。图261展示的就是由Dean Electric Company生产的此类装置。该装置使用了普通的极性铃声装置，此外，其拨动杆上还装有一个锁扣，当铃声响起时，该锁扣会被振动而释放快门，从而同时产生视觉与听觉信号。

在电气方面，关于落闸装置的电气复位机制，可参考图262。该图以侧视图展示了贝尔公司所使用的、由Western Electric Company制造的电气复位式落闸装置。在此装置中，线圈1为线路线圈，它通过作用在电枢2上，使锁扣杠杆3上升，其原理与普通管状落闸装置相同。不过，锁扣杠杆3的作用是释放另一个电枢4，而非快门。该电枢4的下端固定在装置中与电枢2相对的位置，一旦被释放就会向外下落，进而抬起遮光快门5。该装置的复位线圈标为6，当其通电时，会吸引电枢4，使其回到锁扣杠杆3的卡槽下方，同时让快门5恢复到正常位置。要闭合复位电路，需将线圈6与本地电池以及插座中的触点相连；这些触点在正常状态下是断开的，但当插头插入插座时，它们会被接通，从而使复位线圈通电，进而实现快门的复位。

图262. 电恢复式插头
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图263展示了这种西电公司生产的电恢复式插头的透视图；关于这一功能的更详细说明可见于磁力多路开关板的介绍中，因为该插头主要就是用于此类开关板中的。此处提及它是为了完整介绍所有用于通过插入插头来实现百叶窗自动恢复功能的方案。

图263. 电恢复式插头
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开关板插头。图264以及图235展示了通常用于简单磁力开关板中的那种插头。其触点部分一般由黄铜制成，与一根细钢棒相连；这根钢棒贯穿插头中部，并在插头后端附近与电缆的触点连接器相接。这根钢芯通过硬橡胶衬套与插头的外壳严格隔开，各部件被紧密压合在一起。当然，插头的外壳则构成了插头的另一根导体，即所谓的套管触点。在插头后端还装有一个由坚固纤维材料制成的手柄，该手柄不仅可以封闭因切割插头外壳而形成的开口，还能保护触点连接器不受损坏。

图264. 开关板插头
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电缆连接方式：插头壳体的后端通常会加工出一个与开关板电缆外层大小相当的孔洞，该孔洞内设有粗大的内螺纹，如图所示。电缆通过拧入这些螺纹中来实现固定，由于黄铜制成的螺纹足够粗大且内径较小，因此能够确保电缆的外层编织部分与插头之间形成非常牢固的机械连接。电缆的尖端导体与插头的尖端则通过一个小螺丝实现连接；而插头的套管导体则是在拧入插头主体之前，先将其弯曲并覆盖在电缆的外层编织部分上，这样就能使电缆的套管导体与插头主体的内侧金属表面实现良好的电接触。

开关板电缆：为制造出可靠且耐用的开关板电缆，人们付出了大量努力。尽管已经取得了很大进步，但手动开关板的电缆仍然是最容易出问题的部件，需要不断维护和修理。虽然不同制造商生产的电缆并不完全相同，但这里仍可以介绍几种常用且性能良好的电缆结构。

同轴导体结构：有一种电缆的结构是：首先用双股坚固的锁式绳线作为核心，再在其外层包裹亚麻编织层；接着将由铜丝制成的尖端导体编织上去；之后再覆盖两层反向缠绕的蚕丝；随后是厚实的棉质编织层，最外层则是亚麻编织层。同样由铜丝制成的套管导体则被编织在这些结构之上，之后再覆盖两层反向缠绕的蚕丝，最后再以棉质编织层加以保护，最外层则是厚实的亚麻编织层。

经过处理的棉质编织绳。电线的插头端有12到18英寸长的部分采用亚麻或经过处理的棉质材料再次编织以增强强度，整个电线还经过熔化的蜂蜡处理，从而具备防潮和耐用的特性。

图265. 开关板用电线
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钢制螺旋导体。另一种广为使用的电线类型中，其两个导体是由两层同心的钢丝螺旋结构构成的，而金属丝之间的编织结构则进一步提升了导电性。图265清晰地展示了这种电线的结构。从右侧开始，依次为：锁式编织绳、亚麻编织层（其中混有金属丝），接着是内层的螺旋钢丝结构、柞蚕丝编织层、亚麻编织层、松散的金属丝编织层，再向外则是圆形螺旋钢丝构成的外导体、棉质编织层，最外层则是亚麻或经过处理的棉质编织层。内层的金属丝编织层与螺旋钢丝共同构成导线部分，而外层的编织层与螺旋钢丝则共同构成绝缘层。电线的插头端也有约14英寸长的部分通过亚麻编织来增强强度。使用金属丝的目的是降低主钢导体的电阻。这些构成导线和绝缘层的钢丝结构具有极高的灵活性，同时还能确保电线所受的任何应力都作用于绝缘编织层上，而非本身无法抵抗拉伸应力的螺旋钢丝上。

平行金属丝导体。另一种常见的双导体开关板用电线的制造方式如下：其中一个导体是由厚实的铜制金属丝制成的，外层包裹着一层海岛棉，这样可以防止金属丝断裂或形成结点，进而避免与其他导体发生短路。在这层外层之上还有柞蚕丝编织层以及棉质外层编织层，这样的设计既具备了良好的绝缘性能，又具有较高的强度。另一个导体则是未经绝缘处理的铜制金属丝，它与上述经过三层绝缘处理的导体平行布置。

在这两根导体周围，环绕着螺旋状的黄铜弹簧线，其外层则覆盖着紧密且坚固的玻璃棉编织层。与其它部件一样，插头端也有一层额外的编织层作为加固。

振铃键与听音键。关于振铃键的基本原理之前已经介绍过。振铃键大致分为两种类型：一种采用水平弹簧，另一种则采用垂直弹簧。

图266. 水平弹簧式听音键与振铃键
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水平弹簧型。除了某些单线或四线系统的按键外，大多数电话制造公司都采用水平弹簧型结构。西电公司的水平弹簧式振铃键结构如图266所示。在该按键中，有两个凸轮杠杆，它们分别控制三组弹簧。左侧的凸轮杠杆根据被推动的方向来控制普通的振铃和听音弹簧组。在单线系统中，使用左侧的凸轮杠杆；而在双线系统中，左侧杠杆用于让第一方听到铃声，而右侧的振铃键则用于让另一方听到铃声。

为了让操作员能够知道自己在双线系统中拨打了哪个号码，该按键上还设有一个由杠杆2支撑的小标记1。这个标记会根据其所处的位置显示黑色或白色背景。杠杆2通过连杆3与其它部件相连。

另外还有带有两个控制杆的型号，根据最后被拨到触发位置的杆的不同，目标装置就会移动到不同的位置。可以看出，这些弹簧是水平安装且位于边缘位置的。这种边缘安装方式的好处在于便于检查触点状况，同时也能避免灰尘在触点间积聚。如图所示，每个开关杆的下端都有一个由绝缘材料制成的滚轮，当该滚轮被压在任意一组两根长弹簧之间时，就能迫使这两根弹簧分开，并使其与各自对应的外侧弹簧相接合。

图267. 垂直弹簧式拨号与监听键
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垂直弹簧型：另一种采用垂直弹簧的拨号与监听键类型，被各种独立制造公司广泛使用。图267展示了一个很好的例子，该图以局部正视图和剖面图的形式展示了Monarch公司生产的双键装置。从其结构即可明白其工作原理：在此图中，右侧按键的右侧那组弹簧属于监听键的弹簧，而左侧那组弹簧则属于拨号键的弹簧。左侧按键的左侧那组弹簧可能用于应答插件上的回拨键，而左侧按键的右侧那组弹簧则可能用于其他特殊用途。显然，这些弹簧组可以以不同的方式组合在一起。

可根据需要进行组合或部分省略。凯洛格公司和迪恩公司也生产这种类型的按键，其中凯洛格公司的产品如图268所示的透视图。这类按键在防尘方面与水平排列式的按键具有相同的优点；虽然其触点不太容易检查，但优点在于结构更为简单，且在按键架上占用的水平空间更少。

图268. 垂直式听音及拨号按键
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图269. 四方通话式听音及拨号按键
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多方通话拨号按键。对于多方通话拨号而言，按键的设计会变得稍微复杂一些。通常，其布置方式如下：

每个呼叫插头都配有若干按键，这些按键的排列方式是根据该插头的电路结构来设计的，这样一来，如果采用极性系统，就能输出正确方向的电流；如果采用谐波系统，则能输出正确频率的电流；而如果采用逐次或断续发送信号的系统，则能输出正确次数的脉冲。不同的排列组合方式数不胜数，此处我们仅以一种适用于谐波振铃的四键线路振铃键为例进行说明。图269展示的是Kellogg公司的线路监听及振铃键。除了常规的监听键外，该键还配有四个按钮式按键，每当按下这些按键时，就会切断该按键背后的连接，同时将相应的呼叫发生器与呼叫插头相连。

自指示按键。在线路振铃功能中，一个令人头疼的问题是：有时需要对同一线路进行第二次或第三次呼叫，因为被呼叫方可能不会在第一次呼叫时就回应。操作员并不总能记住自己第一次按下的是与目标方相连的四个按键中的哪一个，因此当需要再次呼叫时，就有可能按错按键。图269所示的按键采用了非常巧妙的设计来解决这个问题——当某个按键被完全按下并释放后，它不会立即回到初始位置，而是会保持略微按下的状态。这一状态能够为操作员提供提示，告诉她上一次按下的是哪个按键；在需要再次呼叫时，她只需按下那个仍然略微按下的按键即可。如果在下一次呼叫时需要按下另一个按键，那么上一次仍保持略微按下状态的按键将会释放，而完全按下的那个按键则将继续保持按下状态作为指示。

这类按键——即上次使用的按键会留下相应指示的按键——被称为指示型振铃键。在其他设计中，指示功能则是通过让按键杆移动一个小标记来实现的，这个标记会一直处于可见状态，直到同一组中的另一个按键被按下为止。图266所示的按键就是这种类型的示例。

注：关于自动响铃及其他特殊响铃方式的问题，将在本书的相应章节中加以阐述。不过在此处无需讨论，因为简单交换机并不采用这些功能。

接线员的电话设备：至于接线员使用的通话设备，即发射器和接收器，其实与用于其他用途的同类设备并无区别。由于重量轻且体积小，表壳式接收器几乎总是被用于接线员的工作中。它通过头带固定在接线员的耳朵上，这样她的双手就可以保持自由状态。

接线员使用的发射器本身与用户使用的发射器并无不同，但其固定方式有所不同，目前主要有两种做法。一种是通过柔软的导电绳将发射器悬挂起来，从而可以调整其垂直位置，图270便展示了这种设计。另一种越来越受欢迎的做法是将发射器安装在一个轻质支架上，该支架通过柔软的带子固定在接线员的颈部，同时还会配备一个胸托，使发射器能够始终位于合适的位置以接收她的声音。为便于使用，通常会采用长而弯曲的送话器，如图47所示。

图270. 操作员发射器的悬挂装置
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接入插孔：对于那种需要由操作员随身携带的装置而言，如果使用的是悬挂式发射器，则只需将接收器连接到该插孔上；而如果使用的是胸牌式发射器，则则需要同时将接收器和发射器都连接到该插孔上。连接在插孔上的柔性电缆则与装置相连。至于那些固定安装在交换机柜内的操作员通话电路部分，则会连接到一种称为“操作员接入插孔”的装置上。这种插孔通常安装在交换机柜的前部导轨上，位于按键架的正下方。图271展示了这种接入插孔，它实际上是一种经过特殊设计的弹簧插孔，用于连接操作员发射器或接收器所使用的短而粗的插头。通过这种设计，操作员可以在需要工作时轻松地连接或断开自己随身携带的通话装置，而在工作结束后则可以将其取下。图272展示了完整的操作员电话设备，以及操作员随身携带的那些部件，还有与之相配的接入插头。

图271. 操作员接入插孔
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图272. 操作员通话装置
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完整交换机的电路结构。现在我们可以来探讨一个完整的简单磁电机交换机的电路结构。图273所示即为典型示例。在详细说明之前，有必要告知读者：这种电路表示方式是用于展示任何交换机完整电路的常用方法。通常会画出两条用户线路，它们将各自的用户终端与中心局中的两套不同线路设备相连。这些线路设备的插孔和信号端会被设置成相对的位置，以便清晰地显示它们之间的连接关系。

这些元件可以通过电缆电路来连接。电缆电路中的各个元件也是分散布置的，因此它们所处的相对位置与实际使用中的位置并不一致。换句话说，必须记住：在电路图中，为了清晰地展示电路连接关系，各元件的相对位置会被忽略。不过这并不意味着就一定无法让这些元件以某种方式体现出它们的相对位置，如图273所示，电话听筒被标示在电话插孔的正上方，而这正是它们在实际使用中的位置。

图273. 简单磁力开关板的电路图
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鉴于前面已经对图240至245进行过说明，关于这个电路也就无需再多说了。从这里所展示的变电站电路可以看出，通话装置是按常规方式布置的；而振铃器和发电机则如此设置：当发电机工作时，振铃器会与电路断开，而发电机则接入电路；当发电机处于停止状态时，振铃器则接入电路，而发电机则与电路断开。

在各种情况下，线路都连接到电话插孔的触点上；在电话插孔处于正常状态时，线路中的导线是相互连接的。而恢复导线连接的方式则是……

从示意图中可以明显看出，当操作员插入插头时，电路会断开。该线路结构与之前讨论过的相同，不同之处在于这里配备了两个振铃键：一个与主叫插头相连，这是常规做法；另一个则与被叫插头相连，这种设计是为了让操作员在需要时能够直接给主叫方回电，而无需更换插头。这两个振铃键的外侧触点分别与振铃发生器的端子相连，一旦按下任意一个键，需要振铃的插头与线路其余部分的连接就会被切断，此时振铃发生器则会与该插头的端子相连。至于听音键和通话装置，则无需额外解释——显然，当按下这些键时，用户的电话设备就会通过线路与另一方的电话设备相连。

图274. 夜间报警电路
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夜间报警电路。图273中所展示的电路虽然被称为完整电路，但实际上并非如此，因为其中并未显示夜间报警电路的组成部分。为清楚地说明如何利用单个电池以及铃铛或蜂鸣器来连接多条电话线路，此处参考了图274，该图展示了三条不同电话线路与夜间报警电路之间的连接方式。夜间报警装置由电池1和蜂鸣器组成。

2. 电路中还连接有一个适合手动操作的开关3，该开关与电池及蜂鸣器相连。当不需要夜间警报功能时，该开关会断开电路，从而使警报装置停止工作。在白天需要有人持续值守的时候，通常会让这个开关保持开启状态；而在夜间无需持续值守时，则将开关关闭，这样一旦有物体掉落，就会发出声音信号。每个感应装置上的夜间警报触点4会在遮光板落下时闭合，由于每个感应装置的这两个触点分别连接到夜间警报电路的两端，因此只要有一个遮光板落下，就能满足让蜂鸣器发声的条件——当然，前提是开关3处于闭合状态。

带有继电器的夜间警报装置。过去，由于夜间警报电路在感应触点处的闭合状态不可靠，曾引发了许多问题。一些公司采用了图275所示的电路结构来解决这一问题。他们没有将蜂鸣器直接接入由感应装置闭合的电路中，而是在该电路中加入了继电器5和高压电池6。蜂鸣器以及为其供电的电池则被置于由该继电器控制的独立电路中。参考图275可知，当遮光板落下时，它会通过闭合触点4，形成从电池6经继电器5的电路——当然前提是开关3处于闭合状态——从而触发继电器的动作。继电器随后会通过拉动其电枢，闭合连接蜂鸣器2与电池7的电路，进而使蜂鸣器发出声音。

图275. 带有继电器的夜间警报电路
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与直接驱动蜂鸣器的方法相比，这种方法的优点在于：如图274所示，当快门落下时，若夜间报警触点存在任何缺陷，那么高压电池6的电流流动几乎不会因此受到阻碍，而低压电池1的电流流动则很可能会受到影响。这是因为较高的电压更有可能击穿那些极薄的绝缘层，而这些绝缘层可能是由微小的灰尘或氧化物颗粒在本应闭合的触点之间形成的。通常，电池6会使用输出约20或24伏特电压的干电池，而用于驱动蜂鸣器本身的则会是两节电池，输出约3伏特电压。

夜间报警触点。如图274和275所示，如果从字面意义上理解，夜间报警触点4似乎意味着快门本身构成了电路的一个端子，而快门落下的那个触点则构成另一个端子。但实际上，这种方式并不可靠，这些图示只是为了方便地以图形方式表达这一概念而已。实际上，夜间报警触点是通过让快门压在一个弹簧上，从而使该弹簧与另一个弹簧或触点相接触来实现的，如图249所示。在这种方式中，快门仅作为机械装置，用来使一个弹簧压向另一个弹簧，快门本身并不构成电路的一部分。之所以不让快门本身充当电路的端子，是因为这样一来，电路连接就必须通过快门所铰接的轴来实现。这显然不是好办法，因为快门必须能够自由移动，而松动的连接显然不利于形成良好的电接触。

接地电路与金属电路线路。在接地电路仍是主流而非例外情况的时期，许多开关板都是为接地电路而设计的，因此无法用于金属电路线路。这类接地电路开关板在插头和插座上各只有一个触点，电缆也只有一根导线连接两个插头。按键同样也是单触点式而非双触点式。

操作员的通话线路以及振铃发生器均按照要求连接到电线的单根导线与地线之间。

带接地电路的交换机实际上已经不再被使用，虽然可能还有少数在役，但目前已不再生产。其原因在于：尽管仍有许多系统采用接地电路，但几乎不存在没有金属电路线路的地方；而带接地电路的交换机无法用于金属电路线路，不过金属电路交换机则可以同样很好地处理金属电路或接地电路线路，并能轻松实现两者之间的连接。这一点可以通过图276、图277和图278来了解。

图276：金属电路线路之间的连接
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图277：接地电路线路之间的连接
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两条相同类型线路之间的连接。在图276中，展示的是通过同一根磁电机电缆线路来连接两条金属电路线路的情况；在图277中，则是同样的电缆线路用于连接两条接地电路线路。在这种情况下，当插头插入后，左侧线路的导线1会一直延伸到应答插头的尖端，再通过电缆线路的尖端导线连接到呼叫插头的尖端，随后到达右侧插座的弹簧部分，最终连接到该线路的单根导线上。整个套管部分……

一旦将插头插入此类线路的插座中，电缆电路就会与地线相连。因此，当插头插入插座后，插头的绝缘层触点以及电缆的绝缘层导体会通过插座中绝缘层导体的永久性接地连接而与地线相连。这样一来，当使用金属电路交换机的电缆电路来连接两个已接地的电路时，电缆的芯线便成为连接这两条导体的纽带，而电缆的绝缘层则仅用于为断路器的一侧、操作员电话机的一侧以及振铃发生器在相应按键被按下时的那一侧提供接地功能。

不同类型线路之间的连接。图278展示了如何利用相同的电缆电路及相同的线路设备，将一条接地的线路与一条金属电路线路连接起来。图中左侧为金属电路线路，右侧为接地线路。当两个插头分别插入相应的插座后，左侧金属电路线路的右侧导体将通过电缆电路的芯线与右侧接地线路的线路导体相连。而金属电路线路的左侧导体则会与地线相连，因为它会通过电缆电路的绝缘层导体与呼叫插头的绝缘层触点相连，再进而与接地线路插座的绝缘层触点相连，而该绝缘层触点显然是与地线相连的。在这种情况下，两条相连线路之间的通话路径如下：从左侧的用户终端出发，经过金属电路线路的右侧分支，再通过电缆电路的芯线触点及芯线，到达接地电路线路的单根导线，随后进入该线路的变电站，并通过那里的通话设备最终回到地线。从右侧用户终端返回的信号路径则是通过地线回到中心局的接地点，然后再经过接地线路插座的绝缘层触点，通过电缆电路的绝缘层导体，到达金属电路线路插座的绝缘层触点，最后通过金属电路线路的左侧分支回到用户终端。

图278. 不同类型线路之间的连接方式
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将金属电路线路与接地线路相连的更好方法，是使用带有重复线圈的特殊电缆电路，如图279所示。这种电缆电路与之前展示的电路并无不同，不同之处在于它还包含一个重复线圈，该线圈用于将接收端与发送端在电气上隔开。显然，任何通过与接收端插头相连的线路流动的电流都会经过该线圈的1号和2号绕组，从而在3号和4号绕组中产生相应的电流，而这些电流又会通过与发送端插头相连的线路流出去。当以这种方式将接地电路与金属电路相连时，就不会有电流流入金属电路，因此金属电路的平衡状态得以保持。

如果频繁地让金属电路的一侧接地，就会使其失去平衡，进而产生噪声，也就是说，除了用于传输语音的电流之外，还会有其他电流在电路中流动。

图279. 通过重复线圈实现不同类型线路的连接
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可转换型电缆电路。从图279可以看出，这就引出了所谓可转换型电缆电路的概念。一些需要同时处理金属电路和接地电路的交换机，都配备了此类电缆电路。

操作员可以随时将这种电路从图276所示的普通类型转换为图279所示的类型。其优势从以下分析中便可显而易见：当有电话打入时，无论该线路是接地的还是金属制的，操作员都无法确定需要使用哪种类型的线路来接听电话。因此，她会用任意一个接听插头将该线路接入，然后以常规方式完成连接。如果来电的线路与发起通话的线路属于同一类型，她就会将转换键调整到能使线路中的导体直接相连的位置；而如果来电线路与发起通话的线路类型不同，她则会将转换键调整到能接入重复线圈的位置。通过观察图280可以看出：当通常被称为“重复线圈键”的转换键处于某一位置时，线路中的导体会被直接连通，而重复线圈的两个绕组则处于断开状态；当该键被调整到另一位置时，线路中接听端与呼叫端之间的连接就会被切断，同时重复线圈会被接入，从而实现与图279所示相同的电路效果。

图280. 可转换型线路电路
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关于线路电路的考虑——简单的桥式结构。在磁力开关台中，线路电路的问题值得高度重视。就通话需求而言，那种在两根导线之间设置桥接元件的普通型线路电路几乎适用于所有情况，除非是接地线路与金属线路相连的情况，在这种情况下，加入重复线圈会带来一些好处。

图281. 桥式挂断电路
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但从信号传输的角度来看，这种类型的线路电路在某些条件下存在一些缺陷。为简化对此类电路及其他相关问题的讨论，我们将参考一些省略了振铃键、听音键以及通话装置的示意图。图281展示的是常规的桥式挂断电路结构，这也是之前已作为标准类型介绍过的那种结构。在日常使用中，它还算可以。不过，当不同长度的线路以及各种类型的变电站设备相互连接时，就会出现一些问题。例如，如果将一条较长的桥式线路与该电路的一端相连，而另一端则连接一条带有低阻抗串联振铃器的短线路，那么长线路上的交换机就可能会因为通过短线路及低阻抗振铃器而形成的低阻抗旁路，而难以正常实现挂断功能。换句话说，挂断信号会被这条低阻抗线路及振铃器所分流，因此来自远处交换机的微弱电流不足以驱动挂断装置，从而导致其无法正常工作。随着各种群线选择式信号系统的出现，以及这些系统与磁电交换机的结合使用，这类线路电路又出现了新的问题。如果将两部普通的磁电电话连接到该电路的两端，那么很明显，当其中一名用户挂断电话后，另一名用户的电话也很可能会响起铃声，即便挂断功能本身运作正常；无论如何，都不应让另一名用户的电话响起，因为他可能会误以为有人正在呼叫他。然而，当通过此类电路将群线连接到装有桥式设备的普通线路时，就会出现由铃声带来的问题。

这种情况会变得更加严重。当磁电机线路上的用户启动其发电机以发送清除信号时，很可能会使另一条线路上的某些铃铛响起，而这显然是一种不良现象。即便在对方线路上使用的是谐波铃铛，这种情况也有可能发生——因为磁电机线路上的用户在启动发电机的过程中，可能会在某个特定时刻产生与对方线路上某颗铃铛的频率相吻合的信号，从而导致该铃铛响起。因此，显然需要一种能够防止信号串扰的电路结构。

为了解决图281所示电路中的信号串扰问题，一种方法就是使用阻值极低的清除电阻，使其几乎相当于短路，从而阻止振荡电流传到另一条线路上去。不过，这种方法并不可取，因为为了有效分流振荡电流而选择的低阻值电阻，也会导致电话信号传输质量下降。

图282. 串联式电阻电路
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另一种电路类型是串联式电阻电路，斯托姆伯格-卡尔森电话制造公司曾广泛使用这种设计，如图282所示。在这种电路中，清除电阻并未被并联，而是串联在线路的通话端，同时通过电容器进行分流。该清除电阻的阻值为1,000欧姆，电容器的容量则为2微法。显然，这种连接方式仍然存在信号串扰的问题，因为清除电流必须流经那些没有发送清除信号的电话设备所在的电路。此外，这种设计还有另一个缺点：用户必须通过两条线路的总电阻来传递信号，而一旦出现故障……

另一条线路恰好是通的，因此不会收到断开信号。虽然这种电路不太可能像另一种电路那样导致用户无法发送断开信号、从而处于持续连接状态，但它仍然能够实现通话接通，因为如果不让电流流经另一位用户的设备，就无法断开连接。

图283：Dean型非环通电路
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非环通类型：图283展示了一种早期的非环通电路设计，这种设计曾是Dean电气公司的标准配置。该电路在电路的两端各使用了一个1微法拉的电容器。断开用电阻器的阻值为500欧姆，它连接在话筒导线的接收端与听筒导线的发送端之间。这样一来，任何用于断开的电流在流经中心局时都至少会经过其中一个电容器以及那个断开用电阻器。为了让电流能够继续流过中心局，就必须让电流依次流经这两个电容器。这种设计的优点在于，无论连接线路的状态如何，都能确保成功断开连接。显然，即使线路发生短路，由于与短路线路串联的1微法拉电容器具有较高的有效阻值，来自另一条线路的振铃电流仍会被迫流经那个断开用电阻器。此外，如果连接线路处于断开状态，断开信号也能被正常接收，因为断开用电阻器仍然直接位于电路中。这种设计还能有效防止电流产生环流，因为电流会更容易流经1微法拉电容器和500欧姆的电阻器，而不是流经两个串联的电容器。

图284. Monarch公司的非环形导线电路结构
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图284展示了Monarch公司所采用的非环形导线电路结构。在该系统中，消弧装置包含两个绕组，任意一个绕组均可驱动电枢运转。这两个绕组在导线电路中呈桥式连接，而在两个绕组连接点之间的导线上则串联有一个1/2微法拉的电容。由于该电容的容量较小，因此高频通话电流可以顺利通过而不会受到明显影响；同时它对低频振荡电流具有很高的阻抗，从而防止其沿着导线传播，迫使电流通过线圈的某个绕组。在这种结构中，存在类似变压器的工作模式——其中一个绕组充当初级绕组，另一个则充当次级绕组——但这一特点并未妨碍该装置的正常使用。

图285展示了一种对该结构的改进方案：采用了双绕组消弧装置，并在导线电路中、即消弧装置各绕组连接点之间分别串联了一个1/2微法拉的电容。这种电路能够在各种情况下实现有效的消弧效果，同时也能防止振荡电流的传播，除非是同一磁芯上的两个绕组之间产生的变压器效应所致。

图285. 非环通式电缆电路
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图286所示的电缆电路中，另一种相当巧妙的方法可用于实现有效的断开功能，同时在一定程度上避免不希望出现的环通现象。在该电路中，两个非电感线圈1和2分别串联在线圈的尖端部分与套管部分之间。这两个非电感绕组的中性点之间则连接着信号清除电路。由于这些非电感绕组不具备电感特性，因此只表现出纯欧姆电阻，语音电流可以轻松通过它们。信号清除电路的阻抗则可防止电流从电缆电路的两侧旁路穿过。即便与信号发送端相连的线路出现短路或开路情况，这种电路仍能确保正常的断开功能。如果线路发生短路，信号清除电路中的旁路路径仍然会包含这两个非电感绕组的电阻，因此该电路不会因低阻值路径而出现短路现象。显然，线路的开路状况也不会影响信号清除信号的接收。虽然这是一种巧妙的方案，但并不推荐使用，因为为了在信号传输方面发挥有效作用，这些非电感绕组必须具有较大的电阻值，而这样的电阻值又会串联在通话电路中。即便在通话电路中，只要电阻值较大且存在其他解决问题的方法，也应尽量避免使用非电感电阻。

图286. 具有差分绕组的电话线电路
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双清除型。有些人喜欢在每个电话线电路中设置两个清除装置，其中一个会对与被叫插头相连的线路传来的电流作出反应，而另一个则只会对与主叫插头相连的线路传来的电流作出反应。如图287所示，Dean、Monarch和Kellogg等公司有时会采用这种设计。在电话线电路中并联着两个普通结构的500欧姆清除装置，而在每个清除装置的连接点之间则各有一个1微法拉的电容器。来自被叫插头所在线路的环流会直接通过位于该侧的清除装置，而无需经过任何电容器。而要到达另一个清除装置，环流就必须依次通过这两个串联的1微法拉电容器，这样一来其等效电容值实际上仅为1/2微法拉。众所周知，1/2微法拉的电容器不仅能轻松传输语音信号，还能为环流提供极高的阻抗。通过这种双清除装置，操作员可以判断是哪位用户正在拨出电话。如果两个清除装置都动作了，那就说明两位用户都已发送了清除信号，因此操作员可以直接断开连接，无需像通常那样先听一下看是否有用户仍在等待通话。这种双清除系统类似于那种完整的双灯监控机制，关于这种机制的更多内容将在讨论共用电池电路时详细阐述。不过，在磁电机系统中并不需要这种双重监控机制，因为在磁电机系统中，用户往往忘记挂断电话，而这一行为完全是出于他们的自愿；而在共用电池系统中，则必须进行清除操作。

当用户挂断电话时，信号会自动由电话机发出，从而无需用户刻意操作即可实现预期功能。

图287. 双重隔离式接线器
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另一种双重隔离式接线电路如图288所示。在这种电路中，主叫端与被叫端之间通过重复线圈隔开，且在电路两端的每对绕组之间都接入了1微法容量的电容器。隔离式接线器仍以常规方式安装在主叫线和被叫线之间。该电容器能够防止接线器在振铃电流作用下发生短路，同时让语音电流顺利通过。由于接线器具有高阻抗，语音电流会选择通过重复线圈而非接线器来传输。这种电路的优点在于，与带有重复线圈的接线电路一样，它允许金属线路和接地线路相连，而不会因为接地线路的接入而导致金属电路失衡。

图288. 双重隔离式接线器
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近年来，一些制造商越来越倾向于利用继电器来控制其发出的隔离信号。

这些信号与电话线电路相关，有时是普通的清除装置产生的信号，有时则来自白炽灯。

图289. 由继电器控制的清除装置
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图289展示的是L.M.爱立信电话制造公司所使用的电话线电路。通常会在电话线上安装一个高匝数继电器，该继电器除了具有高电阻、高阻抗的绕组外，还配有低电阻的锁定绕组。当继电器的衔铁被拉起时，就会闭合包括该锁定绕组以及本地电池在内的局部电路。由于有了这个锁定绕组的存在，继电器一旦被拉起就会保持在该状态。另一个由继电器控制的触点则用于闭合线路中另一端的高匝数清除装置，从而实现线路的连接。在用户通话期间，电话线电路通常处于高阻抗状态；但当其中一方挂断电话时，高匝数继电器会动作并锁定，进而使清除装置接通。随后，来自用户设备的信号会驱动该清除装置工作。通过专用钥匙打开继电器的锁定电路，即可使继电器恢复原状，同时让清除装置与电话线电路断开。实际上，这个钥匙就是听音键的一部分，每当操作听音键时，它就会打开继电器的锁定电路。此外，听音键的作用还能使清除装置自动恢复到正常状态，这种连接方式属于机械连接而非电气连接。

召回灯：Monarch公司有时会在其磁电机交换机上配备一种所谓的召回灯，用于配合清除装置使用。其电路结构如图290所示，该清除装置为与图284类似的标准双匝数清除装置。衔铁上装有触点弹簧，可用于闭合某个局部电路。

每当有信号传来时，灯就会亮起。这样做的目的是让那些仍通过有线电路保持连接的用户能够在运营商未能恢复线路连接的情况下联系到中心办公室。

图290. 带有提示灯的有线电路
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灯信号类型。一些制造商倾向于建议在有线电路中使用白炽灯作为信号装置，而非传统的断线信号；在某些磁电机交换机上，他们甚至也主张使用这种灯信号。在大多数情况下，这其实只是一种“装饰性设计”罢了。在那些使用灯信号而非断线信号的磁电机交换机中，人们通常会为每盏灯配备一个锁存继电器，当来自用户端的电流使该继电器动作时，它就会接通电路并锁定状态，从而使灯亮起。

包含灯在内的本地电路或锁存电路是通过相应插孔中的触点来实现的。当用户插入插头以应答呼叫时，这个锁存电路就会断开，从而熄灭灯光并解除继电器的锁定状态。实际上，完全没有理由在磁电机交换机中用灯信号取代传统的断线信号。没有必要为了节省空间而采用灯信号，而且锁存继电器会带来诸多复杂性，此外，对于普通情况而言，也没有必要专门配备用于为灯供电的本地电池。

图291. 具有双灯信号装置的电缆电路
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图291展示了一种适用于磁电机交换机的电缆电路，该电路采用双灯信号来替代传统的断线检测方式。两个高匝数锁定继电器被跨接在电路上，电缆线则通过1微法电容进行分隔。当用户端产生的磁电机电流使任一继电器的高匝数线圈通电时，该继电器就会动作，从而闭合一个包含电池、线圈2、锁定继电器的触点3以及复位键的触点4在内的锁定电路。该电路可从地线开始，经过电池、线圈2、由继电器控制的触点3以及由复位键控制的触点4，最终回到地线。与线圈2一同存在的还有灯泡，只要锁定电路处于闭合状态，灯泡就会发光。按下复位键即可断开任意一个灯泡的锁定电路，从而使灯泡熄灭，同时让锁定继电器恢复到正常状态。

电缆电路中的灯泡与断线检测方式。关于在交换机中使用白炽灯作为信号装置的优点，以及通过共用电池为用户供电的优势，已有大量论述。因此，一些负责管理小型交换机的人倾向于在磁电机交换机中用灯泡取代断线检测装置，以此营造出共用电池供电系统的效果。此外，在本应使用磁电机系统的场合，也出现了采用共用电池系统的倾向，这一错误现已被意识到并得到纠正。在那些适合使用简单磁电机交换机的场合，越简单越好，没有必要使用锁定继电器和灯信号装置，因为它们只会增加复杂性。

交换机组装。将简单磁电机交换机的所有部件组装成一个完整的整体，这是最后需要考虑的步骤。用于安装各部件的结构被称为机柜，通常由木材制成。

机柜的功能。机柜的作用不仅是为各种设备提供支撑，还要保护它们免受灰尘和机械损伤；同时，它还将那些需要操作员操作的部件以最方便的方式摆放在一起，从而使其能够更好地发挥功能。在机柜设计及内部部件布置时还需注意：所有可能出现故障的设备都应便于检查与维修；此外，这些设备的接线方式也应做到系统化且简单，以此降低电路短路、接地或断路的风险，并便于在出现问题时进行快速维修。

壁挂式交换机。最简单的交换机形式是为农村地区的小社区服务的那种。通常，这类社区的电话服务是由沿某条道路居住的农民们先开始建立的——他们互相连接自家房屋中的电话设备。之后，这条线路可能会延伸到村里的商店或中心点，从而使这些农民能够与社区中心保持联系。随后，住在其他道路上的农民也会做同样的事情，将自己的线路连接到同一个商店或中心点。这时，就需要设置某种形式的交换机了，或许可以付给商店主的女儿或妻子一点报酬，让她负责操作该交换机。

图292. 带电话功能的墙壁式交换机
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图292展示了一种非常适合此类服务场景的交换机——在这种场景中，线路数量较少。操作员的通话设备与呼叫设备都集成在普通的磁电机墙壁电话中。交换机则安装在电话旁边，电话的两根线路接线柱通过一对导线与操作员插头的端子相连，该插头就挂在交换机的左侧。所有线路都连接到交换机上的相应接口上，图中共展示了20个这样的接口。在操作员插头旁边，还有几对插头悬挂在交换机柜上。这些插头是成对直接连接的，该结构中没有额外的分离装置或按键。每条线路都配有一个额外的接口，其用途稍后将会说明。

操作流程如下：当某条线路上的用户希望通过交换机进行通话时，他会启动自己的发电机并接通线路。操作员为了与他对话，会将自己电话的插头插入相应的接口中，同时取下听筒。在确认来电者确实是某条线路上的用户之后……

她将插头从主叫线路的插孔中拔出，然后插入被叫线路的插孔中。之后，她挂上听筒，按照特定代码转动发电机的曲柄，从而与该用户建立连接。当该用户接通后，她再将两根线路的插头分别插入对应的插孔中，这样双方就能进行通信了。每条线路所对应的那个额外插孔其实只是一个空插孔，其端子分别与线路的两端相连。每当操作员想要监听两条已连接的线路时，只需将自己的插头插入这些额外插孔之一，便可知道双方是否仍在通话，或者其中一方是否希望建立新的连接。这类交换机中的断路装置通常是高阻抗的，并且始终处于导通状态，以此来清除断路现象。此外，还配备了常规的夜间报警装置，蜂鸣器位于机柜的右上角。

图293. 电话与交换机一体机
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另一种常用于此类服务的交换机如图293所示，电话设备与交换机机柜合二为一。这种交换机的操作方式与图292中的基本相同，只不过它是通过手动方式来恢复线路连接，而非自动恢复；不过这两种类型之间其实并无太大差异。

这类服务所需的材料。对于此类工作，操作员有足够的时间来处理断线的恢复工作。而“断线与重接”相结合的处理方式唯一的优点在于，它能防止操作员忘记恢复断线。不过，当夜间警报装置处于工作状态时，操作员是不太可能忘记这一点的，因为只要断线存在，蜂鸣器或铃声就会持续响起。

图294. 直立式磁力开关柜
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图295. 直立式磁电机交换机——背面视图
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直立式交换机。目前最常见的磁电机交换机类型就是所谓的直立式，其接线端子和插头安装在从水平架子上伸出的直立面板上，而该水平架上则装有插头、按键以及操作员需要使用的其他装置。凯洛格公司生产的这种交换机的正面和背面视图分别见图294和图295。该交换机配有50组接线端子和插头，因此可支持50条用户线路。这些接线端子和插头以每组5个的形式排列在两个面板上。共有10个用于信号输出的接线端子，它们排列在两个面板的底部，位于交换机插头的正上方。此外还有10对电缆与插头，以及相应的拨号键和听音键；插头安装在水平架子的后部，而拨号键和听音键则安装在水平架子前部的铰接部分上。

图296. 接线柱、插孔、插头及按键的布置细节
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图297. 直立式开关板的截面图（局部）
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通过图296中所示的Dean磁电机开关板示意图，可以更清楚地了解接线柱、插孔、插头及按键的布置情况。接线柱的排列方式以及插头和按键的布局也可在该图中看到。

如图所示，开关板上安装插头的部分始终是固定不动的；这些插头配有专用插座，插座上钻有足够大的孔，以便开关板的电线能够从下方穿过。当其中一个插头被抬起时，电线就会通过该孔被拉上来，这样就可以将插头插入任意一个插孔中。

此图所示的按键布局具有很好的参考价值。可以看到，右侧的五对插头配有普通的拨号键和听音键，而左侧的五对插头则配有群呼线路用的拨号键和听音键。在每种情况下，听音键都位于后方，且所有电线对所使用的听音键都是相同的。右侧的五个拨号键的排列方式是：将杠杆向后方按压时，可让被叫方的电话响起；而将杠杆向前按压时，则会让主叫方的电话响起。在图中所示的左侧五对电线上，按下任意一个按键都会使一定频率的信号流过主叫方的电线，该频率取决于所按下的按键。

图298. 电线重量
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从图297中可以清楚地了解在一个完整的简单磁力开关板中，各种组件是如何排列的。虽然此处所示的布局尤其适用于Dean Electric公司的设备，但这种结构依然具有普遍的参考价值，因为它代表了该领域的最佳实践。在图中，带有插头座的固定式插头架以及带铰链的钥匙架都清晰地展示出来。钥匙架的铰链是一个重要特征，这类开关板中普遍都存在这一结构。通过抬起钥匙架，就可以查看通往各个钥匙的接线情况，以及钥匙本身的各种触点。

图299. 磁力开关板，目标信号（局部视图）
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如图所示，从插头引出的电缆向下延伸至柜体底部附近，穿过滑轮重物后，再向上连接到固定的电缆架上。该电缆架上为电缆中的各种导线设置了端子，正是在此处，电缆导线会根据需要与通往设备其他部分的导线相连。图298展示了一种理想的电缆重物结构；显然，这些重物的作用是始终保持电缆处于紧绷状态，避免其缠绕在一起。

图300：磁电机开关板的目标信号后视图。查看完整尺寸的插图。
图297也清晰地展示了通常用于此类磁电机开关板的手动发电机的安装方式。该发电机的轴一直延伸到按键架的前方，那里装有常规的曲柄，操作员可通过该曲柄产生所需的振铃电流。在每个操作员的位置旁，除了最小的型号外，这类磁电机开关板上通常还会配备某种形式的振铃发电机——要么是动力驱动的发电机，要么是由电池电流驱动的换极装置，这样就不需要操作员再费力去产生振铃电流了。

图301：双位置交换机
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如图294和295所示的交换机被称为单位置交换机，因为它们仅能容纳一名操作员。通常情况下，这类交换机可供一名操作员处理100到200条线路，不过这一数值取决于线路的通信量，而通信量又与用户类型以及每条线路上的平均站点数量有关。图299和300展示的是另一种单位置交换机，即西电公司生产的简易磁力交换机的正视图和背视图，该交换机采用该公司特有的信号装置，而非常规的跌落式装置。

当交换机需要处理的线路数量超过一名操作员所能处理的限度时，就需要将交换机柜加宽，以便让多名操作员同时在其前工作。实现这一目的的方法可以是加宽交换机柜，或者像图294和299所示那样将两个这样的交换机单元并排放置。图301和302则展示了双位置交换机单元的正视图和背视图。

图302：双位置开关柜的背面视图
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组合式开关柜。在处理开关柜容量扩展的问题时，所面临的挑战与为图书馆购买书架时的情况十分相似。西电公司针对小型农村交换机解决了这一问题，其方式与那些生产组合式书架的公司解决书架容量扩展问题的方法类似。与组合式书架一样，这种组合式开关柜也可以从最简单的配置开始——一个单独的组合单元——随着需求增加再逐层添加组件，原有的设备仍可在更大的系统中继续使用。

图303. 截面式交换机——壁挂式
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这类交换机在图303至306中有所展示。其安装方式可以是壁挂式或立式：壁挂式交换机安装在固定在墙上的支架上，而立式交换机则安装在桌子上。图303展示了壁挂式交换机的结构。该系统包含三种不同的组件：第一种是包含电线、插头、检测接口、监听插孔、操作员电话机以及发电机的组件；第二种是包含线路设备的组件，其中包括10路磁电信号线及其对应的插孔；第三种则是顶部装饰层，除了用于支撑操作员通话设备的部件外，不包含其他任何设备。

图304. 分体式开关柜——壁挂型
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图303中的第一个单元为其他单元的安装提供了基础。图中展示了两个线路设备单元，它们能够支持总共20条线路的接入。顶部结构则安装在最上方的线路设备单元之上；当开关柜需要扩展更多线路设备时，只需取下顶部结构，将新的线路设备单元放置在现有单元之上，然后再装回顶部结构即可。壁挂型分体式开关柜的设计使得整个结构可以从墙上拆下，如图304所示，这样就可以查看所有的设备和线路状况。如所示，每个分体单元都配有独立的门，这样在添加新的分体单元时，相应的后部设备也可以自动添加进去。在刚才提到的这两种分体式开关柜设计中，并没有设置振铃键和听音键，而操作员使用的电话和发电机则通过特殊的插头连接——即图303中左侧的插头——当操作员想要与已连接的用户通话时，只需将操作员的插头插入与所使用的插头对应的接口中即可。这种设计原理与图292中所描述的完全相同。操作员使用的发电机也是以同样的方式与系统相连的。

左侧的操作员插头：当发电机曲轴转动时，该插头会自动切断操作员的电话线路，同时启动发电机，其作用就如同用户电话系统中的开关一样。

图305. 截面式交换机——台式结构
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图306. 隔离式开关板——台式结构
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图305和306展示了立式隔离式开关板的结构，鉴于前述内容，无需再作解释。只需说明的是，在所展示的这种设备中，使用的是拨号键和听音键，而非壁挂式设备中的插孔与插头结构。同样，其顶部也设有用于支撑可摆动发射器的支架，而非用于支撑发射器与接收器组合体的挂钩。

复习题

关于电话技术的复习题
第11–62页

1. 电话是什么时候由谁发明的？

2. 请说明空气中声速的大小。在密度更大的介质中，声速是否更高？

3. 请列举并定义声音的特性。

4. 画出贝尔最初设计的、不使用永磁体的电磁式电话的示意图。

5. 描述并画出休斯设计的麦克风的结构图。

6. 目前，用于改变发射器阻值的最佳材料是什么？

7. 请说明电磁式发射器与碳式发射器之间的主要区别。

8. 在电话电路中，感应线圈的作用是什么？

9. 描述并画出各种可见信号的形式。

10. 为使电杆之间的间距能够合理控制，硬拉铜线的直径应是多少？

11. 请列举电话线路的四个主要特性。

12. 如果在测试线路时其电容发生变化，那么在接收端和发送端会出现什么现象？

13. 为什么电话电缆要用纸作为绝缘材料？

14. 导体在直流电作用下的表现如何？在交流电作用下又如何？

15. 电感对电话系统有什么影响？

16. 请定义阻抗，并给出其计算公式。

17. 电话电缆的绝缘电阻通常应达到怎样的标准？

18. 如果750英尺长的电缆的绝缘电阻为9,135兆欧，那么7英里1,744英尺长的电缆的绝缘电阻是多少？

19. 10号B型和S型电线的实际通话距离限制是多少？

20. 请描述普平教授将电感引入电话线路的方法。

21. “兆欧”表示什么？

22. 为什么普平设计的线圈在明线系统中效果不佳？

23. 什么是中继器？

24. 请定义“无源干扰”。

25. 请说明人声的频率范围。

26. 在电话设备中，振膜的作用是什么？

27. 哪种发射材料大大提升了语音传输的距离？

28. 请描述测量电话电路的各种方法。

29. 电话通话分为哪两种类型？

30. 一条电话线包含多少根导线？

31. 请给出电容电抗的公式，并说明各符号的含义。

32. 目前有哪些美国城市之间通过地下线路相连？

33. 请列举两种提升电话传输质量的实用方法。

电话相关复习题
第63—141页

1. 当今大多数电话发射机是基于什么基本原理设计的？

2. 请绘制新型西电公司发射机的示意图，并说明其工作原理。

3. 请绘制凯洛格发射机的示意图，并说明其工作原理。

4. 早期颗粒状碳式送话器遇到了哪些问题？又是如何解决这些问题的？

5. 什么因素限制了送话器的载流能力？如何提高这一能力？

6. 在哪种类型的送话器中需要最高的灵敏度？

7. 请给出送话器的常规符号。

8. 请描述电话听筒的结构。

9. 请画出西电公司的听筒示意图，并指出其缺陷。

10. 请绘制凯洛格听筒的示意图。

11. 请描述自动电气公司生产的直流式听筒。

12. 请描述并绘制迪恩听筒的示意图。

13. 请给出听筒的常规符号。

14. 请详细说明：在以锡板和银板作为电极、稀硫酸作为电解质的电池中，电流会在电池内外如何流动。

15. 请解释极化现象。

16. 什么是电池的局部作用？如何防止这种现象？

17. 电池可以分为几类？在电话通信中最常用的是哪一类？

18. 请描述勒克兰谢电池。

19. 请画出并描述一种性能优良的干电池。

20. 请给出电池的常规符号。

21. 请画出并描述发电机并联开关以及发电机接入开关。

22. 如何从磁电机中获得脉冲电流？

23. 请给出磁电机的常规符号。

24. 请画出并描述西电公司的极化式铃铛。

25. 请给出铃铛的常规符号。

26. 挂机开关的作用是什么？

27. 请画出凯洛格式长杠杆挂机开关的示意图，并对其进行描述。

28. 请描述并画出西电公司的短杠杆挂机开关。

29. 指出西电公司与凯洛格开关板供应公司生产的挂钩式开关之间的主要区别。

30. 给出挂钩式开关的常规符号。

电话相关复习题
第143—225页

1. 描述电磁铁及其在电话系统中的功能。

2. 简要画出铁芯式电磁铁的结构图。

3. 什么是差动电磁铁？请画出一种类型并加以描述。

4. 说明用于磁线绝缘的优质搪瓷应具备的特性。

5. 如果你有一圈电阻为115欧姆的23号双棉B.S.导线，现在需要用同样的双棉导线将其重新绕制，使得电阻变为1,070欧姆，那么你应该使用多少根导线？请给出计算过程。

注：23号直流导线的电阻为每立方英寸1.772欧姆；而磁芯部分的电阻为115欧姆。由于线圈所需的电阻为1,070欧姆，是其两倍的9.3倍。因此，每立方英寸的电阻应为1.772×9.3=16.47欧姆，根据表IV，这对应的是29号导线。

6. 什么是阻抗线圈？说明它与电磁铁线圈的区别。

7. 描述不同类型的阻抗线圈。

8. 给出阻抗线圈的常规符号。

9. 感应线圈的主要组成部分有哪些？

10. 感应线圈在电话系统中的功能是什么？

11. 什么是重复线圈？它与感应线圈有何不同？

12. 给出感应线圈和重复线圈的常规符号。

13. 列出各种非感应式电阻器件，并对每种器件进行简要描述。

14. 定义电容器。

15. “电介质”这个词的含义是什么？
16. 请说明您所理解的电介质的特定感应电容。
17. 电容器的容量取决于哪些因素？
18. 在电话系统中，电容器的常用容量是多少？
19. 请给出电容器的常规符号表示。
20. 可以通过哪两种方法为电话发射器供电？
21. 请画出带有金属电路的本地电池站示意图。
22. 请画出与两条线路串联的公共电池电路示意图。
23. 请指出上述电路存在的缺点。
24. 请画出西电公司用于连接公共电池与重复线圈的标准电路结构示意图。
25. 请画出用阻抗线圈连接电池的电路结构示意图，并说明这些线圈的作用。
26. 请绘制带有重复线圈的多线路共源电流供应电路图，并标出语音电流的流动路径。
27. 请列举构成电话机的各个部件。
28. 什么是磁电机电话？
29. 请绘制接收器处于挂机状态的串联磁电机电话电路图，并解释各种电流的流动方式。
30. 请展示Stromberg-Carlson型磁电机桌面电话的电路图，并描述其工作原理。
31. 请画出Stromberg-Carlson型公共电池壁挂式电话的电路示意图。
32. 简要描述微型电话机。
33. 请画出Monarch型公共电池壁挂式电话的电路示意图。

电话技术相关复习题
第227–286页

1. 什么是党线系统？

2. 通常所说的私用线路指的是什么？

3. 在党线系统中存在哪些需要克服的问题？

4. 请说明党线系统的两大类别。

5. 指出串联式系统的缺陷。

6. 画出金属桥接线路的示意图，并展示语音电流的电路图。

7. 什么是信号编码？

8. 对选择性党线系统进行分类，并给出简短定义。

9. 描述基于极性的选择原理，并绘制示意图加以说明。

10. 画出带有继电器的四方站电路图。

11. 描述谐波系统中的调谐过程。

12. 不调谐系统与调谐系统之间有什么区别？

13. 画出凯洛格谐波系统的电路图。

14. 通过示意图说明断线式系统的原理。

15. 农村地区的党线系统在哪些方面不同于城市地区的党线系统？

16. 描述并绘制普尔的锁定系统图。

17. 画出K.B.锁定系统的电路图。

18. 在该系统中，棘轮的作用是什么？

19. 画出罗伯茨系统简化后的电路图。

20. 画出罗伯茨锁存键及其连接方式的示意图，并进行描述。

21. 画出非选择性党线系统中桥接站的电路图。

22. 如何为非选择性党线系统中的六个站点设计信号编码？

23. 在正常情况下，非选择性党线系统中站点数量的上限是多少？

24. 说明针对图172所示的党线极性系统的反对意见。

25. 谐波党线系统有哪些优点？

26. 和声系统通常受限于多少个频率？

27. 对于逐步法在商业上的成功，你能说些什么？

28. 请阐述锁定式线路的工作原理。

29. 在K.B.锁定系统中，为何要在每个站的接收电路中安装电容器？

30. 在通话结束后，罗伯茨线路中的选择继电器是如何恢复到正常位置的？

31. 对罗伯茨系统有哪些反对意见？

电话相关复习题
第287–315页

1. 什么是电气危险？

2. 什么时候雷电带来的危险最小？

3. 电力能产生哪些作用？其中哪种会对财产价值造成更大的危害？

4. 什么情况下某件设备可被称为“自保护型”设备？

5. 为什么电话设备的保护装置在处理大电流时需要比处理小电流时更快地发挥作用？

6. 请说明与电话设备相关的发热危险所带来的普遍问题。

7. 最普遍的电气危险是什么？

8. 请绘制并描述锯齿形避雷器。

9. 请绘制碳块式避雷器的结构图，并说明其优点。

10. 请描述真空避雷器。

11. 请解释为何要在避雷器上串联阻抗。

12. 西部电气公司设计的避雷器中，低熔点合金球的作用是什么？

13. 为什么保险丝不适合作为避雷器？

14. 保险丝的真正作用是什么？

15. 画出云母滑动式保险丝的示意图。

16. 什么是潜流？

17. 画出潜流避雷器的结构图，并说明其原理与工作方式。

18. 请描述热圈的作用。

19. 画出完整的线路保护装置示意图。

20. 保险丝应安装在什么位置？

21. 哪些电线属于裸露电线，哪些不属于？

22. 为什么在集中式电池供电的站点中不需要安装潜流避雷器？

23. 画出贝尔公司广泛使用的、兼具潜流防护与空气间隙防护功能的避雷器的结构图，并说明其工作原理。

24. 请描述自熔型热圈避雷器。

25. 带状保险丝的用途是什么？

26. 什么是泄流圈？

电话相关主题复习题
第317—386页

1. 什么是电话局？

2. 什么是（a）用户线？（b）干线？（c）收费线路？

3. 交换机的作用是什么？

4. 简要描述不同类型的交换机。

5. 手动交换机如何分类？简要说明各种类型。

6. 请定义A类交换机和B类交换机。

7. 什么是通话电路？

8. 收费电话交换机可以处理哪些类型的通话？

9. 请给出挂断符号，并说明其工作原理。

10. 什么是插孔？

11. 请画出插入插孔中的插头的示意图。

12. 请给出插孔和插头的符号。

13. 什么是振铃键和听音键？

14. 请给出振铃键和听音键的符号。

15. 请说明有线电话设备由哪些部分组成。

16. 请逐步说明以磁力交换机作为线路中心的电话系统的各种操作。请绘制必要的图表，并简要说明每一步的操作内容，以证明您理解这些操作。

17. 带有夜间报警功能的挂断装置是基于什么原理工作的？

18. 将插孔与挂断装置结合在一起有什么优点？

19. 请描述米勒式挂断装置及插孔中所采用的机械复位方式。

20. 请描述西电公司生产的挂断装置的电气复位方式。

21. 多方通话时会出现哪些问题？如何解决这些问题？

22. 请绘制简单磁力交换机的完整电路图。

23. 请画出带有继电器的夜间报警电路图。

24. 什么是可转换式有线电路？

25. 在某些条件下，桥接式挂断电路可能会存在哪些缺点？

26. 在磁力交换机系统中，是否有必要在有线电路中安装指示灯？

27. 机柜的功能是什么？

28. 请给出磁力交换系统中使用的立式交换机的截面图。

29. 分段式交换机的作用是什么？

30. 请简要说明分段式交换机的各个主要组成部分。

索引

目录

索引

A
Acousticon发射器 77
声学 19
声音的特性 19
响度 20
音高 20
音色 21
人耳 23
人声 22
声音的传播 19
气隙式避雷器与熔丝式避雷器 304
锌合金 97
避雷器隔板 296
可听信号 39
磁铃 40
电报发声装置 39
电话接收器 43
振动铃 40
Automatic Electric Company公司
直流接收器 85
发射器 72
自动分流器 124

B
条形电磁铁 148
电池驱动的铃铛 115

电池符号 114
布莱克单电极 64
焊接式铃铛 130
折背式振铃器 280
选择性信号传输的虚线法 261, 275

C
容抗 55
碳 31
适应性 31
局限性 33
制备方法 75
优势 32
碳空气间隙避雷器 300
碳块式避雷器 296
发射机的承载能力 76
中心局保护装置 310
声音的特性 19
响度 20
音高 20
音色 21
银氯化物电池 113
闭合电路电池 106
闭合电路阻抗线圈 164
共用电池电话机 217
电容器 178
电容 178
电荷 178
常规符号 184
定义 180
电介质 180
电介质材料 182
功能 184
电流分流方式 185
尺寸 183
相关理论 179
导体的导电性 49
导体及其导电性 49
常规符号 91
库克式空气间隙避雷器 298
避雷器 311
磁电机站的避雷器 313
鸡脚形电池 106
向发射机供电 186
共用电池 188
优点 188

贝尔式变电站配置 192
带阻抗线圈的桥式电池 194
带重复线圈的桥式电池 191
从远处供电 204
通过并联线路供电 200
迪恩式变电站配置 197
带阻抗线圈的双电池 195
凯洛格式变电站配置 198
北电公司系统 199
串联电池 189
串联式变电站配置 190
斯特龙伯格-卡尔森系统 198
从公共电源为多条线路供电 202
重复线圈 202
延迟线圈 204
本地电池 187

D
迪恩
插头与插座 344
接收器 88
墙式电话听筒 137
桌面支架上的挂件 138
凯洛格 140
西电公司产品 138
绝缘体 180
绝缘材料 182
干纸 182
云母 182
差动电磁铁 151
直流接收器 84
排水线圈 315

E
电灯信号 44
电气危害 287
语音的电气再现技术 24
碳 31
将声波转换为膜片振动 21
将振动转换为语音电流 24
将语音电流转换为振动 25
转换过程 26
电容带来的负面影响 36
早期的相关概念 28

静电电话 30
感应线圈 34
磁电机发射器的局限性 29
接触不良原理 27
磁电机电话 26
电话电流的测量 36
电压的变化 30
电阻的变化 30
电信号 39
可听信号 39
磁电机铃 40
电报发声装置 39
电话接收器 43
振动铃 40
可见信号 43
电灯信号 44
电磁信号 43
电极 75
电极的排列方式 63
碳材料的制备 75
多极电极 65
单极电极 64
电解 315
利用电磁方法测量电话电流 37
电磁信号 43
电磁铁与感应线圈 143, 171
常规符号 171
差动电磁铁 151
电枢的运动方向 151
磁力线方向 146
电磁铁 143
低阻值电路 147
马蹄形结构 147
铁壳结构 149
特殊马蹄形结构 150
阻抗线圈 163
铁材的种类 164
线圈匝数 103
不同类型的线圈：闭合回路线圈 164、开路线圈 164、环形线圈 165、感应线圈 165
电流与电压的比例 166
线圈的设计 166
线圈的功能 166
线圈的用途与优势 167
磁线 153
搪瓷 156
丝绸和棉花绝缘材料 155

空间利用率 156
导线规格 154
磁通量 144
磁化曲线 145
磁化力 143
机械结构细节 152
磁导率 144
磁阻 147
重复线圈 168
绕组方法 158
绕组计算 162
绕组数据 159
绕组端子 159
静电电容 50
单位 52
静电电话 30
搪瓷 156

F
五杆发电机 123
富勒电池 109

G
伽尔瓦尼 92
发电机电枢 119
发电机合闸开关 125
发电机并联开关 124
发电机符号 127
颗粒状碳 66
重力电池 106

H
手持式接收器 90
谐波选择性信号传输法 248
优点 258
电路结构 257
调谐系统 253
局限性 258
原理 248
调谐过程 250
欠调谐系统 250
头戴式接收器 90

加热线圈306
霍尔策-卡博特避雷器300
钩式开关132
自动操作功能133
触点材料135
设计结构134
桌面支架用挂钩138
凯洛格公司140
西电公司138
用途132
符号表示141
壁挂电话用挂钩135
迪恩公司137
凯洛格公司135
西电公司136
马蹄形电磁铁148
人耳23
人声22

I
阻抗线圈163
铁的类型164
匝数163
相关符号165
分类：闭环型164、开环型164、环形165
电感与电容的关系56
感应线圈34、165
电流与电压的比例166
设计结构166
功能166
应用及优势167
电感中性现象174
电感抗55
导体的绝缘处理56
电话技术简介11
铁芯电磁铁149
铁丝镇流器177

K
凯洛格公司
气隙避雷器299

书桌电话架挂钩 140
升降装置 342
接收器 83
铃音装置 129
发射器 70
壁挂式电话挂钩 135

L
拉朗德电池 112
灯丝 176
勒克兰谢电池 99
楞次定律 54
线路信号 325
力线及其方向 146
励磁线圈 59
锁定式群线系统 263
虚线法 275
工作原理 282
普尔系统 264
逐步式系统 267
声音的响度 20
低磁阻电路 147
马蹄形结构 147
铁壳结构 149

M
磁通量 144
磁化曲线 145
磁化力 143
磁电机铃 40, 115
磁电机操作员 116
磁电机信号装置 115
电枢 119
自动分流装置 124
电池驱动的铃 115
发电机符号 127
磁电机铃 115
磁电机发电机 116
信号传输方法 115
极化式铃音装置 128
脉动电流 126
铃音装置符号 131
相关理论 117
磁电机交换机 324

自动恢复功能 341
机械式恢复功能 341
Dean型 344
Kellogg型 342
Monarch型 345
Western Electric型 313
完整交换机的电路结构 356
编码信号传输方式 346
商用型插孔与接口 335
早期设计的插孔 335
插孔的安装方式 338
手动恢复与自动恢复的比较 340
连接方法 339
夜间报警功能 338
管状式插孔 336
各组成部分 325
插孔与插座 325
按键 327
线路与电缆设备 328
线路信号 325
操作员专用设备 328
电缆与电路的相关考虑因素 364
双重清除型 368
灯光信号型 371
非环通型 366
串联式插孔型 366
简单桥接式插孔型 364
定义 324
电气恢复功能 347
接地式及金属电路线路 360
工作模式 324
夜间报警电路 358
详细操作流程 328
清除功能 335
操作的基本要点 335
线路的正常状态 329
操作员接听电话 330
操作员拨打电话 332
用户拨打电话 330
用户之间通话 333
操作员的电话设备 354
插入式插孔 355
振铃键与听音键 351
水平弹簧式结构 351
多方通话振铃键 353
自指示按键 354
垂直弹簧式结构 352
交换机组装结构 373
机柜的功能 373
分体式交换机 384

立式交换机 376
壁挂式交换机 373
交换机电缆 349
同心导体 350
平行排列的导体 351
钢制螺旋导体 350
交换机插头 348
磁电电话 26
磁电电话机 209
云母片电阻 174
云母片熔断器 302
微型电话机 223
Monarch型接口 345
Monarch型接收器 86
Monarch型发射器 73
多电极结构 65
互感现象 54

N
非感应式电阻器件 172
感应中性状态 174
防止过热措施 174
温度系数 172
不同类型：差动绕组单元 175、铁丝镇流器 177、灯丝 176、云母片单元 174
非选择性群线系统 227
桥接连接方式 230
其局限性 235
串联连接方式 229
信号编码 233

O
开路电池 99
开路阻抗线圈 164
操作员用接收器 90

P
发射器的包装 75
磁导率 144

20度倾角
多普勒原理 20
隔膜的振动 21
选择性信号传输的极化方法 239
细胞的极化现象 96
偏振式振铃器 41, 128
铜焊钟 130
凯洛格公司 129
西电公司 128
普尔锁定系统 264
原电池 92
常规符号 114
串联与并联连接 98
简单伏打电池 92
电路类型：闭合电路 106，富勒电池 109
重力作用 106
拉朗德电池 112
防止电流泄漏的措施 106
装置安装 108
开路电路 99
勒克兰谢电池 99
标准型号 113
银氯化物 113
声音的传播 19
防护措施 294
防止高电压危害 294
空气间隙避雷器 295
碳材料的优点 296
市售产品种类 297
连续电弧现象 300
间隙间的放电现象 295
碳材料之间的灰尘问题 296
阻抗的概念 299
金属电极 300
真空避雷器 299
防止潜流危害 304
加热线圈 306
潜流避雷器 305
防止强电流危害 301
保险丝 301
封闭式结构 302
云母材料 301
正确的功能表现 301
中心局防护装置 310
自熔式加热线圈 310
潜流避雷器与空气间隙避雷器 310
城市交换机的相关要求 314
完整的线路保护措施 306

电解 315
用户端保护装置 312
带状保险丝 313
脉冲电流换向器 127

R
接收机 80
Dean型接收机 88
直流电 84
早期型号 80
Kellogg型接收机 83
现代型号 81
Monarch型接收机 86
操作员用接收机 90
单极型接收机 81
符号表示法 91
Western Electric公司生产的接收机 82
磁阻 147
重复线圈 168
带状保险丝 313
振铃信号符号 131
振铃与监听键 327
Robert型锁存继电器 276
Robert型自清洁避雷器 297
卷绕式电容器 182

S
锯齿形避雷器 296
选择性群线系统 238
折线法 261
分类：折线系统 239、谐波系统 238、极性系统 238、逐步系统 239；谐波法 248、极性法 239、逐步法 259
自感 54
信号编码 235
信号传输方法 115
丝绸与棉花绝缘材料 155
单电极 64
单极型接收机 81

潜流扼流器 305
实背式发射机 66
声音
特性 19
响度 20
音高 20
音色 21
标准电池 113
逐步锁定系统 67
逐步选择信号发送方法 259
用户端保护装置 312
交换机电缆 349
交换机插头 348
交换机发射机 79
符号
电池 114
电容器 184
发电机 127
钩形开关 141
阻抗线圈 165
感应线圈 171
接收机 91
重复线圈 171
铃响装置 131
拨号与监听键 327
发射机 79

表格
电容器参数 184
铜线 151
含18%德国银的导线 174
含30%德国银的导线 175
不同电解环境下的金属行为 95
信号编码 235
比电感容量 181
温度系数 172
传输距离的限制因素 57
绝缘导线的绕制参数 160
串联差动电磁铁 152
电报发声装置 30
电话电流的测量 36
电磁法 37
热学法 37
电话交换机的特点 317
不同区域 318
用户线路 318

交换机 319
收费电话线 318
干线电话线 318
电话线路 47
导体的导电性 49
静电容量 50
电路的电感 54
电感与电容的关系 56
导体的绝缘性能 56
信号传输 60
电话机 207
电话机的分类 208
共用电池式电话机 208
磁电机式电话机 208
壁挂式及桌面式电话机 208
共用电池式电话机 217
桌面式电话机 220
酒店用电话机 219
壁挂式电话机 219
磁电机式电话机 209
电路类型：桥式电路 215、串联电路 212、桌面式电路 211、壁挂式电路 209
温度系数 172
测量电话电流的热学方法 37
音色 21
环形阻抗线圈 165
环形重复线圈 170
提高信号传输质量的方法 60
发射器 63
声电转换装置 77
Automatic Electric Company公司 72
承载能力 76
传统电路图 79
电极 75
电极的排列方式 63
多电极结构 65
单电极结构 64
颗粒状碳材料 66
Kellogg公司产品 70
相关材料 63
Monarch公司产品 73
包装方式 75
灵敏度 77
交换机 79
符号表示法 79
可变电阻器 63

西电型实心背板发射机66
U
调谐不良的铃音装置252
V
真空避雷器299
可变电阻63
振动式铃铛40
可见信号43
电灯44
电磁信号43
伏打92
伏打电池92
锌汞合金97
电势差94
局部作用96
极化现象96
相关理论93
W
壁挂式电话听筒135
Dean品牌听筒137
Kellogg品牌听筒135
西电品牌听筒136
西电品牌的空气间隙避雷器298
桌面式听筒支架138
插头与插座343
接收器82
铃音装置128
实心背板式发射机66
基站用避雷器313
壁挂式电话听筒136
White品牌发射机66
电线规格154

*** 古腾堡电子书项目《电话与电报百科全书》第1卷结束 ***

后续更新的版本将取代旧版本，旧版本将会被重新命名。

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1.E.4. 不得从该作品中删除或剥离完整的Project Gutenberg许可证条款，也不得从包含该作品部分内容或与Project Gutenberg相关的其他文件中删除这些条款。

1.E.5. 在未显著显示1.E.1段中所规定的内容、也未提供可直接访问完整Project Gutenberg许可证条款的链接的情况下，不得复制、展示、表演、分发或再分发该电子作品或其任何部分。

1.E.6. 可以将该作品转换为各种二进制格式、压缩格式、标记格式、非专有格式或专有格式进行分发，包括各种文字处理格式或超文本格式。但是，如果以不同于“纯ASCII格式”或Project Gutenberg官方网站（www.gutenberg.org）上提供的官方版本所使用的格式来提供该作品的副本或允许他人访问该作品，那么就必须在不给用户带来额外成本或费用的情况下，提供该作品的原始“纯ASCII格式”版本或其它格式的副本，或是提供获取该副本的途径。任何替代格式都必须包含1.E.1段中规定的完整Project Gutenberg许可证内容。

1.E.7. 除非符合1.E.8或1.E.9的规定，否则不得对访问、查看、展示、表演、复制或分发任何古腾堡计划作品收取费用。

1.E.8. 在满足以下条件的情况下，您可以对古腾堡计划的电子作品副本的提供、访问或分发收取合理的费用：

• 您需按照自己用于计算税款的相同方法，就使用古腾堡计划作品所获得的毛利润的20%作为版税支付给古腾堡计划商标的所有者。不过该所有者已同意将此条款规定的版税捐赠给古腾堡计划文学档案基金会。版税必须在您编制定期纳税申报表的日期之后的60天内支付。这些版税款项必须明确标注为版税，并寄送到第4节“关于向古腾堡计划文学档案基金会捐款的说明”中指定的地址。

• 如果有用户在使用作品后30天内以书面形式（或电子邮件）告知您其不同意古腾堡计划™许可协议的条款，您必须全额退还该用户所支付的费用。同时，您还必须要求该用户归还或销毁其所拥有的所有实体介质形式的作品副本，并停止使用及访问其他古腾堡计划™作品的副本。

• 如果在收到电子作品后的90天内发现其存在缺陷并告知您，您必须根据1.F.3条的规定，全额退还该作品或替代副本的费用。

• 您还需遵守本协议中关于免费分发古腾堡计划™作品的所有其他条款。

1.E.9. 如果您希望以不同于本协议规定的条件来收取费用或分发古腾堡计划™的电子作品或作品集，您必须获得古腾堡计划文学档案基金会的书面许可，该基金会是该计划的管理机构。

Gutenberg™为注册商标。如需相关帮助，请按照下文第3节所述联系该基金会。

1.F.

1.F.1. 在创建Gutenberg™作品集的过程中，Gutenberg项目的志愿者和员工付出了大量努力，用于识别那些不受美国版权法保护的著作、对其开展版权调查、进行文字转录以及校对工作。尽管如此，Gutenberg™电子作品及其存储介质仍可能存在各种“缺陷”，这些缺陷包括但不限于数据不完整、不准确或损坏、转录错误、版权或其他知识产权侵权问题、有缺陷或已损坏的磁盘或其他存储介质、计算机病毒，以及那些会损害您的设备或导致其无法读取的计算机代码。

1.F.2. 有限保修与责任免除——除1.F.3段中所述的“更换或退款权利”外，作为Gutenberg™商标所有者的Gutenberg文学档案基金会，以及根据本协议分发Gutenberg™电子作品的任何其他方，均不对您因任何损失、成本或开支（包括法律费用）承担任何责任。您同意，对于因过失、严格责任、违反保修条款或合同违约而造成的损失，您除了能获得1.F.3段中规定的救济之外，别无其他补救措施。您还同意，即便您已告知对方可能存在此类损失，该基金会、商标所有者以及根据本协议进行分发的任何方仍无需为您承担任何实际损失、直接损失、间接损失、衍生损失、惩罚性损失或附带损失。

1.F.3. 有限的更换或退款权利——如果您在收到该电子作品后的90天内发现其中存在缺陷，您可以向提供该作品的人士发送书面说明，从而获得相应款项的退款（如有）。如果您是通过实体介质获取该作品的，则必须将该介质连同书面说明一并退回。提供有缺陷作品的一方可以选择提供替代副本而非退款。如果您是通过电子方式获取该作品的，那么提供该作品的一方……

您可以选择获得第二次机会以电子形式获取该作品，以此代替退款。如果第二份副本仍有缺陷，您有权书面要求退款，且不再有进一步解决该问题的机会。

1.F.4. 除1.F.3段所规定的有限更换或退款权利外，本作品按“原样”提供，不附带任何形式的明示或暗示担保，包括但不限于适销性担保或适用于某种用途的担保。

1.F.5. 某些州不允许免除某些暗示担保，或限制某些类型的赔偿。如果本协议中的任何免责条款或限制违反了适用于本协议的州法律，则该协议应被解释为采用该州法律允许的最大程度的免责或限制。本协议中任何条款的无效或不可执行性不会导致其余条款失效。

1.F.6. 赔偿责任——您同意为基金会、商标所有者、基金会的任何代理人或员工、根据本协议提供古腾堡计划™电子作品副本的任何人，以及参与古腾堡计划™电子作品的制作、推广和分发工作的志愿者，承担因您的行为或过失而直接或间接产生的所有责任、成本和费用，包括律师费：(a) 分发本作品或任何古腾堡计划作品；(b) 对任何古腾堡计划作品进行修改、增减；(c) 由您造成的任何缺陷。

第2节 古腾堡计划的任务说明

古腾堡计划代表着以各种计算机都能读取的格式免费分发电子作品，这些计算机包括过时的、老旧的、中型的以及新型的计算机。它的存在正是基于……

数百名志愿者的努力，以及来自各行各业人士的捐助，共同推动了这一项目的进展。

志愿者们以及为她们提供所需支持的财政援助，对于实现古腾堡计划的目标至关重要，也只有这样，古腾堡计划的藏书才能一直免费供后人使用。2001年，古腾堡文学档案基金会应运而生，旨在为古腾堡计划及未来的世代创造一个稳定且可持续的发展环境。如需了解更多关于古腾堡文学档案基金会的信息，以及您如何通过自己的努力和捐助来提供帮助，请参阅www.gutenberg.org网站上的第3节和第4节内容以及基金会的相关介绍页面。

第3节：关于古腾堡文学档案基金会的信息

古腾堡文学档案基金会是一家非营利性的501(c)(3)类教育机构，根据密西西比州的法律成立，并获得了美国国税局的免税资格。该基金会的联邦税号为64-6221541。根据美国联邦法律及您所在州的法律规定，向古腾堡文学档案基金会捐款可享受税收减免。

该基金会的办公地址位于美国新泽西州蒙特克莱尔市Watchung Plaza 41号516室，邮编07042，电话号码为+1 (862) 621-9288。电子邮箱地址及最新的联系方式可在www.gutenberg.org/contact页面上找到。

第4节：关于向古腾堡文学档案基金会捐款的说明

古腾堡计划依赖于公众的广泛支持与捐助，没有这些支持，它就无法继续履行自己的使命——增加那些可以以机器可读格式免费传播的公共领域作品及受许可的作品的数量，从而让更多人能够使用这些作品。

包括那些已经过时的设备。许多金额不大的捐款（1美元至5,000美元）对于维持该机构在IRS处的免税地位而言尤为重要。

该基金会致力于遵守美国50个州所制定的关于慈善机构及慈善捐款的法律法规。这些法规的要求各不相同，要满足并持续符合这些要求需要付出大量努力、处理大量文书工作并支付诸多费用。在没有获得相关合规性确认的地区，我们不会寻求捐款。如需捐款或了解某个特定州的合规状况，请访问www.gutenberg.org/donate。

虽然我们无法也不会在尚未满足相关要求的州寻求捐款，但据我们所知，并没有规定禁止接受来自这些州的自愿捐款者所提供的捐赠。

我们衷心欢迎国际上的捐款，但对于来自美国境外的捐赠在税务处理方面，我们无法给出任何说明。仅美国的法律就足以让我们的少量员工应接不暇。

请查看Project Gutenberg网站上的页面，以了解最新的捐款方式与地址。除了现金捐款外，还可以通过支票、在线支付或信用卡等方式进行捐款。如需捐款，请访问：www.gutenberg.org/donate。

第5节：关于Project Gutenberg电子作品的一般信息

迈克尔·S·哈特教授提出了Project Gutenberg的理念，即创建一个可供所有人自由共享的电子作品图书馆。四十年来，他仅在由志愿者组成的简易网络支持下，持续制作并分发Project Gutenberg电子书。

Project Gutenberg电子书通常是根据多个印刷版本制作而成的，而这些版本在美国均被确认为不受版权保护，除非……

其中包含了版权声明。因此，我们并不一定需要让电子书与相应的纸质版保持一致。

大多数人都是从我们的网站开始使用的，该网站提供了主要的PG搜索功能：www.gutenberg.org。

该网站还提供了有关古腾堡计划的各种信息，包括如何向古腾堡文学档案基金会捐款、如何为新的电子书的制作提供帮助，以及如何订阅我们的电子邮件通讯以获取新电子书的相关信息。

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