Электроника и радиотехника

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Электроника

Электроника представляет собой бурно развивающуюся отрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область посвященная применению электронных приборов в промышленности называется Промышленной Электроникой.

Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием радиотехники. Электроника и радиотехника настолько тесно связаны, что в 50-е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника. Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с проблемой передачи, приема и преобразования информации при помощи эл./магнитных колебаний и волн в радио и оптическом диапазоне частот. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолокации, в радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерении и других областях радиотехники.

Современный этап развития техники характеризуется всевозрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности людей. По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимает электроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно-технических проблем. Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования. Предметами научных исследований в электронике являются:

Изучение законов взаимодействия электронов и других заряженных частиц с эл./магнитными полями.

Разработка методов создания электронных приборов в которых это взаимодействие используется для преобразования энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производственных процессов, создания энергетических устройств, создания контрольно-измерительной аппаратуры, средств научного эксперимента и других целей.

Исключительно малая инерционность электрона позволяет эффективно использовать взаимодействие электронов, как с макрополями внутри прибора, так и микрополями внутри атома, молекулы и кристаллической решетки, для генерирования преобразования и приема эл./магнитных колебаний с частотой до 1000ГГц. А также инфракрасного, видимого, рентгеновского и гамма излучения. Последовательное практическое освоение спектра эл./магнитных колебаний является характерной чертой развития электроники.

Фундамент электроники был заложен трудами физиков в XVIII-XIX в. Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили академики Ломоносов и Рихман в России и независимо от них американский ученый Франкель. В 1743 г. Ломоносов в оде «Вечерние размышления о божьем величие» изложил идею об электрической природе молнии и северного сияния. Уже в 1752 году Франкель и Ломоносов показали на опыте с помощью «громовой машины», что гром и молния представляют собой мощные электрические разряды в воздухе. Ломоносов установил также, что электрические разряды имеются в воздухе и при отсутствии грозы, т.к. и в этом случае из «громовой машины» можно было извлекать искры. «Громовая машина» представляла собой Лейденскую банку установленную в жилом помещении. Одна из обкладок которой была соединена проводом с металлической гребенкой или острием укрепленным на шесте во дворе.

В 1753 г. во время опытов был убит молнией, попавшей в шест, профессор Рихман, проводивший исследования. Ломоносов создал и общую теорию грозовых явлений, представляющую собой прообраз современной теории гроз. Ломоносов исследовал также свечение разряженного воздуха под действием машины с трением.

В 1802 году профессор физики Петербургской медико-хирургической академии - Василий Владимирович Петров впервые, за несколько лет до английского физика Дэви, обнаружил и описал явление электрической дуги в воздухе между двумя угольными электродами. Кроме этого фундаментального открытия, Петрову принадлежит описание разнообразных видов свечения разряженного воздуха при прохождении через него электрического тока. Свое открытие Петров описывает так: «Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены 2 или 3 древесных угля, и если металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстоянии от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее разгораются, и от которого темный покой освещен быть может.» Работы Петрова были истолкованы только на русском языке, зарубежным ученым они были не доступны. В России значимость работ не было понято и они были забыты. Поэтому открытие дугового разряда было приписано английскому физику Дэви.

Начавшееся изучение спектров поглощения и излучения различных тел привело немецкого ученого Плюккера к созданию Гейслеровых трубок. В 1857 году Плюккер установил, что спектр Гейслеровой трубки, вытянутой в капилляр и помещенной перед щелью спектроскопа, однозначно характеризует природу заключенного в ней газа и открыл первые три линии так называемой Бальмеровской спектральной серии водорода. Ученик Плюккера Гитторф изучал тлеющий разряд и в 1869 году опубликовал серию исследований эл./проводимости газов. Ему совместно с Плюккером принадлежат первые исследования катодных лучей, которые продолжил англичанин Крукс.

Существенный сдвиг в понимании явления газового разряда был вызван работами английского ученого Томсона, открывшего существование электронов и ионов. Томсон создал Кавендишскую лабораторию откуда вышел ряд физиков исследователей электрических зарядов газов (Таундсен, Астон, Резерфорд, Крукс, Ричардсон). В дальнейшем эта школа внесла крупный вклад в развитие электроники. Из русских физиков над исследованием дуги и практическим ее применением для освещения работали: Яблочков (1847-1894), Чиколев (1845-1898), Славянов (сварка, переплавка металлов дугой), Бернардос (применение дуги для освещения). Несколько позднее исследованием дуги занимались Лачинов и Миткевич. В 1905 году Миткевич установил природу процессов на катоде дугового разряда. Не самостоятельным разрядом воздуха занимался Столетов (1881-1891). Во время его классического исследования фотоэффекта в Московском университете Столетов для эксперимента построил «воздушный элемент» (В.Э.) с двумя электродами в воздухе, дающим электрический ток без включения в цепь посторонних ЭДС только при внешнем освещении катода. Столетов назвал этот эффект актиноэлектрическим. Он изучал этот эффект как при повышенном атмосферном давлении, так и при пониженном. Специально построенная Столетовым аппаратура давала возможность создавать пониженное давление до 0,002 мм рт. столба. В этих условиях актиноэлектрический эффект представлял собой не только фототок, но и фототок усиленный самостоятельным газовым разрядом. Свою статью об открытии этого эффекта Столетов закончил так: «Как бы ни пришлось окончательно сформулировать объяснение актиноэлектрических разрядов, нельзя не признать некоторые своеобразные аналогии между этими явлениями и давно знакомыми, но до сих пор малопонятными, разрядами Гейслеровых и Круксовых трубок. Желая при моих первых опытах ориентироваться среди явлений представляемых моим сетчатым конденсатором я невольно говорил себе, что передо мной Гейслеровая трубка, могущая действовать и без разряжения воздуха с посторонним светом. Там и здесь явления электрические тесно связанны со световыми явлениями. Там и здесь катод играет особую роль и по-видимому распыляется. Изучение актиноэлектрических разрядов обещает пролить свет на процессы распространения электричества в газах вообще…» Эти слова Столетова всецело оправдались.

В 1905 году Эйнштейн дал толкование фотоэффекту, связанного со световыми квантами и установил закон названный его именем. Таким образом, фотоэффект, открытый Столетовым, характеризует следующие законы:

Закон Столетова - количество имитируемых в единицу времени электронов пропорционально, при прочих равных условиях, интенсивности падающего на поверхность катода света. Равные условия здесь надо понимать как освещение поверхности катода монохраматическим светом одной и той же длины волны. Или светом одного и того же спектрального состава.

величина кванта энергии монохроматического излучения падающего на поверхность катода.

Работа выхода электрона из металла.

Скорость фотоэлектронов покидающих поверхность катодов не зависит от интенсивности падающего на катод излучения.

Впервые обнаружил внешний фотоэффект немецкий физик Герц (1887 г.). Экспериментируя с открытым им электромагнитным полем. Герц заметил, что в искровом промежутке приемного контура искра, обнаруживающая наличие электрических колебаний в контуре проскакивает при прочих равных условиях легче в том случае если на искровой промежуток падает свет от искрового разряда в генераторном контуре.

В 1881 году Эдисон в первые обнаружил явление термоэлектронной эмиссии. Проводя различные эксперименты с угольными лампами накаливания, он построил лампу содержащую в вакууме, кроме угольной нити, еще металлическую пластинку А от которой был выведен проводник Р. Если соединить провод через гальванометр с положительным концом нити, то через гальванометр идет ток, если соединить с отрицательным, то ток не обнаруживается. Это явление было названо эффектом Эдисона. Явление испускания электронов раскаленными металлами и другими телами в вакууме или в газе было названо термоэлектронной эмиссией.

2. Передача сообщений на расстояния

Мечта человека передавать сообщения на большие расстояния возникла очень давно. Согласно древнегреческой легенде известие о том, что полководец Мильтиад одержал победу над персами, была доставлена греческим воином, который пробежал без остановки 42 км 195 м из города Марафона до Афин. Он из последних сил прибежал в столицу, сообщил о победе и умер.

В середине века для передачи сообщений использовали деревянные башни, построенные на подходящих высотах. Башни имели подвижные жерди и доски, взаимное расположение которых символизировало различные буквы. В 1793 г. Такое сооружение было построено между городами Париж и Лилль, где на расстоянии 220 км были расположены 23 станции. Одну букву передавали от одного до другого города в среднем за 2 минуты, а одно предложение - за 1-2 часа.

Непосредственное общение людей друг с другом возможно лишь на небольшом расстоянии, поэтому на любом уровне развития общества существовали многообразные способы передачи данных на расстоянии. Это костры, морская флажковая азбука, семафоры на железных дорогах, азбука Морзе, телеграф, телефон, радио, телевидение, пейджинговая связь, факсимильная связь. Приставка теле - означает «дальний» или «удалённый» (телеграф = письмо на расстоянии, телефон = звук на расстоянии, телевидение = изображение на расстоянии). Одним из самых древних способов передачи информации является почта. Письма существуют столько же времени, сколько и письменность. Первоначально письма доставлялись специальными людьми - гонцами или животными (голубиная почта). При достаточном уровне развития общества формируется государственная система доставки писем - почта. Услугами почты могут пользоваться все, кто соблюдает правила: письмо должно содержать адрес человека, которому оно предназначено, и обратный адрес; письмо имеет конверт, на котором записывается дополнительная информация (номер почтового отделения, дата отправки и приёма, категория письма). Важное отличие писем от других способов передачи информации на расстоянии состоит в том, что получатель письма не обязательно должен присутствовать в тот момент, когда письмо доставляется по назначению. Письмо обычно сохраняется в почтовом ящике до тех пор, пока получатель не заберёт его от туда. Таким образом, письмо - это передача данных не только на расстоянии, но ещё и во времени.

Отметим характерные особенности любой передачи данных на большое расстояние: на большое расстояние данные передаются по цепочке, через ряд промежуточных участников передачи (промежуточных станций, ретрансляторов и т.п.);

всякая такая передача должна быть подчинена чётким, заранее установленным правилам; должны быть заранее определены виды сигналов, смысл каждого из них, действия, которые надо совершать при успешном приёме сообщения или при необходимости повторной передачи.

передачи бывают двусторонними, либо односторонними; в последнем случае передача может быть широковещательной - адресованной сразу большому числу участников.

Современную цивилизацию невозможно представить без таких способов передачи информации как телефон, телевидение, в которых используют для передачи информации электромагнитные колебания, т.е. радиоволны. Чем меньше длина волны (чем больше частота колебаний), тем большее количество информации можно передать в единицу времени, тем большего качества можно достичь при передачи. Это утверждение имеет точное математическое обоснование, и инженерам-практикам оно было известно с появлением радио. Высококачественная стереофоническая музыка может быть передана только на ультракоротких волнах. Передача изображения требует ещё более высоких частот, длины волн уже измеряются метрами и дециметрами. В проектах цифрового телевидения будущего в качестве несущей будет использоваться свет видимого диапазона, генерируемый микролазером. Средой передачи будет служить оптоволоконный кабель.

3. Изобретение телеграфа

Большой шаг вперёд в технике связи сделал талантливый русский ученый Павел Львович Шиллинг, который в 1832 г. изобрел первый электромагнитный телеграф. Пять лет спустя Самюэль Морзе сконструировал широко известный электромагнитный самопишущий аппарат, который в усовершенствованном виде используется до сих пор.

В 1825 году британский изобретатель Уильям Стерджен (1783-1850) представил устройство, которое стало основой для развития крупномасштабных электронных коммуникаций - это был электромагнит. Он представил свойства электромагнита, притягивая железо, обернутое проводами, через которые направлялся электрический поток.

В 1830 году, американец, Джозеф Генри (1797-1878), продемонстрировал потенциал устройства для передачи сигнала на более длинные расстояния. Он протянул провода длиной более чем в одну милю, посылал по ним электрический импульс, электромагнит активизировался и начинал звонить звонок. Так и произошло рождение электрического телеграфа. Это изобретение было поставлено на коммерческую основу для того чтобы передавать различные сообщения на дальние расстояния.

Приблизительно в это же время Сэмюэль Морс, профессор искусств в университете Нью-Йорка, точнее это произошло в 1835 году, доказал, что сигналы можно передавать при помощи проводов. Он использовал поток импульсов для того, чтобы отклонить электромагнит, который был соединен с маркером, для того, чтобы оставить след на листе бумаги. Таким образом, была изобретена знаменитая и известная во всем мире азбука Морзе.

В следующем году в устройство были внесены изменения для того, чтобы на бумаге оставались точки и черточки. Сэмюэль Морс представил широкой общественности свое изобретение только пять лет спустя, в 1838 году. Конгресс выделил 30 000 $ на строительство экспериментальной телеграфной линии от Вашингтона до Балтимора. Таким образом, нужно было покрыть расстояние в 40 миль.

Спустя шесть лет, члены конгресса засвидетельствовали посылку и получение сообщений через телеграфную линию (в то время была построена только часть телеграфной линии). Прежде, чем эта линия достигла Балтимора, Whig party (Либеральная партия) заключила там соглашение и 1 мая 1844, назначила Генри Клей. Эта новость была первой, которую отправили телеграфом.

Сообщением «What hath God wrought?» (Что творит Бог), написанное азбукой Морзе было отправлено их старой палаты Верховного Суда в Капитолии Соединенных Штатов в Балтимор. Отправкой этой фразы было официально признано окончание строительства телеграфной линии. Это произошло 24 мая 1844 года.

Изначально, телефонограмма представляла собой бумажную копию сообщения, написанного азбукой Морзе. На телефонограмме был текст, написанный точками и черточками, который затем расшифровывался оператором.

Сэмюэль Морс и его партнеры получили средства, для того, чтобы расширить телеграфную линию и соединить Филадельфию и Нью-Йорк. Тем временем, маленькие телеграфные компании начали функционировать на востоке, юге, и среднем Западе. Массовое отправление сообщений при помощи телеграфа началось в 1851 году. В этом же году Вестерн Юнион (Western Union) начали свою деятельность. Вестерн Юнион (Western Union) построил первую трансконтинентальную телеграфную линию в 1861 году. Она проходила, главным образом там, где было железнодорожное полотно.

В 1881 году Postal Telegraph System (Постал телеграф Систем) стала активно работать и слилась с Вестерн Юнион (Western Union) в 1943 году.

Первый телеграф, созданный Морзе, оставлял отпечатки на ленте. Однако, в Соединенных Штатах наука не стояла на месте - операторы стали отправлять сообщения, диктуя их другим операторам. Хороший оператор мог передать 40-50 слов в минуту. Когда в 1914 году была введена автоматическая передача, количество передаваемой в минуту информации увеличилось вдвое.

В 1913 году Вестерн Юнион (Western Union) стал развивать мультиплексирование. Благодаря этому методу появилась возможность передавать одновременно восемь сообщений, используя один единственный провод. Приблизительно в 1925 году стали использоваться специальные машины, которые называли телепринтерами. Varioplex (Вариоплекс), который стали использовать в 1936 году, позволил по одному единственному проводу передавать одновременно 72 сообщения. Спустя два года Вестерн Юнион (Western Union) ввел первое из своих автоматических устройств - факсимиле.

В 1959 году Вестерн Юнион (Western Union) представил телекс, который позволял операторам, обслуживающим телепринтер, набирать непосредственно друг друга. До 1877 года, вся быстрая дальняя коммуникация зависела от телеграфа.

В этом же году появилась новая передавая технология, которая изменила лицо коммуникации. Это был телефон. К 1879 году разрешился спор между Вестерн Юнион (Western Union) и только зарождающейся телефонной компанией. Спор был закончен соглашением, которое разделило эти две услуги.

Сэмюэль Морс известен своим изобретением - изобретением телеграфа. Однако, он также известен благодаря тому, что внес достаточно весомый вклад в американскую портретную живопись. Его живопись характеризуется тонкой техникой и энергичной честностью, а также пониманием характера предметов.

Телеграф быстро проник во многие страны, а в 1858 г. через Атлантический океан был проложен первый кабель, связывающий Европу с Америкой. В начале нашего века телеграфная техника достигла расцвета. Были построены тысячи километров проводных и кабельных линий. Всего за несколько часов новости облетали весь мир.

Проводная телеграфная связь была прекрасным приобретением, но ее нельзя было использовать в движущихся объектах. Так, например, корабли дальнего плавания были оторваны от мира, и судьба их была неизвестна.

4. Электромагнитные волны

Открытие электромагнитных волн - замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства - электричество и магнетизм, - обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления - электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и следующая объединяющая теория - квантовая хромодинамика - которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже. Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.

Опыты знаменитого английского физика Майкла Фарадея очень расширили знания об электричестве и магнетизме. На основании этих опытов его замечательный соотечественник Джеймс Максвелл написал в 1873 г. научный труд, в котором впервые были опубликованы знаменитые четыре уравнения Максвелла. Таким образом, используя математику, он сумел чисто теоретическим путем предсказать, что с помощью электрического тока могут быть получены электромагнитные волны. (Радиоволны - это не что иное, как электромагнитные волны). До того никто не предполагал, что электрический ток может образовать электромагнитные волны. Даже и самому Максвеллу практически не удалось получить их. Лишь в 1888 г. этого добился немецкий физик Генрих Герц. Однако проводя свои опыты, Герц и не подозревал, что полученные им электромагнитные волны могут быть использованы для радиосвязи.

5. Изобретатель радио А.С. Попов

электроника прибор телеграф радиоволна

Знаменитый русский физик Александр Степанович Попов (1859-1906) - первый ученый, который понял, что электромагнитные волны могут быть использованы как средство для беспроводной связи и поэтому по праву считается изобретателем радио.

6. Что значит слово "радиоэлектроника"

Два-три десятилетия назад радиотехника охватывала главным образом, радиопередающую и радиоприемную технику. Сегодня слово «радиотехника» уже заменено более широким понятием «радиоэлектроника», которое включает в себя не только радиотехнику, но и ряд новых областей знания, как полупроводниковая электроника, импульсная техника, электронно-вычислительная техника, электронная автоматика, телевидение и т.д. Отсюда видно, что если сначала радиотехника была связана с передачей информации беспроводным способом, то сейчас радиоэлектроника глубоко вошла почти во все области человеческого знания. Без радиоэлектроники немыслимы не только радиоприемники, телевизоры и магнитофоны, но и электронно-вычислительные машины, космические корабли и ракеты, кибернетические устройства и автоматы, точнейшие измерительные приборы и аппараты, сверхзвуковые самолеты, электронные микроскопы и т.д.

Размещено на Allbest.ru