Ученые, внесшие вклад в развитие электротехники
Помимо выше перечисленных, Россия может похвастаться и другими учеными, которые внесли не меньший вклад в развитие и становление электротехники не только на родине, но и далеко за ее пределами.
Михаил Матвеевич Боресков был одним из основателей Военно-электротехнической школы в Петербурге, при этом практически все его работы имели военное направление.
Валентин Петрович Вологдин – один из сподвижников Попова, который для удобства использования переносных радио, предложил использовать специально разработанную динамо-машину.
Анатолий Павлович Еперин – заслуженный энергетик, который применял свои знания для развития и наращивания мощностей электростанций по всей СССР. Несколько изобретений ученого до сих пор применяются по всему миру для добычи и оптимальной передачи энергии на расстояния.
От теории к точной науке
Проведенные исследования и опыты позволили изучению электричества перейти в категорию точной науки. Первым в череде научных достижений стало открытие закона Кулона.
Закон взаимодействия зарядов
Французский инженер и физик Шарль Огюстен де Кулон в 1785 году открыл закон, который отображал силу взаимодействия между статичными точечными зарядами. Кулон до этого изобрел крутильные весы. Появление закона состоялось благодаря опытам Кулона с этими весами. С их помощью он измерял силу взаимодействия заряженных металлических шариков.
Закон Кулона являлся первым фундаментальным законом, объясняющим электромагнитные явления, с которых началась наука об электромагнетизме. В честь Кулона в 1881 году была названа единица электрического заряда.
Изобретение батареи
В 1791 году итальянский врач, физиолог и физик Луиджи Гальвани написал «Трактат о силах электричества при мышечном движении». В нем он фиксировал наличие электрических импульсов в мышечных тканях животных. А также он обнаружил разность потенциалов при взаимодействии двух видов металла и электролита.
Открытие Луиджи Гальвани получило свое развитие в работе итальянского химика, физика и физиолога Алессандро Вольты. В 1800 году он изобретает «Вольтов столб» — источник непрерывного тока. Он представлял собой стопку серебряных и цинковых пластин, которые были разделены между собой смоченными в соленом растворе бумажными кусочками. «Вольтов столб» стал прототипом гальванических элементов, в которых химическая энергия преобразовывалась в электрическую.
В 1861 году в его честь было введено название «вольт» — единица измерения напряжения.
Гальвани и Вольта являются одними из основоположников учения об электрических явлениях. Изобретение батареи спровоцировало бурное развитие и последующий рост научных открытий. Конец XVIII века и начало XIX века можно характеризовать как время, когда изобрели электричество.
Появление понятия тока
В 1821 году французский математик, физик и естествоиспытатель Андре-Мари Ампер в собственном трактате установил связь магнитных и электрических явлений, которая отсутствует в статичности электричества. Тем самым он впервые ввел понятие «электрический ток».
Ампер сконструировал катушку с множественными витками из медных проводов, которую можно классифицировать как усилитель электромагнитного поля. Это изобретение послужило созданию в 30-х годах 19 века электромагнитного телеграфа.
Благодаря исследованиям Ампера стало возможным рождение электротехники. В 1881 в его честь единица силы тока была названа «ампером», а приборы, измеряющие силу — «амперметрами».
Закон электрической цепи
Физик из Германии Георг Симон Ом в 1826 году представил закон, который доказывал связь между сопротивлением, напряжением и силой тока в цепи. Благодаря Ому возникли новые термины:
- падение напряжения в сети;
- проводимость;
- электродвижущая сила.
Его именем в 1960 году названа единица электросопротивления, а Ом, несомненно, входит в список тех, кто изобрел электричество.
Электромагнитная индукция
Английский химик и физик Майкл Фарадей совершил в 1831 году открытие электромагнитной индукции, которая лежит в основе массового производства электроэнергии. На основе этого явления он создает первый электродвигатель. В 1834 году Фарадей открывает законы электролиза, которые привели его к выводу, что носителем электрических сил можно считать атомы. Исследования электролиза сыграли существенную роль в возникновении электронной теории.
Фарадей является создателем учения об электромагнитном поле. Он сумел предсказать наличие электромагнитных волн.
1.1. Электрические свойства полупроводников
К полупроводникам относятся вещества, занимающие по величине удельной
электрической проводимости промежуточное положение между металлами и
диэлектриками. Их удельная электрическая проводимость лежит в пределах
от 10-8 до 105 см/м и в отличие от металлов она
возрастает с ростом температуры.
Полупроводники представляют собой достаточно многочисленную группу
веществ. К ним относятся химические элементы: германий, кремний, бор,
углерод, фосфор, сера, мышьяк, селен, серое олово, теллур, йод, некоторые
химические соединения и многие органические вещества.
В электронике находят применение ограниченное количество полупроводниковых
материалов. Это прежде всего кремний, германий, и арсенид галлия. Ряд
веществ, таких как бор, мышьяк, фосфор используются как примеси.
Применяемые в электронике полупроводники имеют весьма совершенную кристаллическую
структуру. Их атомы размещены в пространстве в строго периодической
последовательности на постоянных расстояниях друг от друга, образуя
кристаллическую решетку. Решетка наиболее распространенных в электронике
полупроводников — германия и кремния — имеет структуру алмазного типа.
В такой решетке каждый атом вещества окружен четырьмя такими же атомами,
находящимися в вершинах правильного тетраэда.
Каждый атом, находящийся в кристаллической решетке, электрически нейтрален.
Силы, удерживающие атомы в узлах решетки, имеют квантовомеханический
характер; они возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными
электронами. Подобная связь атомов носит название ковалентной связи,
для ее создания необходима пара электронов.
В германии и кремнии, являющихся четырехвалентными элементами, на наружной
оболочке имеется по четыре ковалентные связи с четырьмя ближайшими,
окружающими его атомами.
Определение
Ток – это течение или движение чего-либо. Отсюда можно сделать следующее определение.
Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда) в веществе или вакууме.
В преимущественном большинстве носителями электрического заряда служат электроны, например в металлах. Гораздо реже – ионы, например в газах.
Обычно электрический ток происходит в металлах – проводах. Провода изготавливаются из алюминия, меди, серебра, золота и сплавов этих металлов в различных вариациях.
При этом скорость движения свободных электронов очень маленькая, не более 1 миллиметра в секунду. При этом скорость распространения электрического тока довольно велика – она почти равна скорости света. Поэтому когда мы щелкаем выключателем, свет зажигается мгновенно.
Эту скорость электронам придает источник электрической энергии. Благодаря источнику в проводнике (пусть это будет провод) создается электрическое поля, благодаря которому скорость электронов сильно увеличивается.
При этом должна быть создана электрическая цепь. Например, простая электрическая цепь состоит из:
- источника — например батарейки;
- проводника — например провода;
- потребителя — например лампочки;
- замыкателя — например выключателя.
Но это я забегаю веред, давайте обо всем по порядку. Начнем с источника.
1.3. Электронно-дырочный переход
При легировании одной области полупроводника акцепторной примесью,
а другой области — донорной, возникает тонкий переходный слой, обладающий
особыми свойствами. В этом слое, в результате диффузии носители заряда
перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация
меньше. Таким образом, из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа
диффундируют дырки, а из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа
диффундируют электроны. При этом, они объединяются с имеющимися в соседних
областях основными носителями противоположного знака — рекомбинируют.
В этом случае, у границы переходного слоя возникает область обедненная
подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением
— p-n переход. Неподвижные ионы, остающиеся по обе стороны граничного
слоя создают одинаковые по значению, но разные по знаку пространственные
объемные заряды: в p-слое — отрицательный, а в n-слое — положительный.
Этот двойной электрический слой создает электрическое поле, которое
препятствует дальнейшему проникновению носителей заряда и возникает
состояние равновесия (рис. 1.2). При подключении источника тока так,
что к области p-проводимости присоединен отрицательный полюс источника,
а к области n-проводимости — положительный полюс возникает поле, под
влиянием которого электроны и дырки будут в большом количестве соответственно
отталкиваться в глубь полупроводников (рис. 1.3).
P-n переход увеличится, его сопротивление возрастет и в цепи полупроводникового
диода электрического тока практически не будет. Однако незначительному
количеству неосновных носителей зарядов (положительных) из n-области
и (отрицательных) из p-области, имеющих большие скорости, удастся проскочить
p-n-переход, и в цепи будет протекать весьма небольшой ток, называемый
обратным током.
Двойной электрический слой аналогичен конденсатору, в котором роль
диэлектрика играет запирающий слой, имеющий значительное сопротивление.
Емкость p-n-перехода, возникающая в этом случае носит название барьерной.
Эта емкость оказывается нелинейно зависящей от обратного запирающего
напряжения. С ростом обратного напряжения толщина запирающего слоя увеличивается,
а емкость — уменьшается (рис.1.4).
При изменении полярности источника, подключенного к диоду, электроны
n-области и дырки p-области будут взаимно притягиваться и перемещаться
к границе этих полупроводников. P-n переход сужается, его сопротивление
резко уменьшается, и создаются условия для перехода большого количества
электронов из n-области в p-область, а следовательно, для перехода дырок
в противоположном направлении. При таком включении полупроводникового
диода в цепи появится значительный электрический ток, носящий название
прямого тока.
Сила прямого тока в полупроводниках нелинейно зависит от величины
приложенного к ним напряжения.
Из описания процесса, происходящего на границе двух полупроводников
с различной по знаку проводимостью, следует, что они обладают, как и
электронная лампа- диод, односторонней проводимостью. Это значит, что
при направлении электрического поля, создаваемого приложенным к полупроводникам
прямым напряжением , диод пропускает ток и сопротивление его мало, а
при обратном направлении этого поля , создаваемого приложенным к полупроводникам
обратным напряжением, сопротивление диода велико, а ток в его цепи весьма
мал.
На риc .1.5 показана типичная нелинейная характеристика диода. Вольтамперная
характеристика диода описывается соотношением
, где I — обратный ток p-n перехода, U приложенное напряжение,
j — температурный потенциал, при 300К j =26мВ . Для большей наглядности
кривая прямого тока (правая часть графика) и кривая обратного тока (левая
часть графика) построены в различных масштабах. Похожими свойствами
обладает и контакт полупроводника с металлом, использующийся в диодах
Шотки.
Технология получения элементов
Активные и пассивные элементы в твердотельной электронике создаются на однородном сверхчистом кристалле полупроводника, чаще всего кремния, методом инжекции или напыления новых слоев в определённых координатах тела кристалла атомов иных химических элементов, молекул более сложных, в том числе и органических веществ. Инжекция меняет свойства полупроводника в месте инжекции (легирования) меняя его проводимость на обратную, создавая таким образом диод или транзистор или пассивный элемент: резистор, проводник, конденсатор или катушку индуктивности, изолятор, теплоотводящий элемент и другие структуры. В последние годы широко распространилась технология производства источников света на кристалле. Огромное количество открытий и разработанных технологий использования твердотельных технологий ещё лежат в сейфах патентообладателей и ждут своего часа.
Технологию получения полупроводниковых кристаллов, чистота которых позволяет создавать элементы размером в несколько нанометров, стали называть нанотехнологией , а раздел электроники — микроэлектроникой.
Сложность разработки
Аналоговые схемы сложнее разрабатывать, нежели сравнимые с ними цифровые; это одна из причин, по которым цифровые системы приобрели большее распространение, нежели аналоговые. Аналоговая схема разрабатывается вручную, и процесс её создания обеспечивает меньше возможностей для автоматизации . Следует, впрочем, заметить, что для взаимодействия с окружающей средой в той или иной форме цифровое электронное устройство нуждается в аналоговом
Эффекты (действия) электрического тока
У электрического тока есть определенные действия или эффекты, давайте коротко рассмотрим их.
- Тепловой эффект. Этот эффект выражает себя в том случае когда электрический ток проходит через участок цепи с большим сопротивлением. В этом случае электричество преобразуется в тепло. Благодаря этому эффекту работают некоторые обогреватели. Тот же бытовой чайник работает благодаря этому эффекту – нагревательный элемент имеет большое сопротивление и он передает свое тепло воде, которая со временем начинает кипеть.
- Химический эффект. Я уже писал выше, что при прохождении тока через электролит, происходит обмен электронами между электродами. Такой эффект называют электролизом. Этот эффект используют в промышленности, например для получения некоторых металлов.
- Магнитный эффект. При прохождении электрического тока через некоторые перемычки и обмотки возникает магнитное поле. Этот эффект позволяет создавать электродвигатели, трансформаторы и другие электротехнические устройства.
Применение полупроводников в транзисторах
Транзисторы – это электронные устройства, которые управляют потоком электрического тока. Они являются основными строительными блоками современной электроники и находят широкое применение во многих устройствах, от компьютеров до мобильных телефонов. Полупроводники играют ключевую роль в создании транзисторов благодаря своим уникальным свойствам.
Структура полупроводникового транзистора
Полупроводниковые транзисторы состоят из трех основных слоев полупроводникового материала – эмиттера, базы и коллектора. Они имеют структуру, называемую p-n-p или n-p-n переходом, которая позволяет управлять потоком электрического тока.
Структура полупроводникового транзистора включает в себя два p-n перехода, которые разделены тонким слоем базы. Один из переходов является эмиттерным, а другой – коллекторным. База контролирует поток электронов между эмиттером и коллектором, что позволяет управлять током через транзистор.
Принцип работы полупроводникового транзистора
Работа полупроводникового транзистора основана на явлении инжекции носителей заряда через p-n переходы. Когда электрический ток проходит через базу, носители заряда (электроны или дырки) инжектируются из эмиттера в базу и далее в коллектор.
Управление потоком электронов или дырок осуществляется с помощью приложенного напряжения к базе. Когда напряжение на базе изменяется, изменяется и ток, проходящий через транзистор. Это позволяет использовать транзисторы для усиления сигналов или для создания логических элементов в цифровых схемах.
Преимущества полупроводниковых транзисторов
Полупроводниковые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами транзисторов:
- Малые размеры и компактность – полупроводниковые транзисторы могут быть очень маленькими и компактными, что делает их идеальными для интеграции в микрочипы и другие компактные устройства.
- Высокая скорость работы – полупроводниковые транзисторы обладают высокой скоростью переключения, что позволяет им работать на высоких частотах и обрабатывать быстроизменяющиеся сигналы.
- Низкое энергопотребление – полупроводниковые транзисторы потребляют меньше энергии по сравнению с другими типами транзисторов, что делает их энергоэффективными.
- Надежность – полупроводниковые транзисторы имеют длительный срок службы и могут работать без сбоев в течение длительного времени.
Применение полупроводниковых транзисторов
Полупроводниковые транзисторы нашли широкое применение в различных областях:
- Электроника – полупроводниковые транзисторы используются во всех типах электронных устройств, от компьютеров и мобильных телефонов до телевизоров и радиоприемников.
- Коммуникации – полупроводниковые транзисторы используются в передатчиках и приемниках для усиления и обработки сигналов в радиосвязи и сотовой связи.
- Энергетика – полупроводниковые транзисторы используются в системах управления и преобразования энергии, включая солнечные батареи и инверторы.
- Автомобильная промышленность – полупроводниковые транзисторы используются в электронных системах автомобилей, включая системы зажигания, управления двигателем и системы безопасности.
Полупроводниковые транзисторы являются основой современной электроники и имеют широкий спектр применений. Они продолжают развиваться и улучшаться, открывая новые возможности в различных областях.
История
Возникновению электроники предшествовало изобретение радио . Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника. Элементная база первого поколения была основана на электронных лампах . Соответственно получила развитие вакуумная электроника . Её развитию способствовало также изобретение телевидения и радаров , которые нашли широкое применение во время Второй мировой войны .
Но электронные лампы обладали существенными недостатками. Это прежде всего большие размеры и высокая потребляемая мощность (что было критичным для переносных устройств). Поэтому начала развиваться твердотельная электроника , а в качестве элементной базы стали применять диоды и транзисторы .
Дальнейшее развитие электроники связано с появлением компьютеров . Компьютеры, основанные на транзисторах, отличались большими размерами и потребляемой мощностью, а также низкой надежностью (из-за большого количества деталей). Для решения этих проблем начали применяться микросборки , а затем и микросхемы . Число элементов микросхем постепенно увеличивалось, стали появляться микропроцессоры . В настоящее время развитию электроники способствует появление сотовой связи , а также различных беспроводных устройств, навигаторов , коммуникаторов , планшетов и т. п.
Основными вехами в развитии электроники можно считать:
- изобретения А. С. Поповым радио (7 мая 1895 года), и начало использования радиоприёмников ,
- изобретение Ли де Форестом лампового триода , первого усилительного элемента,
- использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов,
- развитие твердотельной электроники,
- использование проводниковых и полупроводниковых элементов (работы Иоффе , Шотки),
- изобретение в 1947 году транзистора (Уильям Шокли , Джон Бардин и Уолтер Браттейн),
- создание интегральной микросхемы и последующее развитие микроэлектроники, основной области современной электроники.
Развитие электротехники в России
Стартом развития электротехники в России, несомненно, можно назвать работы Рихмана и Ломоносова, которые изучали так называемое атмосферное электричество.
Первый значительный прорыв по применению электричества, принадлежит Александру Лодыгину, который в 1873 году, используя лампы накаливания, осветил улицу в Петербурге. После признания идеи нерентабельной, Лодыгин продал свой патент ставшей знаменитой компании General Electric.
С 1899 года, сила электричества применялась и для использования в целях передачи информации, конечно, это были не телефоны и компьютеры, а простой передатчик с приемником. Таким образом, известный ученый Попов, впервые смог поддерживать связь с кораблями на расстоянии 14 км.
Использование радио стало возможным благодаря электричеству. После чего в 1901 году разработка приняла гражданский вид, и радио стало применяться для передачи новостей.
В рамках специальной программы плана ГОЭЛРО, предполагавшего электрификацию всей страны, электричество стало повсеместно использоваться в России с 1920 года.
Последней тенденцией в развитии электротехники является активное внедрение робототехники. Именно это направление считается наиболее перспективным.
Ученые планируют заменить роботами работу пожарных, медиков, военных в сложных ситуациях не только помогая, но и сохраняя человеку жизнь.
Древнее время
Термин «электричество» происходит от древнегреческого слова «электрон», что в переводе означает «янтарь». Первое упоминание об этом явлении связано с античными временами. Древнегреческий математик и философ Фалес Милетский в VII веке до н. э. обнаружил, что если произвести трение янтаря о шерсть, то у камня появляется способность притягивать мелкие предметы.
Фактически это был опыт изучения возможности производства электроэнергии. В современном мире такой метод известен, как трибоэлектрический эффект, который дает возможность извлекать искры и притягивать предметы с легким весом. Несмотря на низкую эффективность такого метода, можно говорить о Фалесе, как о первооткрывателе электричества.
В древнее время было сделано еще несколько робких шагов на пути к открытию электричества:
- древнегреческий философ Аристотель в IV веке до н. э. изучал разновидности угрей, способных атаковать противника разрядом тока;
- древнеримский писатель Плиний в 70 году нашей эры исследовал электрические свойства смолы.
Все эти эксперименты вряд ли помогут нам разобраться в том, кто открыл электричество. Эти единичные опыты не получили развития. Следующие события в истории электричества состоялись много веков спустя.
Появление электроэнергии в России
Будет интересно выяснить, в каком году появилось электричество в России. Освещение впервые появилось в 1879 году в Санкт-Петербурге. Тогда фонари установили на Литейном мосту. Затем в 1883 году начала работу первая электростанция у Полицейского (Народного) моста.
В Москве освещение впервые появилось 1881 году. Первая городская электростанция заработала в Москве в 1888 году.
Днем основания энергетических систем России считается 4 июля 1886 года, когда Александр III подписал устав «Общества электрического освещения 1886 года». Оно было основано Карлом Фридрихом Сименсом, который являлся братом организатора всемирно известного концерна Siemens.
Невозможно точно сказать, когда появилось электричество в мире. Слишком много разбросанных во времени событий, которые являются одинаково важными. Поэтому вариантов ответа может быть много, и все они будут правильными.