Основные этапы развития электротехники
Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электрификации. Как известно, под электрификацией понимается широкое внедрение электрической энергии в родное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия в будущем ее применение будет еще более расширяться.
Под электротехникой в широком смысле слова подразумевается область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей.
Это общее определение электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные области, в которых используют электрические и магнитные явления: преобразование энергии природы (энергетическая); превращение вещества природы (технологическая); получение и передача сигналов или информации (информационная). Поэтому более полно электротехнику моя определить, как область науки и техники, использующую электрические и магнитные явления для осуществления процессов преобразования энергии и превращения вещества, а также для передачи сигналов и информации.
В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя ее направлениями: информационное, энергетическое и технологическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение в ускорении научно-технического прогресса.
В развитии электротехники условно можно выделить следующие шесть этапов.
1. Становление электростатики (до 1800 г.)
К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.
2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ
Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» — первого электрохимического генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В. В. Петрова, с помощью которой им была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера, Био — Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями.
3. Зарождение электротехники (1830—1870 гг.)
Самым знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, создание первого электромашинного генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия экономичного электрического генератора.
4. Становление электротехники как самостоятельной отрасти техники (1870—1890 гг.)
Создание первого измышленного электромашинного генератора с самовозбуждением (динамомашины) открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники.
В связи с развитием промышленности, ростом городов возникает острая потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических станций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром, и все более остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Решить эту проблему на базе постоянного тока было нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока.
Значительным стимулом к, внедрению переменного тока явилось изобретение «электрической свечи» П. Н. Яблочковым и разработка им схемы дробления электрической энергии посредством индукционных катушек, представлявших собой трансформаторе разомкнутой магнитной системой. Однако однофазные двигатели были непригодны для целей промышленного электропривода.
Одновременно разрабатываются способы передачи электрической энергии на большие расстояния посредством значительного повышения напряжения линий электропередач.
Дальнейшее развитие электрического освещения способствовало совершенствованию электрических машин и трансформаторов; в середине 80-х гг. началось серийное производство однофазных трансформаторов с замкнутой магнитной системой (М. Дери, О. Блати, К. Циперновский).
Идея П. Н. Яблочкова о централизованном производстве и распределении электроэнергии претворяется в жизнь, начинается строительство центральных электростанций переменного тока. Однако развивающееся производство требовало комплексного решения сложнейшей научно-технической проблемы: экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надежного электрического двигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Эта проблема была успешно решена на основе многофазных, в частности трехфазных систем.
5. Становление и развитие электрификации (с 1891 г.)
Важнейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля. Первые многофазные двигатели были двухфазными.
Трехфазная система оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд преимуществ как перед однофазными цепями, так и перед другими многофазными системами. В разработку трехфазных систем большой вклад сделали ученые и инженеры разных стран. Но как будет показано далее, наибольшая заслуга принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, трансформаторы.
Убедительной иллюстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача (1891 г.), сооруженная при активном участии Доливо-Добровольского.
С этого времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает господствующее положение в системе промышленного привода. Процесс электрификации постепенно охватывает все новые области производства: развивается электрометаллургия, электротермия, электрохимия. Электрическая энергия начинает все более широко использоваться в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.
Широкое применение переменного тока потребовало теоретического осмысления и математического описания физических процессов, происходящих в электрических машинах, линиях электропередач, трансформаторах. Расширяются исследования явлений в цепях переменного тока с помощью векторных и круговых диаграмм.
Огромную прогрессивную роль в анализе процессов в цепях сыграл комплексный метод, предложенный в 1893—1897 гг. Ч. П. Штейнмецом.
С развитием крупных энергосистем и увеличением дальности электропередач возникла серьезная научно-техническая проблема обеспечения устойчивости параллельной работы генераторов электростанции, которая была решена отечественными и зарубежными учеными. Теоретические основы электротехники становятся базой учебных дисциплин в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники.
6. Зарождение и развитие электроники (первая четверть XX в.)
Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызвал необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.
Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами. Создание разнообразных электронных, в особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным образом повысить эффективность автоматизации процессов вычислений, обработки информации, осуществлять моделирование сложных физических явлений, решение логических задач и др. при значительном снижении габаритов, устройств, повышении их надежности и экономичности.
Значительный прогресс в электронике наметился после создания больших интегральных схем (БИС), быстродействие их измеряется миллиардными долями секунды, а минимальные размеры составляют 2—3 мкм. Внедрение БИС привело к созданию микропроцессоров, осуществляющих цифровую обработку информации по программе, и микроЭВМ.
Быстрое развитие микроэлектроники обусловило возникновение и заметный прогресс новой области науки и техники — информатики. Уже в начале 80-х гг. как в нашей стране, так и за рубежом стали изготовлять микропроцессоры и микроЭВМ в одном кристалле. Все это дает огромный эффект в повышении надежности, снижении габаритов и потребляемой энергии микроэлектронных устройств, используемых в различных производственных процессах, автоматизированных систем управления, на транспорте, в бытовых устройствах.
HTTP код 402 — требуется оплата
Мы полагаем, что на компьютере, через который вы выходите в Интернет, работает Бот — зловредная программа, которая создает неоправданную нагрузку на наш сервер. Боты на этом сайте обслуживаются только за деньги.
Если это — ошибка (т.е. Вы — человек и ничего такого не используете), или если Вы хотите договориться об оплате доступа для вашего бота — пишите на e-mail: wzadm%yandex.ru (ставьте @ вместо % на нужное место), в письме укажите ваш IP-адрес. ( Узнать свой IP-адрес — вариант 1 или узнать свой IP-адрес — вариант 2)
HTTP status 402 — payment required
We believe there is a bot running on Your computer (malicios program, that puts stress on our server). Bots require advance payment to be used at this site!
If this is a mistake (You are a human), or You would like to negotiate — send an e-mail to wzadm%yandex.ru (put @ instead of %) including your ip-address (Your IP-address is shown at here or here)
Электроника
Электро́ника (от греч. Ηλεκτρόνιο — электрон) — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и хранения информации. [1]
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 также появление сотовой связи, а также различных беспроводных устройств, навигаторов, коммуникаторов, планшетов и т. п.
Основными вехами в развитии электроники можно считать:
- изобретения А. С. Поповымрадио (7 мая1895 года), и начало использования радиоприёмников,
- изобретение Ли де Форестомламповоготриода, первого усилительного элемента,
- использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов,
- развитие твёрдотельной 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.
Области электроники
Можно различать следующие области электроники:
- физика (микромира, полупроводников, электромагнтитых волн, магнетизма, электрического тока и др.) — область науки, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами,
- бытовая электроника — бытовые электронные приборы и устройства, в которых используется электрическое напряжение, электрический ток, электрическое поле или электромагнитные волны.(Например телевизор, мобильный телефон, утюг, лампочка, электроплита. и др.).
- Энергетика выработка, транспортировка и потребление электроэнергии, электро приборы высокой мощности (например электродвигатель, электрическая лампа, электростанция), электрическая система отопления,Линия Электропередачи.
- Микроэлектроника — электронные устройства, в которых в качестве активных элементов используются микросхемы:
- оптоэлектроника — устройства в которых используются электрический ток и потоки фотонов,
- звуко-видео-техника — устройства усиления и преобразования звука и видео изображений,
- цифровая микроэлектроника — устройства на микропроцесорах или логических микросхемах. Например: электронный калькулятор, компьютер, цифровой телевизор, мобильный телефон, принтер, робот, панель управления промышленным оборудованием, средствами транстпорта, и другие бытовые и промышленные устройства.
Электронное устройство может включать в себя самые разные материалы и среды, где происходит обработка электрического сигнала с использованием разных физических процессов. Но в любом устройстве обязательно имеется электрическую цепь.
Изучению различных аспектов электроники посвящены многие научные дисциплины технических вузов.
Твердотельная электроника
История твердотельной электроники
Термин Твердотельная электроника появился в литературе в середине XX века для обозначения устройств на полупроводниковой элементной базе: транзисторах и полупроводниковых диодах, заменивших громоздкие низкоэффективные электровакуумные приборы — радиолампы. Корень «тверд» использован здесь, потому что процесс управления электрическим током происходит в твердом теле полупроводника в отличие от вакуума, как это происходило в электронной радиолампе. Позднее, в конце XX столетия этот термин потерял свое значение и постепенно вышел из употребления, поскольку практически вся электроника нашей цивилизации начала использовать исключительно полупроводниковую твердотельную активную элементную базу.
Миниатюризация устройств
С рождением твердотельной электроники начался революционно быстрый процесс миниатюризации электронных приборов. За несколько десятков лет активные элементы уменьшились в десять миллиардов раз — с нескольких сантиметров электронной радиолампы до нескольких нанометров интегрированного на полупроводниковом чипе транзистора.
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 определенных 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 еще лежат в сейфах патентообладателей и ждут. Технология получения полупроводниковых кристаллов, чистота которых позволяет создавать элементы размером в несколько нанометров стали называть нанотехнология, а раздел электроники — микроэлектроника.
В семидесятые годы, XX столетия в процессе миниатюризации твердотельной электроники в ней наметился раскол на аналоговую и цифровую микроэлектронику. В условиях конкуренции на рынке производителей элементной базы победу одержали производители цифровой электроники. И в XXI столетии производство и эволюция аналоговой электроники практически была остановлена. Так как в реальности все потребители микроэлектроники требуют от нее, как правило не цифровые, а непрерывные аналоговые сигналы или действия, цифровые устройства снабжены ЦАП-ами на своих входах и выходах. Миниатюризация электронных схем сопровождалась ростом быстродействия устройств. Так первые цифровые устройства ТТЛ технологии требовали микросекунды на переключение из одного состояния в другое и потребляли большой ток, требовавший специальных мер для отвода тепла.
В начале XXI века эволюция твердотельной электроники в направлении миниатюризации элементов постепенно приостановилась и в настоящее время практически остановлена. Эта остановка была предопределена достижением минимально возможных размеров транзисторов, проводников и других элементов на кристалле полупроводника еще способных отводить выделяемое при протекании тока тепло и не разрушаться. Эти размеры достигли единиц нанометров и поэтому технология изготовления микрочипов называется нанотехнологией. Следующим этапом в эволюции электроники возможно станет оптоэлектроника, в которой несущим элементом выступит фотон, значительно более подвижный, менее инерционный чем электрон/»дырка» в полупроводнике твердотельной электроники.
Основные твердотельные активные приборы, используемые в электронных устройствах:
- Диод проводник с односторонней проводимостью от анода к катоду используется для выпрямления переменного тока;
- Диод прибор с относительно стабильным пороговыми напряжениями анод-катод — стабилизатор напряжения, ограничитель напряжения;
- Диод прибор с нелинейной зависимостью ток-напряжение как усилитель или генератор СВЧ электрических сигналов: туннельный диод, лавинно-пролетный диод, диод Ганна, диод Шотки;
- Биполярные транзисторы — транзисторы с двумя физическими p-n-переходами, ток Коллектор-Эмиттер которого управляется током База-Эмиттер;
- Полевой транзистор — транзистор, ток Исток-Сток которого управляется Напряжением на p-n- или n-p-переходе Затвор-Сток или потенциала на нем в транзисторах без физического перехода — с затвором, гальванически изолированным от канала Сток-Исток;
- Диоды с управляемой проводимостью динисторы и тиристоры, используемые как переключатели, светодиоды и фотодиоды используемые как преобразователи э/м излучения в электрические сигналы или электрическую энергию или обратно;
- Интегральная микросхема — комбинация активных и пассивных твердотельных
элементов на одном или нескольких кристаллах в одном корпусе, используемые как модуль, электронная схема в аналоговой и цифровой микроэлектронике.
Примеры использования твердотельных приборов в электронике:
- Умножитель напряжения на выпрямительном диоде;
- Умножитель частоты на нелинейном диоде;
- Эмиттерный повторитель (напряжения)на биполярном транзисторе;
- Коллекторный усилитель (мощности) на биполярном транзисторе;
- Эмулятор индуктивности на интегральных микросхемах, конденсаторах и резисторах;
- Преобразователь входного сопротивления на полевом или биполярном транзисторе, на интегральной микросхеме операционного усилителя в аналоговой и цифровой микроэлектронике;
- Генератор электрических сигналов на полевом диоде, диоде Шотки, транзисторе или интегральной микросхеме в генераторах сигналов переменного тока;
- Выпрямитель напряжения на выпрямительном диоде в цепях переменного электрического тока в разнообразных устройствах;
- Источник стабильного напряжения на стабилитроне в стабилизаторах напряжения;
- Источник стабильного напряжения на выпрямительном диоде в схемах смещения напряжения база-эмиттер биполярного транзистора;
- Светоизлучающий элемент в осветительном приборе на светодиоде;
- Светоизлучающий элемент в оптоэлектронике на светодиоде;
- Светоприемный элемент в оптоэлектронике на фотодиоде;
- Светоприемный элемент в солярных панелях солярных электростанций;
- Усилитель мощности на биполярном или полевом транзисторе, на интегральной микросхеме Усилитель мощности в выходных каскадах усилителй мощности сигналов, переменного и постоянного тока;
- Логический элемент на транзисторе, диодах или на интегральной микросхеме цифровой электроники;
- Ячейка памяти на одном или нескольких транзисторах в микросхемах памяти;
- Усилитель высоких частот на диоде;
- Процессор цифровых сигналов на интегральной микросхеме цифрового микропроцессора;
- Процессор аналоговых сигналов на тразисторах, интегральной микросхеме аналогового микропроцессора или на операционных усилителях;
- Периферийные устройства компьютера на интегральных микросхемах или транзисторах;
- Входной каскад операционного или дифференциального усилителя на транзисторе;
- Электронный ключ в схемах коммутации сигналов на полевом транзисторе с изолированным затвором;
- Электронный ключ в схемах с памятью на диоде Шотки;
Надёжность электронных устройств
Надёжность электронных устройств складывается из надёжности самого устройства и надёжности электроснабжения. Надёжность самого электронного устройства складывается из надёжности элементов, надёжности соединений, надёжности схемы и др. Графически надёжность электронных устройств отображается кривой отказов (зависимость числа отказов от времени эксплуатации). Типовая кривая отказов имеет три участка с разным наклоном. На первом участке число отказов уменьшается, на втором участке число отказов стабилизируется и почти постоянно до третьего участка, на третьем участке число отказов постоянно растёт до полной непригодности эксплуатации устройства.
См. также
- Автоэлектроника
- Микроэлектроника
- Министерство электронной промышленности СССР
- Оптоэлектроника
- Радиотехника
- Фотоника
- Радиодетали
Примечания
- ↑Электроника — статья из Большой советской энциклопедии
Литература
Портал «Электроника» Электроника в Викисловаре ? Электроника в Викиверситете ? Электроника на Викискладе ? - Малютин А. Е., Филиппов И. В.История электроники М.: Электронный учебник — РГРТА, 2006.
- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: Мир, 1982
- Гейтс Э. Д. Введение в электронику — 1998
- Горбачёв Г. Н. Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника / Под ред. проф. В. А. Лабунцова. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
- Грабовски Б. Краткий справочник по электронике — 2004.
- Жеребцов И. П. Основы электроники. — 1989
История развития электроники в 19-20 веке
Электроника — область науки и техники, которая занимается созданием и использованием на практике различных электронных приборов и устройств.
Различают следующие области электроники:
- Физика — область науки, которая изучает процессы, происходящие с заряженными частицами.
- Бытовая электроника. К бытовой электронике относятся устройства и приборы, в которых используются электрический ток, электрическое напряжение, электрическое поле или электромагнитные волны.
- Энергетика — транспортировка, выработка и потребление электрической энергии.
- Микроэлектроника. Микроэлектроника делится на оптоэлектронику (устройства, в которых используются потоки фотонов и электрический ток), аудио-видеотехнику (устройства преобразования и усиления видеоизображений и звука), цифровую микроэлектронику (устройства на микропроцессорах и микросхемах).
Статья: История развития электроники в 19-20 веке
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
История развития электроники в 19-20 веке
Возникновению и развитию электроники способствовал общий прогресс науки, который был связан с деятельностью таких ученых, как Гильберт, Галилей, Герц, Максвелл, Фарадей и многие другие. Как наука, электроника формировалась в начале 20 века после:
- Создания основ электродинамики — Максвелл, 1861-1873 гг.
- Открытия и исследования фотопроводимости — Смит, 1873 г.
- Открытия и исследования односторонней проводимостиконтакта металл-полупроводник – Браун, 1874 г.
- Исследования свойств термоэлектронной эмиссии – Ричардсон, 1900-1901 гг.
- Исследования фотоэлектронной эмиссии – Герц, 1887 г.
- Исследования рентгеновских лучей – Рентген, 1895 г.
- Открытия электрона – Томсон, 1897 г.
- Создания электронной теории – Лоренц, 1892-1909 гг.
- Создания системы передачи-приема сигналов при помощи электромагнитных волн – Попов, 1895 г.
Начало разработки электровакуумных приборов связано с изобретением лампового диода Флемингом в 1904 году, трехэлектродной лампы-триода Форестом в 1906 году, использованием триода в процессе генерирования электрических колебаний — Мейснером в 1913 году, разработкой мощных генераторных ламп Бонч — Бруевичем в 1919 — 1925 году. Однокаскадные и многокаскадные фотоэлектронные умножители (Тимофеев 1928 и Кубецкий 1930) позволили создать звуковое кино. Создание многорезонаторного магнетрона Алексеевым и Маляровым 1936-1937 и отражательного клистрона послужило основой для развития радиолокации.
«История развития электроники в 19-20 веке» ��
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответовВ конце 20-х годов прошлого века в Советском Союзе началось развитие телевидения. С 1931 проводились регулярные телевизионные передачи на средних волнах по системе малокадрового механического телевидения. С середины 30-х годов механические начали вытесняться электронными. В 30-х годах окончательно сформировалась школа радиотехники и радиофизики, была подготовлена научно-техническая база электросвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации и т.п. До 50-х годов развитие электроники было связано, в основном, с совершенствованием электровакуумных приборов и устройств на их основе. Развитие полупроводниковой электроники определили:
- Изобретение кристадина – Лосев, 1922 г.
- Изобретение транзистора — Шокли, Бардин, Браттейн, 1948 г.
Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50-х — начало 60-х годов), а также методов интеграции большого количества элементарных приборов на единственной монокристаллической полупроводниковой пластине способствовало становлению новой области электроники — микроэлектроники, которая использовала достижения физики твёрдого тела, прецизионной технологии, схемотехники и прикладной математики. В 1955 году Прохоров и Басов (независимо от Гордона, Таунса и Цайгера) изобрели молекулярный генератор, представляющий собой первый прибор квантовой электроники. Данное изобретение является началом развития нового направления электронного приборостроения, которое было связано с разработкой и использованием усилителей, преобразователей и генераторов электромагнитных колебаний, действие которых было основано на эффекте вынужденного излучения. Успехи в квантовой электроники привели к преобразованиям в технологиях электронного приборостроения, где использование лазеров позволяет концентрировать световую энергию в пространстве, в времени, а также в узком спектральном интервале, что является основой процессов литографии, контроля микросхем и т. п.