Главная / Новости / НАЧАЛО ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

НАЧАЛО ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Научное изучение электричества стало возможным после изобретения стабильных источников питания. Почву для этого подготовили опыты итальянского врача и физика Луиджи Гальвани. Он предполагал, что мышечные сокращения, которые наблюдаются при разрезании лягушек, связаны с «животным электричеством» — внутренней силой живых организмов. 
Тем временем физик Алессандро Вольта обратил внимание на то, что в таких опытах используются инструменты из металла, которые контактируют между собой. Как мы сейчас знаем, металлы противоположной полярности создают внешний ток из-за разности своих потенциалов, то есть степеней электризации. Открыв этот эффект, уже в 1800 году Вольта сделал из металлических элементов первую батарею химический источник электрического тока. Далее ученые начали изучать применение электричества еще активнее, экспериментировать с количеством разнородных металлов в батарее. 
Эти опыты позволили не просто наблюдать электрические эффекты, а постепенно продвигаться к более полному пониманию природы электричества на инженерном уровне и накапливать базу для создания устройств.

Первые устройства: реле и диод

 Следующим шагом стало открытие электромагнетизма. Эффект электромагнетизма открыл английский физик Майкл Фарадей. Он обнаружил, что если пропустить электрический ток через провода, намотанные на металлический стержень, то стержень намагничивается и совершает механическую работу. Опыты Фарадея служили практическим воплощением теории электромагнитного поля Джеймса Максвелла: согласно его гипотезам, магнитное поле образовывалось под влиянием электрического. Опираясь на эту теоретическую и эмпирическую базу, британский физик Джозеф создал реле — устройство, которое использует одну электрическую цепь для переключения другой электрической цепи. 
С этого момента электроника перестает быть лишь экспериментальной наукой. Ученые и изобретатели увидели в электричестве потенциал для широкого практического применения. Как только люди поняли, что можно передавать сигналы, прерывая и восстанавливая электрический ток, это быстро стали применять для проводной передачи информации — так был создан телеграф. В конце XIX века, когда инженерная мысль дошла до того, что переменный электрический ток может передаваться и без проводов, началась эпоха радио. Поначалу оно было довольно примитивным, но по мере наращивания технологической базы люди научились использовать возможности радиоволн в самых разных областях. 
В XIX веке эксперименты с электричеством и первые шаги электронных устройств делались на фоне оформившейся технологии механических автоматов. Венцом творения механических автоматов являются вычислительные машины английского математика Чарльза Бэббиджа. Процесс их создания был очень трудоемким: для достижения наибольшей точности вычислений нужно спроектировать механизм из огромного количества взаимосвязанных колесиков. При сцеплении они выполняют механическую работу, за счет которой и производятся вычисления, причем для разных вычислений необходимо было создавать отдельное устройство. Бэббидж конструировал устройства для расчета сравнительно небольших логарифмических таблиц. Функцией таких таблиц было упрощение умножения больших чисел: складывая логарифмы интересующих нас чисел, мы получаем результат их умножения. Но более общие вычисления оказалось невозможно реализовывать с помощью технологии Бэббиджа: они требовали слишком сложных и детализированных механизмов. 
Уже в XX веке вычислительные машины стали конструировать из электромагнитных реле. Ведь принцип переключения цепей позволяет создать вентиль — устройство, реализующее вычисления в рамках булевой алгебры. Еще в XVIII веке английский математик Джон Буль сформулировал принципы работы с логикой, использующей только два значения. Этим двум значениям для вентилей соответствует наличие или отсутствие тока в цепи. Используемое в реле преобразование электрической энергии в механическую работу нельзя масштабировать на большое количество элементов, поскольку сильно растет вероятность сбоев в такой системе. 
Ключевым этапом развития электронных технологий стало исключение механического движения. В этих целях ученые рассматривали движение, которое организовывалось пространственным взаимодействием электронов с электрическими полями. Катод с отрицательным потенциалом нагревается, и электроны высвобождаются под влиянием термической энергии. Освобожденные электроны устремляются к аноду — положительно заряженному электроду. Возникает электрический ток. Этот принцип использовался в диодах — электронных элементах, обладающих направленной проводимостью.

В XIX веке болгарский физик Фредерик Гутри создал термический диод, состоящий из лампы накаливания. Опыты с термическими диодами легли в основу практического использования радиоволн. Позже были созданы более сложные триоды, в которых движение электронов можно контролировать управляющей сеткой, расположенной между катодом и анодом, заряжая ее положительным или отрицательным потенциалом. Таким образом получается тот же вентиль, в котором одна цепь управляет другой.

В то же время немецкий физик Карл Браун изобрел твердотельный диод, который состоял из полупроводника и заостренного конца медной проволоки. В начале XX века на основе такого устройства сконструировали радио, но практичным стало применение твердотельных диодов с изобретением дотирования кремния, где функцию диода выполняют электроны внутри полупроводника. Военные финансировали работы над полупроводниковыми устройствами, превосходящие по своим свойствам электронные лампы. Управление электронами в полупроводнике и вентилем, который можно использовать для создания вычислительных устройств, стало возможным благодаря появлению транзистора в 1947 году — в 1956-м за его изобретение ученые Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли получили Нобелевскую премию.

Источник: postnauka


Наши контакты : 
8 (929) 951 91 99 
Viber/WhatsApp 
Лазертаг клуб в Подольске BattleRays в социальных сетях: https://vk.com/battlerays 
https://instagram.com/battlerays

Наш адрес

Подольск, ул. Клемента Готвальда, д. 8