Physik

Elektronik | Geräte, Fakten und Geschichte

Elektronik , Zweig der Physik und Elektrotechnik , der sich mit der Emission, dem Verhalten und den Wirkungen von Elektronen befasst und mitelektronische Geräte .

Die Elektronik umfasst ein außergewöhnlich breites technologisches Spektrum . Der Begriff wurde ursprünglich auf das Studium von angewendetElektronenverhalten und -bewegung, insbesondere wie in den ersten Elektronenröhren beobachtet . Es wurde im weiteren Sinne mit Fortschritten im Wissen über die fundamentale Natur von Elektronen und über die Art und Weise, wie die Bewegung dieser Teilchen genutzt werden könnte, verwendet. Heute beschäftigen sich viele wissenschaftliche und technische Disziplinen mit verschiedenen Aspekten der Elektronik. Die Forschung auf diesen Gebieten hat zur Entwicklung von Schlüsselgeräten wie Transistoren , integrierten Schaltkreisen , Lasern und optischen Fasern geführt. Diese wiederum haben es ermöglicht, eine breite Palette elektronischer Verbraucher-, Industrie- und Militärprodukte herzustellen. In der Tat kann man sagen, dass sich die Welt inmitten einer elektronischen Revolution befindet, die mindestens so bedeutend ist wie die industrielle Revolution des 19. Jahrhunderts.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die historische Entwicklung der Elektronik und beleuchtet wichtige Entdeckungen und Fortschritte. Außerdem werden einige wichtige elektronische Funktionen und die Art und Weise beschrieben, in der verschiedene Geräte diese Funktionen ausführen.

Die Geschichte der Elektronik

Das Vakuumröhren- Ära

Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Elektrizität im 18. und 19. Jahrhundert führten zur Entwicklung der ersten elektrischen Maschinen und zum Beginn der weit verbreiteten Nutzung von Elektrizität. Die Geschichte der Elektronik begann sich Ende des 19. Jahrhunderts mit der Identifizierung des Elektrons durch den englischen Physiker Sir Joseph John Thomson und der Messung seiner elektrischen Ladung durch den amerikanischen Physiker Robert A. Millikan im Jahr 1909 getrennt von der der Elektrizität zu entwickeln .

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Zur Zeit von Thomsons Arbeit war der amerikanische Erfinder Thomas A. Edison hatte unter bestimmten Bedingungen in einigen seiner frühen Glühbirnen ein bläuliches Leuchten beobachtet und festgestellt, dass ein Strom von einer Elektrode in der Lampe zur anderen fließen würde, wenn die zweite (Anode ) wurden in Bezug auf die erste positiv geladen (Kathode ). Arbeiten von Thomson und seinen Schülern sowie vom englischen IngenieurJohn Ambrose Fleming enthüllte, dass dies so genannt wirdDer Edison-Effekt war das Ergebnis der Emission von Elektronen von der Kathode, dem heißen Filament in der Lampe. Die Bewegung der Elektronen zur Anode, einer Metallplatte, stellte einen elektrischen Strom dar, der nicht existieren würde, wenn die Anode negativ geladen wäre.

Diese Entdeckung gab Impulse für die Entwicklung von Elektronenröhren, einschließlich einer verbesserten Röntgenröhre des amerikanischen IngenieursWilliam D. Coolidge und Flemingthermionische Ventil (eine Zwei-Elektrodenvakuumröhre) für die Verwendung in Funkempfängern. Die Erkennung eines Funksignals, bei dem es sich um einen sehr hochfrequenten Wechselstrom (AC) handelt, erfordert die Gleichrichtung des Signals. Das heißt, der Wechselstrom muss von einem Gerät in Gleichstrom umgewandelt werden, das nur dann leitet, wenn das Signal eine Polarität hat, aber nicht, wenn es die andere hat - genau das, was Flemings Ventil (patentiert 1904) getan hat. Zuvor wurden Funksignale von verschiedenen empirisch entwickelten Geräten wie dem „Cat Whisker “-Detektor, der aus einem feinen Draht (dem Whisker) bestand, der in empfindlichem Kontakt mit der Oberfläche eines natürlichen Kristalls aus Bleisulfid (Bleiglanz) oder einem anderen Halbleitermaterial stand . Diese Vorrichtungen waren nicht zuverlässig, hatten keine ausreichende Empfindlichkeit und erforderten eine konstante Einstellung des Kontakts zwischen Whisker und Kristall, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Dies waren jedoch die Vorläufer der heutigen Festkörpergeräte. Die Tatsache, dass Kristallgleichrichter überhaupt funktionierten, ermutigte die Wissenschaftler, sie weiter zu untersuchen und schrittweise das grundlegende Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien zu erlangen, die für die Erfindung des Transistors erforderlich sind .

Im Jahr 1906 Lee De Forest , ein amerikanischer Ingenieur, entwickelte eine Art Vakuumröhre, die Funksignale verstärken konnte. De Forest fügte ein feines Drahtgitter zwischen der Kathode und der Anode des von Fleming konstruierten thermionischen Zwei-Elektroden-Ventils hinzu. Das neue Gerät, das De Forest das nannteAudion (patentiert 1907) war somit eine Vakuumröhre mit drei Elektroden. Im Betrieb erhält die Anode in einer solchen Vakuumröhre ein positives Potential (positiv vorgespannt ) in Bezug auf die Kathode, während das Gitter negativ vorgespannt ist. Eine große negative Vorspannung des Gitters verhindert, dass von der Kathode emittierte Elektronen die Anode erreichen. Da das Gitter jedoch größtenteils ein offener Raum ist, können einige Elektronen durch eine weniger negative Vorspannung hindurchtreten und die Anode erreichen. Kleine Schwankungen des Netzpotentials können somit große Mengen an Anodenstrom steuern.

Die Vakuumröhre ermöglichte die Entwicklung von Rundfunk, Ferntelefonie, Fernsehen und den ersten elektronischen Digitalcomputern. Diese frühen elektronischen Computer waren in der Tat die größten Vakuumröhrensysteme, die jemals gebaut wurden. Der vielleicht bekannteste Vertreter ist die ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer ), fertiggestellt 1946.

Die besonderen Anforderungen der vielen verschiedenen Anwendungen von Vakuumröhren führten zu zahlreichen Verbesserungen, die es ihnen ermöglichten, große Leistungsmengen zu handhaben, bei sehr hohen Frequenzen zu arbeiten, eine überdurchschnittliche Zuverlässigkeit zu haben oder sehr kompakt zu sein (die Größe eines Fingerhutes). DasDie Kathodenstrahlröhre , die ursprünglich für die Anzeige elektrischer Wellenformen auf einem Bildschirm für technische Messungen entwickelt wurde, entwickelte sich zur Fernsehbildröhre. Solche Röhren arbeiten, indem sie die von der Kathode emittierten Elektronen zu einem dünnen Strahl formen, der auf einen Fluoreszenzschirm am Ende der Röhre auftrifft . Der Bildschirm sendet Licht aus, das von außerhalb der Röhre betrachtet werden kann. Durch Ablenken des Elektronenstrahls werden Lichtmuster auf dem Bildschirm erzeugt, wodurch die gewünschten optischen Bilder erzeugt werden.

Trotz des bemerkenswerten Erfolgs von Festkörpergeräten in den meisten elektronischen Anwendungen gibt es bestimmte spezielle Funktionen, die nur Vakuumröhren ausführen können. Diese beinhalten normalerweise den Betrieb bei extremer Leistung oder Frequenz.

Vakuumröhren sind zerbrechlich und nutzen sich im Betrieb ab. Ein Fehler tritt bei normalem Gebrauch entweder durch wiederholtes Heizen und Kühlen beim Ein- und Ausschalten der Ausrüstung (thermische Ermüdung) auf, was letztendlich zu einem physikalischen Bruch in einem Teil der Innenstruktur des Rohrs führt, oder durch eine Verschlechterung der Eigenschaften von die Kathode durch Restgase in der Röhre. Vakuumröhren brauchen auch Zeit (von einigen Sekunden bis zu mehreren Minuten), um sich auf Betriebstemperatur aufzuwärmen - bestenfalls eine Unannehmlichkeit und in einigen Fällen eine ernsthafte Einschränkung ihrer Verwendung. Diese Mängel motivierten Wissenschaftler der Bell Laboratories , nach einer Alternative zur Vakuumröhre zu suchen , und führten zur Entwicklung derTransistor .