什么是電子學?電子學的工作原理


嘿,存錢。他們監控 你的心跳。他們攜帶 你的聲音傳進別人的家中。他們帶來了 飛機 進入陸地并引導汽車安全到達目的地——他們甚至開火 這 安全氣囊 如果我們遇到麻煩。想想有多少真是太神奇了 “他們”實際做的事情。 “他們”是電子:內部的微小粒子 原子 繞著定義的路徑行進,稱為 承載電能的電路。人們最偉大的事情之一 20世紀學會做的是用電子來控制 機器和過程信息。這 電子學 革命,就像這樣 已知,加速 計算機 革命 這兩件事都改變了我們的許多領域 生活。但是納米級小顆粒究竟是如何做到的,太小了 看到,實現如此大和戲劇性的事情?讓我們來一個 仔細觀察并找出答案!
照片:緊湊型電子電路板 網絡攝像頭. 該板包含幾十個獨立的電子元件,主要是小型電阻器和電容器, 加上完成大部分工作的大型黑色微芯片(左下角)。
電力和電子產品有什么區別?
如果您已經閱讀了我們的文章 電力, 你會知道這是一種 能源——一個非常 我們可以以各種方式制造和使用的各種能源 在更多。電就是制造電磁能 在電路周圍流動,以便它將驅動類似 電動機 或 加熱元件, 為電器供電,例如 電動車, 水壺, 烤 面包 機和 燈. 一般來說,電器需要大量的能量來制造 他們工作所以他們使用相當大的(通常是相當危險的)電力 電流。電熱水壺內的 2500 瓦加熱元件 工作電流約為 10 安培。相比之下,電子元件使用電流 可能以毫安的分數(千分之一安培)為單位進行測量。換句話說,典型的 電器可能會使用數十、數百或數千的電流 比典型的電子產品大幾倍。
電子產品是一種更微妙的電,其中微小的 電流(理論上是單電子)小心翼翼地 圍繞更復雜的電路來處理信號(例如 那些攜帶 收音機 和 電視 程序)或存儲和處理 信息.想一想像 微波 烤箱 而且很容易看出普通之間的區別 電力和電子。在微波爐中,電力提供 產生高能波來烹飪食物的力量;電子學 控制烹飪的電路。

藝術品:微波爐由插入墻壁的電纜(灰色)供電。 電纜為大電流電路和低電流電子電路供電。 大電流電路為磁控管(藍色)供電,磁控管是制造烹飪食物的波浪的裝置, 并旋轉轉盤。低電流電子電路(紅色)控制這些高功率電路, 以及數字顯示單位之類的東西。
模擬和數字電子
有兩種非常不同的信息存儲方式 — 稱為 模擬和數字.這聽起來像是一個很抽象的想法,但它是 真的非常簡單。假設你拍了一張老式的照片 有人有 膠片相機.相機捕捉流入的光線 通過前面的快門作為光的圖案 和經過化學處理的暗區 塑膠. 你所在的場景 攝影被轉化為一種即時的化學繪畫—— 你正在看的東西的“類比”。這就是為什么我們說這是一個 模擬 存儲信息的方式。但是,如果您拍攝一張照片 同一場景與 數碼相機, 相機存儲非常不同的記錄。而不是保存 可識別的明暗圖案,它轉換了明暗 區域成數字并存儲它們。存儲數字,編碼 某物的版本稱為 數字.

照片:模擬和數字電子。收音機(背面)是模擬的:它“吸收”無線電波,并通過晶體管和電容器等電子元件將它們變回聲音。相機(前置)是數字的:它將照片存儲和處理為數字。
電子設備通常處理任一模擬信息。 或數字格式。在老式晶體管中 收音機, 廣播信號通過 天線 貼 出局。這些是模擬信號:它們是無線電波, 從遙遠的無線電發射器在空中傳播, 振動 以與單詞完全對應的模式上下和 他們攜帶的音樂。如此響亮的搖滾音樂意味著比安靜更大的信號 古典樂。收音機以模擬形式保持信號 接收它們,增強它們,并將它們變回您可以的聲音 聽見。但在現代 數字收音機, 事情以不同的方式發生。首先,信號以數字方式傳播 格式 - 作為編碼數字。當他們到達您的收音機時,數字 被轉換回聲音信號。這是一種非常不同的方式 處理信息,它既有優點也有缺點。 通常,大多數現代形式的電子設備(包括 計算機, 細胞 手機, 數碼相機, 數字收音機、助聽器,以及 電視) 使用 數字電子。
如果你曾經從摩天大樓的窗戶俯視過一座城市, 你會驚嘆于你腳下的所有小建筑, 街道以各種錯綜復雜的方式將它們連接在一起。每 建筑具有功能和街道,允許人們旅行 從城市的一部分到另一個地方,或參觀不同的建筑物 轉,使所有建筑物協同工作。收藏 建筑物,它們的排列方式,以及它們之間的許多聯系 它們使一個充滿活力的城市遠遠超過其總和 單個零件。
電子設備內部的電路有點像 城市也是如此:它們擠滿了 組件 (類似于 建筑物)執行不同的工作,并且組件是鏈接的 通過電纜或印刷金屬連接在一起 連接 (類似于 街道)。與城市不同,幾乎每座建筑都是獨一無二的 甚至兩個據稱相同的房屋或辦公大樓也可能是微妙的 不同的是,電子電路是由少數 標準組件。但是,就像樂高?一樣,你可以把這些 組件在無數個不同的地方組合在一起,所以它們 做無限數量的不同工作。
以下是您將遇到的一些最重要的組件:
電阻
這些是任何電路中最簡單的元件。它們的工作是限制電子的流動并減少 通過將電能轉化為熱量流動的電流或電壓。 電阻器有許多不同的形狀和尺寸??勺冸娮杵? (也稱為電位計)具有刻度盤控件,因此它們 轉動它們時更改阻力量。音量控制 音頻設備使用這樣的可變電阻器。
在我們的主要文章中閱讀更多關于 電阻.

照片:來自收音機的電路板上的典型電阻器。二極管
二極管是單行道的電子等價物,允許電流流動 只在一個方向上通過它們。它們也被稱為整流器。 二極管可用于改變交流電(回流的交流電) 并繞一個電路,不斷交換方向)變成直接 電流(始終沿同一方向流動的電流)。
在我們的主要文章中閱讀更多關于 二極管.

相片:二極管外觀與電阻器相似,但工作方式不同 并做完全不同的工作。與電阻器不同,電阻器可以插入電路中 無論哪種方式,二極管都必須以正確的方向接線(對應于箭頭 在此電路板上)。電容器
這些相對簡單的組件由兩塊導電材料(如金屬)組成,由 稱為電介質的非導電(絕緣)材料。他們是 通常用作計時設備,但它們可以轉換電氣 其他方式也流動。在收音機中,最重要的工作之一, 調諧到您想收聽的電臺,是由電容器完成的。
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照片:晶體管無線電電路中的小電容器。晶體管
很容易成為計算機中最重要的組件,晶體管可以 打開和關閉微小的電流或放大它們(變換 小電流變成大得多的電流)。工作的晶體管 開關充當計算機中的存儲器,而晶體管工作 因為放大器提高了助聽器中的聲音音量。什么時候 晶體管連接在一起,它們使設備稱為 邏輯門 可以執行非常基本的 決策形式。(晶閘管 有點像晶體管,但是 以不同的方式工作。
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照片:電子電路板上的典型場效應晶體管(FET)。光電(光學電子)元件
有各種組件可以將光轉化為電能,反之亦然。 光電管 (也稱為 光電電池)產生微小的電 當光線落在它們身上并用作“魔眼”光束時產生的電流 在各種類型的傳感設備中,包括某些種類的 煙霧探測器. 發光二極管 (LED) 以相反的方式工作,轉換小電流 變成光。LED通常用于立體聲的儀表板 設備。 液晶顯示器,例如用于 平板液晶電視和筆記本電腦 計算機是光電學的更復雜的例子。

相片:安裝在電子電路中的LED。這是其中之一 在光學器件內發出紅光的 LED 電腦鼠標.電子元件有一些非常重要的共同點。 無論他們做什么工作,他們都通過控制電子的流動來工作。 以非常精確的方式通過它們的結構。這些組件中的大多數 由部分導電、部分絕緣的實心片制成 稱為的材料 半導體 (描述 更詳細地見我們的 關于 晶體管).因為電子涉及理解 固體如何讓電子通過它們的精確機制, 它有時被稱為 固態 物理。 這就是為什么你經常會看到電子設備被描述為“固態”。
電子電路和電路板
電子設備的關鍵不僅僅是它的組件 包含,但它們在電路中的排列方式。最簡單的 可能的電路是連接兩個組件的連續回路,例如 兩顆珠子系在同一條項鏈上。模擬電子電器 往往比數字電路簡單得多?;揪w管 收音機可能有幾十個不同的組件和一個電路板 可能不比平裝書的封面大。但是在某些事情上 像一個 計算機,使用數字技術,電路更多 密集而復雜,包括數百、數千甚至數百萬 分開 途徑。一般來說,電路越復雜,越多 復雜地執行它可以執行的操作。

照片:電腦打印機內部的電子電路板。哪些電子元件 你能看到這里嗎?我可以辨認出一些電容器,二極管和集成電路(黑色的大東西,下面解釋)。
如果您嘗試過簡單的電子產品,您就會知道 構建電路的最簡單方法是將組件連接在一起 長度短 銅 電纜。但是你必須做的組件越多 連接,這變得越難。這就是為什么電子設計師 通常選擇更系統的方式來排列組件 稱為 電路板.基本電路 董事會只是一個 的矩形 塑膠 一側有銅連接軌道和很多 鉆穿它的孔。您可以輕松地將組件連接在一起 通過將它們戳穿孔并使用銅將它們連接起來 一起,根據需要去除銅位,并添加額外的電線 以建立其他連接。這種類型的電路板通常是 稱為“面包板”。
您在商店購買的電子設備將這個想法向前邁進了一步 進一步使用在工廠自動制造的電路板. 電路的確切布局以化學方式印刷到塑料上 板,所有銅軌在 制造過程。然后簡單地推動組件 預先鉆孔并用一種電動固定到位 導電膠稱為 焊料.以這種方式制造的電路 被稱為 印刷電路板.

相片: 軟焊 組件成電子 電路。您可以看到的煙霧來自焊料熔化并變成蒸汽。我在這里焊接的藍色塑料矩形是一個典型的印刷電路板 - 你可以看到各種組件從它上面伸出來,包括前面的一堆電阻器和頂部的一個大型集成電路。
雖然PCB在手工布線電路板上是一個很大的進步, 當您需要連接數百個時,它們仍然很難使用, 數千個甚至數百萬個組件在一起。原因早 計算機是如此之大,耗電,緩慢,昂貴且不可靠是 因為它們的組件是手動連接在一起的 老式的方式。然而,在1950年代后期,工程師杰克·基爾比和 羅伯特·諾伊斯獨立開發了一種創建電子產品的方法 硅片表面的微型組件。用 這些 集成電路,它迅速變成了 可能擠壓成百上千,幾百萬,然后數億 小型化組件到大約大小的硅芯片上 指甲。這就是計算機變得更小、更便宜、更多的原因。 從 1960 年代開始更加可靠。

照片:小型化。擁有更多的計算能力 在我手指上的處理芯片中,比你在房間大小中找到的要多 1940 年代的計算機!
電子產品是做什么用的?
電子產品現在如此普遍,以至于幾乎更容易想到 不使用它的東西比使用它的東西。
娛樂是最早受益的領域之一,包括 收音機 (和 后 電視) 都至關重要 取決于 電子元件。雖然 電話 是在電子產品得到適當發展之前發明的,現代的 電話系統, 手機 網絡 和計算機網絡 心臟 互聯網 所有受益者都受益于 精密的數字電子產品。
試著想一些你做的事情不涉及電子產品 你可能會掙扎。你 汽車發動機 可能有電子電路 在其中 - 那么 全球定位系統 衛星 告訴你去哪里的導航設備?甚至 安全氣囊 在你的 方向盤由電子電路觸發,該電路可檢測何時 你需要一些額外的保護。
電子設備也以其他方式拯救我們的生命。醫院 擠滿了各種電子產品,從心率 監視器和 超聲波 掃描儀到復雜的腦掃描儀和 X射線 機器。助聽器是首批受益于 20世紀中葉微型晶體管的發展,以及 越來越小的集成電路使助聽器成為 從那以后的幾十年里,更小、更強大。
誰會想到有電子——幾乎是你最小的東西 可以想象——會在這么多重要的事情上改變人們的生活 方式?
電子學簡史

照片:J.J.湯姆森爵士,他于1897年在劍橋大學發現電子是帶負電的粒子。湯姆森贏得 1906年諾貝爾物理學獎 因為他的工作。照片由貝恩新聞服務提供 美國國會圖書館.
1874年:愛爾蘭科學家 喬治·約翰斯通·斯托尼 (1826-1911)建議電力必須由微小的電力“建造” 收費。大約20年后,他創造了“電子”這個名字。
1875年:美國科學家 喬治·凱里 構建一個光電電池,當光線照射時發電 它。
1879: 英國人 威廉·克魯克斯爵士 (1832-1919)開發了他的陰極射線管(類似于舊式, 基于“管”的 電視) 學習 電子(當時被稱為“陰極射線”)。
1883年:多產的美國發明家 愛迪生 (1847-1931)發現熱離子發射(也稱為愛迪生 效應),其中電子由加熱的燈絲釋放。
1887年:德國物理學家 海因里?!ず掌?(1857-1894)發現了更多關于光電效應的信息, 凱里偶然發現的光和電之間的聯系 前十年。
1897年:英國物理學家 J.J.湯姆森 (1856-1940)表明陰極射線是帶負電的粒子。 湯姆森稱它們為“微?!?,但它們很快就被重新命名為電子。
1904: 約翰·安布羅斯·弗萊明 (1849-1945),英國科學家,生產了弗萊明閥門(后來 更名為二極管)。它成為收音機中不可或缺的組件。
1906年:美國發明家 李德福雷斯特 (1873-1961),做得更好,并開發了一種改進的閥門,稱為 三極管(或音頻),大大改進了收音機的設計。德 福里斯特經常被譽為現代無線電之父。
1947: 美國人 約翰·巴丁 (1908–1991), 沃爾特·布拉坦 (1902-1987),以及 威廉·肖克利 (1910–1989) 在貝爾實驗室開發晶體管。它徹底改變了電子和數字 20世紀下半葉的計算機。
1958年:獨立工作,美國工程師 杰克·基爾比 (1923-2005)的德州儀器和 羅伯特·諾伊斯 (1927-1990) 的費爾柴爾德 半導體(以及后來的英特爾)開發集成電路。
1971: 馬西安·愛德華(泰德)霍夫 (1937–) 和 費德里科·費金 (1941–) 設法將計算機的所有關鍵組件壓縮到 單芯片,生產世界上第一個通用微處理器,英特爾4004。
1987年:美國科學家 西奧多·富爾頓 和 杰拉爾德·多蘭 貝爾實驗室開發了第一個單電子晶體管。
2008年:惠普研究員 斯坦利·威廉姆斯 構建第一個工作憶阻器,一個新的 一種磁路元件,其工作原理類似于帶有存儲器的電阻器,最早由美國物理學家設想 蔡磊 近四十年前(1971 年)。
責任編輯:David
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