Электротехника — база электроники (стр. 1 из 3)

Веселовский О. Н. В., Шнейберг Я. А.

Когда стали известны опыты Стефана Грея (1729 г.), в которых он производил электризацию человека, устроившегося на волосяных качелях, в одной из поэм появились такие строки:

Безумный Грей, что знал ты в самом деле

О свойствах силы той, неведомой доселе?

Разрешено ль тебе, безумец, рисковать

И человека с электричеством связать?

Человек «связан» с электричеством и по сей день. С каждым годом, десятилетием, столетием эта связь, а точнее, знания человека об электричестве углублялись, а сфера применений электрических и магнитных явлений непрерывно расширялась. Пионерские работы XIX столетия указали многие пути проникновения электротехнических устройств и технологий в промышленность, сельское хозяйство, медицину, быт, транспорт, связь. В XX веке продолжилось триумфальное шествие электротехники во всех указанных и других направлениях. Но со временем обнаружилась такая область, где прорыв оказался по своим последствиям равнозначным новой научно-технической революции — это электроника. По аналогии с электрификацией применение электроники в народном хозяйстве стали называть электронизацией.

Зарождение электроники было исторически обусловлено и вызвано потребностями в беспроводной связи.

Открытие электромагнитных волн и первые опыты с ними показали возможность их использования для беспроводной связи. Поэтому решающее влияние на развитие электроники оказало изобретение радио. Появление электронной лампы произвело целый переворот в . технике радиосвязи!, вызвало принципиальные изменения во многих ее направлениях, изменило темпы и характер развитая приемно-передающей техники. В течение последующих лет радиотехника заметаю влияла на использование электронных приборов в энергетике и технологам. И, между прочим, не случайно, электронная лампа многое года называлась «радиолампа».

Зарождение радиоэлектроники относится к концу прошлого столетия. Открытие электромагнитных волн и их экспериментальное исследование (Д. К. Максвелл, Г. Герц) привели к созданию первых генераторов и индикаторов электромагнитных волн, положили начало разработке более совершенных приборов и устройств для возбуждения и приема этих волн.

Идея радио носилась в воздухе. Дж. Генри и Г. Гельмгольц еще в 40-х годах прошлого века устанавливают колебательный характер искрового разряда. В 1850 г. Генри наблюдал индуктивные взаимодействия двух катушек на расстоянии около 80 м. Максвелл в 1873 г. изложил сущность явления электромагнитных волн, а Герц в 1888 г. осуществил их экспериментальное исследование. Вибратор и резонатор Герца — это крупнейшие ступени в предыстории радио. Герц работал с электромагнитными волнами в диапазоне 0, 6—6 м.. Его волны были названы «лучами Герца», а от латинского «radius» — луч и вошло в жизнь слово «радио».

В 1891 т. французский физик Эдуард Бранли изобрел когерер — стеклянную трубку с металлическими опилками, оказавшуюся хорошим индикатором электромагнитных волн (впрочем, воздействие электромагнитных разрядов на изменение проводимости «плохих» контактов обнаруживалось и до Бранли).

В 1889 г. Александр Степанович Попов (1859—1906 гг.) прочел лекцию в Кронштадтском морском собрании на тему «Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями». Закончил он эту лекцию словами: «Человеческий организм не имеет еще такого органа чувств, который замечал бы электромагнитные волны в эфире; если бы изобрести такой прибор, который заменил бы нам электромагнитные чувства, то его можно было бы применять к передаче сигналов на расстояние».

Насколько ясна была принципиальная постановка задачи, можно судить по статье известного ученого Крукса, опубликованной в феврале 1892 г. Там есть такие строки: «...электромагнитные волны длиной в ярд или более легко проходят через такую среду (стены, лондонский туман), которая для них прозрачна. Здесь открывается изумительная возможность телеграфирования без проводов... При реализации некоторых разумных предпосылок все это оказывается в пределах реального осуществления».

Изучив работы английского ученого О. Лоджа и французского физика Бранли и исследовав электропроводные свойства порошков различных металлов, А. С. Попов создал более совершенный, безотказно действующий индикатор электромагнитных волн и предложил оригинальный метод встряхивания когерера с помощью электромагнитного звонкового реле. Э. Бранли для восстановления чувствительности когерера встряхивал его руками. О. Лодж предложил для этих целей использовать часовой механизм. Но как автоматизировать этот процесс? Как «заставить» электромагнитную волну, воздействующую на когерер, автоматически восстановить его чувствительность? Эту проблему впервые успешно решил А. С. Попов. Присоединив к когереру вертикальный провод, он создал простейшую приемную антенну. Приемник А. С. Попова (рис. 7.1) работал следующим образом: при воздействии электромагнитной волны на когерер 1 металлические опилки слипались, сопротивление цепи уменьшалось, и якорь электромагнитного реле 2 притягивался и замыкал контактом 3 цепь «батарея 5 — звонковое реле 4», молоточек звонка притягивался к электромагниту, звонок фиксировал прием сигнала, при этом электрическая цепь размыкалась, и молоточек звонка, возвращаясь в исходное положение, ударял по когереру и восстанавливал его чувствительность; 6 — антенна; 7 — индуктивные катушки, повышавшие устойчивость работы приемника. Седьмого мая 1895 г. Попов публично демонстрировал радиоприемник, а в сентябре того же года, присоединив к схеме телеграфный аппарат Морзе, ввел запись принимаемых сигналов на ленту. Радиоприемник Попова — одно из наиболее совершенных электромагнитных автоматических устройств своего времени. Именно поэтому, а также вследствие большого влияния радиотехники на развитие промышленной электроники, здесь кратко рассмотрены первые шаги радиотехники.

В 1896 г. итальянцем Г. Маркони был получен патент на радиоприемник, схема которого была идентична схеме А. С. Попова. Поддерживаемый крупными английскими промышленниками, Г. Маркони построил мощный радиопередатчик (около 15 кВт) и сложную антенну и в 1901 г. передал радиосигналы через Атлантический океан.

В течение первого десятилетия нашего века создаются разные конструкции радиопередающих устройств — искровые, дуговые, электромашинные, совершенствуются детекторы (магнитные, термические электролитические).

Изобретение электронной лампы дало мощный импульс в развитии радиотехники. Действие электронной лампы основано на явлении термоэлектронной эмиссии, впервые наблюдавшемся, Эдисоном в 1883 г. и известном под названием «эффекта Эдисона». Занимаясь усовершенствованием электрических ламп накаливания, Эдисон обратил внимание на то, что стеклянная колба лампы сравнительно быстро покрывается темным налетом, а угольная нить перегорает. Стремясь увеличить срок службы нити и выяснить причины потемнения колбы, Эдисон произвел ряд экспериментов и обнаружил, что между угольной нитью и пластинкой (рис. 7.2) проходит электрический ток. Вначале это явление не получило правильного объяснения, но после открытия электрона было установлено, что Эдисон наблюдал эмиссию электронов. Дальнейшее изучение процессов происходивших в электрической лампе, внутри которой находился металлический электрод, соединенный с источником напряжения, показало, что подобное устройство способно пропускать ток только в одном направлению, то есть служить выпрямителем. В 1904 г, английский ученый Я; А. Флеминг разработал конструкцию двухэлектродной лампы — диода и предложил применять его в качестве детектора в радиоприемных устройствах. Но диоды, будучи еще несовершенными электровакуумными приборами, около 10 лет не получали широкого применения.

Последующие многочисленные эксперименты с двухэлектродной» лампой (Вайнтрауб, 1904 г.; Ли де Форест, 1907 г.) привели к установлению важного факта — возможности управления потоком электронов при помощи дополнительного металлического электрода — сетки. Такая конструкция трехэлектродной лампы получила название триода. Триод мог применяться не только для детектирования, но и для усиления электрических колебаний.

Исследования электронных ламп привели к открытию возможности использования триода в качестве генератора незатухающих электрических колебаний.

Над изобретением лампового генератора работали ученые разных стран. Наибольшую известность получила схема лампового генератора, предложенная в 1913 г. австрийским ученым А. Мейснером. После 1916 г. когда были освоены более совершенные методы откачки ламп, наступил период «технической зрелости» электронной лампы, и она стала основным элементом радиоэлектронных устройств. Важную роль в усовершенствовании первых конструкций приемно-усилительных и генераторных схем имели наряду с работами многих зарубежных ученых и инженеров труды наших соотечественников — Н. Д. Папалекси и М. А. Бонч-Бруевича. Так, М. А. Бонч-Бруевичем в Нижегородской радиолаборатории, организованной в 1918 г., были созданы мощные генераторные лампы с водяным охлаждением и разработана теория триода.

В изучении электровакуумных процессов и расширении области применения электронных приборов большую роль сыграло открытие явления фотоэлектрического эффекта (1887-1889 гг., Г. Герц, В. Галльвакс, А. Г. Столетов).

Наиболее полное исследование явления внешнего фотоэффекта принадлежит А. Г. Столетову, схема одного из опытов которого изображена на рис. 7.3. Им было не только доказано, что отрицательно заряженный проводник теряет заряд при освещении его лучами света, но установлен закон пропорциональности между фототоком и интенсивностью световых лучей. Важное значение для последующего практического применения фотоэффекта имело установление Столетовым безынерционности этого явления. Им впервые были проведены исследования фотоэффекта в условиях вакуума. Созданная для этих целей установка явилась, по существу, первым вакуумным фотоэлементом. Первые практически пригодные вакуумные элементы с катодами из щелочных металлов были созданы в 1910 г. (Ю. Эльстер и Г Гейгер).