Historia elektrotechniki
Ten artykuł szczegółowo opisuje historię elektrotechniki .
Starożytne wydarzenia
Na długo zanim istniała jakakolwiek wiedza o elektryczności, ludzie byli świadomi wstrząsów powodowanych przez elektryczne ryby . Starożytne egipskie teksty z 2750 roku p.n.e. określały te ryby jako „grzmoty Nilu ” i opisywały je jako „obrońców” wszystkich innych ryb. Ryby elektryczne zostały ponownie opisane tysiąclecia później przez starożytnych greckich , rzymskich i arabskich przyrodników i lekarzy . Kilku starożytnych pisarzy, takich jak Pliniusz Starszy i Scribonius Largus , potwierdził paraliżujący efekt wstrząsów elektrycznych dostarczanych przez sumy elektryczne i promienie elektryczne , i wiedział, że takie wstrząsy mogą przemieszczać się wzdłuż przedmiotów przewodzących. Pacjenci z dolegliwościami takimi jak dna moczanowa czy ból głowy byli kierowani do dotykania ryb elektrycznych w nadziei, że potężny wstrząs może ich wyleczyć. Prawdopodobnie najwcześniejsze i najbliższe podejście do odkrycia tożsamości błyskawicy i elektryczności z jakiegokolwiek innego źródła można przypisać Arabom , którzy przed XV wiekiem mieli arabskie słowo oznaczające błyskawicę ra'ad ( رعد ) zastosowany do promienia elektrycznego .
Starożytne kultury wokół basenu Morza Śródziemnego wiedziały, że niektóre przedmioty, takie jak bursztynowe pręty , można pocierać kocią sierścią, aby przyciągnąć lekkie przedmioty, takie jak pióra. Tales z Miletu , starożytny filozof grecki, piszący około 600 roku pne, opisał formę elektryczności statycznej , zauważając, że pocieranie futra różnymi substancjami, takimi jak bursztyn , powodowałoby szczególne przyciąganie między nimi. Zauważył, że bursztynowe guziki mogą przyciągać lekkie przedmioty, takie jak włosy, i że jeśli pocierają bursztyn wystarczająco długo, mogą nawet wywołać iskrę skakać.
Około 450 roku pne Demokryt , późniejszy filozof grecki, opracował teorię atomową , która była podobna do współczesnej teorii atomowej. Jego mentorowi, Leukipposowi, przypisuje się tę samą teorię. Hipoteza Leucypa i Demokryta głosiła, że wszystko składa się z atomów . Ale te atomy , zwane „atomami”, były niepodzielne i niezniszczalne. Proroczo stwierdził, że między atomami leży pusta przestrzeń, a atomy są w ciągłym ruchu. Mylił się jedynie w stwierdzeniu, że atomy występują w różnych rozmiarach i kształtach oraz że każdy obiekt ma swój własny kształt i rozmiar atomu.
Obiekt znaleziony w Iraku w 1938 roku, datowany na około 250 pne i nazwany baterią bagdadzką , przypomina ogniwo galwaniczne i według niektórych był używany do galwanizacji w Mezopotamii , chociaż nie ma na to dowodów.
Rozwój XVII wieku
Elektryczność przez tysiąclecia pozostanie czymś więcej niż intelektualną ciekawostką. W 1600 roku angielski naukowiec William Gilbert rozszerzył badania Cardano na elektryczność i magnetyzm, odróżniając efekt magnetyzmu od elektryczności statycznej wytwarzanej przez pocieranie bursztynu. Ukuł nowe łacińskie słowo electricus („z bursztynu” lub „jak bursztyn”, od ήλεκτρον [ elektron ], greckie słowo oznaczające „bursztyn”), odnoszące się do właściwości przyciągania małych przedmiotów po potarciu. To skojarzenie dało początek angielskim słowom „elektryczność” i „elektryczność”, które po raz pierwszy pojawiły się drukiem w Pseudodoxia Epidemica Thomasa Browne'a z 1646 roku.
Dalsze prace prowadził Otto von Guericke , który wykazał odpychanie elektrostatyczne. Robert Boyle opublikował również pracę.
Rozwój XVIII wieku
Chociaż zjawiska elektryczne były znane od wieków, w XVIII wieku systematyczne badanie elektryczności stało się znane jako „najmłodsza z nauk”, a opinia publiczna została zelektryzowana najnowszymi odkryciami w tej dziedzinie.
W 1705 roku Francis Hauksbee odkrył, że jeśli umieści niewielką ilość rtęci w szkle zmodyfikowanej wersji generatora Otto von Guericke , usunie z niego powietrze, aby wytworzyć łagodną próżnię, i potarł kulkę, aby wytworzyć ładunek , blask był widoczny, jeśli położył rękę na zewnętrznej stronie piłki. Ta poświata była wystarczająco jasna, by przy niej czytać. Wydawało się, że jest podobny do ognia św. Elma . Efekt ten stał się później podstawą lampy wyładowczej , która doprowadziła do powstania oświetlenia neonowego i lamp rtęciowych . W 1706 roku wyprodukował „maszynę wpływu”, aby wygenerować ten efekt. W tym samym roku został wybrany członkiem Towarzystwa Królewskiego .
Hauksbee kontynuował eksperymenty z elektrycznością, dokonując licznych obserwacji i opracowując maszyny do generowania i demonstrowania różnych zjawisk elektrycznych. W 1709 roku opublikował Fizyczno-mechaniczne eksperymenty na różne tematy , które podsumowały większość jego prac naukowych.
Stephen Gray odkrył znaczenie izolatorów i przewodników. CF du Fay , widząc jego pracę, opracował teorię elektryczności „dwóch płynów”.
W XVIII wieku Benjamin Franklin prowadził szeroko zakrojone badania nad elektrycznością, sprzedając swój majątek, aby sfinansować swoją pracę. Podobno w czerwcu 1752 roku przyczepił metalowy klucz do zwilżonej linki latawca i puścił latawcem na niebie zagrożonym burzą. Seria iskier przeskakujących z klucza na grzbiet jego dłoni pokazała, że błyskawica rzeczywiście ma charakter elektryczny. Wyjaśnił również pozornie paradoksalne zachowanie słoika lejdejskiego jako urządzenia do przechowywania dużych ilości ładunku elektrycznego, opracowując teorię jednego płynu, dwóch stanów elektryczności.
W 1791 roku Włoch Luigi Galvani opublikował swoje odkrycie bioelektryczności , wykazując, że elektryczność jest medium, za pomocą którego komórki nerwowe przekazują sygnały do mięśni. Bateria lub stos galwaniczny Alessandro Volty z 1800 r., wykonany z naprzemiennych warstw cynku i miedzi, dostarczył naukowcom bardziej niezawodnego źródła energii elektrycznej niż używane wcześniej maszyny elektrostatyczne .
Rozwój XIX wieku
Elektrotechnika stała się zawodem pod koniec XIX wieku. Praktycy stworzyli globalną telegrafu elektrycznego , aw Wielkiej Brytanii i Stanach Zjednoczonych powstały pierwsze instytucje elektrotechniczne wspierające nową dyscyplinę. Chociaż nie można dokładnie wskazać pierwszego inżyniera elektryka, Francis Ronalds wyprzedza konkurencję, który stworzył działający system telegrafu elektrycznego w 1816 roku i udokumentował swoją wizję tego, jak świat może zostać przekształcony przez elektryczność. Ponad 50 lat później wstąpił do nowego Stowarzyszenia Inżynierów Telegrafów (które wkrótce zostało przemianowane na Instytucję Inżynierów Elektryków ), gdzie był uważany przez innych członków za pierwszego z ich kohorty. Darowizna jego obszernej biblioteki elektrycznej była znacznym dobrodziejstwem dla raczkującego Towarzystwa.
Rozwój podstaw naukowych elektrotechniki, z narzędziami nowoczesnych technik badawczych, nasilił się w XIX wieku. Godne uwagi osiągnięcia na początku tego stulecia obejmują prace Georga Ohma , który w 1827 r. określił ilościowo zależność między prądem elektrycznym a różnicą potencjałów w przewodniku, Michaela Faradaya , odkrywcy indukcji elektromagnetycznej w 1831 r. W latach trzydziestych XIX wieku Georg Ohm skonstruował również wczesna maszyna elektrostatyczna. Generator homopolarny został opracowany jako pierwszy przez Michaela Faradaya podczas jego pamiętnych eksperymentów w 1831 roku. Był to początek nowoczesnych prądnic – czyli generatorów elektrycznych działających za pomocą pola magnetycznego. Wynalezienie generatora przemysłowego w 1866 roku przez Wernera von Siemensa – który nie wymagał zewnętrznego zasilania magnetycznego – umożliwiło powstanie wielu innych wynalazków.
W 1873 roku James Clerk Maxwell opublikował ujednolicone podejście do elektryczności i magnetyzmu w Traktacie o elektryczności i magnetyzmie, co zainspirowało kilku teoretyków do myślenia w kategoriach pól opisanych równaniami Maxwella . W 1878 roku brytyjski wynalazca James Wimshurst opracował aparat, który miał dwa szklane dyski zamontowane na dwóch wałach. Dopiero w 1883 roku maszyna Wimshursta została dokładniej zgłoszona społeczności naukowej.
W drugiej połowie XIX wieku badanie elektryczności było w dużej mierze uważane za poddziedzinę fizyki . Dopiero pod koniec XIX wieku uniwersytety zaczęły oferować stopnie naukowe z elektrotechniki. W 1882 roku Uniwersytet Techniczny w Darmstadt założył pierwszą katedrę i pierwszy na świecie wydział elektrotechniki. W tym samym roku, pod kierownictwem profesora Charlesa Crossa, Massachusetts Institute of Technology zaczął oferować pierwszą opcję elektrotechniki na wydziale fizyki. W 1883 roku Politechnika w Darmstadt i Cornell University wprowadził pierwsze na świecie kierunki studiów w dziedzinie elektrotechniki, aw 1885 r. University College London założył pierwszą katedrę elektrotechniki w Wielkiej Brytanii. University of Missouri następnie założył pierwszy wydział elektrotechniki w Stanach Zjednoczonych w 1886 roku.
W tym okresie komercyjne wykorzystanie energii elektrycznej dramatycznie wzrosło. Począwszy od późnych lat 70. XIX wieku miasta zaczęły instalować na dużą skalę elektryczne systemy oświetlenia ulicznego oparte na lampach łukowych . Po opracowaniu praktycznej żarówki do oświetlenia wnętrz, Thomas Edison w 1882 roku włączył pierwszą na świecie publiczną instalację elektryczną, wykorzystując do zasilania klientów stosunkowo bezpieczny system prądu stałego o napięciu 110 woltów. Postęp inżynierii w latach 80. XIX wieku, w tym wynalezienie transformatora , doprowadziło do tego, że przedsiębiorstwa energetyczne zaczęły przyjmować prąd przemienny , do tej pory używany głównie w systemach oświetlenia łukowego, jako standard dystrybucji oświetlenia zewnętrznego i wewnętrznego (ostatecznie zastępując prąd stały do takich celów). W Stanach Zjednoczonych toczyła się rywalizacja, głównie między systemem Westinghouse AC i Edison DC, znana jako „wojna prądów ”.
„W połowie lat dziewięćdziesiątych XIX wieku cztery „równania Maxwella” uznano za podstawę jednej z najsilniejszych i odnoszących największe sukcesy teorii w całej fizyce; zajęły one miejsce towarzyszy, a nawet rywali, prawom mechaniki Newtona. były już wtedy również wykorzystywane w praktyce, najbardziej dramatycznie w powstającej nowej technologii komunikacji radiowej, ale także w przemyśle telegraficznym, telefonicznym i elektroenergetycznym”. Pod koniec XIX wieku zaczęły pojawiać się postacie postępu elektrotechniki.
Charles Proteus Steinmetz przyczynił się do rozwoju prądu przemiennego, który umożliwił ekspansję przemysłu elektroenergetycznego w Stanach Zjednoczonych, formułując teorie matematyczne dla inżynierów.
Pojawienie się radia i elektroniki
Podczas rozwoju radia wielu naukowców i wynalazców przyczyniło się do rozwoju technologii radiowej i elektroniki. W swoich klasycznych eksperymentach UHF z 1888 r. Heinrich Hertz wykazał istnienie fal elektromagnetycznych ( fal radiowych ), co skłoniło wielu wynalazców i naukowców do prób dostosowania ich do zastosowań komercyjnych, takich jak Guglielmo Marconi (1895) i Alexander Popov (1896).
na falach milimetrowych została po raz pierwszy zbadana przez Jagadisha Chandrę Bose w latach 1894–1896, kiedy w swoich eksperymentach osiągnął niezwykle wysoką częstotliwość do 60 GHz . Wprowadził również zastosowanie złączy półprzewodnikowych do wykrywania fal radiowych, kiedy w 1901 roku opatentował detektor radiokrystaliczny .
Rozwój XX wieku
John Fleming wynalazł pierwszą lampę radiową, diodę , w 1904 roku.
Reginald Fessenden uznał, że aby możliwa była transmisja mowy, konieczne jest wygenerowanie fali ciągłej i pod koniec 1906 roku wysłał pierwszą audycję radiową głosu. Również w 1906 roku Robert von Lieben i Lee De Forest niezależnie opracowali wzmacniacz lampowy, zwany triodą . Edwin Howard Armstrong wprowadza technologię dla telewizji elektronicznej w 1931 roku.
Na początku lat dwudziestych XX wieku wzrosło zainteresowanie rozwojem domowych zastosowań energii elektrycznej. Zainteresowanie opinii publicznej doprowadziło do wystaw, takich jak „domy przyszłości”, aw Wielkiej Brytanii w 1924 r. Powstało Stowarzyszenie Elektryczne dla Kobiet, którego dyrektorem była Caroline Haslett, aby zachęcić kobiety do zaangażowania się w elektrotechnikę.
Lata II wojny światowej
Druga wojna światowa przyniosła ogromny postęp w dziedzinie elektroniki; zwłaszcza w radarach i wraz z wynalezieniem magnetronu przez Randalla i Boota na Uniwersytecie w Birmingham w 1940 r. W tym czasie opracowano lokalizację radiową , komunikację radiową i naprowadzanie radiowe samolotów. Wczesne elektroniczne urządzenie komputerowe, Colossus , zostało zbudowane przez Tommy'ego Flowersa z GPO rozszyfrować zaszyfrowane wiadomości niemieckiej maszyny szyfrującej Lorenz . W tym czasie opracowano również zaawansowane tajne nadajniki i odbiorniki radiowe do użytku przez tajnych agentów.
Amerykańskim wynalazkiem w tamtym czasie było urządzenie do szyfrowania rozmów telefonicznych między Winstonem Churchillem a Franklinem D. Rooseveltem . Nazywało się to Green Hornet i działało poprzez wstawianie szumu do sygnału. Hałas został następnie wyodrębniony na końcu odbiorczym. System ten nigdy nie został złamany przez Niemców.
W Stanach Zjednoczonych podjęto wiele prac w ramach Programu Szkolenia Wojennego w obszarach radionamierzania, impulsowych sieci liniowych, modulacji częstotliwości, obwodów lamp próżniowych, teorii linii transmisyjnych i podstaw inżynierii elektromagnetycznej. Badania te zostały opublikowane wkrótce po wojnie w tak zwanej „Serii komunikacji radiowej”, opublikowanej przez McGraw-Hill w 1946 roku.
W 1941 Konrad Zuse zaprezentował Z3 , pierwszy na świecie w pełni funkcjonalny i programowalny komputer.
Lata powojenne
Przed drugą wojną światową temat ten był powszechnie znany jako „ inżynieria radiowa ” i ograniczał się głównie do aspektów komunikacji i radarów, radia komercyjnego i wczesnej telewizji. W tym czasie studia inżynierii radiowej na uniwersytetach można było podjąć jedynie w ramach stopnia naukowego z fizyki.
Później, w latach powojennych, gdy zaczęto rozwijać urządzenia konsumenckie, dziedzina ta poszerzyła się o nowoczesną telewizję, systemy audio, Hi-Fi, a później komputery i mikroprocesory. W 1946 roku ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) Johna Prespera Eckerta i Johna Mauchly'ego , rozpoczynając erę komputerów. Wydajność arytmetyczna tych maszyn pozwoliła inżynierom opracować zupełnie nowe technologie i osiągnąć nowe cele, w tym misje Apollo i lądowanie NASA na Księżycu .
Od połowy do późnych lat pięćdziesiątych termin inżynieria radiowa stopniowo ustąpił miejsca nazwie inżynieria elektroniczna , która następnie stała się samodzielnym przedmiotem na uniwersytecie, zwykle nauczanym razem z elektrotechniką, z którą była kojarzona ze względu na pewne podobieństwa.
Elektronika półprzewodnikowa
Pierwszym działającym tranzystorem był tranzystor punktowy, wynaleziony przez Johna Bardeena i Waltera Housera Brattaina podczas pracy pod kierunkiem Williama Shockleya w Bell Telephone Laboratories (BTL) w 1947 r. Następnie wynaleźli bipolarny tranzystor złączowy w 1948 r. Podczas gdy wczesne tranzystory złączowe były stosunkowo nieporęczne urządzenia, które były trudne do wyprodukowania na skalę masową , otworzyły drzwi dla bardziej kompaktowych urządzeń.
Pierwszymi układami scalonymi były hybrydowy układ scalony wynaleziony przez Jacka Kilby'ego w Texas Instruments w 1958 roku oraz monolityczny układ scalony wynaleziony przez Roberta Noyce'a w Fairchild Semiconductor w 1959 roku.
MOSFET (tranzystor polowy z efektem metal-tlenek-półprzewodnik lub tranzystor MOS) został wynaleziony przez Mohameda Atallę i Dawona Kahnga w BTL w 1959 roku. Był to pierwszy naprawdę kompaktowy tranzystor, który można było zminiaturyzować i produkować masowo dla szerokiego zakresu używa. Zrewolucjonizował przemysł elektroniczny , stając się najczęściej używanym urządzeniem elektronicznym na świecie.
John Bardeen , William Shockley , Walter Brattain – tranzystor (1947)
Mohamed M. Atalla - pasywacja krzemu (1957) i tranzystor MOSFET (1959)
Robert Noyce - monolityczny układ scalony (1959)
Dawon Kahng – tranzystor MOSFET (1959)
Gordon Moore - Prawo Moore'a (1965)
Federico Faggin - MOSFET z bramką krzemową (1968) i mikroprocesor (1971)
Marcian Hoff – mikroprocesor (1971)
Masatoshi Shima , Stanley Mazor – mikroprocesor (1971)
.jpg)
MOSFET umożliwił zbudowanie układów scalonych o dużej gęstości . Najwcześniejszy eksperymentalny układ scalony MOS, który został wyprodukowany, został zbudowany przez Freda Heimana i Stevena Hofsteina w RCA Laboratories w 1962 r. Technologia MOS umożliwiła prawo Moore'a , podwojenie liczby tranzystorów w układzie scalonym co dwa lata, przewidziane przez Gordona Moore'a w 1965 r . Krzem- Technologia Gate MOS została opracowana przez Federico Faggina w firmie Fairchild w 1968 roku. Od tego czasu MOSFET jest podstawowym budulcem współczesnej elektroniki. Masowa produkcja krzemowych tranzystorów MOSFET i układów scalonych MOS wraz z ciągłą Skalowanie miniaturyzacji MOSFET w tempie wykładniczym (zgodnie z prawem Moore'a ) doprowadziło od tego czasu do rewolucyjnych zmian w technologii, gospodarce, kulturze i myśleniu.
Program Apollo , którego kulminacją było lądowanie astronautów na Księżycu z Apollo 11 w 1969 r., był możliwy dzięki przyjęciu przez NASA postępów w technologii półprzewodnikowej , w tym tranzystorów MOSFET w międzyplanetarnej platformie monitorowania (IMP) i krzemowych układów scalonych w komputerze nawigacyjnym Apollo (AGC).
Rozwój technologii układów scalonych MOS w latach sześćdziesiątych XX wieku doprowadził do wynalezienia mikroprocesora na początku lat siedemdziesiątych. Pierwszym jednoukładowym mikroprocesorem był Intel 4004 , wydany w 1971 roku. Intel 4004 został zaprojektowany i zrealizowany przez Federico Faggina w firmie Intel z jego technologią MOS z bramką krzemową, wraz z Marcianem Hoffem i Stanleyem Mazorem oraz Masatoshi Shimą z Busicom. To zapoczątkowało rozwój komputera osobistego. czterobitowym procesorze 4004 , w 1973 roku pojawił się Intel 8080 , 8-bitowy procesor, który umożliwił zbudowanie pierwszego komputera osobistego Altair 8800 .
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Nagrody Nobla związane z elektrotechniką (w tym odpowiednie patenty)
- Szok i przerażenie: historia elektryczności - Jim Al-Khalili BBC Horizon
- Electrickery , dyskusja BBC Radio 4 z Simonem Schafferem, Patricią Farą i Iwanem Morusem ( In Our Time , 4 listopada 2004)