Й век, развитие электроники

 

Первая в мире радиопередача была осуществлена в России знаменитым изобретателем и ученым Александром Степановичем Поповым (1859-1905). А.С. Попов-русский физик, электротехник, изобретатель электрической связи без проводов (радиосвязи, радио). Своим изобретением А. С. Попов подвел итог работы большого числа ученых разных стран мира.

Он родился 16 марта 1859 г. на Урале в селении Турьинские рудники (ныне г. Краснотурьинск) в семье священника. Среднее образование он получил в духовном училище, а потом в Пермской духовной семинарии, где было бесплатное обучение Осенью 1877 г. он поступает на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Чтобы оплатить учебу он сначала давал уроки, потом работал по устройству освещения сначала в Петербурге, потом в Москве, Рязани и других городах. 

После окончания университета в 1882 Попов с блеском защищает кандидатскую диссертацию. Его оставляют в университете «для подготовки к профессорскому званию», но Попова интересовала инженерная деятельность. И с 1883 г. он начинает преподавать в Минной школе в Кронштадте. В это время быстро развивался военно-морской флот, а связь кораблей с берегом было плохой. В одной из своих лекций офицерам Минных классов Попов сказал, что нужно изобрести такой прибор, который можно было бы применять к передаче сигналов на расстояние. Эта задача стала целью его жизни.

После публикации работ Генриха Герца А. С. Попов стал разрабатывать приемник электромагнитных волн для улавливания волн, ослабленных расстоянием. Этот приемник нужен был ему для демонстрации опытов Герца перед большой аудиторией. Изобретая индикатор электромагнитных волн, Попов одновременно решал задачу беспроводной сигнализации на флоте.

В 1895 Попов создал прибор «для обнаружения и регистрации электрических колебаний». Он состоял из небольшой стеклянной трубочки (когерер) с металлическими опилками. На концах трубочки было два электрода, подсоединенные к источнику питания. Под действием эл. магнитных волн сопротивление опилок резко уменьшается, но при встряхивании оно снова увеличивается. При уменьшении сопротивления увеличивался ток в цепи, срабатывало реле, включая эл. звонок, молоточек которого ударял по колокольчику, а потом по трубочке. Сопротивление увеличивалось, реле отключалось. Попов заметил, что его приемник реагирует и на грозовые разряды. Параллельно цепи звонка Попов поставил печатающее устройство. Применил первую антенну в виде детских шариков, запущенных в воздух с проводом. Это позволило ему регистрировать грозовые разряды происходящие на больших расстояниях. Весной 1895 г. усовершенствованный приемник регистрировал сигналы на расстоянии 60 м. азбукой Морзе.

Датой рождения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда А. С. Попов выступил с публичным докладом. Он продемонстрировал на заседании Русского физико-химического общества свой прибор. Первое печатное сообщение появилось в газете «Кронштадтский вестник» 12 мая 1895 г. Попов хотел опубликовать свое изобретение, но Морское ведомство запретило широкую публикацию из-за соображения секретности. Попову пришлось подчиниться, а в июне 1896 г. он узнал, что Гульельермо Маркони итальянский радиотехник и предприниматель подал заявку на патент в Великобритании.

Маркони держал в секрете конструкцию прибора до получения патента в июле 1897 г. Оказалось, что принцип действия и конструкция аналогичны устройству Попова. Поэтому специальная комиссия Международного электротехнического конгресса в 1900 г. в Париже единогласно признали приоритет Попова в создании радио.

Первые приборы были опробовании на дворе Минной школы, потом перенесены на Кронштадтский рейд. Первые практические работы на море по передаче сигналов без проводов начались весной 1897 г. Они были установлены на крейсерах «Россия» и «Африка». Дальность передачи была до 5 км. В 1900 г приборы Попова были использованы при снятии с камней броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», где дальность связи была 47 км.

Если сначала передача велась азбукой Морзе (первая радиотелеграмма гласила «Генрих Герц»), то в начале 1900 г. Попов построил «телефонный приемник депеш» для слухового приема радиосигналов. Этот прибор он уже смог запатентовать.

Редко кто вспоминает, что первый рентгеновский кабинет в России  

был создан руками Попова в Кронштадте в подарок его жене Раисе Алексеевне, которая была врачом и его верным другом и помощником. Все приборы Попов изготовил своими руками, потому что купить их было нельзя.

Попова приглашали в Америку, предлагая ему любое вознаграждение, на один только переезд ему выделяли 30 тыс. рублей, тогда как на все исследования в год ему давали 500 рублей. Он отказался.

В 1901 г. Попов стал профессором физики, а с 1905 г. директором электротехнического института в Петербурге. Сейчас его имя носят многие учебные и научные заведения. Учреждена золотая медаль Академия наук. 7 мая – день радио.

Проблемой беспроволочной передачи сигналов много занимался американский ученый Н. Тесла (1856-1943). В 1890 – 1891гг. он создал специальный высоковольтный высокочастотный резонансный трансформатор, сыгравший исключительную роль в дальнейшем развитии радиотехники.

В 1896г. Тесла передал радиосигналы на расстояние 32 км на суда, двигавшиеся по Гудзону.

Электромагнитные волны Тесла с успехом применил не только для передачи телеграмм, но и для передачи сигналов управления различными механизмами. Радиосигналы с пульта принимались антенной установленной на лодке, а затем передавались на механизмы управления, которые послушно выполняли все распоряжения Тесла. Специальные устройства, так называемые сервомоторы, превращали электрические сигналы в механическое движение. С 1900 г. Тесла стал работать над проектом радиоуправляемого летательного аппарата, снабженного реактивным двигателем. Таким образом, Тесла по справедливости может быть назван родоначальником радиотелемеханики. 

Первый период развития радиотехники (вплоть до конца первой мировой войны) характеризуется применением в основном искровой аппаратуры (в немецком языке Funken (искра) означает «радио»).

С 1901 радиопередатчиками стали оборудоваться морские суда. Увеличилось расстояние радиосвязи. В 1905 г. американский изобретатель Форест установил радиосвязь между железнодорожным составом в пути со станциями на дальность

 50 км. В 1910 г. пароход «Тенесси» получил сообщении о прогнозе погоды из Калифорнии на расстоянии 7,5 тыс. км.

В 1907 г. была установлена надежная радиосвязь между Европой и Америкой.

В 1910 г. английская подводная лодка установила радиосвязь с крейсером через воздушную антенну.

В 1911 г. Бэкер в Англии изобрел портативный радиопередатчик весом около 7 кг. и разместил его на самолете. Дальность радиосвязи составляла 1,5 км.

Но радио – это не только радиотелефонная и радиотелеграфная связь, радиовещание и телевидение, но и радиолокация и радиоастрономия, радиоуправление и многие другие области техники, которые возникли и успешно развиваются благодаря выдающемуся изобретению нашего соотечественника А. С. Попова. 

            Микроэлектроника - наиболее динамично развивающееся направление электронной техники, определяющее научно-технический прогресс в вычислительной технике, радиоэлектронике, приборостроении, автоматике, промышленности средств связи, оказывающее существенное воздействие на развитие многих других отраслей промышленности, таких, как машиностроение, автомобилестроение, авиастроение и др.

           Развитие микроэлектроники характеризуется постоянным обновлением технических идей, изменением технологии производства изделий микроэлектроники, расширением областей ее применения и выделением ряда новых перспективных направлений (базовые матричные кристаллы, программируемые логические матрицы, микропроцессорная техника).

            Основной задачей микроэлектроники является комплексная микроминиатюризация электронной аппаратуры- вычислительной техники, аппаратуры связи, устройств автоматики. Комплексная микроминиатюризация приводит к снижению стоимости, материалоемкости, энергопотреблению, массы и габаритов изделий, повышению надежности и увеличению объема выполняемых электронной аппаратурой функций. Микроэлектронная технология позволяет резко расширить масштабы производства микроэлектронной аппаратуры, создать мощную индустрию информатики, удовлетворить потребности общества в информационном обеспечении.

            Электроника- наука о формировании и управлении потоками электронов в устройствах приема, передачи, обработки и хранения информации.

            В развитии электроники можно выделить четыре периода.

            Первый период развития электроники, начавшийся примерно 100 лет назад, связан с изобретением телефона и телеграфа. На рубеже 19-20 веков А.С. Поповым был изобретен беспроволочный телеграф- радио. Эти изобретения явились основой развития современных средств связи. Первый период развития электроники и промышленности средств связи можно назвать эрой пассивных элементов: проводов, катушек индуктивности, магнитов, резисторов, конденсаторов, электромеханических приборов

(переключателей, реле и т.д.). Промышленный выпуск этих элементов и аппаратуры на их основе положил начало развитию электронной промышленности.

           Аппаратура эры пассивных элементов - это аппаратура первого поколения.

           Второй период начался с изобретения электронной лампы - первого активного электронного прибора, способного к различного рода преобразованием электрических сигналов, усилению мощности. Благодаря многократному усилению слабых сигналов с помощью электронных ламп оказались возможными передача электрических сигналов (например, телефонных разговоров) на большие расстояния и преодоление трудностей, связанных с затуханием сигналов в длинных линиях.

        Второй этап развития радиоэлектроники, который часто называют «эрой электронных ламп», наступил в начале ХХ века после изобретения 1904г. Джоном Флемингом вакуумного диода и применения им диода в качестве детектора в радиотелеграфии.

          Строго говоря, эра электроники началась ещё в 1883г., когда Томас Альва Эдисон открыл названный его именем эффект «эффект Эдисона», пытаясь продлить срок службы созданной им лампы введением в её вакуумный баллон металлического электрода. Он обнаружил, что если приложить к электроду положительное напряжение, то в вакууме между электродом и нитью течет ток. Это явление, которое не смогли объяснить ни сам Эдисон, ни другие его современники, было единственным фундаментальным открытием великого изобретателя. Это явление лежит в основе всех электронных ламп и всей электроники до транзисторного периода. Эдисон получил патент на свое открытие, но не использовал его.

 Английский физик и электротехник Джон Флеминг (1849-1945) работал с 1877г. в лаборатории великого Джеймса Максвелла.

 Позднее он становился научным консультантом Общества беспроволочных телеграфов Маркони.

         Первые радиостанции были крайне несовершенны. Главный их недостаток - низкая чувствительность. Электромагнитная волна, излучаемая искровым передатчиком, являлась затухающей. Искра проскакивала мгновенно, до приемника доходило так мало мощности, что использовали телеграфную азбуку. Человеческую речь передавать было сложно.

         Флеминг однажды в старых журналах обнаружил описание опыта Эдисона, проведенного в 1883г. Он понял принцип работы устройства и как его можно использовать в приемниках. Дело в том, что он был знаком с опытами Крукса. Ещё в августе 1879г. Английский физик Вильям Крукс (1832-1910) сделал сообщение о катодных лучах, о «лучистой» материи или о «четвертом состоянии вещества».

        При пропускании токов высокого напряжения через трубку с сильно разряженным газом из катодов вырывается поток частиц с высокой скоростью. Эти частицы физик Джонсон Стони назвал электродами.

         Флеминг вспомнил об опытах Крукса. Он понял, в чем разница этих эффектов. У Эдисона катод раскален, по этому к аноду можно подводить низкое положительное напряжение. В ноябре 1904 г. Флеменг запатентовал двух электродную лампу для выпрямления быстро переменных токов с антенны (детектор) его лампа обладала высокой чувствительностью.

     Через два года американский инженер Ли де Форост (1873-1961 гг.) предложил ввести между анодом и катодом металлическую сетку - третий электрод так была изобретена лампа - триод.

     Ли де Форест с детства увлекался изобретением и конструированием электронных приборов, машин, гальванических элементов, беспроволочным телеграфом.

 Прочитав статью Флеминга, он начал эксперименты с его лампой. Изготовив лампу самостоятельно, он начал очень точные эксперименты и определил, что имеет место обратный ток от анода к катоду. Для устранения этого дефекта он поместил 3-й электрод в виде сетки, чтобы он не препятствовал прямому движению электронов к аноду. Инженер подал заявку в американское патентное бюро (1907), но только в 1916г. Патент был выдан, но «Флеменгу, радиоспециалисту Общества беспроволочной телеграфии Маркони».

          Трехэлектродные лампы Ли де Фореста из-за патентных споров были долгое время неизвестны в Европе. Триоды де Фореста имели низкое усилие, мало отличались по усилению от диодов.

        В 1911г. Лампа была вторично изобретена немецким ученым Робертом Либеном, который предложил использовать ее "как детектор и как усилитель". Сеткой был перфорированный лист алюминия.

        В 1912г. Эдвин Говард Амстронг (1890-1954) предложил положительную обратную связь (регенерацию), когда часть сигналов передавалась с анода на сетку для повышения усиления. При достаточной обратной связи усилитель превращается в генератор. Это был чувствительный приемник и первый немеханический генератор частиц непрерывных синусоидальных сигналов.

        В январе 1913г. немецкий инженер Александр Мейнсер (1883-1958) показал, что трехэлектродные лампы являются генератором электромагнитных колебаний высокой частоты. Построен первый радиопередатчик.

        В разработках приемно-усилительных и генераторных ламп значительную роль сыграл русский ученый Н.Д. Папалекси (1880-1947). В 1911г. Он заложил основы теории преобразовательных схем в электронике. В 1914-1916гг. Папалекси руководил разработкой первых образцов отечественных ламп. В 1919г. при активном участии М.А. Бонч-Бруевича (1888-1940) в России было налажено серийное собственное производство электронных ламп РП-1. Радиоэлектроника начала стремительно развиваться.

        Коренной перелом в радиотехнике в России произошел после 1917 года. Декретом от 2 декабря 1918г. была создана радиолаборатория в Нижнем Новгороде. Перед ней ставилась задачи производства изысканий в области радиотелеграфии и радиотелефонии, разработки радиопередатчиков дальнего действия, разработки и производства радиотехнических приборов.

        Осенью 1920г. Нижегородская лаборатория осуществила связь Москвы с Берлином. До этого времени радиопередача на большие расстояния велась только с помощью телеграфного ключа. Передача человеческого голоса из Москвы в Берлин была первой радиотелефонной передачей. Немцы со своей радиотелефонной станции ответить не сумели. Директор фирмы «Телефункен» сказал, что у них что-то испортилось, обещал быстро устранить неисправность и ответить Москве недели через две. Однако в 1920г. Обещанная передача из Берлина так и не состоялась.

        Годом позднее на площадях Москвы были установлены «громкоговорящие телефоны» для передачи новостей. В дальнейшем усилиями советских ученых были изготовлены первые в мире генераторные лампы с медным анодом и водяным охлаждением мощностью до 1 кВт (1920) и мощностью до 25 кВт (1923).

        Работы Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалески, машины высокой частоты В.П. Володина, исследования по теории антенн и передающих устройств М. В. Шулейкина, работы Б.А. Введенского по теории распространения ультракоротких волн, исследования академика А.И. Берга и А.Л. Минца, а также другие работы имели огромные значения для развития радиоэлектроники и ее применения в области проводной и беспроводной связи в России и за рубежом.

        Переход от длинных волн к коротким и средним, а также изобретение схемы супергетеродина потребовали применения ламп более совершенных, чем триод.

        В 1924 г. была разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетрод). а в 1930 - 1931 г.г. - пентод (лампа с тремя сетками). Электронные лампы стали изготовлять с катодами косвенного подогрева. Развитие специальных методов радиоприёма потребовало создания новых типов многосеточных ламп (смесительных и частотно - преобразовательных в 1934 - 1935 г.г.). Стремление уменьшить число ламп в схеме и повысить экономичность аппаратуры привело к разработке комбинированных ламп.

        Освоение и использование ультракоротких волн привело к усовершенствованию известных электронных ламп (появились лампы типа "желудь", металлокерамические триоды и другие), а также разработке электровакуумных приборов с новым принципом управления электронным потоком - многорезонаторных магнетронов, клистронов, ламп бегущей волны. Эти достижения электровакуумной техники обусловили развитие радиолокации, радионавигации, импульсной многоканальной радиосвязи, телевидения и др.

        Одновременно шло развитие ионных приборов, в которых используется электронный разряд в газе. Был значительно усовершенствован изобретённый ещё в 1908 г. ртутный вентиль. Появились газотрон (1928-1929 г.г.), тиратрон (1931 г.), стабилитрон, неоновые лампы и т.д.

        Продолжались работы по усовершенствованию электровакуумных приборов. Повышалась их прочность, надежность, долговечность. Разрабатывались без цокольные (пальчиковые) и сверхминиатюрные лампы, что дало возможность снизить массу и габариты РЭС.

        Электронные лампы позволили перейти от беспроволочного телеграфа к передаче по радио речи, музыки, а затем и к передаче изображений с помощью телевидения. Крупные технические открытия в электронике следовали одно за другим, 20-е годы 19 века ознаменовались триумфом радио, в 40-х годах появилась военная электроника, в конце 40-х - в начале 50-х годов началось массовое использование телевидения.

        Второй период развития электроники представляет собой примерно полувековой период (с начала века до 50-х годов) стремительного роста продукции электронной промышленности.