嘿，存錢。他們監(jiān)控 你的心跳。他們攜帶 你的聲音傳進(jìn)別人的家中。他們帶來了 飛機(jī) 進(jìn)入陸地并引導(dǎo)汽車安全到達(dá)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(shí)際做的事情。 “他們”是電子：內(nèi)部的微小粒子 原子 繞著定義的路徑行進(jìn)，稱為 承載電能的電路。人們最偉大的事情之一 20世紀(jì)學(xué)會(huì)做的是用電子來控制 機(jī)器和過程信息。這 電子學(xué) 革命，就像這樣 已知，加速 計(jì)算機(jī) 革命 這兩件事都改變了我們的許多領(lǐng)域 生活。但是納米級(jí)小顆粒究竟是如何做到的，太小了 看到，實(shí)現(xiàn)如此大和戲劇性的事情?讓我們來一個(gè) 仔細(xì)觀察并找出答案!

　　照片：緊湊型電子電路板 網(wǎng)絡(luò)攝像頭. 該板包含幾十個(gè)獨(dú)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(chǎn)品有什么區(qū)別?

　　如果您已經(jīng)閱讀了我們的文章 電力, 你會(huì)知道這是一種 能源——一個(gè)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(dòng)，以便它將驅(qū)動(dòng)類似 電動(dòng)機(jī) 或 加熱元件, 為電器供電，例如 電動(dòng)車, 水壺, 烤 面包 機(jī)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(dāng)大的(通常是相當(dāng)危險(xiǎn)的)電力 電流。電熱水壺內(nèi)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?jǐn)?shù)(千分之一安培)為單位進(jìn)行測量。換句話說，典型的 電器可能會(huì)使用數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千的電流 比典型的電子產(chǎn)品大幾倍。

　　電子產(chǎn)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(fù)雜的電路來處理信號(hào)(例如 那些攜帶 收音機(jī) 和 電視 程序)或存儲(chǔ)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(qū)別 電力和電子。在微波爐中，電力提供 產(chǎn)生高能波來烹飪食物的力量;電子學(xué) 控制烹飪的電路。

　　藝術(shù)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(lán)色)供電，磁控管是制造烹飪食物的波浪的裝置， 并旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤。低電流電子電路(紅色)控制這些高功率電路， 以及數(shù)字顯示單位之類的東西。

　　模擬和數(shù)字電子

　　有兩種非常不同的信息存儲(chǔ)方式 — 稱為 模擬和數(shù)字.這聽起來像是一個(gè)很抽象的想法，但它是 真的非常簡單。假設(shè)你拍了一張老式的照片 有人有 膠片相機(jī).相機(jī)捕捉流入的光線 通過前面的快門作為光的圖案 和經(jīng)過化學(xué)處理的暗區(qū) 塑膠. 你所在的場景 攝影被轉(zhuǎn)化為一種即時(shí)的化學(xué)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(gè) 模擬 存儲(chǔ)信息的方式。但是，如果您拍攝一張照片 同一場景與 數(shù)碼相機(jī), 相機(jī)存儲(chǔ)非常不同的記錄。而不是保存 可識(shí)別的明暗圖案，它轉(zhuǎn)換了明暗 區(qū)域成數(shù)字并存儲(chǔ)它們。存儲(chǔ)數(shù)字，編碼 某物的版本稱為 數(shù)字.

　　照片：模擬和數(shù)字電子。收音機(jī)(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(jī)(前置)是數(shù)字的：它將照片存儲(chǔ)和處理為數(shù)字。

　　電子設(shè)備通常處理任一模擬信息。 或數(shù)字格式。在老式晶體管中 收音機(jī), 廣播信號(hào)通過 天線 貼 出局。這些是模擬信號(hào)：它們是無線電波， 從遙遠(yuǎn)的無線電發(fā)射器在空中傳播， 振動(dòng) 以與單詞完全對(duì)應(yīng)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(hào) 古典樂。收音機(jī)以模擬形式保持信號(hào) 接收它們，增強(qiáng)它們，并將它們變回您可以的聲音 聽見。但在現(xiàn)代 數(shù)字收音機(jī), 事情以不同的方式發(fā)生。首先，信號(hào)以數(shù)字方式傳播 格式 - 作為編碼數(shù)字。當(dāng)他們到達(dá)您的收音機(jī)時(shí)，數(shù)字 被轉(zhuǎn)換回聲音信號(hào)。這是一種非常不同的方式 處理信息，它既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。 通常，大多數(shù)現(xiàn)代形式的電子設(shè)備(包括 計(jì)算機(jī), 細(xì)胞 手機(jī), 數(shù)碼相機(jī), 數(shù)字收音機(jī)、助聽器，以及 電視) 使用 數(shù)字電子。

　　電子元器件

　　如果你曾經(jīng)從摩天大樓的窗戶俯視過一座城市， 你會(huì)驚嘆于你腳下的所有小建筑， 街道以各種錯(cuò)綜復(fù)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(gè)地方，或參觀不同的建筑物 轉(zhuǎn)，使所有建筑物協(xié)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(lián)系 它們使一個(gè)充滿活力的城市遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其總和 單個(gè)零件。

　　電子設(shè)備內(nèi)部的電路有點(diǎn)像 城市也是如此：它們擠滿了 組件 (類似于 建筑物)執(zhí)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(dú)一無二的 甚至兩個(gè)據(jù)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(shù) 標(biāo)準(zhǔn)組件。但是，就像樂高?一樣，你可以把這些 組件在無數(shù)個(gè)不同的地方組合在一起，所以它們 做無限數(shù)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(dòng)并減少 通過將電能轉(zhuǎn)化為熱量流動(dòng)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(jì))具有刻度盤控件，因此它們 轉(zhuǎn)動(dòng)它們時(shí)更改阻力量。音量控制 音頻設(shè)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(guān)于 電阻.

　　照片：來自收音機(jī)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(jià)物，允許電流流動(dòng) 只在一個(gè)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(gè)電路，不斷交換方向)變成直接 電流(始終沿同一方向流動(dòng)的電流)。

　　在我們的主要文章中閱讀更多關(guān)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(duì)應(yīng)于箭頭 在此電路板上)。電容器

　　這些相對(duì)簡單的組件由兩塊導(dǎo)電材料(如金屬)組成，由 稱為電介質(zhì)的非導(dǎo)電(絕緣)材料。他們是 通常用作計(jì)時(shí)設(shè)備，但它們可以轉(zhuǎn)換電氣 其他方式也流動(dòng)。在收音機(jī)中，最重要的工作之一， 調(diào)諧到您想收聽的電臺(tái)，是由電容器完成的。

　　在我們的主要文章中閱讀更多關(guān)于 電容器.

　　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(jì)算機(jī)中最重要的組件，晶體管可以 打開和關(guān)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(guān)充當(dāng)計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器，而晶體管工作 因?yàn)榉糯笃魈岣吡酥犉髦械穆曇粢袅俊Ｊ裁磿r(shí)候 晶體管連接在一起，它們使設(shè)備稱為 邏輯門 可以執(zhí)行非?；镜? 決策形式。(晶閘管 有點(diǎn)像晶體管，但是 以不同的方式工作。

　　在我們的主要文章中閱讀更多關(guān)于 晶體管.

　　照片：電子電路板上的典型場效應(yīng)晶體管(FET)。光電(光學(xué)電子)元件

　　有各種組件可以將光轉(zhuǎn)化為電能，反之亦然。 光電管 (也稱為 光電電池)產(chǎn)生微小的電 當(dāng)光線落在它們身上并用作“魔眼”光束時(shí)產(chǎn)生的電流 在各種類型的傳感設(shè)備中，包括某些種類的 煙霧探測器. 發(fā)光二極管 (LED) 以相反的方式工作，轉(zhuǎn)換小電流 變成光。LED通常用于立體聲的儀表板 設(shè)備。 液晶顯示器，例如用于 平板液晶電視和筆記本電腦 計(jì)算機(jī)是光電學(xué)的更復(fù)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(xué)器件內(nèi)發(fā)出紅光的 LED 電腦鼠標(biāo).電子元件有一些非常重要的共同點(diǎn)。 無論他們做什么工作，他們都通過控制電子的流動(dòng)來工作。 以非常精確的方式通過它們的結(jié)構(gòu)。這些組件中的大多數(shù) 由部分導(dǎo)電、部分絕緣的實(shí)心片制成 稱為的材料 半導(dǎo)體 (描述 更詳細(xì)地見我們的 關(guān)于 晶體管).因?yàn)殡娮由婕袄斫?固體如何讓電子通過它們的精確機(jī)制， 它有時(shí)被稱為 固態(tài) 物理。 這就是為什么你經(jīng)常會(huì)看到電子設(shè)備被描述為“固態(tài)”。

　　電子電路和電路板

　　電子設(shè)備的關(guān)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(gè)組件的連續(xù)回路，例如 兩顆珠子系在同一條項(xiàng)鏈上。模擬電子電器 往往比數(shù)字電路簡單得多?；揪w管 收音機(jī)可能有幾十個(gè)不同的組件和一個(gè)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(gè) 計(jì)算機(jī)，使用數(shù)字技術(shù)，電路更多 密集而復(fù)雜，包括數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)百萬 分開 途徑。一般來說，電路越復(fù)雜，越多 復(fù)雜地執(zhí)行它可以執(zhí)行的操作。

　　照片：電腦打印機(jī)內(nèi)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(rèn)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(chǎn)品，您就會(huì)知道 構(gòu)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(shè)計(jì)師 通常選擇更系統(tǒng)的方式來排列組件 稱為 電路板.基本電路 董事會(huì)只是一個(gè) 的矩形 塑膠 一側(cè)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(jù)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(shè)備將這個(gè)想法向前邁進(jìn)了一步 進(jìn)一步使用在工廠自動(dòng)制造的電路板. 電路的確切布局以化學(xué)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(dòng)組件 預(yù)先鉆孔并用一種電動(dòng)固定到位 導(dǎo)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(lán)色塑料矩形是一個(gè)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(gè)大型集成電路。

　　雖然PCB在手工布線電路板上是一個(gè)很大的進(jìn)步， 當(dāng)您需要連接數(shù)百個(gè)時(shí)，它們?nèi)匀缓茈y使用， 數(shù)千個(gè)甚至數(shù)百萬個(gè)組件在一起。原因早 計(jì)算機(jī)是如此之大，耗電，緩慢，昂貴且不可靠是 因?yàn)樗鼈兊慕M件是手動(dòng)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(dú)立開發(fā)了一種創(chuàng)建電子產(chǎn)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(shù)億 小型化組件到大約大小的硅芯片上 指甲。這就是計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)算機(jī)!

　　電子產(chǎn)品是做什么用的?

　　電子產(chǎn)品現(xiàn)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(lǐng)域之一，包括 收音機(jī) (和 后 電視) 都至關(guān)重要 取決于 電子元件。雖然 電話 是在電子產(chǎn)品得到適當(dāng)發(fā)展之前發(fā)明的，現(xiàn)代的 電話系統(tǒng)， 手機(jī) 網(wǎng)絡(luò) 和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 心臟 互聯(lián)網(wǎng) 所有受益者都受益于 精密的數(shù)字電子產(chǎn)品。

　　試著想一些你做的事情不涉及電子產(chǎn)品 你可能會(huì)掙扎。你 汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 可能有電子電路 在其中 - 那么 全球定位系統(tǒng) 衛(wèi)星 告訴你去哪里的導(dǎo)航設(shè)備?甚至 安全氣囊 在你的 方向盤由電子電路觸發(fā)，該電路可檢測何時(shí) 你需要一些額外的保護(hù)。

　　電子設(shè)備也以其他方式拯救我們的生命。醫(yī)院 擠滿了各種電子產(chǎn)品，從心率 監(jiān)視器和 超聲波 掃描儀到復(fù)雜的腦掃描儀和 X射線 機(jī)器。助聽器是首批受益于 20世紀(jì)中葉微型晶體管的發(fā)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(qiáng)大。

　　誰會(huì)想到有電子——幾乎是你最小的東西 可以想象——會(huì)在這么多重要的事情上改變?nèi)藗兊纳?方式?

　　電子學(xué)簡史

　　照片：J.J.湯姆森爵士，他于1897年在劍橋大學(xué)發(fā)現(xiàn)電子是帶負(fù)電的粒子。湯姆森贏得 1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 因?yàn)樗墓ぷ?。照片由貝恩新聞服?wù)提供 美國國會(huì)圖書館.

　　1874年：愛爾蘭科學(xué)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(fèi)。大約20年后，他創(chuàng)造了“電子”這個(gè)名字。

　　1875年：美國科學(xué)家 喬治·凱里 構(gòu)建一個(gè)光電電池，當(dāng)光線照射時(shí)發(fā)電 它。

　　1879： 英國人 威廉·克魯克斯爵士 (1832-1919)開發(fā)了他的陰極射線管(類似于舊式， 基于“管”的 電視) 學(xué)習(xí) 電子(當(dāng)時(shí)被稱為“陰極射線”)。

　　1883年：多產(chǎn)的美國發(fā)明家 愛迪生 (1847-1931)發(fā)現(xiàn)熱離子發(fā)射(也稱為愛迪生 效應(yīng))，其中電子由加熱的燈絲釋放。

　　1887年：德國物理學(xué)家 海因里希·赫茲 (1857-1894)發(fā)現(xiàn)了更多關(guān)于光電效應(yīng)的信息， 凱里偶然發(fā)現(xiàn)的光和電之間的聯(lián)系 前十年。

　　1897年：英國物理學(xué)家 J.J.湯姆森 (1856-1940)表明陰極射線是帶負(fù)電的粒子。 湯姆森稱它們?yōu)椤拔⒘！?，但它們很快就被重新命名為電子?/span>

　　1904: 約翰·安布羅斯·弗萊明 (1849-1945)，英國科學(xué)家，生產(chǎn)了弗萊明閥門(后來 更名為二極管)。它成為收音機(jī)中不可或缺的組件。

　　1906年：美國發(fā)明家 李德福雷斯特 (1873-1961)，做得更好，并開發(fā)了一種改進(jìn)的閥門，稱為 三極管(或音頻)，大大改進(jìn)了收音機(jī)的設(shè)計(jì)。德 福里斯特經(jīng)常被譽(yù)為現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室開發(fā)晶體管。它徹底改變了電子和數(shù)字 20世紀(jì)下半葉的計(jì)算機(jī)。

　　1958年：獨(dú)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(fèi)爾柴爾德 半導(dǎo)體(以及后來的英特爾)開發(fā)集成電路。

　　1971: 馬西安·愛德華(泰德)霍夫 (1937–) 和 費(fèi)德里科·費(fèi)金 (1941–) 設(shè)法將計(jì)算機(jī)的所有關(guān)鍵組件壓縮到 單芯片，生產(chǎn)世界上第一個(gè)通用微處理器，英特爾4004。

　　1987年：美國科學(xué)家 西奧多·富爾頓 和 杰拉爾德·多蘭 貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了第一個(gè)單電子晶體管。

　　2008年：惠普研究員 斯坦利·威廉姆斯 構(gòu)建第一個(gè)工作憶阻器，一個(gè)新的 一種磁路元件，其工作原理類似于帶有存儲(chǔ)器的電阻器，最早由美國物理學(xué)家設(shè)想 蔡磊 近四十年前(1971 年)。