Elektronik , Zweig von Physik und Elektrotechnik, die sich mit der Emission, dem Verhalten und der Wirkung von Elektronen und mit elektronischen Geräten befasst.
Elektronik umfasst ein außergewöhnlich breites Technologiespektrum. Der Begriff wurde ursprünglich auf das Studium des Verhaltens und der Bewegung von Elektronen angewendet, insbesondere wie es in den ersten Elektronenröhren beobachtet wurde. Es wurde im weiteren Sinne mit Fortschritten im Wissen über die grundlegende Natur von Elektronen und über die Art und Weise, wie die Bewegung dieser Teilchen genutzt werden könnte, verwendet. Heute viele wissenschaftliche und technische Disziplinen beschäftigen sich mit verschiedenen Aspekten der Elektronik. Die Forschung in diesen Bereichen hat zur Entwicklung solcher Schlüsselgeräte wie Transistoren , integrierte Schaltkreise , Laser und optische Fasern . Diese wiederum haben es möglich gemacht, eine breite Palette von elektronischen Konsum-, Industrie- und Militärprodukten herzustellen. Tatsächlich kann man sagen, dass sich die Welt inmitten einer elektronischen Revolution befindet, die mindestens so bedeutend ist wie die industrielle Revolution des 19. Jahrhunderts.
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Dieser Artikel gibt einen Überblick über die historische Entwicklung der Elektronik und hebt wichtige Entdeckungen und Fortschritte hervor. Es beschreibt auch einige wichtige elektronische Funktionen und die Art und Weise, wie verschiedene Geräte diese Funktionen ausführen.
Theoretische und experimentelle Untersuchungen der Elektrizität im 18. und 19. Jahrhundert führten zur Entwicklung der ersten elektrischen Maschinen und zum Beginn der weit verbreiteten Verwendung von Elektrizität. Die Geschichte der Elektronik begann sich Ende des 19. Jahrhunderts mit der Identifizierung des Elektrons durch den englischen Physiker getrennt von der der Elektrizität zu entwickeln Sir Joseph John Thomson und die Messung seiner elektrische Ladung vom amerikanischen Physiker Robert A. Millikan 1909.
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Zur Zeit von Thomsons Arbeit war der amerikanische Erfinder Thomas A. Edison hatte bei einigen seiner frühen Glühbirnen unter bestimmten Bedingungen ein bläuliches Leuchten beobachtet und festgestellt, dass ein Strom von einer Elektrode in der Lampe zur anderen fließen würde, wenn die zweite (Anode) gegenüber der ersten (Kathode) positiv geladen würde. Arbeiten von Thomson und seinen Schülern sowie des englischen Ingenieurs John Ambrose Fleming zeigten, dass dieser sogenannte Edison-Effekt auf die Emission von Elektronen aus der Kathode, dem heißen Glühfaden der Lampe, zurückzuführen ist. Die Bewegung der Elektronen zur Anode, einer Metallplatte, konstituiert ein elektrischer Strom, der nicht existieren würde, wenn die Anode negativ geladen wäre.
Diese Entdeckung lieferte Impetus für die Entwicklung von Elektronenröhren, darunter eine verbesserte Röntgenröhre des amerikanischen Ingenieurs William D. Coolidge und Flemings thermionisches Ventil (eine Zwei-Elektroden-Vakuumröhre) für den Einsatz in Radioempfängern. Die Erkennung eines sehr hochfrequenten Funksignals Wechselstrom (AC), erfordert, dass das Signal gleichgerichtet wird; d.h. der Wechselstrom muss von einem Gerät in Gleichstrom (DC) umgewandelt werden, das nur leitet, wenn das Signal eine Polarität hat, aber nicht, wenn es die andere hat – genau das tat Flemings Ventil (patentiert 1904). Früher wurden Funksignale von verschiedenen empirisch entwickelten Geräten wie dem Cat-Whisker-Detektor erfasst, der aus einem feinen Draht (dem Whisker) bestand, der in empfindlichem Kontakt mit der Oberfläche eines natürlichen Bleisulfidkristalls (Bleiglanz) oder einem anderen Halbleitermaterial stand . Diese Vorrichtungen waren unzuverlässig, hatten keine ausreichende Empfindlichkeit und erforderten eine ständige Einstellung des Whisker-Kristall-Kontakts, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Dies waren jedoch die Vorläufer der heutigen Solid-State-Geräte. Die Tatsache, dass Quarzgleichrichter überhaupt funktionierten, ermutigte die Wissenschaftler, sie weiter zu studieren und nach und nach das grundlegende Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien zu erlangen, die für die Erfindung des Transistors erforderlich waren.
1906 Lee De Forest , ein amerikanischer Ingenieur, entwickelte eine Art Vakuumröhre, die in der Lage war, Funksignale zu verstärken. De Forest fügte ein Gitter aus feinem Draht zwischen Kathode und Anode des von Fleming konstruierten Zweielektroden-Thermionventils hinzu. Das neue Gerät, das De Forest Audion nannte (Patent 1907), war also eine Drei-Elektroden-Vakuumröhre. Im Betrieb erhält die Anode in einer solchen Vakuumröhre ein positives Potential (positiv voreingenommen ) bezüglich der Kathode, während das Gitter negativ vorgespannt ist. Eine große negative Vorspannung am Gitter verhindert, dass von der Kathode emittierte Elektronen die Anode erreichen; da das Gitter jedoch größtenteils ein offener Raum ist, ermöglicht eine weniger negative Vorspannung, dass einige Elektronen durch dieses hindurchgehen und die Anode erreichen. Kleine Variationen des Gitterpotentials können somit große Mengen des Anodenstroms steuern.
Die Vakuumröhre ermöglichte die Entwicklung des Rundfunks, der Ferntelefonie, des Fernsehens und der ersten elektronischen Digitalcomputer. Diese frühen elektronischen Computer waren in der Tat die größten Vakuumröhrensysteme, die jemals gebaut wurden. Der vielleicht bekannteste Vertreter ist die ENIAC ( Elektronischer Numerischer Integrator und Computer ), 1946 fertiggestellt.
Die besonderen Anforderungen der vielfältigen Anwendungen von Vakuumröhren führten zu zahlreichen Verbesserungen, die es ermöglichen, große Leistungen zu bewältigen, mit sehr hohen Frequenzen zu arbeiten, überdurchschnittlich zuverlässig oder sehr kompakt (in Fingerhutgröße) zu bauen. Die Kathodenstrahlröhre, die ursprünglich für die Anzeige elektrischer Wellenformen auf einem Bildschirm für technische Messungen entwickelt wurde, entwickelte sich zur Fernsehbildröhre. Solche Röhren arbeiten, indem sie die von der Kathode emittierten Elektronen zu einem dünnen Strahl formen, der auf einen Fluoreszenzschirm am Ende der Röhre auftrifft. Der Bildschirm emittiert Licht, das von außerhalb der Röhre betrachtet werden kann. Durch die Ablenkung des Elektronenstrahls werden auf dem Bildschirm Lichtmuster erzeugt, die die gewünschten optischen Bilder erzeugen.
Trotz des bemerkenswerten Erfolgs von Halbleiterbauelementen in den meisten elektronischen Anwendungen gibt es bestimmte spezielle Funktionen, die nur Vakuumröhren erfüllen können. Diese beinhalten normalerweise den Betrieb bei extremen Leistungen oder Frequenzen.
Vakuumröhren sind zerbrechlich und verschleißen letztendlich im Betrieb. Ein Ausfall tritt bei normalem Gebrauch entweder durch die Auswirkungen wiederholter Erwärmung und Abkühlung beim Ein- und Ausschalten der Ausrüstung (thermische Ermüdung) auf, die letztendlich zu einem physikalischen Bruch in einem Teil der Innenstruktur des Rohres führt, oder durch Degradierung der Eigenschaften der Kathode durch Restgase im Rohr. Vakuumröhren brauchen auch Zeit (von wenigen Sekunden bis zu mehreren Minuten), um sich auf Betriebstemperatur aufzuwärmen – bestenfalls eine Unannehmlichkeit und in einigen Fällen eine ernsthafte Einschränkung ihrer Verwendung. Diese Mängel motivierten die Wissenschaftler der Bell Laboratories, nach einem Alternative zur Vakuumröhre und führte zur Entwicklung des Transistor .
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