Istoria ingineriei electrice - History of electrical engineering
Acest articol detaliază istoria ingineriei electrice .
Dezvoltări antice
Cu mult înainte de existența oricărei cunoștințe de electricitate , oamenii erau conștienți de șocurile de pește electric . Textele egiptene antice datând din 2750 î.Hr. se refereau la acești pești drept „Thundererul Nilului ” și îi descriau drept „protectorii” tuturor celorlalți pești. Peștii electrici au fost raportați din nou milenii mai târziu de către naturaliști și medici antici greci , romani și arabi . Mai mulți scriitori antici, precum Pliniu cel Bătrân și Scribonius Largus , au atestat efectul amorțitor al șocurilor electrice furnizate de somnul electric și razele electrice și au știut că astfel de șocuri pot călători de-a lungul obiectelor conducătoare. Pacienții care suferă de afecțiuni precum gută sau cefalee au fost îndrumați să atingă peștii electrici în speranța că puternica zgomot ar putea să-i vindece. Este posibil ca cea mai timpurie și mai apropiată abordare a descoperirii identității fulgerului și a electricității din orice altă sursă să fie atribuită arabilor , care înainte de secolul al XV-lea au aplicat cuvântul arab pentru fulger ra'ad ( رعد ) torpediniforme .
Culturile antice din jurul Mediteranei știau că anumite obiecte, cum ar fi tije de chihlimbar , ar putea fi frecate cu blană de pisică pentru a atrage obiecte ușoare, cum ar fi pene. Thales din Milet , un filosof grec antic, scriind în jurul anului 600 î.Hr., a descris o formă de electricitate statică , observând că frecarea blănii pe diferite substanțe, cum ar fi chihlimbarul , ar provoca o atracție specială între cele două. El a menționat că butoanele de chihlimbar ar putea atrage obiecte ușoare precum părul și că, dacă vor freca chihlimbarul suficient de mult, ar putea chiar să scape o scânteie .
În jurul anului 450 î.Hr. Democrit , un filosof grec de mai târziu, a dezvoltat o teorie atomică care era similară cu teoria atomică modernă. Mentorul său, Leucipp, este creditat cu aceeași teorie. Ipoteza lui Leucipp și Democrit a susținut că totul este compus din atomi . Dar acești atomi , numiți „atomos”, erau indivizibili și indestructibili. El a precizat cu precauție că între atomi se află spațiul gol și că atomii sunt în mișcare constantă. El a fost incorect doar afirmând că atomii vin în diferite dimensiuni și forme și că fiecare obiect avea propriul său atom în formă și dimensiune.
Un obiect găsit în Irak în 1938, datat în jurul anului 250 î.Hr. și numit Bateria Bagdad , seamănă cu o celulă galvanică și este susținut de unii că ar fi fost folosit pentru galvanizarea în Mesopotamia , deși nu există dovezi în acest sens.
Dezvoltări din secolul al XVII-lea
Electricitatea ar rămâne puțin mai mult decât o curiozitate intelectuală de milenii. În 1600, omul de știință englez, William Gilbert a extins studiul lui Cardano asupra electricității și magnetismului, distingând efectul de piatră de electricitate statică produsă prin frecarea chihlimbarului. El a inventat cuvântul latin nou electricus („de chihlimbar” sau „ca chihlimbar”, din ήλεκτρον [ elektron ], cuvântul grecesc pentru „chihlimbar”) pentru a se referi la proprietatea de a atrage obiecte mici după ce a fost frecată. Această asociație a dat naștere cuvintelor englezești „electric” și „electricitate”, care au apărut prima dată în tipar în Pseudodoxia Epidemica a lui Thomas Browne din 1646.
Lucrări suplimentare au fost efectuate de Otto von Guericke, care a arătat repulsie electrostatică. Robert Boyle a publicat și lucrări.
Dezvoltări din secolul al XVIII-lea
Deși fenomenele electrice erau cunoscute de secole, în secolul al XVIII-lea, studiul sistematic al electricității a devenit cunoscut ca „cel mai tânăr dintre științe”, iar publicul a fost electrizat de cele mai noi descoperiri din domeniu.
Până în 1705, Francis Hauksbee a descoperit că, dacă a pus o cantitate mică de mercur în paharul versiunii sale modificate a generatorului lui Otto von Guericke , a evacuat aerul din acesta pentru a crea un vid ușor și a frecat mingea pentru a se acumula o încărcătură, o strălucire era vizibilă dacă punea mâna pe exteriorul mingii. Această strălucire era suficient de strălucitoare pentru a fi citită. Părea să fie similar cu Focul Sfântului Elmo . Acest efect a devenit ulterior baza lămpii cu descărcare de gaz , care a dus la iluminarea neonului și a lămpilor cu vapori de mercur . În 1706 a produs o „mașină de influență” pentru a genera acest efect. A fost ales membru al Societății Regale în același an.
Hauksbee a continuat să experimenteze electricitatea, făcând numeroase observații și dezvoltând mașini pentru a genera și demonstra diverse fenomene electrice. În 1709 a publicat Experimente fizico-mecanice pe diferite subiecte care au rezumat o mare parte a lucrărilor sale științifice.
Stephen Gray a descoperit importanța izolatorilor și conductoarelor. CF du Fay văzându-și munca, a dezvoltat o teorie a electricității „cu două fluide”.
În secolul al XVIII-lea, Benjamin Franklin a efectuat ample cercetări în domeniul electricității, vânzându-și bunurile pentru a-și finanța munca. În iunie 1752, este considerat că a atașat o cheie metalică la fundul unui șir de zmeu umed și a zburat zmeul pe un cer amenințat de furtună. O succesiune de scântei care săreau de la cheie la ceafă a mâinii sale a arătat că fulgerul era într-adevăr de natură electrică. El a explicat, de asemenea, comportamentul aparent paradoxal al borcanului Leyden ca un dispozitiv pentru stocarea unor cantități mari de sarcină electrică, venind cu un singur fluid, teoria a două stări a electricității.
În 1791, italianul Luigi Galvani și-a publicat descoperirea bioelectricității , demonstrând că electricitatea este mediul prin care celulele nervoase transmit semnale către mușchi. Bateria lui Alessandro Volta , sau grămadă voltaică , din 1800, realizată din straturi alternante de zinc și cupru, a oferit oamenilor de știință o sursă de energie electrică mai fiabilă decât mașinile electrostatice utilizate anterior.
Dezvoltări din secolul al XIX-lea
Ingineria electrică a devenit o profesie la sfârșitul secolului al XIX-lea. Practicanții au creat o rețea globală de telegraf electric și primele instituții de inginerie electrică care au sprijinit noua disciplină au fost fondate în Marea Britanie și SUA. Deși este imposibil să identificăm cu precizie un prim inginer electric, Francis Ronalds se află în fața câmpului, care a creat un sistem de telegraf electric funcțional în 1816 și și-a documentat viziunea asupra modului în care lumea ar putea fi transformată prin electricitate. Peste 50 de ani mai târziu, s-a alăturat noii Societăți de Ingineri Telegrafici (care va fi redenumită în curând Instituția Inginerilor Electrici ), unde a fost considerat de alți membri ca fiind primul dintre cohorta lor. Donația extinsei sale biblioteci electrice a fost o binecuvântare considerabilă pentru noua societate.
Dezvoltarea bazei științifice pentru ingineria electrică, cu instrumentele tehnicilor moderne de cercetare, s-a intensificat în secolul al XIX-lea. Dezvoltările notabile de la începutul acestui secol includ opera lui Georg Ohm , care în 1827 a cuantificat relația dintre curentul electric și diferența de potențial într-un conductor, Michael Faraday , descoperitorul inducției electromagnetice în 1831. În anii 1830, Georg Ohm a construit și un mașină electrostatică timpurie. Generatorul homopolare a fost dezvoltat pentru prima dată de Michael Faraday în timpul experimentelor sale memorabile în 1831. Acesta a fost începutul dinamuri moderne - care este, generatoare electrice care funcționează cu un câmp magnetic. Invenția generatorului industrial , care nu avea nevoie de energie magnetică externă în 1866 de către Werner von Siemens, a făcut posibilă o serie mare de alte invenții.
În 1873 James Clerk Maxwell a publicat un tratament unificat al electricității și magnetismului în A Treatise on Electricity and Magnetism care a stimulat mai mulți teoreticieni să gândească în termeni de câmpuri descrise de ecuațiile lui Maxwell . În 1878, inventatorul britanic James Wimshurst a dezvoltat un aparat care avea două discuri de sticlă montate pe doi arbori. Abia în 1883 mașina Wimshurst a fost raportată mai complet comunității științifice.
În ultima parte a anilor 1800, studiul electricității a fost considerat în mare parte un subdomeniu al fizicii . Abia la sfârșitul secolului al XIX-lea universitățile au început să ofere diplome în inginerie electrică. În 1882, Universitatea de Tehnologie Darmstadt a fondat prima catedră și prima facultate de inginerie electrică din întreaga lume. În același an, sub profesorul Charles Cross, Institutul de Tehnologie din Massachusetts a început să ofere prima opțiune de inginerie electrică în cadrul unui departament de fizică. În 1883, Universitatea de Tehnologie Darmstadt și Universitatea Cornell au introdus primele cursuri de studiu din lume în inginerie electrică și în 1885 University College London a fondat prima catedră de inginerie electrică din Regatul Unit . Universitatea din Missouri a stabilit ulterior primul departament de inginerie electrică în Statele Unite în 1886.
În această perioadă, utilizarea comercială a energiei electrice a crescut dramatic. Începând cu sfârșitul anilor 1870, orașele au început să instaleze sisteme electrice de iluminat stradal pe scară largă bazate pe lămpi cu arc . După dezvoltarea unei lămpi incandescente practice pentru iluminatul interiorului, Thomas Edison a pornit primul furnizor de energie electrică publică din lume în 1882, folosind ceea ce a fost considerat un sistem relativ sigur de 110 volți pentru curent continuu pentru a furniza clienților. Progresele inginerești din anii 1880, inclusiv invenția transformatorului , au condus la utilitățile electrice care au început să adopte curent alternativ , folosit până atunci în principal în sistemele de iluminat cu arc, ca standard de distribuție pentru iluminatul exterior și interior (înlocuind în cele din urmă curentul continuu pentru astfel de scopuri ). În SUA a existat o rivalitate, în primul rând între un Westinghouse AC și sistemul Edison DC cunoscut sub numele de „ războiul curenților ”.
„Până la mijlocul anilor 1890, cele patru„ ecuații Maxwell ”erau recunoscute ca fundamentul uneia dintre cele mai puternice și mai reușite teorii din toată fizica; își luaseră locul ca însoțitori, chiar rivali, la legile mecanice ale lui Newton. până atunci erau folosite practic, cel mai dramatic în noua tehnologie emergentă a comunicațiilor radio, dar și în industria telegrafică, telefonică și a energiei electrice. " Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, începeau să apară figuri în progresul ingineriei electrice.
Charles Proteus Steinmetz a contribuit la promovarea dezvoltării curentului alternativ care a făcut posibilă extinderea industriei energiei electrice în Statele Unite, formulând teorii matematice pentru ingineri.
Apariția radio și electronice
În timpul dezvoltării radioului , mulți oameni de știință și inventatori au contribuit la tehnologia radio și electronică. În experimentele sale clasice UHF din 1888, Heinrich Hertz a demonstrat existența undelor electromagnetice (unde radio ) determinând mulți inventatori și oameni de știință să încerce să le adapteze la aplicații comerciale, precum Guglielmo Marconi (1895) și Alexander Popov (1896).
Comunicarea cu unde milimetrice a fost investigată pentru prima dată de Jagadish Chandra Bose în perioada 1894–1896, când a ajuns la o frecvență extrem de mare de până la 60 GHz în experimentele sale. El a introdus , de asemenea , utilizarea de semiconductoare intersecții pentru a detecta undele radio, atunci când el a patentat de radio detector de cristal în 1901.
Evoluțiile secolului XX
John Fleming a inventat primul tub radio, dioda , în 1904.
Reginald Fessenden a recunoscut că trebuie generată o undă continuă pentru a face posibilă transmiterea vorbirii și, până la sfârșitul anului 1906, a trimis prima transmisie radio de voce. Tot în 1906, Robert von Lieben și Lee De Forest au dezvoltat independent tubul amplificator, numit triodă . Edwin Howard Armstrong care permite tehnologia televiziunii electronice , în 1931.
La începutul anilor 1920, a existat un interes tot mai mare în dezvoltarea aplicațiilor casnice pentru electricitate. Interesul public a condus la expoziții precum „casele viitorului”, iar în Marea Britanie a fost înființată Asociația Electrică pentru Femei, cu Caroline Haslett în calitate de director în 1924, pentru a încuraja femeile să se implice în ingineria electrică.
Anii celui de-al doilea război mondial
Al doilea război mondial a înregistrat progrese enorme în domeniul electronicii; în special în radar și cu invenția magnetronului de către Randall și Boot la Universitatea din Birmingham în 1940. Locația radio , comunicarea radio și ghidarea radio a aeronavelor au fost toate dezvoltate în acest moment. Un dispozitiv de calcul electronic timpuriu, Colossus a fost construit de Tommy Flowers de la GPO pentru a descifra mesajele codate ale mașinii de cifrat germane Lorenz . De asemenea, în acest moment au fost dezvoltate emițătoare și receptoare radio clandestine avansate pentru a fi utilizate de agenții secreți.
O invenție americană la acea vreme era un dispozitiv pentru a asculta apelurile telefonice între Winston Churchill și Franklin D. Roosevelt . Acesta a fost numit sistemul Green Hornet și a funcționat prin introducerea zgomotului în semnal. Zgomotul a fost apoi extras la capătul receptor. Acest sistem nu a fost niciodată spart de germani.
O mare parte a muncii a fost întreprinsă în Statele Unite ca parte a programului de formare a războiului în domeniile identificării direcției radio, rețelelor liniare pulsate, modulației de frecvență , circuitelor tuburilor de vid , teoria liniilor de transmisie și fundamentele ingineriei electromagnetice . Aceste studii au fost publicate la scurt timp după război în ceea ce a devenit cunoscut sub numele de „Radio Communication Series” publicat de McGraw-Hill în 1946.
În 1941 Konrad Zuse a prezentat Z3 , primul computer complet funcțional și programabil din lume.
Ani postbelici
Înainte de cel de- al doilea război mondial , subiectul era cunoscut în mod obișnuit ca „ inginerie radio ” și era limitat în primul rând la aspecte ale comunicațiilor și radarului, radioului comercial și televiziunii timpurii. În acest moment, studiul ingineriei radio la universități putea fi întreprins doar ca parte a unei diplome de fizică.
Mai târziu, în anii de după război, pe măsură ce dispozitivele de consum au început să fie dezvoltate, domeniul s-a extins pentru a include televizoare moderne, sisteme audio, Hi-Fi și, în cele din urmă, computere și microprocesoare. În 1946 a urmat ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) al lui John Presper Eckert și John Mauchly , începând era computerului. Performanța aritmetică a acestor mașini le-a permis inginerilor să dezvolte tehnologii complet noi și să atingă noi obiective, inclusiv misiunile Apollo și debarcarea lunară a NASA .
La mijlocul până la sfârșitul anilor 1950, termenul de inginerie radio a dat loc treptat denumirii de inginerie electronică , care a devenit apoi o disciplină universitară independentă, predată de obicei alături de inginerie electrică cu care fusese asociată datorită unor similitudini.
Electronică în stare solidă
Primul tranzistor de lucru a fost un tranzistor de contact punct inventat de John Bardeen și Walter Houser Brattain în timp ce lucra sub William Shockley la Bell Telephone Laboratories (BTL) în 1947. Apoi au inventat tranzistorul de joncțiune bipolar în 1948. În timp ce tranzistorii de joncțiune timpurii erau relativ dispozitivele voluminoase care erau dificil de fabricat pe bază de producție în serie , au deschis ușa pentru dispozitive mai compacte.
Procesul de pasivare a suprafeței , care a stabilizat electric suprafețele de siliciu prin oxidare termică , a fost dezvoltat de Mohamed M. Atalla la BTL în 1957. Acest lucru a dus la dezvoltarea cipului monolitic de circuit integrat . Primele circuite integrate au fost circuitul integrat hibrid inventat de Jack Kilby la Texas Instruments în 1958 și cipul de circuit integrat monolitic inventat de Robert Noyce la Fairchild Semiconductor în 1959.
MOSFET (metal-oxid-semiconductor cu efect de câmp tranzistor sau tranzistor MOS) a fost inventat de Mohamed Atalla și Dawon Kahng la BTL în 1959. Acesta a fost primul tranzistor cu adevărat compact , care ar putea fi miniaturizat și produse în masă pentru o gamă largă de utilizări. A revoluționat industria electronică , devenind cel mai utilizat dispozitiv electronic din lume. MOSFET este elementul de bază în majoritatea echipamentelor electronice moderne și a fost esențial pentru revoluția electronică, revoluția microelectronică și revoluția digitală . MOSFET a fost astfel creditat ca nașterea electronicii moderne și, probabil, cea mai importantă invenție în electronică.
John Bardeen , William Shockley , Walter Brattain - tranzistor (1947)
Mohamed M. Atalla - pasivare cu siliciu (1957) și tranzistor MOSFET (1959)
Robert Noyce - cip de circuit integrat monolitic (1959)
Dawon Kahng - tranzistor MOSFET (1959)
Gordon Moore -
Legea lui Moore (1965)
Federico Faggin - MOSFET silicon-gate (1968) și microprocesor (1971)
Marcian Hoff - microprocesor (1971)
Masatoshi Shima , Stanley Mazor - microprocesor (1971)
.jpg)
MOSFET a făcut posibilă construirea de circuite integrate de înaltă densitate . Atalla a propus pentru prima dată conceptul de circuit integrat MOS (MOS IC) în 1960, urmat de Kahng în 1961. Primul chip experimental MOS IC care a fost fabricat a fost construit de Fred Heiman și Steven Hofstein la RCA Laboratories în 1962. Tehnologia MOS activată Legea lui Moore , dublarea tranzistoarelor pe un cip IC la fiecare doi ani, prezisă de Gordon Moore în 1965. Tehnologia MOS cu poartă de siliciu a fost dezvoltată de Federico Faggin la Fairchild în 1968. De atunci, MOSFET a fost elementul de bază al modernului Electronică. Producția în masă a MOSFET-urilor de siliciu și a cipurilor de circuite integrate MOS, împreună cu miniaturizarea continuă a scalării MOSFET într-un ritm exponențial (așa cum a prezis legea lui Moore ), a condus de atunci la schimbări revoluționare în tehnologie, economie, cultură și gândire.
Programul Apollo care a culminat cu aterizarea astronauților pe Lună cu Apollo 11 în 1969 a fost permis prin adoptarea de către NASA a progreselor în tehnologia electronică a semiconductoarelor , inclusiv MOSFET-urile din Platforma de monitorizare interplanetară (IMP) și cipurile circuitelor integrate din siliciu din computerul de orientare Apollo. (AGC).
Dezvoltarea tehnologiei circuitelor integrate MOS în anii 1960 a condus la inventarea microprocesorului la începutul anilor 1970. Primul microprocesor cu un singur cip a fost Intel 4004 , lansat în 1971. A început cu „ Proiectul Busicom ” ca proiectare a procesorului cu trei cipuri de la Masatoshi Shima în 1968, înainte ca Tadashi Sasaki de la Sharp să concepă un design cu CPU cu un singur cip. , despre care a discutat cu Busicom și Intel în 1968. Intel 4004 a fost apoi proiectat și realizat de Federico Faggin la Intel cu tehnologia sa MOS cu poartă de siliciu, alături de Marcian Hoff și Stanley Mazor de la Intel și Masatoshi Shima de la Busicom. Acest lucru a aprins dezvoltarea computerului personal . 4004, un procesor pe 4 biți , a fost urmat în 1973 de Intel 8080 , un procesor pe 8 biți , care a făcut posibilă construirea primului computer personal, Altair 8800 .
Vezi si
Referințe
linkuri externe
- Premiile Nobel legate de ingineria electrică (brevete relevante incluse)
- Shock and Awe: The Story of Electricity - Jim Al-Khalili BBC Horizon
- Electrickery , discuția BBC Radio 4 cu Simon Schaffer, Patricia Fara și Iwan Morus ( In Our Time , 4 noiembrie 2004)