第一章-电子信息技术发展史

第1讲电子信息技术发展史1.1电的发现与发展1.2电子线路元件的发展1.3近代通信技术发展1.4计算机的发展1.5自动控制理论的发展1.1电的发现与发展1.1.1电的发现1.1.2电的效应1.1.3欧姆定律实验1.1.4电磁波的发现1.1.1电的发现1）摩擦起电●“电”一词在西方是从希腊文琥珀一词转意而来的，是能量的一种形式，它包括了许多种由于电荷的存在或移动而产生的现象，自然界的闪电就是其中一种。●18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打（图1-8）发明了电池，在这之前，电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行，而它们只能提供短暂的电流。图1-8意大利物理学家伏打1.1.1电的发现富兰克林风筝实验●1746年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学家，通过邮寄向美国费城的本杰明.富兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法，这直接导致了1752年富兰克林著名的费城实验。1.1.1电的发现图1-10富兰克林的风筝实验●他做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。他用金属丝把一个很大的风筝放到云层里去，金属丝的下端接了一段绳子，另外金属丝上还挂了一串钥匙。当时富兰克林一手拉住绳子，用另一手轻轻触及钥匙。于是他立即感到一阵猛烈的冲击（电击），同时还看到手指和钥匙之间产生了小火花（图1-10）。1.1.1电的发现●这个实验表明：被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导体，把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间，这在当时是一件轰动一时的大事。●富兰克林在美国费城的实验惊动了教会，他们斥责他冒犯天威，是对上帝和雷公的大逆不道。然而，他仍然坚持不懈，而且在一年后制造出世界上第一个避雷针，终于制服了天电。富兰克林的这个实验，不仅在美国有很大的影响，而且影响到世界其他国家。1.1.1电的发现1）奥斯特电流磁效应●奥斯特（图1-11）根据已发现一些电可能会发生磁的迹象，坚信电磁间有联系，并开展电是否能产生磁的研究。●1820年4月的一天，奥斯特在一次讲演快结束的时候，抱着试试看的心情又做了一次实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方，接通电源的瞬间，发现磁针跳动了一下（图1-12）。这一跳使有心的奥斯特喜出望外，竟激动得在讲台上摔了一跤。1.1.2电的效应图1-11丹麦物理学家奥斯持图1-12电流磁效应1.1.2电的效应●以后的两个月里，奥斯特闭门不出，设计了几十个不同的实验，都证实了通电导线周围存在磁场。●同年7月，奥斯特发表了《关于磁体周围电冲突的实验》论文，向学术界宣布了电流的磁效应，整个物理学界都震动了。1.1.2电的效应法拉第电磁感应●法拉第（图1-17）经过近10年的努力，于1831年发现了电磁感应现象。他把磁产生电的现象称为“电磁感应”，并且概括了可以产生感应电流的几种途径：电流变化、磁场变化、流过恒定电流的导线空间位置变化、磁场运动以及使导体在磁场中运动。图1-17英国著名物理学家、化学家法拉第1.1.2电的效应●这里的关键技术是：产生感应电流的回路都是处在一个变化的磁场中，一旦磁场变化停止，感应电流就消失（图1-18）。图1-18产生感应电流1.1.2电的效应●1852年5月，德国物理学家欧姆（图1-21）研究探讨了电流产生的电磁力的衰减与导线长度的关系，其结果在他的第一篇科学论文中发表，在这个实验中，他碰到了测量电流强度的困难。图1-21德国物理学家欧姆1.1.3欧姆定理实验●在德国科学家施威格发明的检流计启发下，他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤方法巧妙地结合起来，设计了一个电流扭力秤，用它测量电流强度。●欧姆从初步的实验中证实，电流的电磁力与导体的长度有关。随后，在试验中改变电路上的电动势中，他发现：电荷在导体中流动遵从一种十分简单的规律：电流和电压成正比。1.1.3欧姆定理实验●电压和电流之间的比例系数称作电阻，它表示导体对电荷流动所呈现的“阻力”（图1-22），电动势与电阻之间的依存关系，就是欧姆定律。I=U/R图1-22欧姆定理实验电路图1.1.3欧姆定理实验1）麦克斯韦方程组麦克斯韦（图1-23）通过对前人的发现和成果加以总结和升华以及结合位移电流概念的引入，创造性地提出了变化电场可在周围激发磁场的假设，把物理与数学紧密结合,利用类比方法建立了描写电磁场运动规律的麦克斯韦方程组（图1-24）。1.1.4电磁波的发现图1-23英国物理学家家麦克斯韦图1-24麦克斯韦方程组1.1.4电磁波的发现由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波（图1-25）。1.1.4电磁波的发现电场强度磁场强度电磁波传播方向XYZ电场强度磁场强度电磁波传播方向XYZ(a)电磁波的形成和发展(b)沿X方向传播的简谐平面电磁波图1-25电磁波1.1.4电磁波的发现麦克斯韦的电磁理论首次综合和发展了前人工作,给出了一个描写〝电磁场〞运动的完美的统一方程；充分反映了电场与磁场以及时间空间的对称性；数学形式简单优美,充分体现了物理学的〝美〞以及数学的重要性；更重要的是科学家正是利用数学方法从庞杂的经验事实中找出自然界普遍的高于感性经验的客观规律来。1.1.4电磁波的发现2）赫兹实验1873年，德国物理学家赫兹(图1-26)用试验第一次证明了电磁波的存在。他自制了一个能够产生电磁振荡的仪器，产生出电磁波，在离它三公尺的地方，赫兹用一个简单的接受器接受到了这台仪器发出的电磁波。图1-27是赫兹试验验证原理图。1.1.4电磁波的发现图1-26德国物理学家赫兹图1-27赫兹实验1.1.4电磁波的发现赫兹在实验时曾指出，电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波，其电场平行于振荡器的导线，而磁场垂直于电场，且两者均垂直传播方向。1.1.4电磁波的发现1889年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。此外，赫兹还发现电磁波可以毫无困难地通过墙壁，不过它能被大金属挡住；镜子可以反射电磁波。赫兹还测出电磁波的波长，由此计算出电磁波的传播速度，结果发现，电磁波的传播速度和光速完全相同。●第一次以电磁波传递信息是1896年意大利马可尼开始的。●1901年，马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。●20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。1.1.4电磁波的发现赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论，更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。电的真正魅力在于，它为人类提供了一种传输和控制能量最理想的方式，使人类获得了一种以光速传输信息的载体。1.2电子线路元件的发展1.2.1电子的发现1.2.2电子管1.2.3晶体管1.2.4集成电路1.2.1电子的发现●电子的发现过程，始于人们对气体放电的研究。当气体放电发生时，电子很容易脱离原子的束缚呈现许多新奇现象。它们引导科学家探寻隐藏其中的奥秘，从而找到电子；应用电子的构想，源于白炽灯的发明。白炽灯灼热的灯丝，不仅持续地发出明亮的光，并源源不断地发射电子；这些电子在没有空气的环境里能够自由地飞行，借助电和磁的作用，人们可以控制它们的运动，这成为各类电子技术发明共同的基础。●1897年，英国科学家汤姆孙（如图1-28）对阴极射线进行更加精确的实验研究时发现，阴极射线是一种带负电的微粒，与气体成分或阴极材料无关，它存在于一切物质之中。1.2.1电子的发现汤姆孙用“电子”一词命名他确认的这种带电微粒，图1-29就是汤姆孙的原子模型。科学史家将人类发现电子的时间定为1897年。图1-28英国科学家汤姆孙图1-29汤姆孙的原子模型1.2.1电子的发现●电子是一种基本粒子，目前无法再分解为更小的物质。其直径是质子的0.001倍，重量为质子的1/1836。●电子围绕原子的核做高速运动。电子通常排列在各个能量层上。当原子互相结合成为分子时，在最外层的电子便会由一原子移至另一原子或成为彼此共享的电子。●在汤姆孙的原子模型中，原子是一个球体；正电核均匀分布在整个球内，而电子镶嵌在原子里面。1.2.1电子的发现●1904年，英国工程师弗莱明(图1-30)发明了人类第一只电子管,电子管的诞生，是人类电子文明的起点。弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生发现的“爱迪生效应”。1.2.2电子管弗莱明采用在真空中利用电流加热灯丝的方法，轻而易举地获得逸出物体的自由电子，并用它做成了一种效率很高的无线电信号检测器------真空二极管（如图1-31）。真空二极管可使频率很高的无线电信号被整流检波成为人们需要的信息。图1-30英国工程师弗莱明图1-31真空电子二极管（1904年）1.2.2电子管图1-32美国发明家德福雷斯特图1-33真空三极管1.2.2电子管●真空三极管的发明，使无线广播迅速成为一种大众传媒，收音机成为一种时尚家电。●利用真空三极管，可以产生功率强大的高频无线电信号，同时使声音变成的电信号叠加在上面，向幅员辽阔的地域播送语音信息。1.2.2电子管无线电电子学技术开始跨出通信系统，进入人类活动的更多领域。作为电子学装置的核心器件，真空三极管一直推动着电子技术前进，直到1947年，三位美国科学家发明晶体管，它才逐渐退出历史舞台。1.2.2电子管●为了克服电子管的局限性，第二次世界大战结束后，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。1.2.3晶体管图1-34晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿1.2.3晶体管1947年12月，这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了（图1-35），在首次试验时，它能把音频信号放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。图1-35晶体管的早期模式和第一个晶体管1.2.3晶体管晶体管的发明是20世纪最伟大的发明，它为集成电路的出现拉开了序幕，晶体管的发明奠定了现代电子技术的基础，揭开了微电子技术和信息化的序幕，开创了人类的硅文明时代。●大约在1956年，英国的德马就从晶体管原理预想到了集成电路的出现。●1958年美国提出了用半导体制作全部电路元器件实现集成电路化方案。当年，美国德州仪器公司的基尔比在研究微型组件时，为实现电路的微型化，提出了用同一种材料做出电子元器件的设想，并在一个玻璃板上焊接锗晶体管芯片等元件，成功地研究出了微小型锗振荡器，这就是世界第一块集成电路。●1961年，开始批量生产集成电路。1.2.4集成电路集成电路示例见图1-36。(a)第一块集成电路(b)集成电路芯片显微照片(c)各种封装好的集成电路图1-36集成电路示例1.2.4集成电路●集成电路并不是一个一个的电路元器件连接成的电路，而是把具有某种功能的电路“埋”在半导体晶体管里的一种器件。它易于小型化和减少引线端，所以具有可靠性高的优点。●集成电路的发明，是电子产品工艺技术的一次革命，进一步减小了电子设备的体积，由此，它们变得更轻、更小。1.2.4集成电路●由于不同的电子元件大部分可以在同一块硅片上制造，相互紧密连接在一起，因而减少了元件失效和引线断裂的可能性，提高了电子设备的可靠性，也降低了电子产品制造的成本。●为充分体现集成电路的优越性，人们竞相改进工艺，努力在同样尺寸的硅片上制造越来越多的电子元件。1.2.4集成电路a).20世纪60年代初期，人们只能制做一块硅片包含几十个元件的小规模集成电路；b).20世纪70年代后期，人们已经能够在面积30平方毫米的一块硅片上集成13万个晶体管；1.2.4集成电路c).20世纪90年代以来，超大规模集成电路技术迅速发展，人们已经能在一块指甲盖大小的硅片上制做包含500万个晶体管的集成电路。集成电路的发明导致了电子技术发展的飞跃，使电子技术进入了微电子技术的新阶段。1.3近代通信技术发展1.3.1早期通信方式1.3.2近代通信方式随着社会的不断进步，人类在科学与技术领域取得的一系列重大突破，人类通信技术的力量如沉睡的巨龙，破壳而出，在近100多年的时间里取得了前所未有的进步，对人类的