Кіріспе

Бұл мақалада электр инженериясының тарихы егжей-тегжейлі сипатталады.

Бұрынғы дамуы

Электр энергиясы туралы білім пайда болғанға дейін адамдар электрлі балықтардың соққыларын білген. 2750 жылға дейін жазылған ежелгі Мысыр мәтіндерінде бұл балықтар "Нілдің күркіреушісі" деп аталған және олар барлық басқа балықтардың "қорғаушылары" деп сипатталған. Электр балықтары туралы мыңжылдықтар өткен соң, ежелгі грек, рим және араб табиғат зерттеушілері мен дәрігерлері хабарлаған. Плиний және Скрибоний Ларг сияқты бірнеше ежелгі авторлар электрлік соққының жандырмайтын әсерін куәландырды. Сонымен қатар, подагра немесе бас ауруы сияқты аурулары бар науқастарға электрлі балыққа тиіп, күшті соққының оларды емдеуіне үміттене отырып, емделу ұсынылған. Шамамен 15 ғасырға дейін арабтар электр сәулесіне "ra’ad" деген араб сөзін қолданғандықтан, найзағай мен кез келген басқа көзден электр энергиясының табиғатын анықтауға жасалған ең алғашқы және ең жақын әрекеттер арабтарға жатқызылады. Жерорта теңізі маңындағы ежелгі мәдениеттер кейбір заттарды, мысалы, янтарь таяқшаларды мысық жүнімен сүрту арқылы қауырсын сияқты жеңіл заттарды тартуға болатынын білген. Шамамен б.з.д. 600 жылы жазған ежелгі грек философы Талес Милеттік статикалық электрдің бір түрін сипаттап, жүнді түрлі заттарға, мысалы, янтарьға сүргенде, екеуінің арасында ерекше тартылыс туатынын атап өтті. Ол янтарь түймелердің шашты сияқты жеңіл заттарды тартатынын және оларды жеткілікті ұзақ сүргенде тіпті ұшқын секіріп шығуы мүмкін екенін байқаған. Б.з.д. 450 жылы грек философы Демокрит қазіргі атомдық теорияға ұқсас атомдық теорияны жасады. Оның ұстазы Левкипп осы теорияны ұсынған. Левкипп пен Демокриттің болжамында, барлық нәрсе атомдардан тұрады. Бірақ бұл атомдар, "атомос" деп аталған, бөлінбейтін және жойылмайтын. Ол атомдардың арасында бос кеңістік бар екенін және атомдар үнемі қозғалыста екенін болжаған. Оның қателігі тек атомдардың әртүрлі пішінде және әр заттың өзіндік пішін мен мөлшердегі атомы бар екенін айтуында болды. 1938 жылы Иракта табылған және шамамен б.з.д. 250 жылға жатқызылған "Бағдат батареясы" гальваникалық элементке ұқсайды және кейбір адамдар оның Месопотамияда металл жалату үшін қолданылғанын айтады, бірақ мұны растайтын ешқандай дәлел жоқ.

XVII ғасырдағы өзгерістер

Электр энергиясы мыңжылдықтар бойы тек зиялилық қызығушылықтан артық болмайтын еді. 1600 жылы ағылшын ғалымы Уильям Гилберт Карданоның электр және магнетизм туралы зерттеулерін кеңейтіп, магниттің тартымды күшін, құрғақ кеңірдегі майды сүрту арқылы туындайтын статикалық электрден ажыратты. Осы байланыс ағылшын тіліндегі "электр" және "электр қуаты" сөздерінің пайда болуына себеп болды, бұл сөздер 1646 жылы Томас Браунның "Pseudodoxia Epidemica" еңбегінде алғаш рет жарияланды. Отто фон Герике электростатикалық итергіш күшті көрсетті. Роберт Бойль да зерттеу жұмыстарын жариялады.

18 ғасырдағы өзгерістер

Электр құбылыстары ғасырлар бойы белгілі болғанмен, 18 ғасырда электр энергиясын жүйелі түрде зерттеу «ғылымдардың ең жас түрі» ретінде танымал болды, ал көпшілік осы саладағы жаңа жаңалықтарға қызығушылық танытты. 1705 жылы Фрэнсис Хауксби өзінің Отто фон Герикке генераторының өңделген нұсқасының шынысына аздаған мөлшерде сынап құйып, одан ауаны шығарып, жұмсақ вакуум жасады және зарядты жинақтау үшін шарды сүртті. Егер ол қолын шардың сыртына тигізсе, жарқырау байқалады. Бұл жарқыраумен оқуға болатын. Ол Сент-Эльмо отына ұқсас болды. Бұл эффект кейін газды шығару шамдарының негізіне айналды, осыдан неондық жарықтандыру мен сынап бу шамдары пайда болды. 1706 жылы ол осы эффектті жасау үшін «Әсер ету машинасы» құрастырды. Сол жылы ол Корольдік қоғамның мүшесі болып сайланды. Хауксби электрмен тәжірибелер жасауды жалғастырды, көптеген байқаулар жасады және әртүрлі электр құбылыстарын жасау және көрсету үшін машиналар ойлап тапты. 1709 жылы ол өзінің ғылыми еңбектерінің көп бөлігін жинақтаған «Физико-механикалық тәжірибелер» атты еңбегін жариялады. Стивен Грей оқшаулағыштар мен өткізгіштердің маңыздылығын анықтады. С. Ф. ду Фей оның жұмысын көріп, электрдің «екі сұйықтық» теориясын жасады. Кілттен оның қолының артқы жағына секіріп жатқан ұшқындар найзағайдың шынымен электрлік табиғаты бар екенін көрсетті. Ол сондай-ақ Лейден банкасының парадоксалды мінез-құлқын электр зарядының үлкен мөлшерін сақтау құрылғысы ретінде түсіндірді, бір сұйықтық, екі күй электр теориясын ұсынды. 1791 жылы итальяндық Луиджи Гальвани биоэлектрлік энергияны ашқанын жариялап, электр энергиясының жүйке жасушаларының бұлшық еттерге сигнал беру құралы екенін көрсетті. 1800 жылы Алессандро Вольта цинк пен мыс қабаттарын кезектестіріп құраған аккумуляторды немесе вольттік батареяны пайдаланып, ғалымдарға электростатикалық машиналарға қарағанда электр энергиясының сенімді көзін ұсынды. Уильям Стерджен 1825 жылы электромагнитті ойлап тапты. Электромагниттерді содан кейін Уильям Фотэргилл Кук пен Чарльз Уитстоун электр энергиясын алғашқы тәжірибелік инженерлік қолдануда қолданды, олар әріптерге сілтеме жасау үшін тақтада бірнеше инелерді қолданған телеграф жүйесін бірлесіп жасады. Бастапқыда бес инелі жүйе қолданылды, бірақ ол тым қымбат болғандықтан бас тартты. 1838 жылы инелер санын екіге дейін азайтылды, ал Кук пен Уитстоун осы нұсқаға патент алды. Кук бұл өнертабысты Лондон және Блэкволл темір жолы, Лондон және Бирмингем темір жолы және Ұлы Батыс темір жолы компанияларымен сынап көрді, олар тәжірибе үшін өз желілерін пайдалануға рұқсат берді. Кейіннен темір жолдар бір соққылы қоңыраулар мен үш позициялық инелі телеграф аспаптарының телеграфтық дыбысталуы арқылы көршілес посттармен байланыс орнату үшін желі бойымен сигнал қораптары бар жүйелерді құрды. Мұндай жүйелер сигнализация блоктарын іске асыру 21-ғасырда да ауылдық желілерде қолданылып келді. Электр инженерлігі 19 ғасырдың аяғында мамандыққа айналды. Мамандар әлемдік электр телеграф желісін құрды және жаңа пәнді қолдауға арналған алғашқы электр инженерлік институттар Ұлыбритания мен АҚШ-та құрылды. Бірінші электр инженерін нақты анықтау мүмкін болмаса да, 1816 жылы жұмыс істейтін электр телеграф жүйесін жасаған және әлемді электрмен қалай өзгертуге болатынын жазған Фрэнсис Рональдс осы саланың алдында тұрды. 50 жылдан кейін ол жаңа Телеграф инженерлері қоғамына (жақын арада Электр инженерлері институты деп аталатын) қосылды, онда басқа мүшелер оны өздерінің біріншісі деп санады. Оның үлкен электр кітапханасын тартуы жаңадан құрылған қоғам үшін айтарлықтай игілік болды. Электр техникасының ғылыми негізін зерттеу әдістерін қолдану арқылы дамыту 19 ғасырда күшейді. Осы ғасырдың басындағы елеулі жетістіктерге 1827 жылы электр тогы мен өткізгіштегі потенциалдық айырмашылық арасындағы байланысты өлшеген Георг Омның жұмысы, 1831 жылы электромагниттік индукцияны ашқан Майкл Фарадей жатады. 1830 жылдары Георг Ом алғашқы электростатикалық машинаны да жасады. Гомополярлы генераторды алғаш Майкл Фарадей өзінің есте қаларлық тәжірибелері барысында 1831 жылы жасады. Бұл қазіргі заманғы динамоның бастауы болды, яғни магнит өрісін пайдаланатын электр генераторлары. 1866 жылы Вернер фон Сименстің сыртқы магниттік қуатты қажет етпейтін өндірістік генераторды ойлап тапқаны басқа да көптеген өнертабыстарға жол ашты. 1873 жылы Джеймс Клерк Максвелл «Электр және магнетизм туралы трактат» еңбегінде электр және магнетизмді біріктіретін тұжырымдама жариялады, бұл бірнеше теоретиктерді Максвелл теңдеулерімен сипатталған өрістер тұрғысынан ойлауға ынталандырды. 1878 жылы британдық өнертапқыш Джеймс Уимшёрст екі шыны дискісі екі білікке орнатылған аппаратты жасады. Уимшёрст машинасы 1883 жылға дейін ғылыми қауымдастыққа толыққанды түрде хабарланбады. 1800-жылдардың соңында электрді зерттеу көбінесе физиканың кіші саласы ретінде қарастырылды. 19 ғасырдың соңына дейін университеттер электр инженерлігі бойынша дипломдарды ұсына бастамады. 1882 жылы Дармштадт Технологиялық университеті әлемдегі алғашқы электр инженерлігі кафедрасын және факультетін құрды. Сол жылы Массачусетс Технологиялық институты профессор Чарльз Кросс басшылығымен физика факультетінің ішінде Электр инженерлігі бойынша алғашқы опцияны ұсынды. 1883 жылы Дармштадт Технологиялық университеті мен Корнелл университеті әлемдегі алғашқы электр инженерлігі курстарын енгізді, ал 1885 жылы Лондон Университет колледжі Ұлыбританияда алғашқы электр инженерлігі кафедрасын құрды. Миссури университеті кейіннен 1886 жылы АҚШ-та алғашқы электр инженерлігі факультетін құрды. Осы кезеңде электр энергиясын коммерциялық пайдалану күрт өсті. 1870-жылдардың соңынан бастап қалалар көшелерді жарықтандыру үшін доғалық шамдарға негіделген ірі масштабты электрлік жарықтандыру жүйелерін орната бастады. Ыңғайлы жарықтандыруға арналған практикалық шамды жасағаннан кейін Томас Эдисон 1882 жылы әлемдегі алғашқы қоғамдық электрмен жабдықтау желісін іске қосты, клиенттерге қуат беру үшін салыстырмалы түрде қауіпсіз деп есептелген 110 вольт тікелей ток жүйесін пайдаланды. 1880-жылдардағы инженерлік жетістіктер, соның ішінде трансформатордың ойлап табылуы, электрлік желілердің ауыспалы токты қабылдауына әкелді, бұл бұрын көбінесе доғалық жарықтандыру жүйелерінде қолданылған, сыртқы және ішкі жарықтандыру үшін тарату стандарты ретінде (ақырында мұндай мақсаттар үшін тікелей токты ығыстырды). АҚШ-та Вестингауздың айнымалы тогы мен Эдисонның тұрақты тогы арасындағы «тоқтар соғысы» деп аталатын бәсекелестік болды. «1890-жылдардың ортасына қарай төрт «Максвелл теңдеуі» физиканың ең күшті және сәтті теорияларының бірінің негізі ретінде танылды; олар Ньютонның механика заңдарымен қатар тұрды, тіпті олармен бәсекелестікке түсті. Сол кезде теңдеулер радио байланысының жаңа технологиясында, сондай-ақ телеграф, телефон және электр қуат өнеркәсібінде де қолданылып келе жатты». 19 ғасырдың соңына қарай электр инженерлігінің дамуына үлес қосушы тұлғалар көріне бастады. Чарльз Протеус Штайнмец АҚШ-та электр қуат өнеркәсібінің кеңеюіне мүмкіндік берген айнымалы ток дамуына көмектесті, инженерлерге арналған математикалық теорияларды жасады.

Радио мен электрониканың пайда болуы

Радионың даму кезеңінде көптеген ғалымдар мен өнертапқыштар радио технологиясы мен электроникаға үлес қосты. 1888 жылғы классикалық ЖЖТ (Ultra High Frequency) эксперименттерінде Генрих Герц электромагниттік толқындардың (радио толқындардың) бар екенін көрсетті, бұл көптеген өнертапқыштар мен ғалымдарды оларды коммерциялық қолдануға бейімдеуге ұсыныс жасады, мысалы Гульельмо Маркони (1895) және Александр Попов (1896). Миллиметрлік толқынмен алғаш рет 1894-1896 жылдары Жағадиш Чандра Бос айналысты, ол өзінің тәжірибелерінде 60 ГГц-ға дейін жоғары жиілікке қол жеткізді. Ол сондай-ақ радио толқындарын анықтау үшін жартылай өткізгіштердің тораптарын пайдалануды енгізді, және 1901 жылы радио кристалдық детекторын патенттеді.

ХХ ғасырдағы өзгерістер

1904 жылы Джон Флеминг алғашқы радио түтігін, диодты ойлап тапты. Реджинальд Фессенден үн жеткізу үшін үздіксіз толқынның қажет екенін түсінді, ал 1906 жылдың соңына қарай ол алғашқы дауысты радио хабарды жіберді. 1906 жылы Роберт фон Либен мен Ли Де Форест дербес түрде үш электроды бар күшейткіш түтікті, триодты жасады. Эдвин Говард Армстронг 1931 жылы электрондық теледидар технологиясын дамытуға мүмкіндік берді. 1920 жылдардың басында электр энергиясын тұрмыстық мақсаттарда қолдануға қызығушылық күшейді. Халықтың ықыласы "болашақтың үйлері" сияқты көрмелерге әкелді, ал Ұлыбританияда 1924 жылы Каролина Хаслетт директоры болған Әйелдердің Электр қауымдастығы құрылды, ол әйелдерді электр инженерлігіне қатысуға ынталандырды.

Екінші дүниежүзілік соғыс жылдары

Екінші дүниежүзілік соғыс электроника саласында үлкен жетістіктерге куә болды; әсіресе радар және 1940 жылы Бермингем университетінде Рэндалл мен Буттың магнетронды ойлап табуы осының нәтижесі болды. Осы кезеңде радиоарнау, радиобайланыс және ұшақтарды радиоарнау арқылы басқару дамыды. Алғашқы электрондық есептеу құрылғысы Colossus Германияның Лоренц шифрінің кодталған хабарларын жасыру үшін GPO-ның Томми Флауэрс жасады. Сондай-ақ, осы уақытта құпия агенттер пайдалануы үшін жасырын радио хабар таратушылар мен қабылдағыштар да құрылды. Сол кездегі американдық өнертабыс – Уинстон Черчилль мен Франклин Рузвельт арасындағы телефон әңгімелерін құпиялау құрылғысы. Бұл жүйе "Жасыл бұғы" деп аталды және сигналға шу қосу арқылы жұмыс істеді. Ал шу қабылдаушы жағынан сүзіліп алынды. Немістер бұл жүйені ешқашан бұза алмады. АҚШ-та соғыс оқу бағдарламасы аясында радио бағытын табу, импульстік сызықтық желілер, жиілік модуляциясы, вакуумдық түтіктер тізбегі, тарату желісі теориясы және электромагниттік инженерия негіздері салаларында көп жұмыс атқарылды. Бұл зерттеулер соғыстан кейін жақын арада МакГроу Хилл баспасынан 1946 жылы шыққан "Радио байланыс сериясы" атты кітапта жарияланды. 1941 жылы Конрад Цузе Z3 компьютерін таныстырды, ол әлемдегі алғашқы толыққанды жұмыс істейтін және бағдарламаланатын компьютер еді.

Соғыстан кейінгі жылдар

Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін бұл пән «радиоинженерлік» деп белгілі болды және көбінесе байланыс, радар, коммерциялық радио және алғашқы теледидар салаларымен шектелді. Осы кезеңде университеттерде радиоинженерлік физика мамандығының бір бөлігі ретінде оқытылды. Соғыстан кейінгі жылдары тұтыну тауарлары дамыған сайын, бұл сала заманауи теледидар, аудиожүйелер, Hi-Fi және кейінірек компьютерлер мен микропроцессорларды қамтыды. 1946 жылы Джон Преспер Эккерт және Джон Мокли жасаған ENIAC (Электрондық сандық интегратор және компьютер) пайда болды, осымен есептеу дәуірі басталды. Бұл машиналардың есептеу мүмкіндіктері инженерлерге жаңа технологиялар жасауға және жаңа мақсаттарға қол жеткізуге мүмкіндік берді, соның ішінде «Аполлон» ғарыш миссиясы мен NASA-ның Айға қонуы. 1950 жылдардың ортасы мен соңында «радиоинженерлік» термині біртіндеп «электроника инженериясы» терминіне ұступи орын берді, ол өз алдына жеке мамандық ретінде танылды және көбінесе электр инженериясымен бірге оқытылды, себебі олардың арасында белгілі бір ортақ қасиеттер бар еді.

Қатты күйдегі электроника

Ең алғашқы жұмыс істейтін транзистор 1947 жылы Джон Бардин мен Уолтер Хаузер Браттейн Уильям Шоклидің басшылығымен Белл телефон зертханаларында (BTL) ойлап тапқан нүктелік контактілі транзистор болды. Одан кейін 1948 жылы олар екіполюсті транзисторды ойлап тапты. Алғашқы қосылымды транзисторлар салыстырмалы түрде үлкен құрылғылар болғандықтан, оларды жаппай өндіру қиын болды, бірақ олар ықшам құрылғылар жасауға мүмкіндік берді. Алғашқы интегралды схемалар – 1958 жылы Джек Килби Техас Инструментс компаниясында ойлап тапқан гибридтік интегралды схема және 1959 жылы Роберт Нойс Фэрчайлд Семикондукторде (Fairchild Semiconductor) ойлап тапқан монолиттік интегралды схема чипі болды. MOSFET (металл-оксид-жартылайөткізгіштік өрістік эффектілі транзистор немесе МОП-транзистор) 1959 жылы BTL-де Мохамед Атала мен Давон Канг ойлап тапты. Бұл – кең ауқымда қолданылатын, шағыннандырылып, жаппай өндірілетін алғашқы ықшам транзистор. Ол әлемдегі ең көп таралған электрондық құрылғыға айналды. МОП-транзисторлар жоғары тығыздық интегралды схемаларын жасауға мүмкіндік берді. МОП-технологиясы 1965 жылы Гордон Мур болжағандай, интегралды схема чипіндегі транзисторлардың екі еселенуін қамтамасыз ететін Мур заңының пайда болуына жағдай жасады. Кремнийлі қақпалы МОП-технологиясын 1968 жылы Федерико Фаггин Фэрчайлдта (Fairchild) әзірледі. Содан бері МОП-транзистор қазіргі заманғы электрониканың негізгі құрауыш бөлігі болып табылады. Кремнийлі МОП-транзисторлар мен МОП-интегралды схема чиптерін жаппай өндіру, сондай-ақ Мур заңымен болжанғандай, МОП-транзисторлардың үнемі шағыннануы технология, экономика, мәдениет және ойлау салаларында революциялық өзгерістерге әкелді. 1969 жылы Аполлон 11 бағдарламасының сәтті аяқталуымен, астронавттардың Айға қондырылуы, NASA-ның жартылайөткізгіштік электрондық технологиядағы жетістіктерін қабылдауының нәтижесінде мүмкін болды, оның ішінде Планетааралық мониторинг платформасындағы (IMP) МОП-транзисторлар және Аполлон басқару компьютеріндегі (AGC) кремнийлі интегралды схема чиптері қолданылды. 1960 жылдардағы МОП-интегралды схема технологиясының дамуы 1970 жылдардың басында микропроцессордың пайда болуына әкелді. Алғашқы бір чипті микропроцессор – 1971 жылы шығарылған Intel 4004 болды. Intel 4004-ті Федерико Фаггин Intel-де өзінің кремнийлі қақпалы МОП-технологиясын қолдана отырып жобалап және жасады. Бұл жеке компьютердің дамуына серпіліс берді. 4004 – 4 биттік процессордан кейін 1973 жылы Intel 8080 – 8 биттік процессор пайда болды, ол алғашқы жеке компьютер, Altair 8800 құрастыруға мүмкіндік берді.