Введение
В этой статье подробно описывается история электротехники.
This article details the history of electrical engineering.
Древние разработки
Задолго до появления каких-либо знаний об электричестве люди знали об ударах электрических рыб. В древнеегипетских текстах, датируемых 2750 годом до н.э., эти рыбы упоминаются как «Гром Нила» и описываются как «защитники» всех других рыб. Электрические рыбы были вновь упомянуты тысячелетиями позже древними греческими, римскими и арабскими натуралистами и врачами. Несколько древних авторов, таких как Плиний Старший и Скрибоний Ларг, засвидетельствовали онемевающий эффект электрических ударов, наносимых электрическими сомами и электрическими скатами, и знали, что такие удары могут распространяться по проводящим предметам. Пациентам, страдающим недугами, такими как подагра или головная боль, рекомендовали прикоснуться к электрической рыбе в надежде, что мощный разряд может их излечить. Возможно, самое раннее и близкое к открытию природы молнии и электричества из любого другого источника достижение принадлежит арабам, которые до XV века использовали арабское слово для молнии – *ra‘ad* – по отношению к электрическому скату. Древние культуры, окружавшие Средиземное море, знали, что определенные предметы, такие как стержни из янтаря, можно было тереть о кошачью шерсть, чтобы притягивать легкие предметы, например перья. Фалес Милетский, древнегреческий философ, писавший около 600 года до н.э., описал форму статического электричества, отметив, что трение шерсти о различные вещества, такие как янтарь, вызывает особое притяжение между ними. Он заметил, что янтарные пуговицы могут притягивать легкие предметы, такие как волосы, и что, если достаточно долго тереть янтарь, можно даже вызвать искру. Около 450 года до н.э. Демокрит, более поздний греческий философ, разработал атомную теорию, схожую с современной. Его наставник Левкипп также считается автором этой теории. Гипотеза Левкиппа и Демокрита заключалась в том, что все состоит из атомов. Но эти атомы, называемые «атомами», были неделимы и неразрушимы. Он прозорливо утверждал, что между атомами находится пустое пространство и что атомы постоянно находятся в движении. Он ошибался лишь в том, что атомы имеют разные размеры и формы, и что каждый объект имеет свой атом определенной формы и размера. Объект, найденный в Ираке в 1938 году, датируемый примерно 250 годом до н.э. и называемый Багдадской батареей, напоминает гальванический элемент и, по мнению некоторых, использовался для гальванизации в Месопотамии, хотя этому нет никаких доказательств.
Развитие в 17 веке
Электричество оставалось не более чем интеллектуальной диковинкой на протяжении тысячелетий. В 1600 году английский ученый Уильям Гилберт продолжил исследования Кардано в области электричества и магнетизма, разграничив эффект намагниченного камня и статическое электричество, возникающее при трении янтаря. Эта связь дала начало английским словам "electric" и "electricity", которые впервые появились в печати в труде Томаса Брауна «Pseudodoxia Epidemica» в 1646 году. Дальнейшие работы проводил Отто фон Герике, продемонстрировавший электростатическое отталкивание. Роберт Бойл также опубликовал свои исследования.
Развитие в 18 веке
Хотя электрические явления были известны на протяжении веков, в XVIII веке систематическое изучение электричества стало известно как «самая молодая из наук», и общественность была взволнована новейшими открытиями в этой области. К 1705 году Фрэнсис Хоксби обнаружил, что если поместить небольшое количество ртути в стекло модифицированной версии генератора Отто фон Геррике, откачать из него воздух, чтобы создать слабый вакуум, и потереть шар, чтобы накопить заряд, то свечение становилось видимым, если приложить руку к внешней стороне шара. Это свечение было достаточно ярким, чтобы читать при нем. Оно напоминало огонь святого Эльма. Впоследствии этот эффект лег в основу газоразрядных ламп, что привело к созданию неонового освещения и ртутных ламп. В 1706 году он создал «машину влияния» для генерации этого эффекта. В том же году он был избран членом Королевского общества. Хоксби продолжал экспериментировать с электричеством, делая многочисленные наблюдения и разрабатывая машины для генерации и демонстрации различных электрических явлений. В 1709 году он опубликовал «Физико-механические эксперименты по различным предметам», в которых обобщил большую часть своей научной работы. Стивен Грей обнаружил важность изоляторов и проводников. К. Ф. Дю Фей, ознакомившись с его работой, разработал теорию электричества «двух жидкостей». Последовательность искр, перескакивающих с ключа на тыльную сторону его руки, показала, что молния действительно имеет электрическую природу. Он также объяснил, казалось бы, парадоксальное поведение Лейденской банки как устройства для хранения большого количества электрического заряда, предложив теорию электричества с одной жидкостью и двумя состояниями. В 1791 году итальянский ученый Луиджи Гальвани опубликовал свое открытие биоэлектричества, продемонстрировав, что электричество является средой, посредством которой нервные клетки передают сигналы мышцам. В 1800 году Алессандро Вольта создал вольтов столб, состоящий из чередующихся слоев цинка и меди, предоставив ученым более надежный источник электрической энергии, чем ранее использовавшиеся электростатические машины. Уильям Старджон изобрел электромагнит в 1825 году. Электромагниты затем были использованы в первом практическом инженерном применении электричества Уильямом Фотэргиллом Куком и Чарльзом Уитстоном, которые совместно разработали телеграфную систему, использующую ряд игл на доске, перемещаемых для указания на буквы алфавита. Первоначально использовалась система с пятью иглами, но от нее отказались из-за высокой стоимости. В 1838 году было внесено улучшение, сократившее количество игл до двух, и Кук и Уитстон получили патент на эту версию. Кук протестировал изобретение на Лондонской и Блэкволлской железной дороге, Лондонской и Бирмингемской железной дороге и компаниях Great Western Railway, последовательно разрешая использовать их линии для эксперимента. Впоследствии железные дороги разработали системы с постами управления вдоль линии, которые связывались с соседними постами управления посредством телеграфного звучания однотактных колоколов и трехпозиционных игольных телеграфных приборов. Такие системы, реализующие систему блочной сигнализации, оставались в использовании на сельских линиях вплоть до XXI века. Электротехника стала профессией в конце XIX века. Специалисты создали глобальную электрическую телеграфную сеть, а первые электротехнические институты, поддерживающие новую дисциплину, были основаны в Великобритании и США. Хотя невозможно точно определить первого инженера-электрика, Францис Рональдс выделяется, поскольку он создал рабочую электрическую телеграфную систему в 1816 году и задокументировал свое видение того, как электричество может преобразить мир. Более чем через 50 лет он присоединился к новому Обществу инженеров-телеграфистов (вскоре переименованному в Институт инженеров-электриков), где другие члены считали его первым из их поколения. Пожертвование его обширной электрической библиотеки стало значительным подспорьем для начинающего Общества. Развитие научной основы электротехники с использованием исследовательских методов усилилось в течение XIX века. К заметным достижениям в начале этого века относятся работы Георга Ома, который в 1827 году количественно определил взаимосвязь между электрическим током и разностью потенциалов в проводнике, и Майкла Фарадея, открывшего электромагнитную индукцию в 1831 году. В 1830-х годах Георг Ом также построил раннюю электростатическую машину. Гомополярный генератор был впервые разработан Майклом Фарадеем во время его знаменитых экспериментов в 1831 году. Это было начало современных динамо-машин, то есть электрических генераторов, работающих с использованием магнитного поля. Изобретение промышленного генератора в 1866 году Вернером фон Сименсом, не нуждающегося во внешнем магнитном поле, сделало возможным создание целой серии других изобретений. В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал обобщенное изложение электричества и магнетизма в «Трактате об электричестве и магнетизме», которое побудило нескольких теоретиков мыслить в терминах полей, описываемых уравнениями Максвелла. В 1878 году британский изобретатель Джеймс Вимшёрст разработал аппарат, состоящий из двух стеклянных дисков, установленных на двух валах. Только в 1883 году о машине Вимшёрста было более полно сообщено научному сообществу. В конце 1800-х годов изучение электричества в основном рассматривалось как подраздел физики. Только в конце XIX века университеты начали предлагать степени в области электротехники. В 1882 году Дармштадтский технический университет основал первую кафедру и первый факультет электротехники в мире. В том же году, под руководством профессора Чарльза Кросса, Массачусетский технологический институт начал предлагать первую специализацию в области электротехники в рамках физического факультета. В 1883 году Дармштадтский технический университет и Корнеллский университет представили первые в мире учебные курсы по электротехнике, а в 1885 году Университетский колледж Лондона основал первую кафедру электротехники в Соединенном Королевстве. Университет Миссури впоследствии основал первый факультет электротехники в Соединенных Штатах в 1886 году. В этот период коммерческое использование электричества резко возросло. Начиная с конца 1870-х годов города начали устанавливать крупномасштабные системы электрического уличного освещения на основе дуговых ламп. После разработки практичной лампы накаливания для внутреннего освещения Томас Эдисон включил первое в мире общественное электроснабжение в 1882 году, используя относительно безопасную систему постоянного тока напряжением 110 вольт для снабжения потребителей. Инженерные достижения 1880-х годов, включая изобретение трансформатора, привели к тому, что электроэнергетические компании начали использовать переменный ток, который до этого использовался в основном в системах дугового освещения, в качестве стандарта распределения для наружного и внутреннего освещения (в конечном итоге заменив постоянный ток для этих целей). В США существовало соперничество, главным образом между системами переменного тока Westinghouse и постоянного тока Edison, известное как «война токов». «К середине 1890-х годов четыре «уравнения Максвелла» были признаны основой одной из самых сильных и успешных теорий во всей физике; они заняли свое место наряду, даже в соперничестве, с законами механики Ньютона. К тому времени уравнения также находили практическое применение, особенно в новой развивающейся технологии радиосвязи, но также в телеграфе, телефоне и электроэнергетической промышленности». К концу XIX века начали появляться фигуры, способствующие прогрессу электротехники. Чарльз Протеус Штайнмец способствовал развитию переменного тока, что сделало возможным расширение электроэнергетической промышленности в Соединенных Штатах, сформулировав математические теории для инженеров.
Появление радио и электроники
Во время разработки радио многие ученые и изобретатели внесли вклад в радиотехнологии и электронику. В своих классических УВЧ-экспериментах 1888 года Генрих Герц продемонстрировал существование электромагнитных волн (радиоволн), что побудило многих изобретателей и ученых попытаться адаптировать их для коммерческих целей, как, например, Гульельмо Маркони (1895) и Александр Попов (1896). Миллиметровые волны впервые были исследованы Джагадишем Чандрой Босом в период с 1894 по 1896 год, когда в своих экспериментах он достиг чрезвычайно высокой частоты до 60 ГГц. Он также внедрил использование полупроводниковых переходов для обнаружения радиоволн, запатентовав радиокристаллический детектор в 1901 году.
События XX века
Джон Флеминг изобрел первую радиотрубку, диод, в 1904 году. Реджинальд Фессенден осознал, что для обеспечения передачи речи необходимо генерировать непрерывную волну, и к концу 1906 года он осуществил первую радиопередачу голоса. Также в 1906 году Роберт фон Либен и Ли Де Форест независимо друг от друга разработали усилительную трубку, названную триодом. Эдвин Говард Армстронг создал технологическую базу для электронного телевидения в 1931 году. В начале 1920-х годов возрос интерес к разработке бытовых применений электричества. Общественный интерес привел к проведению выставок, демонстрирующих "дома будущего", а в Великобритании в 1924 году была основана Электрическая ассоциация для женщин, директором которой стала Кэролайн Хаслетт, с целью привлечения женщин к электротехнике.
Годы Второй мировой войны
Во время Второй мировой войны произошли огромные достижения в области электроники, особенно в области радиолокации и с изобретением магнетрона Рэндаллом и Бутом в Бирмингемском университете в 1940 году. В это время были разработаны радиолокация, радиосвязь и радиоуправление самолетами. Первое электронное вычислительное устройство, Colossus, было построено Томми Флауэрсом из GPO для дешифровки зашифрованных сообщений немецкой шифровальной машины Lorenz. Также в это время были разработаны передовые скрытые радиопередатчики и приемники для использования секретными агентами. Американским изобретением того времени стало устройство для маскировки телефонных разговоров между Уинстоном Черчиллем и Франклином Рузвельтом. Эта система называлась "Зеленый Шершень" и работала путем добавления помех в сигнал. Эти помехи затем удалялись на принимающей стороне. Немцам так и не удалось взломать эту систему. В рамках Военной учебной программы в Соединенных Штатах был проведен значительный объем работ в области радиопеленгации, импульсных линейных цепей, частотной модуляции, вакуумных лампных схем, теории линий передачи и основ электромагнитной инженерии. Результаты этих исследований были опубликованы вскоре после войны в серии книг "Радиокоммуникации", изданной McGraw-Hill в 1946 году. В 1941 году Конрад Цузе представил Z3 – первый в мире полностью функциональный и программируемый компьютер.
Послевоенные годы
До Второй мировой войны эта дисциплина обычно называлась «радиотехника» и в основном ограничивалась аспектами связи и радиолокации, коммерческого радио и раннего телевидения. В то время изучение радиотехники в университетах было возможно только в рамках степени по физике. Позднее, в послевоенные годы, с развитием потребительских устройств, область расширилась, включив в себя современное телевидение, аудиосистемы, Hi-Fi, а затем компьютеры и микропроцессоры. В 1946 году появился ENIAC (Электронный численный интегратор и компьютер) Джона Преспера Эккерта и Джона Мокли, положив начало эре вычислительной техники. Вычислительные возможности этих машин позволили инженерам разрабатывать совершенно новые технологии и достигать новых целей, включая миссии «Аполлон» и высадку НАСА на Луну. В середине и конце 1950-х годов термин «радиотехника» постепенно уступил место названию «электроника», которая затем стала самостоятельной университетской специальностью, обычно преподаваемой совместно с электротехникой, с которой она стала ассоциироваться из-за некоторого сходства.
Твердоэлектроника
Первым рабочим транзистором был точечный контактный транзистор, изобретенный Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном, работая под руководством Уильяма Шокли в Bell Telephone Laboratories (BTL) в 1947 году. Затем они изобрели биполярный транзистор в 1948 году. Хотя ранние транзисторы с переходом были относительно громоздкими устройствами, которые было сложно производить массово, они открыли путь для создания более компактных приборов. Первыми интегральными схемами были гибридная интегральная схема, изобретенная Джеком Килби в Texas Instruments в 1958 году, и монолитный чип интегральной схемы, изобретенный Робертом Нойсом в Fairchild Semiconductor в 1959 году. MOSFET (транзистор полевого эффекта металл-оксид-полупроводник, или транзистор MOS) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в BTL в 1959 году. Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и массово производить для широкого спектра применений, став самым широко используемым электронным устройством в мире. MOSFET сделал возможным создание интегральных схем высокой плотности. Технология MOS позволила реализовать закон Мура – удвоение числа транзисторов на интегральной схеме каждые два года, предсказанное Гордоном Муром в 1965 году. Технология MOS с кремниевыми затворами была разработана Федерико Фаггином в Fairchild в 1968 году. С тех пор MOSFET является основным строительным блоком современной электроники. Массовое производство кремниевых MOSFET и интегральных схем MOS, а также непрерывная миниатюризация MOSFET в экспоненциальном темпе (в соответствии с законом Мура) привели к революционным изменениям в технологиях, экономике, культуре и мышлении. Программа "Аполлон", кульминацией которой стала высадка астронавтов на Луну с "Аполлоном-11" в 1969 году, стала возможной благодаря внедрению НАСА достижений в области полупроводниковой электроники, включая MOSFET в Межпланетной мониторинговой платформе (IMP) и кремниевые интегральные схемы в компьютере управления полетом "Аполлон" (AGC). Развитие технологии интегральных схем MOS в 1960-х годах привело к изобретению микропроцессора в начале 1970-х годов. Первым микропроцессором на одном чипе был Intel 4004, выпущенный в 1971 году. Intel 4004 был разработан и реализован Федерико Фаггином в Intel с использованием его технологии MOS с кремниевыми затворами. Это дало толчок развитию персональных компьютеров. За 4004, 4-битным процессором, в 1973 году последовал Intel 8080, 8-битный процессор, который сделал возможным создание первого персонального компьютера Altair 8800.