تاریخچه علم الکترونیک از آغاز قرن بیستم

اشعه های کاتدی و کشف الکترون




اگر جه بسیاری از فیزیکدانان قرن 19 میلادی مانند فارادی، بر پایه علم شیمی و پدیده های مشاهده شده در الکترولیز متقاعد شده بودند که جریان الکتریکی شامل شاری از ذرات باردار است ، اما هنوز طبیعت این بارها معلوم نشده بود. حتی برای این مسأله ابتدایی که بار ذرات مثبت بود یا منفی جواب دقیقی وجود نداشت.پاسخ این سوالها و همچنین چگونگی ساختار اولیه مواد بایک سری آزمایشات معلوم شد که آغاز آنها بررسی تخلیه الکتریکی در لامپهای خلع بود. با گذشت زمان مجموعه ای از اکتشافات انجام شد که منجر به انقلاب تکنولوژیکی در قرن بیستم شد.





William Crookes(1832-1919) وی که در کودکی ثروت بزرگی را به ارث برد ، تمام تحقیقات خود را در آزمایشگاه خصوصی انجام داد.تحقیقات او در زمینه تخلیه بار در گازها – که در پی اختراع لامپ اشعه کاتدی توسط Pluecker و Hittorf انجام شد – و همچنین مشاهداتش در مورد اشعه کاتدی و فضای تاریک درکاتد، در نهایت منجر به کشف اشعه ایکس و الکترون گشت. از دیگر اختراعات .Crookes رادیو متر بود که بر تیوری جنبشی در گازها تآکید می کرد. او بطور کنجکاوانه ای از معتقدان به نیروهای فرا طبیعی بود و در دهه 1870 مدعی شد که صحت پدیده های مربوط به توانایی های ذهنی را ثابت کرده است.بعد ازمدتی او درگیر جنبش عرفانی شد و اسنادی مبنی بر دور کردن شیاطین و پلیدی ها توسط وی موجود می باشد. در سال 1897 از طرف ملکه ویکتوریا( که خود از علاقه مندان به نیروهای فرا طبیعی بود) به مقام نجیب زادگی ترفیع پیدا کرد و در سال 1909 به عنوان رییس انجمن دربار برگزیده شد.


· Karl Ferdinand Braun (1850-1918) زمانی که در پست ریاست انستیتو فیزیک وهمچنین استادی فیزیک در دانشگاه استراسبورگ بود موفق شد اولین نوسان سنج لامپ اشعه کاتدی که در حال هدایت شاری از الکترونها به یک صفحه فلورسنت بود را نشان دهد که این امر خبر از نزدیک بودن ساخت صفحه های نمایش تلویزیون می داد.هر چند که امروزه کمتر از او یاد می شود ، اما او سهم بزرگی در پیشرفت الکترونیک داشت اوپی برد که یکسو سازی در یک پیوند کریستال/ فلزی رخ می دهد و این کشف بعدها منجر به مطرح شدن گیرنده های کریستالی شد. در سال 1899 او تزویج سلفی غیر تخلیه ای را برای آنتن ها و همچنین آنتن پرتو مستقیم را مطرح کرد. او در سال 1909 به همراه Guglielmo Marconiموفق به دریافت جایزه نوبل شد.هنگامی که امریکا وارد جنگ جهانی اول شد ، او برای درخواست حق ثبت یکی از اختراعاتش به نیو یورک رفته بود.پیش از پایان جنگ ، او به عنوان یک دشمن بیگانه توقیف شد و پس از مدتی مرد.





· Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) او که رییس انستیتو فیزیک و رییس بازنشسته دانشگاه Wurzburg بود،در سال 1895 کشف کرد که بعضی تشعشعات ناشناخته ناشی از لامپ تخلیه می تواند موجب شود تا کریستال از خود نور (فلورس) پخش کند. او همچنین کشف کرد که این تشعشعات می توانند از اجسام جامد عبور کنند و بر کاغذ حساس عکاسی تاثیر بگذارند.او که تنها کار می کرد و پنهانکاری زیادی در کار خود داشت تحقیقات خود را به پایان رساند و هشت هفته بعد کشف خود را به طور رسمی اعلان کرد.در سال 1896 پس از اینکه صحت علمی و پزشکی تحقیقاتش معلوم شد ، کشف او به طور رسمی در دنیا منتشر شد. درطی چند هفته بعضی بیمارستانها اشعه ایکس را به کار گرفتند. پس از مدتیRoentgen به یکی از مشهور ترین دانشمندان دنیا مبدل گشت.او افتخارات زیادی را کسب کرد، از جمله جایزه اول نوبل در فیزیک و همچنین مقام نجیب زادگی ( که البته او از قبول این مقام امتناع کرد).





· Joseph John Thomson (1856-1940) او که فرزند یک کتاب فروش منچستری بود در چهارده سالگی وارد کالج شد و در بیست و هشت سالگی به عنوان عضوی از انجمن سلطنتی انتخاب گشت و به مقام استادی آزمایشگاه Cavendish گماشته شد.کشف بزرگ او در سال 1897 و در طی درس بررسی اشعه های کاتدی رخ داد.Thomson مدارک قانع کننده ای ارانه کرد که نشان می داد اشعه ها شامل ذرات باردار هستند.او نسبت بار به جرم را اندازه گیری کرد و توانست تخمین بزند که این جرم حدود 1800/1 جرم انم هیدروژن است.او با کشف الکترون جایزه نوبل را در سال 1906 دریافت کرد و دو سال بعد به مقام نجیب زادگی ترفیع داده شد. رادر فورد (Rutherford ) در باره Thomson می گوید:"او متشعشع ترین لبخند را دارد... هنگامی که در بحث کسی را شکست می دهد."





· Robert A. Milikan (1868-1953) کارش را به عنوان استاد ادبیات در کالج Oberlinشروع کرد ولی پس از مدتی برای اینکه درآمد بیشتری کسب کند پذیرفت که به تدریس فیزیک بپردازد. پس از مدتی یک کمک هزینه تحصیلی دررشته فیزیک در کلمبیا را پذیرفت ، دوباره به این علت که این بهترین پشتیبانی مالی برای او بود.کار دانشگاهی اودر دانشگاه شیکاگو در ابتدا فقط شامل تدریس بود و او تا نزدیک چهل سالگی به تحقیق جدی نپرداخت.سپس در سال 1906 او پیشرفتهایی درآزمایش Thomson حاصل کرد که منجر به ساخت دستگاهی شد که بار الکترون را به دقت اندازه گیری می کرد.نتایجی که او بدست آورد در سال 1910 منتشر شد و آخرین شبهه در مورد تیوری اتمی مواد برطرف شد.در سال 1914 او نتایجی را منتشر کرد که بخواطر آنها جایزه نوبل را دریافت کرد: تعیین اندازه دقیق ثابت پلانک با استفاده از اثر فوتوالکتریک که بازبینی کننده نظریه اثر فوتوالکتریک Einstein در سال 1905 و طبیعت کوانتومی نور بود.





2-تلگراف بی سیم


ماکسول در سال 1865 تیوری ای رامنتشر کرد که در آن الکترودینامیک ،(magnetodynamics) الکتریسیته القایی و فیزیک نور را به هم مربوط ساخت . در آن زمان این تیوری بطور گسترده مورد پذیرش واقع نشد. با وجود اینکه ماکسول یک محقق ماهر بودولی در چهارده سال باقی مانده عمرش تلاش نکرد تا وجود امواج الکترو مغناتیس را که در تیوریش پیشبینی کرده بود ثابت کند.با این حال دانشمند مشهور آلمانی von Helmholtz که به تیوری ماکسول ایمان داشت ، شاگردش Hertz را به تلاش برای تولید و کشف تابش های الکترو مغناتیس ترغیب کرد. تلاشهای Hertz سرآغازی برای ارتباطات بی سیم شد.

• Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) او که استاد فیزیک Karlsruhe Polytechnic بود ،اولین فری بود که امواج رادیویی را در محیط آزمایشگاه پخش و دریافت کرد.در بین سالهای 1885 تا 1889 ، او با استفاده از spark discharges به تولید امواج الکترومغناطیسی می پرداخت.تشعشع کننده ای که هرتز ساخته بود شامل دو میله برقگیر یکنواخت بود که بین آنها یک فاصله احتراقی بود و صفحات خازنی در انتهای آنها قرار داشتند.گیرنده او در واقع یک حلقه ای از سیم بود که سوراخ کوچکی در داخل آن بود. هنگامی که تشعشع کننده ( رادیاتور) تخلیه الکتریکی می شد جرقه کوچکی در این سوراخ دیده می شد.
  

Hertz در سن سی و شش سالگی بطور ناگهانی به خاطر یک تومور مغزی مرد، بدون اینکه بفهمد مخابره امواج در فواصل طولانی امکان پذیر بود.

• Edouard Eugène Désiré Branly (1844-1940) اعتبار او در فرانسه به خاطر اختراع تلگراف بی سیم است.در سال 1890، Branly استاد فیزیک دانشگاه کاتولیک در پاریس ، کشف کرد که براده های نرم روی و نقره که در معرض یک میدان ارسال جرقه قرار می گیرند ، به هم می چسبند و موجب افزایش رسانایی می شوند که از این خصوصیت می توان برای شناسایی وجود مخابره امواج استفاده کرد.Branly مخابرات رادیویی را از آزمایشگاه فراتر برد و ارسال و دریافت امواج را در فواصل زیاد ممکن ساخت.
  

· Guglielmo Marconi ( 1874-1937 ) او که در امتحانهای ورودی آکادمی علوم دریایی ایتالیا و همچنین دانشگاه بولوگنا مردود شد اما به واسته یکی از دوستان خانوادگی اجازه شرکت در کلاسهای درس و آزمایشگاههای دانشگاه را پیدا کرد.در سال 1896 و در سن بیست و دو سالگی او یک سیستم مخابره رادیویی را به ثبت رسانید. درسالهای بعد او تعداد قابل توجهی از اختراعاتش و همچنین طراحی های جدیدی از سیستم های مخابره (که قبلا ساخته شده بودند ) را عرضه کرد. در سال 1901 Marconi موفق شد سیگنالهایی که از آنسوی اقیانوس اطلس مخابره می شدند را دریافت کند.دور از انصاف نیست اگر گفته شود Marconi به تنهایی در طی چند دهه پیشرفتهای زیادی در مخابرات رادیویی بوجود آورد. کمپانی دورنگاری ( تلگرافی ) بی سیم Marconi در مدت کوتاهی شبکه ای از ایستگاههای ساحلی برای ارتباط کشتیها در انگلیس بر قرار کرد.برای مدتی بیشتر از یک دهه ، کمپانی مارکنی از انحصار تجهیزات رادیویی ساحلی بهره مند بود و از بستن قرارداد با Lioyds ( بزرگترین شرکت بیمه انگلیسی ) برای بیمه کردن کشتی هایی که از تجهیزات این شرکت استفاده می کردند امتناع می ورزید. مارکنی در سال 1909 جایزه فیزیک نوبل را دریافت کرد.





3-لامپ خلع


در سال 1882 وقتی ادیسون یک جریان الکتریکی بین کاتد و آند در یک لامپ خلع را پدید آورد ، این امر یک پدیده مرموز به شمار می رفت و هنوز درک نشده بود که چگونه جریان الکتریکی می تواند از خلع بگذرد. شناخت اشعه کاتدی توسط Thomson به عنوان جریانی از الکترونها معما را حل کرد و منجر به اختراع دیود ترمیونیک توسط فلمینگ شد. اختراع تریود توسط DeForest ارتباطات رادیویی را منقلب کرد.

• Thomas Alva Ediso( 1847-1931 ) او صاحب 1093 حق ثبت اختراع بود. او همچنین مخترع آزمایشگاه صنعتی تحقیقاتی مدرن بود.در سال 1882 ، زمانی که یکی از مهندسانش به نام William Hammer ، "اثر ادیسون " را در طی درس آزمایشهایی در باره لامپ تابان مشاهده کرد، ادیسون به دلایلی که بعدها نمی توانست توضیح دهد،این کشف را پی گیری نکرد. اما همانطور که بعدها تصدیق کرد، در آن زمان او حتی قانو اهم را نمی دانست . اثر ادیسون به مدت پانزده سال بی توضیح ماند تا اینکه الکترون کشف شد.
  

• John Ambrose Fleming (1849-1945) او ابتدا شاگرد ماکسول و بعدها مشاور ادیسون و بعد مارکنی بود.در سال 1904 فلمینگ بر اساس مشاهدات ادیسون مبنی بر عبور جریان از فیلامان به یک آنود در یک حباب نوری و همچنین اکتشاف Thomson (که اشعه های کاتدی شامل ذرات باردار هستند) ، اولین یکسوساز الکترونیکی یا همان دیود ویا مقدار فلمینگ را اختراع و به نام خود ثبت کرد.هدف از ساخت قطعه ردیابی امواج رادیویی که توسط جرقه تولید می شدند بود. این قطعه توانست جایگزینی برای بقیه قطعاتی شود که توسط دانشمندان قبل از او برای ارتباطات رادیویی استفاده می شدند.فلمینگ در سال 1929 به مقام نجیب زادگی ترفیع داده شد.
  

4 - تلویزیون


پیشگامان تلویزیون روسها بودند, Nipkow که یک دیسکِ دوار مکانیکی اختراع کرد و Rosing که در سال 1907 از یک Cathod Ray tube برای نمایش تصاویری از یک انتقال دهنده (Transmitter) مکانیکی استفاده کرد. در سال 1923 در انگلیس, John Logie Baird شروع به استفاده از دیسک های Nipkow در انتقال تلویزیونی کرد. در امریکا, شاگرد Rosing, Vladimir Zworykin, یک Patent برای ساخت تلویزیون الکتریکی به ثبت رساند (1923), ولی این پروژه توسط Westinghouse متوقف شد و Zworykin مجبور شد تا 1930 برای حمایت RCA صبر کند. در سال 1922, یک دانش آموز از Idaho, به نام Philo Farnsworth یک سیستم الکترونیکی اختراع کرد, و تا سال 1927 موفق به ارسال تصاویر تلویزیونی شد. پیشرفت پروژه kinescope که در RCA انجام می شد, به علاوه یک قرارداد (License Agreement) بین RCA و Farnsworth در نهایت منتهی به ظهور اولین تلویزیون تجاری در آوریل 1939 در نمایشگاه RCA در نیویورک گشت.

• John Logie Baird (1888-1946) از دانشگاه Glascow فارغ التحصیل شد و تا مدتی برای شرکت Glascow Electrical به عنوان مهندس کار می کرد. در 1920 وی با استفاده از دیسک مکانیکی Nipkow شروع به ساخت تلویزیون کرد. در 1926 او اولین تلویزیون را ساخت. سپس به ساخت تلویزیون رنگی و استریو پرداخت و موفق به ضبط سیگنال های ویدیویی روی دیسک شد. از 1929 تا 1935 BBC از تلویزیون مکانیکی Baird استفاده می کرد. در انتهای این دوره از ساخت تلویزیونها, تا حدی از سیستمهای الکترونیکی هم استفاده می شد. از آنجایی که سیستمهای مکانیکی به 200 خط در هر frame محدود بودند, نتوانستند در برابر سیستمهای الکترونیکی دوام بیاورند.
  

• Philo Taylor Farnsworth (1906-1971) هنگامی که یک دانش آموز 15 ساله بود, یک سیستم الکترونیکی اختراع کرد و آنرا به استاد شیمی خود عرضه کرد. درسال 1926, وی با استفاده از یک پشتیبانی مالی شرکتی برای ساخت تلویزیون تاسیس کرد. در 1927 وی موفق به ساخت اولین تلویزیون الکترونیکی شد و در سال 1936 استودیوی او به حدود 50 خانواده در Philadelphia سرویس می داد.
  

5-رادار





در زمان قبل از جنگ جهانی دوم, تمامی قدرت های بزرگ در حال انجام پروژه های "سیستم های ردیابی رادیویی" بودند. هنگامی که انگلیسی ها مشغول ساخت سیستم تشخیص و ردیابی هوایی بودند,آلمانها سیستم ناوبری هوایی می ساختند.اگر چه در ابتدا این دستگاهها بر روی طول موجهایی در حد متر کار میکردند اما بعدا در اثر پیشرفتهایی در سال 1939, این کشورها موفق به ساخت سیستمهایی باطول موج های در حد سانتیمتر شدند.این سیستم ها لازمه ساخت رادارهای پیشرفته بودند. در سال 1940 در امریکا سرمایه گذاری بر روی آزمایشگاه رادار در MIT آغاز شد. بیش از 1300 مهندس و دانشمند در این آزمایشگاه کار می کردند و بیش از 100 مدل رادار طراحی شد که شامل سیستمهای هشدار سریع, رادارهای ضدهوایی, رادارهای ضد زیردریایی, زمینی, و رادارهایی برای نشانه گیری در بمباران می شدند.بیش از یک میلیون رادار در امریکا در زمان جنگ ساخته شد. آلمان و ژاپن در این جنگ تکنولوژیک مغلوب بودند.

• Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) وی از نوادگان James Watt بود, که مدرکش را در رشته مهندسی برق از دانشگاه St.Andrews, در اسکاتلند دریافت کرد و در سال 1915 شروع به کار در British civil service کرد, وی اولین Patent خود را که یک سیستم ردیابی رادیویی بود در 1919 به ثبت رساند. در سالهای بعد او نقش رهبری توسعه پروژه های ردیابی رادیویی هوایی را بازی می کرد, که همان سلاح مخفی در جنگ بریتانیا بود. در سال 1937, قبل از شروع جنگ, او به همراه همسرش عهده دار کاری خطرناک شدند : سفر به آلمان در لباسهای بدل, برای پیدا کردن ایستگاههای رادار در آلمان.
  

• Edward Mills Purcell (1912-1997) در شهری کوچک در Illinois به دنیا آمد.پدرش مدیریت یک شرکت محلی تلفن را به عهده داشت. Purcell مدرک BSEE را در Purdue اخذ کرد و سپس به فیزیک روی آورد. در دانشگاه Harvard به تدریس می پرداخت که به آزمایشگاه تازه تاسیس رادار ملحق شدو عده داررهبری تیمی شد که بر روی سیستم های راداری با طول موج 1 cm کار می کردند. در آن زمان تحقیقات علمی نشان داده بودند که رطوبت هوا یک عامل محدود کننده مهم برای این سیستم هاست.این مطلب او را به کشفی در 1945 که همانا ساخت nuclear magnetic resonance بود, هدایت کرد که پایه ای برای تصویربرداری NMR در پزشکی شد. در 1952 وی جایزه نوبل را برای این کشف دریافت کرد.
  

6-ترانزیستورها


قیاس بین دیود و دستگاه های Solid State مانند یکسو کننده اکسید مس و ردیابهای کریستالی در رادیو های اولیه, به وضوح از قبل مطرح بوده است . در دهه 1920, مخترعان زیادی سعی در ساخت دستگاههایی برای کنترل جریان در دیودهای Solid State و تبدیل آنها به triode انجام دادند، ولی تا بعد از جنگ جهانی دوم نتوانستند موفقیتی کسب کنند. در زمان جنگ, تلاش ها یی برای پیشرفت کریستالهای سیلیکون و ژرمانیوم برای استفاده به عنوان ردیاب در رادار انجام شد که به پیشرفتهایی در زمینه ساخت و فهم تئوری حالتهای مکانیکی کوانتومی حاملان موج در نیمه هادی ها منجر شد. بعد از آن دانشمندان از دامنه پیشرفتِ رادار ها به دامنه Solid State Device روی آوردند.

• George Clarke Southworth (1890-1972) در شهری کوچک در Pennsylvania متولد شد. لیسانس و فوق لیسانس خود را از Grove City College دریافت کرد, و سپس برای دکترا به Yale رفت.وی از ابتدای تاسیس Bell Laboratories یعنی سال 1934 تا زمان بازنشستگیش در این شرکت کار کرد. کار وی بر روی امواج هادی (Micro wave waveguides), انگیزه ای برای ساخت رادار شد. هنگامی که او دریافت که triode ها مانند ردیاب ها در فرکانس های microwave کار نخواهند کرد, به استفاده از ردیاب های کریستالی که در اولین رادیوها استفاده می شدند, روی آورد. منبع او برای این کار, رادیوهای دست دوم و پرگردوخاک مغازه های Manhattan بود!
  

• William Bradford Shockley (1910-1989) در لندن متولد شد, ولی در کالیفرنیا بزرگ شد و در Caltech و MIT تحصیل کرد. درسال 1939 وی به آزمایشگاه Bell Telephone Laboratories ملحق شد. در ابتدای 1939, Shockley شروع به یافتن راهی برای تبدیل یکسوساز کریستالی به یک دستگاه تقویت کننده کرد. جنگ کار وی را قطع کرد, ولی کار او دوباره در 1945 با بازگشت او به Bell Lab به عنوان رهبر تیم تحقیقاتی Solid State Physics شروع شد. این گروه شامل Bardeen و Brattain می شد که ترانزیستور با اتصال نقطه ای (Point Contact Transistor) را اختراع کردند. Shockley