嘿，存錢。他們監(jiān)控 你的心跳。他們攜帶 你的聲音傳進別人的家中。他們帶來了 飛機 進入陸地并引導汽車安全到達目的地——他們甚至開火 這 安全氣囊 如果我們遇到麻煩。想想有多少真是太神奇了 “他們”實際做的事情。 “他們”是電子：內部的微小粒子 原子 繞著定義的路徑行進，稱為 承載電能的電路。人們最偉大的事情之一 20世紀學會做的是用電子來控制 機器和過程信息。這 電子學 革命，就像這樣 已知，加速 計算機 革命 這兩件事都改變了我們的許多領域 生活。但是納米級小顆粒究竟是如何做到的，太小了 看到，實現如此大和戲劇性的事情?讓我們來一個 仔細觀察并找出答案!

　　照片：緊湊型電子電路板 網絡攝像頭. 該板包含幾十個獨立的電子元件，主要是小型電阻器和電容器， 加上完成大部分工作的大型黑色微芯片(左下角)。

　　電力和電子產品有什么區(qū)別?

　　如果您已經閱讀了我們的文章 電力, 你會知道這是一種 能源——一個非常 我們可以以各種方式制造和使用的各種能源 在更多。電就是制造電磁能 在電路周圍流動，以便它將驅動類似 電動機 或 加熱元件, 為電器供電，例如 電動車, 水壺, 烤 面包 機和 燈. 一般來說，電器需要大量的能量來制造 他們工作所以他們使用相當大的(通常是相當危險的)電力 電流。電熱水壺內的 2500 瓦加熱元件 工作電流約為 10 安培。相比之下，電子元件使用電流 可能以毫安的分數(千分之一安培)為單位進行測量。換句話說，典型的 電器可能會使用數十、數百或數千的電流 比典型的電子產品大幾倍。

　　電子產品是一種更微妙的電，其中微小的 電流(理論上是單電子)小心翼翼地 圍繞更復雜的電路來處理信號(例如 那些攜帶 收音機 和 電視 程序)或存儲和處理 信息.想一想像 微波 烤箱 而且很容易看出普通之間的區(qū)別 電力和電子。在微波爐中，電力提供 產生高能波來烹飪食物的力量;電子學 控制烹飪的電路。

　　藝術品：微波爐由插入墻壁的電纜(灰色)供電。 電纜為大電流電路和低電流電子電路供電。 大電流電路為磁控管(藍色)供電，磁控管是制造烹飪食物的波浪的裝置， 并旋轉轉盤。低電流電子電路(紅色)控制這些高功率電路， 以及數字顯示單位之類的東西。

　　模擬和數字電子

　　有兩種非常不同的信息存儲方式 — 稱為 模擬和數字.這聽起來像是一個很抽象的想法，但它是 真的非常簡單。假設你拍了一張老式的照片 有人有 膠片相機.相機捕捉流入的光線 通過前面的快門作為光的圖案 和經過化學處理的暗區(qū) 塑膠. 你所在的場景 攝影被轉化為一種即時的化學繪畫—— 你正在看的東西的“類比”。這就是為什么我們說這是一個 模擬 存儲信息的方式。但是，如果您拍攝一張照片 同一場景與 數碼相機, 相機存儲非常不同的記錄。而不是保存 可識別的明暗圖案，它轉換了明暗 區(qū)域成數字并存儲它們。存儲數字，編碼 某物的版本稱為 數字.

　　照片：模擬和數字電子。收音機(背面)是模擬的：它“吸收”無線電波，并通過晶體管和電容器等電子元件將它們變回聲音。相機(前置)是數字的：它將照片存儲和處理為數字。

　　電子設備通常處理任一模擬信息。 或數字格式。在老式晶體管中 收音機, 廣播信號通過 天線 貼 出局。這些是模擬信號：它們是無線電波， 從遙遠的無線電發(fā)射器在空中傳播， 振動 以與單詞完全對應的模式上下和 他們攜帶的音樂。如此響亮的搖滾音樂意味著比安靜更大的信號 古典樂。收音機以模擬形式保持信號 接收它們，增強它們，并將它們變回您可以的聲音 聽見。但在現代 數字收音機, 事情以不同的方式發(fā)生。首先，信號以數字方式傳播 格式 - 作為編碼數字。當他們到達您的收音機時，數字 被轉換回聲音信號。這是一種非常不同的方式 處理信息，它既有優(yōu)點也有缺點。 通常，大多數現代形式的電子設備(包括 計算機, 細胞 手機, 數碼相機, 數字收音機、助聽器，以及 電視) 使用 數字電子。

　　電子元器件

　　如果你曾經從摩天大樓的窗戶俯視過一座城市， 你會驚嘆于你腳下的所有小建筑， 街道以各種錯綜復雜的方式將它們連接在一起。每 建筑具有功能和街道，允許人們旅行 從城市的一部分到另一個地方，或參觀不同的建筑物 轉，使所有建筑物協同工作。收藏 建筑物，它們的排列方式，以及它們之間的許多聯系 它們使一個充滿活力的城市遠遠超過其總和 單個零件。

　　電子設備內部的電路有點像 城市也是如此：它們擠滿了 組件 (類似于 建筑物)執(zhí)行不同的工作，并且組件是鏈接的 通過電纜或印刷金屬連接在一起 連接 (類似于 街道)。與城市不同，幾乎每座建筑都是獨一無二的 甚至兩個據稱相同的房屋或辦公大樓也可能是微妙的 不同的是，電子電路是由少數 標準組件。但是，就像樂高?一樣，你可以把這些 組件在無數個不同的地方組合在一起，所以它們 做無限數量的不同工作。

　　以下是您將遇到的一些最重要的組件：

　　電阻

　　這些是任何電路中最簡單的元件。它們的工作是限制電子的流動并減少 通過將電能轉化為熱量流動的電流或電壓。 電阻器有許多不同的形狀和尺寸。可變電阻器 (也稱為電位計)具有刻度盤控件，因此它們 轉動它們時更改阻力量。音量控制 音頻設備使用這樣的可變電阻器。

　　在我們的主要文章中閱讀更多關于 電阻.

　　照片：來自收音機的電路板上的典型電阻器。二極管

　　二極管是單行道的電子等價物，允許電流流動 只在一個方向上通過它們。它們也被稱為整流器。 二極管可用于改變交流電(回流的交流電) 并繞一個電路，不斷交換方向)變成直接 電流(始終沿同一方向流動的電流)。

　　在我們的主要文章中閱讀更多關于 二極管.

　　相片：二極管外觀與電阻器相似，但工作方式不同 并做完全不同的工作。與電阻器不同，電阻器可以插入電路中 無論哪種方式，二極管都必須以正確的方向接線(對應于箭頭 在此電路板上)。電容器

　　這些相對簡單的組件由兩塊導電材料(如金屬)組成，由 稱為電介質的非導電(絕緣)材料。他們是 通常用作計時設備，但它們可以轉換電氣 其他方式也流動。在收音機中，最重要的工作之一， 調諧到您想收聽的電臺，是由電容器完成的。

　　在我們的主要文章中閱讀更多關于 電容器.

　　照片：晶體管無線電電路中的小電容器。晶體管

　　很容易成為計算機中最重要的組件，晶體管可以 打開和關閉微小的電流或放大它們(變換 小電流變成大得多的電流)。工作的晶體管 開關充當計算機中的存儲器，而晶體管工作 因為放大器提高了助聽器中的聲音音量。什么時候 晶體管連接在一起，它們使設備稱為 邏輯門 可以執(zhí)行非常基本的 決策形式。(晶閘管 有點像晶體管，但是 以不同的方式工作。

　　在我們的主要文章中閱讀更多關于 晶體管.

　　照片：電子電路板上的典型場效應晶體管(FET)。光電(光學電子)元件

　　有各種組件可以將光轉化為電能，反之亦然。 光電管 (也稱為 光電電池)產生微小的電 當光線落在它們身上并用作“魔眼”光束時產生的電流 在各種類型的傳感設備中，包括某些種類的 煙霧探測器. 發(fā)光二極管 (LED) 以相反的方式工作，轉換小電流 變成光。LED通常用于立體聲的儀表板 設備。 液晶顯示器，例如用于 平板液晶電視和筆記本電腦 計算機是光電學的更復雜的例子。

　　相片：安裝在電子電路中的LED。這是其中之一 在光學器件內發(fā)出紅光的 LED 電腦鼠標.電子元件有一些非常重要的共同點。 無論他們做什么工作，他們都通過控制電子的流動來工作。 以非常精確的方式通過它們的結構。這些組件中的大多數 由部分導電、部分絕緣的實心片制成 稱為的材料 半導體 (描述 更詳細地見我們的 關于 晶體管).因為電子涉及理解 固體如何讓電子通過它們的精確機制， 它有時被稱為 固態(tài) 物理。 這就是為什么你經常會看到電子設備被描述為“固態(tài)”。

　　電子電路和電路板

　　電子設備的關鍵不僅僅是它的組件 包含，但它們在電路中的排列方式。最簡單的 可能的電路是連接兩個組件的連續(xù)回路，例如 兩顆珠子系在同一條項鏈上。模擬電子電器 往往比數字電路簡單得多。基本晶體管 收音機可能有幾十個不同的組件和一個電路板 可能不比平裝書的封面大。但是在某些事情上 像一個 計算機，使用數字技術，電路更多 密集而復雜，包括數百、數千甚至數百萬 分開 途徑。一般來說，電路越復雜，越多 復雜地執(zhí)行它可以執(zhí)行的操作。

　　照片：電腦打印機內部的電子電路板。哪些電子元件 你能看到這里嗎?我可以辨認出一些電容器，二極管和集成電路(黑色的大東西，下面解釋)。

　　如果您嘗試過簡單的電子產品，您就會知道 構建電路的最簡單方法是將組件連接在一起 長度短 銅 電纜。但是你必須做的組件越多 連接，這變得越難。這就是為什么電子設計師 通常選擇更系統(tǒng)的方式來排列組件 稱為 電路板.基本電路 董事會只是一個 的矩形 塑膠 一側有銅連接軌道和很多 鉆穿它的孔。您可以輕松地將組件連接在一起 通過將它們戳穿孔并使用銅將它們連接起來 一起，根據需要去除銅位，并添加額外的電線 以建立其他連接。這種類型的電路板通常是 稱為“面包板”。

　　您在商店購買的電子設備將這個想法向前邁進了一步 進一步使用在工廠自動制造的電路板. 電路的確切布局以化學方式印刷到塑料上 板，所有銅軌在 制造過程。然后簡單地推動組件 預先鉆孔并用一種電動固定到位 導電膠稱為 焊料.以這種方式制造的電路 被稱為 印刷電路板.

　　相片： 軟焊 組件成電子 電路。您可以看到的煙霧來自焊料熔化并變成蒸汽。我在這里焊接的藍色塑料矩形是一個典型的印刷電路板 - 你可以看到各種組件從它上面伸出來，包括前面的一堆電阻器和頂部的一個大型集成電路。

　　雖然PCB在手工布線電路板上是一個很大的進步， 當您需要連接數百個時，它們仍然很難使用， 數千個甚至數百萬個組件在一起。原因早 計算機是如此之大，耗電，緩慢，昂貴且不可靠是 因為它們的組件是手動連接在一起的 老式的方式。然而，在1950年代后期，工程師杰克·基爾比和 羅伯特·諾伊斯獨立開發(fā)了一種創(chuàng)建電子產品的方法 硅片表面的微型組件。用 這些 集成電路，它迅速變成了 可能擠壓成百上千，幾百萬，然后數億 小型化組件到大約大小的硅芯片上 指甲。這就是計算機變得更小、更便宜、更多的原因。 從 1960 年代開始更加可靠。

　　照片：小型化。擁有更多的計算能力 在我手指上的處理芯片中，比你在房間大小中找到的要多 1940 年代的計算機!

　　電子產品是做什么用的?

　　電子產品現在如此普遍，以至于幾乎更容易想到 不使用它的東西比使用它的東西。

　　娛樂是最早受益的領域之一，包括 收音機 (和 后 電視) 都至關重要 取決于 電子元件。雖然 電話 是在電子產品得到適當發(fā)展之前發(fā)明的，現代的 電話系統(tǒng)， 手機 網絡 和計算機網絡 心臟 互聯網 所有受益者都受益于 精密的數字電子產品。

　　試著想一些你做的事情不涉及電子產品 你可能會掙扎。你 汽車發(fā)動機 可能有電子電路 在其中 - 那么 全球定位系統(tǒng) 衛(wèi)星 告訴你去哪里的導航設備?甚至 安全氣囊 在你的 方向盤由電子電路觸發(fā)，該電路可檢測何時 你需要一些額外的保護。

　　電子設備也以其他方式拯救我們的生命。醫(yī)院 擠滿了各種電子產品，從心率 監(jiān)視器和 超聲波 掃描儀到復雜的腦掃描儀和 X射線 機器。助聽器是首批受益于 20世紀中葉微型晶體管的發(fā)展，以及 越來越小的集成電路使助聽器成為 從那以后的幾十年里，更小、更強大。

　　誰會想到有電子——幾乎是你最小的東西 可以想象——會在這么多重要的事情上改變人們的生活 方式?

　　電子學簡史

　　照片：J.J.湯姆森爵士，他于1897年在劍橋大學發(fā)現電子是帶負電的粒子。湯姆森贏得 1906年諾貝爾物理學獎 因為他的工作。照片由貝恩新聞服務提供 美國國會圖書館.

　　1874年：愛爾蘭科學家 喬治·約翰斯通·斯托尼 (1826-1911)建議電力必須由微小的電力“建造” 收費。大約20年后，他創(chuàng)造了“電子”這個名字。

　　1875年：美國科學家 喬治·凱里 構建一個光電電池，當光線照射時發(fā)電 它。

　　1879： 英國人 威廉·克魯克斯爵士 (1832-1919)開發(fā)了他的陰極射線管(類似于舊式， 基于“管”的 電視) 學習 電子(當時被稱為“陰極射線”)。

　　1883年：多產的美國發(fā)明家 愛迪生 (1847-1931)發(fā)現熱離子發(fā)射(也稱為愛迪生 效應)，其中電子由加熱的燈絲釋放。

　　1887年：德國物理學家 海因里希·赫茲 (1857-1894)發(fā)現了更多關于光電效應的信息， 凱里偶然發(fā)現的光和電之間的聯系 前十年。

　　1897年：英國物理學家 J.J.湯姆森 (1856-1940)表明陰極射線是帶負電的粒子。 湯姆森稱它們?yōu)椤拔⒘！保鼈兒芸炀捅恢匦旅麨殡娮印?/span>

　　1904: 約翰·安布羅斯·弗萊明 (1849-1945)，英國科學家，生產了弗萊明閥門(后來 更名為二極管)。它成為收音機中不可或缺的組件。

　　1906年：美國發(fā)明家 李德福雷斯特 (1873-1961)，做得更好，并開發(fā)了一種改進的閥門，稱為 三極管(或音頻)，大大改進了收音機的設計。德 福里斯特經常被譽為現代無線電之父。

　　1947： 美國人 約翰·巴丁 (1908–1991), 沃爾特·布拉坦 (1902-1987)，以及 威廉·肖克利 (1910–1989) 在貝爾實驗室開發(fā)晶體管。它徹底改變了電子和數字 20世紀下半葉的計算機。

　　1958年：獨立工作，美國工程師 杰克·基爾比 (1923-2005)的德州儀器和 羅伯特·諾伊斯 (1927-1990) 的費爾柴爾德 半導體(以及后來的英特爾)開發(fā)集成電路。

　　1971: 馬西安·愛德華(泰德)霍夫 (1937–) 和 費德里科·費金 (1941–) 設法將計算機的所有關鍵組件壓縮到 單芯片，生產世界上第一個通用微處理器，英特爾4004。

　　1987年：美國科學家 西奧多·富爾頓 和 杰拉爾德·多蘭 貝爾實驗室開發(fā)了第一個單電子晶體管。

　　2008年：惠普研究員 斯坦利·威廉姆斯 構建第一個工作憶阻器，一個新的 一種磁路元件，其工作原理類似于帶有存儲器的電阻器，最早由美國物理學家設想 蔡磊 近四十年前(1971 年)。