НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

Библиотечка «За страницами учебника»

Мир электроники (серия «Эврика»). Седов Е. А. — 1989 г.

Серия «Эврика»
Евгений Александрович Седов

Мир электроники

*** 1989 ***


DjVu


 

PEKЛAMA

Услада для слуха, пища для ума, радость для души. Надёжный запас в офф-лайне, который не помешает. Заказать 500 советских радиоспектаклей на 9-ти DVD. Ознакомьтесь подробнее >>>>


СЕДОВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ — Кандидат технических наук, доктор философских наук. В течение тридцати шести лет инженерной, научной и педагогической деятельности руководил разработкой и внедрением многих видов электронных управляющих и контролирующих устройств и систем.
      Параллельно с практической работой в промышленности занимался теоретической разработкой проблем применения методов теории информации для исследования процессов самоорганизации и развития. На эту тему им написана монография «Эволюция и информация» и научно-художественная книга «Одна формула и весь мир».
      В серии «Эврика» издавались научнохудожественные книги Е. Седова «Занимательно об электронике» и «Репортаж с ничейной земли (рассказы об информации)». Эти книги многократно переиздавались в нашей стране и за рубежом в переводе на 10 языках.
      Успех научнохудожественных книг е. седова объясняется его умением очень просто и со множеством доходчивых и наглядных примеров поведать читателю о самых новых и самых сложных научных и технических достижениях века.


      СОДЕРЖАНИЕ
     
      Пролог 5
      1. ЭЛЕКТРОНЫ И ЭЛЕКТРОНИКА 11
      2. ЭЛЕКТРОНЫ И ВОЛНЫ 136
      3. ВВЕРХ ПО ШКАЛЕ ЧАСТОТ 280
      4. ЭЛЕКТРОНЫ И КВАНТЫ 343
      ПЛОДЫ ОДНОГО СТОЛЕТИЯ (Заключение) 444

     

      ПРОЛОГ
      Если ты раскрыл эту книгу, читатель, значит, проблемы и достижения электроники для тебя не совсем безразличны. Как, впрочем, и для каждого, живущего в наш электронно-атомный век. И это естественно: наш быт и наш труд настолько насыщены теперь электроникой, что мир электроники — это, по существу, и есть тот мир, в котором мы с вами живем.
      В большей или меньшей степени с электроникой соприкасается теперь каждый. В цехах работают управляемые электронными схемами роботы и станки-автоматы. Электронные системы контроля следят за тем, чтобы изготавливаемые на автоматах изделия удовлетворяли всем требованиям, указанным в их чертежах. В конструкторских бюро и в исследовательских институтах новые технические средства рассчитываются и проектируются с помощью электронных машин.
      Наш повседневный быт уже немыслим без радио и телевидения.
      Если мы заболеем, нам на помощь придут необходимые для диагностики заболеваний электронные измерительные приборы и врач пропишет нам процедуры, осуществить которые тоже поможет тот или иной электронный прибор.
      Электроника проникла и в сферы искусства. Электронные синтезаторы звука породили новые музыкальные жанры, компьютеры стали помощниками композиторов не только в аранжировке, но и в сочинении новых произведений. Новые мультфильмы теперь создаются с помощью оснащенных электронными графическими автоматами и графическими дисплеями электронных машин. С помощью тех же средств проектируются фасады и интерьеры архитектурных сооружений, оптимальные формы самолетов и космических кораблей.
      Телеграф, телефон, телевизор, лазер, компьютер — эти слова расширяли наш лексикон по мере того, как обозначаемые ими предметы входили в наш быт.
      А есть слова, характеризующие целые этапы научно-технического прогресса: индустриализация, электрификация и т. п. К их числу относится и недавно появившееся сначала в научной литературе, а затем и в широкой прессе слово «электронизация».
      Слово это отражает одновременно и ретроспективу и перспективу научно-технического прогресса. Оно рождено в результате бурного процесса внедрения электроники во все сферы современной науки, производства и быта. И вместе с тем оно заключает в себе призыв ко всемерному развитию, расширению и углублению обозначаемого этим словом процесса. Точно таким же призывом служили слова «индустриализация», «электрификация», когда речь шла о путях развития первого в мире социалистического государства.
      Слово «компьютеризация» тоже рождено новой техникой. Создание и внед-
      рение персональных компьютеров вовлекло в процесс компьютеризации огромные массы людей. Однако при всем значении и огромных масштабах происходящей на наших глазах компьютерной революции, которую американские специалисты склонны считать столь же важным этапом прогресса, как замена электричеством пара, компьютеризация — это лишь одно из многочисленных направлений электронизации. Ведь только благодаря достижениям электроники были созданы интегральные микросхемы для персональных компьютеров и других современных электронных машин.
      Создаваемые электроникой средства управления, измерения, проектирования, передачи и обработки информации с каждым годом становятся все совершеннее. Вместе с тем увеличивается и количество таких средств.
      Тем, кто родился во второй половине XX века, трудно поверить, что весь арсенал средств, которыми располагает современная электроника, создан всего за несколько десятилетий, что еще в начале своего электронного века человечество обходилось без радио и до середины века существовало без телевидения и без вычислительных электронных машин.
      Для многих людей электроника стала делом их жизни. Число их с каждым годом растет. Потому что растет количество выпускаемых электронных приборов, телевизоров, средств измерительной техники. А количество выпускаемых микросхем и компьютеров в течение десятилетия возрастает в десятки раз. Правда, одновременно с этим они примерно во столько же раз сокращают свои размеры. Но от этого процесс их создания становится с каждым годом сложней.
      Любое изделие электронной техники создается целой армией схемотехников, конструкторов, технологов и рабочих. Многообразие электронной техники и применяемых в ней технологий потребовало узкой специализации тех, кто ее производит. Поэтому даже среди людей, посвятивших себя электронике, трудно найти таких, кто знает об электронике все. Не говоря уж о тех, кто использует ее как вспомогательное средство в работе или сталкивается с ней только в быту.
      Чтобы пользоваться телевизором, не обязательно знать, как он устроен.
      Можно с живым интересом следить за дискуссиями представителей двух городов, двух стран, двух континентов и не задумываться над вопросом о том, почему наземным мостам так же, как и вещательным радиостанциям, хватает земных точек опоры, а телемосту необходима «точка опоры» в космосе — спутниковая связь.
      Да, конечно же, можно принимать за должное все достижения электроники, не утруждая себя вопросами «почему?» или «как?». Можно... Точно так же, как, съедая яйцо за завтраком, можно не интересоваться биохимическим составом белка и желтка.
      И все-таки у человека, который проходит мимо всех связанных с электроникой новых вопросов, никогда не сложится более или менее полного представления о том времени, в котором ему и нам с вами довелось родиться и жить.
      А время движется с ускорением, и вот на пороге уже стоит новая эра — эра персональных электронных компьютеров, которые в ближайшем будущем станут такой же неотъемлемой частью нашего быта, как телефон, радио и часы.
      В окружении все возрастающего количества электронных систем и приборов далекий от них человек постепенно станет отчужденным от этого мира и начнет чувствовать себя неуютно, как пришелец с другой планеты, не понимающий, что вокруг происходит, поскольку все вывески, книги, журналы, газеты окажутся написанными на совершенно чуждом ему языке.
      Познавшему же основные принципы электроники легче ориентироваться в нашем насыщенном электроникой мире и понимать, что вокруг происходит и к чему это в ближайшем будущем приведет.
      Академик Д. Лихачев неоднократно высказывал в прессе важную мысль о том, что научно-технический прогресс сам по себе не может быть целью развития цивилизации. Цель заключается в развитии обшей культуры и обогащении духовного мира людей, а достигается эта цель с помощью множества разнообразных средств.
      К числу этих средств относится и электроника, но ей принадлежит особая роль. Вряд ли можно назвать хотя бы еще одну область науки и техники, которая оказала бы столь же заметное влияние на культуру и обогащение духовного мира людей.
      Благодаря телевидению и видеомагнитофонам людям стали доступны все достижения мирового искусства. Год от года увеличиваются возможности электроники, возрастает ее влияние на быт, нравы, образ жизни и образ мыслей людей.
      В любом процессе есть теневые стороны. Увлечение телевидением порой отвлекает от внимательного общения с авторами литературных шедевров. Чтобы прослыть эрудитом и знатоком классики, теперь вовсе не обязательно читать А. Пушкина, Ф. Достоевского и Л. Толстого — куда проще и легче, вальяжно расслабившись в кресле и перебрасываясь репликами по поводу текущих событий, между делом поглядывать на телеэкран. Используя электронику, можно заменить глубину содержания песни звуковыми и световыми эффектами так, что в конце концов для слушателя перестает быть важным, какие именно переживания заставляют солиста так громко кричать и метаться по сцене, лишь бы голос его перекрывал создаваемый всеми средствами шум.
      Нельзя не признать, что использование средств электроники способствует распространению так называемой поп-культуры. Но ведь те же самые средства можно использовать и при создании подлинных культурных ценностей и шедевров искусства. Все зависит лишь от того, в чьих руках находится и каким целям служит тот или иной электронный прибор.
      Как бы там ни было, но для всех стало уже очевидным, что в развитие современной культуры электроника пустила глубокие корни, а от уровня общей культуры, в свою очередь, зависит скорость развития и созревания новых плодов электроники, питающихся от этих корней. Пример Японии показал всему миру, как влияет на темпы развития электроники культура ее производства, начиная от технологии и кончая культурой производственных отношений и такими национальными традициями участвующих в производственном процессе людей, как ответственность, тщательность, добросовестность, скрупулезность во всех видах труда.
      Книга «Мир электроники» послужит путеводителем для тех читателей, которые пожелают познать этот сложный, многообразный мир.
      В предстоящем нам путешествии читателю предлагается роль любознательного туриста, которому нет необходимости запасаться заранее багажом предварительных знаний перед тем, как отправиться в сложный маршрут. Вся ответственность за успех путешествия ляжет на плечи автора, а от «туриста» требуется только выносливость и терпение, подкрепляемые живым интересом ко всему, что встретится на нашем пути.
      На протяжении всего путешествия автору, взявшему на себя обязанности инструктора и гида, предстоит давать незамедлительный четкий ответ на любой возникающий у «туристов» вопрос. Таких вопросов будет немало, и отвечать на них будет порой непросто, учитывая огромное многообразие электронных
      приборов, функций, которые они выполняют, заложенных в них принципов и протекающих в них процессов.
      Отвечать на эти вопросы все равно, что ходить по канату над пропастью: автору книги придется балансировать между сложностью и простотой. Копнешь чуть глубже — текст становится непонятным. Начнешь объяснять «на пальцах» — упустишь какой-нибудь принципиальный момент.
      В душе автора все время борются противоречивые чувства.
      С одной стороны, хочется убедить читателя в том, что в электронике все доступно для разумения, что она не использует никаких секретов или чудес.
      Вы можете вступить в диалог с современным компьютером, и он не только поймет, с чем вы к нему обратились, но еше и поправит вас, если вы что-нибудь спросили не так. На первый взгляд это кажется чудом. Но, присмотревшись внимательней, легко убедиться, что, кроме транзисторов, диодов, конденсаторов и резисторов, внутри компьютера ничего нет.
      И все же за этой видимой простотой скрывается менее очевидная сложность. Действительно, самые сложные электронные схемы состоят из стандартных довольно простых элементов. Весь вопрос заключается в том, как соединены эти элементы друг с другом, как они будут взаимодействовать и какой цели будут служить.
      Различные варианты электронных схем порождают такое разнообразие сигналов, процессов, функций, устройств и их назначений, что дел тут хватает для огромной армии ученых, инженеров, технологов, монтажников, регулировщиков, операторов. Причем численность этой армии от года к году растет.
      Современная электроника включает в себя уже более десяти самостоятельных областей. Их границы определяются средой, в которой движутся электроны (электроника вакуумная, твердотельная, газоразрядная, жидкостная) ; способом компоновки элементов в схемы (дискретные элементы, интегральные микросхемы); новыми физическими эффектами (квантовая электроника); природой возбуждаемых волн (радиоэлектроника, оптоэлектроника, акустоэлектроника); диапазоном используемых частот (низкочастотная электроника, сверхвысокочастотная электроника, оптоэлектроника, использующая световой диапазон волн).
      На базе квантовой электроники развивается сверхпроводящая электроника. Успехи генной инженерии дали толчок развитию биоэлектроники, создающей интегральные микросхемы на основе специально выращиваемых белков.
      Можно ли рассказать о достижении всех этих областей электроники в одной, пусть даже довольно объемистой книге? Не будет ли это очередной попыткой объять необъятное?
      Десятки и сотни книг написаны по каждой из областей электроники. Но не было, пожалуй, еще ни одной, в которой она была бы представлена вся целиком.
      В то же время в самом названии книги «Мир электроники» заключено обязательство автора перед читателем всесторонне осветить обещанный в заглавии мир. Да притом рассказать о нем языком, который каждому был бы доступен, без обилия математических символов и непонятных технических терминов, присутствующих в любой из предназначенных для специалистов книг.
      Чтобы «уместить» всю электронику в объем одной книги, пришлось отказаться от рассмотрения многих деталей и излагать только самую суть используемых ею принципов и идей.
      Прочитав эти строки, специалист недоуменно пожмет плечами: как можно рассказывать об электронике, опуская детали, если именно из деталей вся электроника и состоит?
      Стоит лишь перепутать всего два конца из бесчисленных соединений на схеме, или чуть-чуть изменить режим одного из сотен тысяч транзисторов, или не учесть влияния каких-то побочных эффектов — и вся схема перестает выполнять свои функции, превращается в загадочный «черный ящик», выдающий на выходе неожиданный бессмысленный результат.
      Так можно ли рассказывать об электронике, пренебрегая деталями?
      Тут нам придется согласиться с мнением специалиста и заранее покаяться перед читателем в принятых автором на свою душу грехах.
      Читатель книги «Мир электроники», впервые знакомящийся с этим миром, не сможет с помощью только одной этой книги создать новую схему или изобрести новый прибор. Книга построена так, чтобы необходимые для понимания частности не заслоняли общей картины, чтобы у читателя сложилось представление об электронике как об обладающей своей внутренней логикой научно-технической области, от которой во многом зависит научно-технический прогресс.
      Прочитав эту книгу, вы не приобретете исчерпывающих знаний ни об одной из конкретных областей электроники, зато получите общее представление обо всех ее основных областях. А общие представления о предмете — залог успеха в детальном изучении отдельных его частей. Представляя предмет как нечто целое и единое, можно увязывать все детали между собой.
      Тому, кто после прочтения этой книги захочет подробнее изучить какую-то отдельную область, придется обратиться к помощи специальных статей или книг. Такому читателю эта книга даст общие ориентиры, по которым легче наметить свой новый маршрут.
      Для читателя, который еще не избрал свой жизненный путь, а, как говорится, стоит на его пороге, эта книга, быть может, не только пробудит интерес к электронике, но и поможет определить ту конкретную область, которая будет ему особенно по душе.
      Можно надеяться, что книга будет полезна специалистам самых различных областей науки, техники, медицины и сферы обслуживания, использующих электронное оборудование для исследовательских целей или производственных и бытовых нужд. И, наконец, специалисту какой-то конкретной области электроники эта книга может дать хотя бы некоторые полезные сведения об областях, не относящихся к его повседневной практике, но так или иначе примыкающих к ней.
      Автор приложил все усилия к тому, чтобы круг читателей книги «Мир электроники» мог быть столь же широким, как и сам описываемый в книге мир.
      Персональный компьютер может служить рабочим инструментом врача, бухгалтера, диспетчера, преподавателя, ученого, инженера. Электронная измерительная техника используется почти во всех областях.
      Современный человек уже не вправе считать себя образованным, если он прибегает к помощи электронного оборудования, не имея ни малейшего пред-стайления, как действует тот или иной прибор. В конце электронного века это означает примерно такую же степень безграмотности, как в начале века — подпись крестом.
      Необходимость «уместить» в одну книгу все основные области электроники и рассказать о них так, чтобы читателю было ясно, как работает каждый прибор, вынудили автора заботиться не только о содержании книги, но и о форме, и о языке.
      Если авторы специальных книг для описания электронных процессов прибегают к помощи математических формул и многочисленных графиков, то в этой книге мы старались по мере возможности обходиться без них. Для этого приходилось прибегать к наглядным примерам и образным аналогиям. При замене математического языка объяснениями «на пальцах», безусловно, в жертву
      приносится строгость. Утешимся тем, что по мере необходимости потерю строгости можно будет восполнить с помощью специальных книг.
      Несмотря на все противодействия со стороны автора и редактора книги, на некоторые ее страницы все же проникли формулы и кривые, перекочевав сюда со страниц монографий, учебников и журнальных статей.
      Перед читателем, который предпочел бы уяснить суть электроники без кривых и без формул, попытаемся оправдать себя тем, что кривые и уравнения — это специфический язык электроники, поэтому, совершая путешествие в мир электроники, вряд ли целесообразно было бы полностью им пренебречь. Давно установлено, что нельзя глубоко понять быт и нравы чужой страны, не владея ее языком. Понять специфический язык электроники читателю поможет одно неписаное научное правило: наиболее важные формулы всегда очень просты. В качестве примеров можно привести некоторые простые формулы, каждая из которых была причиной революционных преобразований в науке: формулы
      Ньютона ( F= m| * mz; F=ma); формула Эйнштейна (E=mc2); формула г2
      Планка E = hv Е
      Это уже потом на базе этих фундаментальных формул создаются теории, относящиеся к более узким научным и техническим областям.
      Если у вас возникнет желание погрузиться в одну из таких теорий, вы тут же утонете в изобилии формул, символов и значков. Например, в специальной книге по электронике к символу , обозначающему электрический ток, будут добавлены разные индексы, указывающие, где именно этот ток протекает: o, 1 ; 2i |2, 21 i ai oi hi oe; s И Др.
      Встретив формулу, включающую сразу несколько указанных символов, вам придется перелистать всю книгу от начала до конца и обратно, чтобы найти ту страницу, на которой автор впервые употребил символ Лев, прочесть, что этот символ обозначает, понять, чем он отличается от 6.
      В общем, чтение специальной литературы требует специальных навыков и запаса предварительных знаний. Мы же задались целью издать книгу об электронике, которую смогут читать все. Поэтому, если нам и пришлось обращаться к помощи формул, то. во-первых, лишь в крайних случаях, во-вторых, лишь к самым простым, в которых используются символы числом не более четырех, и в-третьих, при условии незамедлительного разъяснения смысла, заключенного в каждом значке.
      Почти все разъяснения сосредоточены в специальных разделах под рубрикой «Это лежит в основе». Для облегчения восприятия эти разделы построены по принципу учебных слайд-фильмов: вот иллюстрация, а вот относящийся к ней пояснительный текст. В каждом таком разделе читатель приобретает «кванты знаний», необходимые для восприятия последующих новелл.
      В этих новеллах рассказано об истории используемых электроникой научных открытий, о создании тех или иных электронных приборов, о тенденциях развития электроники, о том, что из чего вытекало и что к чему привело.
      Вот, собственно, все, о чем хотелось сказать читателю перед тем, как отправиться вместе с ним в нелегкое, но увлекательное путешествие. Если читателя не отпугнули предыдущие рассуждения, автор приглашает его начать наш совместный путь.
     
      ЭЛЕКТРОНЫ И ЭЛЕКТРОНИКА
      В этой главе читатель знакомится с историей открытия электрона и узнает, почему именно этой частице выпала честь стать «главной деталью» всех электронных приборов.
     
      СЕМЬЯ ЭЛЕКТРОНИК, ИЛИ ВЗГЛЯД С ВЫСОТЫ
      1.1.
      Готовясь отправиться в путешествие, турист изучает карту будущего маршрута. А поскольку у нас с вами нет ни маршрута, ни карты, придется начать путешествие с воображаемого полета над той местностью, по которой нам потом предстоит пройти пешком.
      1.2.
      В целом современная электроника выглядит не как однородная область, а как нечто, подобное политической карте Европы, включающей в себя множество разных стран. Но в отличие от границ между странами границы областей электроники чрезвычайно условны, потому что они, переплетаясь, взаимно дополняют друг друга, образуя сложный конгломерат.
      Электроника зародилась в начале нашего века. До его середины она занималась созданием вакуумных электронных приборов. С середины века началась эра полупроводников.
      1.4.
      В вакуумных электронных приборах электроны движутся в вакууме, в пустоте. В полупроводниковых приборах электроны движутся внутри твердых кристаллов. Поэтому полупроводниковую электронику называют еще и твердотельной. Одновременно с движением отрицательно заряженных электронов в полупроводниковых приборах происходит движение положительных зарядов, именуемых дырками. Смысл такого названия станет ясен читателю, когда на нашем туристском маршруте встретится область полупроводников.
      1.5.
      Одним понятием «электроника» уже нельзя охватить все принципы, используемые для создания современных электронных приборов. От электроники начали отпочковываться самостоятельные области техники, образуя целую «семью электроник»: 1. Сверхпроводящая (криогенная) электроника. 2. Квантовая электроника. 3. Оптоэлектроника. 4. Акустоэлектроника. 5. Вакуумная электроника. 6. Полупроводниковая электроника. 7. Микроэлектроника. 8. Молекулярная
      электроника. 9. Диэлектрическая электроника. 10. Маг-нитоэлектроника. 11. Хемотроника (химическая электроника). 12. Биоэлектроника.
      1.6.
      До середины века электроника обходилась одними лишь электромагнитными волнами. Было создано огромное семейство электронных приборов для генерации электромагнитных волн все более и более высоких частот. Затем с помощью этих волн удалось возбуждать упругие (акустические) колебания в однородных монокристаллических средах. На этой основе стало развиваться новое направление — акустоэлектроника.
      Лазерные лучи возникают при взаимодействии электронов с фотонами. Фотон — это порция (квант) энергии светового луча. Поэтому лазерная техника представляет собой одну из областей квантовой электроники. Использование лазерных излучений для передачи и обработки информации в измерительной технике, в тончайших технологических операциях и в других областях поставило перед электроникой ряд новых задач. Возникла еще одна область, получившая название оптоэлектроники, то есть электроники, использующей оптический диапазон волн.
      1.8.
      Открытие эффекта сверхпроводимости при сверхнизких (криогенных) температурах дало толчок развитию еще одного направления — сверхпроводящей электроники.
      Совершая беглый обзор современного состояния электроники, упомянем химическую электронику, которая в качестве носителей зарядов использует не электроны, а ионы. @ отличие от электронов ионы перемещаются не в вакууме и не в полупроводниковых кристаллах, а в жидкой среде.
     
      1.10.
      Преобразование сигналов, которое ранее осуществлялось только с помощью вакуумных или полупроводниковых приборов, впоследствии научились осуществлять с помощью специальных конденсаторов и магнитных устройств. На этой основе развиваются диэлектрическая электроника и магнитоэлектроника.
      1.11.
      Успехи молекулярной биологии и генетики позволили создавать микросхемы на основе искусственно выращиваемых белковых структур. Эти вопросы решает биоэлектроника.
      Воображаемый полет дал нам возможность представить себе современную электронику в целом. Но, разумеется, лишь в самых общих чертах. Чтобы брошенный нами взгляд с высоты не породил верхоглядства, нам придется спуститься на землю и повторить пройденный электроникой путь, отмечая на нем основные вехи с момента открытия электрона до наших дней.
     
      ФИКЦИЯ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?
      Вряд ли удастся найти сейчас человека, который усомнился бы в реальности существования электронов. Неудивительно: мы ежедневно прибегаем к услугам электронных приборов, слышим по радио, читаем в газетах или в журналах, как осуществляется управление полетом космических кораблей с участием электронных приборов.
      С их помощью проводятся исследования в области физики, химии, биологии, медицины, создаются новые источники полезной энергии, ставятся диагнозы заболеваний, делаются тончайшие хирургические операции, изготавливаются тончайшие узлы и детали.
      Живущим в век электроники трудно представить, что не далее как в конце прошлого века среди весьма авторитетных ученых находились и те, кто не желал верить в реальность существования электронов даже после того, как были исследованы свойства электронных лучей.
      Но стоит лишь вообразить себя на месте этих ученых, и причины сомнений станут намного ясней.
      Представьте, что вы живете в то время, когда еще нет ни радио, ни тем более телевидения или вычислительных электронных машин. Есть лишь лабораторные вакуумные катодные трубки, созданные физиками для исследований свойств недавно открытых катодных лучей. Обнаружено, что при разогреве помещенной внутри такой трубки вольфрамовой нити до 2000° С в трубке возникают лучи, физическая природа которых пока еще никому не ясна.
      Помимо вольфрамовой нити, выполняющей роль катода, для возникновения катодных лучей необходим обладающий положительным потенциалом анод.
      На покрытом светящимся (флуоресцирующим) слоем экране от луча остается пятно. Если по бокам горловины трубки расположить две пластины и создать на них разность потенциалов, пятно на экране сместится в сторону той пластины, на которую подан положительный потенциал. Этот факт свидетельствует о том, что катодный луч несет в себе отрицательные заряды. Луч будет смещаться и под действием магнитного поля, если на горловину катодной трубки насадить соленоид.
      Вот, собственно, и все атрибуты, которыми располагал выдающийся английский ученый Джон Джозеф Томсон, открывший в 1897 году электрон. Все остальное относится к области интуиции и гениальных прозрений, которые помогли ему выдвинуть смелое предположение о существовании гораздо меньших, чем атомы, материальных частиц. Даже сам Дж. Дж. Томсон, не говоря уж о многих его коллегах, не мог сразу решить, существует ли открытая им частица реально или это
      всего лишь фикция, удобный для теоретиков способ объяснения наблюдаемых фактов, плод изощренного в объяснениях различных научных загадок теоретического ума.
      Помимо скудности имеющихся в то время экспериментальных подтверждений существования электрона, поверить в его реальность мешали начавшиеся с Демокрита и просуществовавшие более 2000 лет представления о неделимых атомах, признанных мельчайшими частицами всех существующих в мире веществ.
      И вдруг какие-то электроны, много меньших размеров, чем атомы, да еще, по-видимому, входящие в них как составная их часть. Значит, атом вовсе не «неделимый»? И не мельчайший? Не означает ли это, что, кроме электронов и атомов, существует еще множество неизвестных частиц?
      Да, нелегко пересматривать устоявшиеся научные взгляды. Но мысль не стоит на месте, и оказывается очевидным, что, оставаясь на старых позициях, добытые опытом новые факты никак нельзя объяснить.
      Вот почему, преодолев все возражения и сомнения, электрон начал упорно завоевывать себе и признание, и право на жизнь.
      О том, как было встречено в научных кругах первое сообщение об открытии электрона, рассказывает в своей книге «Воспоминания и размышления» главный виновник этих событий Дж. Дж. Томсон.
      «Я сделал первое сообщение о существовании этих корпускул на вечернем заседании Королевского института в очередную пятницу 30 апреля 1897 года. Много лет спустя один выдающийся физик рассказал мне, что он в то время подумал, что я всем им нарочно морочу голову. Я не был этим удивлен, ибо сам пришел к такому объяснению своих экспериментов с большой неохотой: лишь убедившись, что от опытных данных некуда скрыться, я объявил о моей вере в существование тел, меньших, чем атомы».
      Да, от фактов действительно «некуда скрыться», но факты можно по-разному интерпретировать, тем более что о непосредственных наблюдениях электронов в то время еще не приходилось и думать, а эксперименты позволяли лишь строить предположения о природе неких обладающих чрезвычайно малым зарядом частиц. Величину этих зарядов позволили определить достижения химиков и опыты по электролизу, проделанные Г. Гельмгольцем. Эти опыты показали, что для выделения одной грамм-молекулы вещества на электроде электролитической ванны требуется заряд, равный 96 500 кулонов (кулон — единица измерения количества электричества).
      Итальянский ученый Амедео Авогадро установил.
      что в одной грамм-молекуле содержится 6,02- 1023 атомов вещества. Поделив величину заряда на количество атомов, можно определить величину переносимого каждым атомом элементарного электрического заряда. Эта величина и составляет заряд этого электрона, равный 1,6 10~19 кулона. По аналогии с атомом вещества этот элементарный заряд стали называть «атомом электричества». А в 1891 году ирландский физик Георг Стоней предложил назвать «атом электричества» электроном.
      Заметьте, что название «электрон» появилось на шесть лет раньше открытия самого электрона. Для науки это вовсе не такая уж редкость. В мире научных идей новые термины очень часто рождаются раньше, чем об-, наруживается лежащий в основе новых понятий субстрат. Так, например, случилось впоследствии с понятием генов. Многие элементарные частицы были предсказаны и названы раньше, чем их существование подтвердил тот или иной сложный и тонкий эксперимент.
      Появление новых научных понятий обычно бывает симптоматичным. Оно свидетельствует о наличии «белых пятен» в науке. Ликвидация же их бывает чревата последующим пересмотром установившихся взглядов: еще нет новых завершенных концепций, а есть лишь попытки новых трактовок явлений и какое-нибудь необходимое для этих трактовок новое слово, вроде слов «электрон», «ген» или «квант».
      Но за словом стоит идея, которой предстоит развиваться и крепнуть, а значит, и новое слово рождено для того, чтобы завоевать себе право на жизнь.
      Сначала оно становится употребительным лишь в узком кругу специалистов. Потом этот круг расширяется, термин становится общепризнанным, а порой даже модным. Мода же всегда граничит с вульгаризацией. Любой обыватель, пережевывая сиюминутные новости за чашкой чая, готов рассуждать о квантовой природе пространства и времени, о влиянии наследственных признаков гена на характер людей, о всесилии электроники. Он черпает свою эрудицию в области общепризнанных истин. Ученый же стоит у порога открытия истин, справедливость которых еще предстоит доказать.
      Открытие электрона свидетельствовало, что храм науки, выстроенный на основе гипотезы о мельчайших и неделимых частицах (атомах), вовсе не так уж прочен, что фундамент этого храма придется в скором времени заменить.
      Воспользовавшись выражением В. Маяковского, можно сказать, что по самой природе своей электрон наделен «строящей и бунтующей силой»: прежде чем начать совершать переворот в области техники, ему суждено было совершить революцию в мире идей.
     
      ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СУБСТАНЦИЯ И ЗАГАДКА ЖЕСТКИХ ЛУЧЕЙ
      Чем обусловлен передаваемый по проводу ток? Сейчас любой школьник бойко ответит: движением электронов. Ну а как ответил бы на этот вопрос ученый, который исследовал электричество, скажем, сто лет назад? Ведь связанные с движением тока законы были открыты Ампером, Омом, Джоулем, Ленцем и другими учеными еще до того, как был открыт электрон. И конечно же, каждый из них волей-неволей задумывался о том, как возникает и движется внутри провода электрический ток.
      Само слово «ток» ассоциируется с неким потоком. Ассоциация не случайна: текущий по проводу ток представлялся в то время ученым неким подобием потока жидкости по трубе. Труба оказывает сопротивление движению жидкости, причем сопротивление это тем больше, чем уже и длиннее труба. Слово «сопротивление» электротехника заимствовала у гидравлики вместе со словом «ток».
      До каких-то пор аналогия между передаваемым по проводу электрическим током и движением жидкости по трубе «работала» безупречно. Разность потенциалов в начале и в конце провода подобна разности давлений воды на концах трубы. Сопротивление провода и трубы возрастает прямо пропорционально длине и обратно пропорционально диаметру. Все эти аналогии способствовали утверждению представления об электрическом токе как о некой «жидкой субстанции», текущей по электрическим проводам.
      Но всякая аналогия «работает» только до определенных пределов. Тепловая энергия тоже долго считалась жидкостью (теплородом). До тех пор, пока открытие законов термодинамики (закона сохранения и превращения энергии и закона возрастания энтропии) не побудило науку связать тепловые процессы с движением атомов и молекул, чтобы объяснить все свойства тепла и участвующих в передаче тепловой энергии физических тел.
      Для объяснения электрических свойств и явлений науке пришлось проникнуть еще глубже в структуру материи, постигать внутреннее строение атомов, чтобы понять, откуда берется и как ведет себя и внутри и вне атома электрон.
      Надо заметить, что идея о существовании неких частиц — носителей элементарных зарядов возникла еще задолго до того, как был открыт электрон.
      Вот что писал в 1749 году (почти за полтора столетия до открытия электрона!) американский исследователь Бенджамин Франклин: «Электрическая субстанция
      состоит из чрезвычайно малых частиц, так как она способна проникать в обыкновенную материю, даже в самые плотные металлы, с большой легкостью и свободой...
      Обыкновенная материя по отношению к электрической является как бы своеобразной губкой. Губка не смогла бы впитывать воду, если бы частицы воды не были меньше дырок в губке...»
      Убедительно? Образно? Но неверно! Во-первых, потому, что нет «материи электрической» и «материи обыкновенной», а есть единая материя, неотъемлемой составной частью которой является электрон. Неверно, во-вторых, потому, что в отличие от описанного Б. Франклином «всасывания» частиц в отверстия губки в открытых в недавнее время явлениях сверхпроводимости и в так называемом туннельном эффекте электроны «просачиваются» через преграды, которые были бы для них непреодолимыми, если бы электроны не обладали поразительной способностью «всасываться» в эти преграды, превратившись для этого из прерывистого потока «твердых» частиц в «пластичный» поток волн. Однако об этом речь еще впереди.
      А пока вернемся к тем временам, когда научная мысль еще очень робко, исподволь начала формировать представления о некой элементарной субстанции, несущей в себе элементарный заряд. Ни сам Б. Франклин, ни его коллеги не подозревали, что высказанная ими мысль таит в себе взрывную силу, которая со временем опрокинет веками сложившиеся представления об атомах как о мельчайших цельных «кирпичиках», из которых сложено все, чем заполнен наш мир. Пока еще атом оставался атомом, а «электрическая субстанция», существуя отдельно от атомов, представлялась составленной из каких-то других «бестелесных частиц».
      Да и высказана эта мысль была не на широком научном кворуме Британского королевского института, как это сделал спустя полтора столетия Дж. Дж. Томсон, а в частном письме, посланном Б. Франклином из Америки секретарю Лондонского королевского общества.
      Никаких экспериментальных данных в подтверждение высказанной им гипотезы о существовании заряженных частиц, из которых состоит электрическая субстанция, Б. Франклин в то относительно далекое время предложить не мог.
      В распоряжении же Дж. Дж. Томсона был созданный незадолго до этого инструмент—катодная трубка, прообраз современных вакуумных трубок, предоставляющих в наше пользование домашний просмотр транслируемых по телевидению спектаклей, концертов, фильмов, футбольных или хоккейных матчей, изображения местности и объектов на экранах локаторов, прочитываемые на экранах дисплеев тексты, графики и чертежи.
      Столь широкую популярность электронная трубка завоевала значительно позже, а во времена Дж. Дж.
      Томсона ее можно было встретить лишь в стенах нескольких в мире лабораторий, где с ее помощью исследовалась природа катодных лучей. Измерение отклонений луча под воздействием магнитного поля позволило вычислить важный параметр: отношение величины заряда, равного 1,6- 10 19 кулона к массе отклоняемой магнитным полем частицы.
      Ну а коль скоро у электрона обнаружена масса, он не может быть «бестелесной порцией электричества». Это и были те самые опытные данные, от которых, как выразился впоследствии Дж. Дж. Томсон, «некуда скрыться».
      «Что это за частицы?— писал он в 1897 году в «Философском журнале».— Атомы это, или молекулы, или материя в состоянии еще более тонкого дробления?»
      Логика гениального ученого заставила его признать последний названный им вариант. Это была революция в вековых представлениях об атомной структуре материи. А всякая революция порождает брожение умов.
      Атом считался тем прочным и неделимым «кирпичиком», на котором зиждились все представления о структуре материального мира. Но если этот «кирпичик» может дробиться на более мелкие части, то весь «фундамент» из этих «кирпичиков» может рассыпаться в мелкую пыль.
      Некоторые ученые, поверив в существование электрона, впали в другую крайность. Они рассуждали так: атом включает в себя электроны, электроны — еще что-то более мелкое, а те, в свою очередь, состоят из чего-то еще. Где же основа материи? Выходит, что материи как таковой вовсе нет? Голоса об исчезновении материи становились настолько громкими, что Владимиру Ильичу Ленину пришлось в горячие дни предреволюционных событий параллельно с работами, посвященными стратегии и тактике классовой борьбы и революционных переворотов, писать книгу о кризисе в физике, дабы реабилитировать и оградить от необоснованных нападок со стороны физиков диалектический материализм.
      В книге «Материализм и эмпириокритицизм» В. И. Ленин писал о том, что открытие электрона вовсе не означает, что исчезла «материя». «Исчез тот предел,— констатировал В. И. Ленин,— до которого мы знали материю до сих пор. Наше знание идет глубже».
      Надо заметить, что многим ученым изменение представлений об атомах и об атомной структуре материи давалось отнюдь не легко.
      Как это ни парадоксально, в числе ученых, категорически не признававших реальность существования электрона, был знаменитый Вильгельм Конрад Рентген.
      Именно он и был тем «выдающимся физиком», о котором вспоминает Дж. Дж. Томсон в связи со своим первым сообщением об открытии электрона. Это ему показалось тогда, что Дж. Дж. Томсон «нарочно морочит голову», поскольку сам В. Рентген еще в течение 10 лет после сообщения Дж. Дж. Томсона не только был убежден сам, но старался убедить своих сотрудников и коллег в том, что никаких электронов в природе не существует. И это тем более поразительно, что за два года до описываемого Дж. Дж. Томсоном заседания В. Рентген открыл впоследствии названные его именем замечательные лучи. Главная их особенность заключалась в том, что они обладали необычной жесткостью, позволяющей им проникать в глубь непрозрачных тел.
      Как многие другие открытия тех времен, открытие рентгеновских лучей произошло в значительной мере случайно. Рядом с катодной трубкой, используемой В. Рентгеном для проводимых им экспериментов, оказался флюоресцирующий экран. Супруга В. Рентгена, помогавшая мужу в работе, случайно прикоснулась к этому экрану рукой. Каково же было изумление ученого, когда он обнаружил на этом экране изображение фаланг пальцев супруги с силуэтом надетого на палец обручального кольца!
      В период с 1895 по 1897 год В. Рентген опубликовал три статьи под общим названием «О новом виде лучей». В этих статьях он описал способы получения и необычайные свойства обнаруженных им лучей. Рентген называл их Х-лучами, подчеркивая этим названием таинственность их природы, роднившую эти лучи с сохранявшим инкогнито принцем из оперетты Кальмана «Принцесса цирка», выступавшим под именем «Мистер Икс».
      Последующие исследования позволили снять все покровы таинственности и объяснить физический механизм возникновения жестких лучей. Разгоняемые полем анода до высоких скоростей, электроны приобретают значительную кинетическую энергию. Врезаясь в плотное тело анода, они резко тормозятся, и часть их кинетической энергии превращается во вторичные жесткие рентгеновские лучи.
      Теперь приходится лишь удивляться тому, что сам В. Рентген долгое время не желал признавать существование электронов, порождающих открытые им Х-лучи. Он утверждал, что электрон — это не более чем «пустое, не заполненное конкретным содержанием слово». В течение 10 лет после сообщения Дж. Дж. Томсона об открытии электрона В. Рентген запрещал своим ученикам и коллегам по Мюнхенскому физическому институту произносить слово «электрон». В то время он был убежден в том, что существование электронов — это не более чем «недоказанная гипотеза, применяемая без достаточных оснований и без нужды».
      Со временем эта гипотеза превратилась в научную истину, а электрон стал основой создания многочисленного семейства электронных устройств.
      Чем больше новых свойств электрона постигала наука, тем больше возможностей приобретала электронная техника, тем больше новых приборов и схем ей удавалось создать. Чем больше создавалось электронных приборов, тем больше приобретала знаний наука о том, как в различных условиях ведут себя электроны. Пользуясь терминологией, введенной впоследствии кибернетикой, можно утверждать, что между наукой об электронах и электронной техникой установилась не только прямая, но и обратная связь.
      Теперь нам предстоит шаг за шагом повторить весь путь, проделанный учеными от открытия электрона до создания компьютеров, лазеров и других современных электронных устройств.
      Наше знакомство с современными представлениями об электроне мы начнем с рассмотрения его основных свойств.
     
      РАССТАВШИСЬ С АТОМОМ, ЭЛЕКТРОН ОБРЕТАЕТ СВОБОДУ
      1.13.
      Главной подвижной «деталью» всех электронных приборов служит электрон. Неиссякаемым источником этих «деталей» являются атомы различных металлов.
      Читателю, очевидно, известно, что атомы всех веществ содержат в себе электроны, вращающиеся по определенным орбитам вокруг ядра.
      Электроны настолько подвижны, что в течение каждой секунды успевают повторять пробег вокруг ядра атома до 10 000 000 000 000 000 раз (10 16).
      1.14
      Электрон никто никогда не видел. Радиус его в 400 000 000 000 раз (4-10й) меньше одного миллиметра. Самый совершенный из известных нам микроскопов не позволяет видеть такие частицы.
      Масса электрона в 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз (11-102) меньше, чем масса граммовой гирьки. Очевидно, что такую частицу на весах взвесить нельзя.
      Присутствие электрона обнаруживают совсем по-другому. У электрона есть своеобразная «визитная карточка» — он несет в себе крошечную порцию электричества — отрицательный заряд, равный 1,6-10-19 кулона.
      1.16
      Помимо электронов, в состав каждого атома входят протоны и нейтроны.
      Эти частицы плотно «склеены», «сцементированы» между собой сильными ядерными полями и образуют монолитное атомное ядро.
      Рядом с электроном протон и нейтрон выглядят сущими гигантами: масса каждого из них больше массы одного электрона почти в 1840 раз.
      1.18
      Нейтрон не несет в себе никакого заряда, электрически он нейтрален. Отсюда и имя — нейтрон. Заряд протона по величине равен заряду одного электрона (1,6-10-19 кулона), но имеет положительный знак.
      В целом атом тоже нейтрален, потому что число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре.
      Электрон, который вращается на одной из орбит атома,— это связанный электрон.
      1.20
      Часто под действием внешних сил электроны приобретают свободу: они расстаются со своими атомами, срываясь с их наружных орбит. Потеряв электрон, атом уже не будет нейтральным: он превращается в положительно заряженный ион.
      1.21
      Отрицательные заряды электронов вынуждают их двигаться к металлической пластине, подключенной к положительному полюсу источника электрической энергии.
     
      ПОЧЕМУ ЭЛЕКТРОН?
      Как могла частица материи с массой в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз меньшей, чем масса граммовой гирьки, приобрести в нашей жизни такой существенный вес?
      Всего 100 лет назад об электроне не знал никто. Зато сейчас едва ли можно найти человека, который хотя бы краем уха не слышал о нем. Все говорят об электроне с большим уважением. Пишут книги, в которых он является главным героем. Притом героем всегда положительным, несмотря на отрицательный знак его заряда. А все потому, что электрон стал главной «деталью» электронных приборов, играющих во всех областях современной жизни, науки и техники едва ли не самую важную роль.
      «Деталь» оказалась очень удобной. Во-первых, она легка и подвижна: еще задолго до начала «космической эры» физики, исследуя движущиеся в трубке электроны, разгоняли их до космических скоростей.
      Во-вторых, «деталь» вовсе не дефицитна: пока не иссякнет энергия источника тока, он будет посылать по «конвейеру» (по проводу) поток этих «деталей». Их будет столько, сколько запросят все «цехи» и «участки» сложного «производства», то есть все элементы и узлы, входящие в передатчик, приемник, компьютер или любой другой электронный прибор.
      Эта «деталь» прекрасно работает в самых различных условиях: в вакууме (электронныетрубки и лампы), в газах (газоразрядные лампы) и даже в твердой среде (металлы и полупроводники).
      Помимо доступности, легкости и подвижности электрон обладает еще одним замечательным свойством, очень удобным для «деталей» электронных устройств. Дело в том, что эта деталь не знает износа: хотя современной наукой доказано, что электрон «составлен» из кварков, никто пока еще не сумел разрушить, «сломать» электрон.
      В многочисленном и разнообразном семействе элементарных частиц есть и такие, которые исчезают, едва успев появиться. Например, время «жизни» частицы, носящей красивое имя — пион, составляет настолько малую долю секунды, что между нолем, обозначающим «ноль целых», и первой значащей цифрой, обозначающей время жизни пиона, приходится выписывать в ряд 16 нолей.
      А электрон неуничтожим, как сама материя. Он может перемещаться с места на место, входить в состав атома или, оторвавшись от него, путешествовать внутри полупроводников и металлов. Он может изменять свои состояния, возбуждаться, поглощая порции (кванты) энергии и переходя внутри атома на орбиты, удаленные от ядра. Он может вернуть кванты энергии и опуститься на орбиту с более низким эиергетиче-
      ским уровнем. Но при этом электрон не исчезает, не превращается в другие частицы, а стало быть, во всех своих состояниях, поглощая и вновь отдавая энергию, перемещаясь внутри электронных приборов или по внешним цепям, соединяющим эти приборы друг с другом, электрон всегда остается «самим собой».
      Слов нет — электрон оказался очень удобным. Но почему все-таки именно ему принадлежит в современной технике такая видная роль? Ведь вслед за ним были открыты протоны, нейтроны, фотоны, мезоны и гиперо ны — более 200 разновидностей элементарных частиц. Так почему техника предпочла использовать для своих нужд именно электроны? Неужели потому лишь, что электрон обнаружили первым? Или дело тут связано с какими-то особыми, исключительными способностями, которых нет у других частиц?
      Взять хотя бы такую частицу, как нейтрон. Что она «ТЯЖЕЛОВЕСНЫЙ» собой представляет? Чем отличается от электрона? ПРОТОН Во-первых, не имеет заряда. Во-вторых, масса нейтрона превышает массу электрона более чем в 1840 раз.
      Поскольку нейтрон не имеет заряда, то к действию электрического внешнего поля он относится безразлично, нейтрально. А раз так, значит, с помощью поля нейтроном нельзя управлять.
      Электрон — дело другое. Заряженный отрицательно, он всегда стремится к пластине с положительным потенциалом. Изменяя потенциал, можно управлять электронами: ускорять или замедлять их движение, изменять напранление, увеличивать и уменьшать их поток.
      Но вот другие частицы - - протоны — к действию поля также не безразличны, потому что несут в себе порцию положительного заряда. Почему же в таком случае вместо электронных приборов не используют приборы протонные?
      Протон обладает массой в 1840 раз большей, чем электрон. Положите обычное пушечное ядро, а рядом — ядро, которое тяжелее его в 1840 раз. Если вес первого принять равным 30 килограммам, то второе окажется тяжелее нескольких космических кораблей!
      Тяжеловесные и неповоротливые протоны никогда не смогут конкурировать с подвижными электронами — тяжелый бомбардировщик никогда не сможет быть таким же маневренным, как легонький «ястребок». Все пилоты знают: чем меньше масса, тем меньше ее инерция. Чуть повернулись рули управления, и истребитель резко меняет курс. Но даже при самой высокой маневренности инерцию все же надо учитывать, иначе любой истребитель пролетит по инерции мимо, не поразив нужную цель.
     
      ПРЕДВАРИТЕЛЬНО О «ФОТОНИКЕ»
      Возвращаясь к нашей теме, скажем, что электрон обладает ничтожной массой и ничтожной инерцией по сравнению с протоном и нейтроном. Значит, внешними силами можно мгновенно придать ему ускорение и заставить проделать самый сложный «вираж». Подано напряжение — электрон мгновенно набрал огромнуйэ скорость. Изменился знак напряжения — электрон «с ходу» летит назад.
      Это свойство, пожалуй, одно из важнейших. Без него невозможно было бы 25 раз в секунду «рисовать» изображение на телеэкранах; создавать частоту колебаний, при которой ток в цепи в течение каждой секунды успевает изменять величину и направление 10 миллиардов раз; управлять быстро летящей ракетой и в течение часа делать на электронных машинах такие расчеты, на которые человеку пришлось бы потратить несколько лет.
      Неужели среди всех открытых физикой элементарных частиц нет таких же легких, подвижных, доступных, как электрон? Разумеется, есть. Например, фотон.
      Если говорить о подвижности, то эта частица вообще не знает покоя — она существует только в движении. А в покое исчезает: ученые говорят, что масса покоя фотона равна нулю. Получить ее в чистом виде еще легче, чем электрон: физикой установлено, что из фотонов состоят и невидимые электромагнитные волны, п видимый свет.
      Но одно дело — неуправляемые фотоны обычного светового потока и совсем другое — управляемые фотоны, собранные в тонкие лучи лазеров или в остронаправленные потоки невидимых волн микронной длины. Чтобы создать подобные генераторы, науке и технике пришлось решать немало сложных проблем.
      На помощь электронным приборам пришли приборы фотонные. Благодаря им многократно расширился диапазон частот, используемых локацией и радиосвязью, они нашли применение в целом ряде новых технических областей.
      Может быть, со временем электроника уступит место «фотонике»? Нет, фотонная техника электронику не изживет. Фотоны рождаются электронами: когда электрон в атоме переходит на более низкий энергетический уровень (на низшую орбиту), атом излучает фотон.
      Область техники, которая создает генераторы, излучающие фотоны, именуется не «фотоникой», а «квантовой электроникой»: первопричиной и стимулятором всех используемых для этих целей процессов служит опять-таки электрон. В многочисленных областях современной науки и техники находится множество применений как тем приборам, в которых электроны
      действуют самостоятельно, так и тем, в которых они служат лишь первым толчком для порождения фотонных лучей.
      Обо всем этом говорить придется отдельно. А пока отметим одно: электрон не борется за монополию, и когда возникает необходимость выйти за рамки его возможностей, он с радостью дарит людям фотон.
      Будут ли рядом с фотоникой и электроникой развиваться другие области техники, использующие свойства еще каких-то частиц? Как знать. Уже существуют гипотезы о возможности связи на нейтринных волнах или на волнах гравитационных. Но такие волны наукой еще не исследованы. Поэтому все создаваемые электроникой средства основаны на взаимодействии электронов, фотонов и электромагнитных волн.
      Чудом мы называем то, что нельзя объяснить. Чудеса творят духи, волшебники, боги. Электронику создал человек. Он приручил электрон, познал его свойства, заставил решать множество разных задач. Конструируя электронный прибор, инженер рассуждает об электроне: он будет вести себя так-то и так-то, сделает то-то и то-то, полетит туда или сюда.
      Ну а кто видел, как это все происходит? Да никто. В лучшем случае можно увидеть след луча на экране или измерить сумму зарядов всех электронов, проходящих в течение каждой секунды по проводу,— электрический ток. Ток и луч — это потоки электронов, огромная масса движущихся частиц. А один электрон является слишком малой частицей, его не позволит увидеть ни один микроскоп.
      Каждый осматривал телевизор снаружи. Любопытный же человек обязательно слазит и внутрь. Ну и что? Ничего особенно интересного. Много всяких деталей, сложная сеть проводов, и... никакого движения. Мертвое царство. Живет только экран.
      Как же рождаются подвижные изображения в неподвижных деталях и проводах? Кто заменяет на телеэкране актеров в спектаклях, спортсменов в матчах? Главную роль здесь играет электрон.
      Пока идет действие на экране, во всех элементах, находящихся внутри телевизоров, течет невидимая, но напряженная «закулисная жизнь». Инженер изучил ее очень подробно. Он может ответить вам, сколько именно электронов пройдет через каждый провод в течение каждой секунды и как они будут вести себя в каждом звене. Хотя он тоже не видел ни разу в глаза электрон.
      На первый взгляд все это кажется чуть ли не чудом. Электрон стал играть всевозможные роли. Он заменяет актеров в телеспектаклях и выступает «певцом за сценой», заставляя динамик приемника воспроизводить звук. Он управляет ракетой, станком, самолетом, делает сложные вычисления и переводы, обрабатывает металлы, дает возможность изучать микроструктуру веществ.
      Никто не видел его за работой, он, словно невидимый сказочный гномик, творит все новые и новые чудеса. Но знания и сила воображения исследователей позволяют представить во всех деталях, как подвижные электроны ведут себя в различных устройствах, которые создал человек.
      Стремясь подчеркнуть эту особенность электроники, известный американский писатель-фантаст Артур Кларк нарисовал такой фантастический эпизод.
      Представьте себе, что выдающимся мыслителям прошлого, скажем, Ньютону и Леонардо да Винчи, дали для изучения электронную лампу и современный автомобиль. По внешнему виду автомобиля они, безусловно, сделали бы кое-какие выводы о его назначении и устройстве. Но про диод, триод или транзистор не смогли бы сказать ничего. Ничего ровным счетом! Потому что внешний вид электронных приборов или их отдельных деталей не дает ни малейшего представления о тех электронных процессах, которые в них протекают. Ни Ньютон, ни Леонардо да Винчи при всем богатстве их научной фантазии не смогли бы представить себе ни электрона, ни его роли и поведения внутри этих совершенно для них непонятных устройств.
      Нужны были сотни гениальных догадок и многие тысячи экспериментов, проделанных учеными последующих веков, чтобы наука смогла создать четкое представление о незримых процессах, в которых участвует электрон.
      И чем дальше, тем больше новых свойств электрона открывала наука, тем больше возможностей приобретала техника для создания все новых и новых электронных устройств.
      Во многих электронных приборах электрон ведет себя как сосредоточенная в каждый данный момент в одной точке частица. Зато в других устройствах электрон проявляет свойства «размазанной по пространству», способной растягиваться, сжиматься, просачиваться в «узкие щели» волны.
      А самое любопытное заключается в том, что все эти метаморфозы и по сей день остаются вне поля нашего зрения. Их не только не удается увидеть, но порой даже трудно вообразить. Словно искусный иллюзионист, электрон совершает манипуляции, недоступные любопытному взгляду, а зрителям (то есть ученым и инженерам) остается лишь наблюдать и оценивать результаты этих манипуляций, строить гипотезы относительно их внутренних механизмов и разрабатывать принципы исполь-
      зования разнообразных порождаемых электроном эффектов для создания практически полезных устройств.
      Все огромное здание электроники строилось умозрительно, усилиями многих изобретательных и пытливых умов. Начиная с момента открытия электрона, когда Дж. Дж. Томсон не увидел, не ощутил, не воспринял на слух, а догадался, что главным участником происходящих внутри катодной трубки событий должен быть именно электрон.
      Открытие электрона опровергло гипотезу о неделимом атоме. В воображении ученых возникли модели, внутреннего строения атомов, в которых электроны, по-° добно космическим спутникам, вращаются вокруг атомного ядра. Но и эти модели со временем оказались весьма упрощенными. Раньше казалось, что оболочки атомов образуются электронами, вращающимися по эллиптическим орбитам. Число электронов на разных орбитах может быть от одного до восьми и более.
      Но с позиции квантовой физики все выглядит гораздо сложнее. Оказалось, что орбиты атомов не умещаются в плоскости, а представляют собой сложные пространственные фигуры, а по поверхностям этих фигур «размазаны» электроны, так что нельзя утверждать определенно, а можно лишь предполагать и оценивать с помощью вероятностей, в какой именно точке орбиты окажется в данный момент времени тот или иной электрон.
      По мере развития электроники включались в действие все новые и новые способности электрона, расширялось его «амплуа». До середины нашего века электроникой создавались приборы, в которых электрон проявлял себя только как сосредоточенная в пространстве частица. Так ведет себя электрон в вакуумных и полупроводниковых диодах, в триодах, в транзисторах, в магнетронах, в клистронах, в лампах с бегущей волной.
      С развитием квантовой электроники этих свойств электрона оказалось уже недостаточно. В лазерах используются квантовые взаимодействия электронов с фотонами. В туннельных диодах электрон «прорывает тоннель» в изолирующем слое, превращаясь для этого из частицы в ванну. В сверхпроводящих электронных приборах электроны объединяются в пары, прихватив при этом «в свою компанию» еще одну квантовую частицу — фотон.
      Обо все этом будет подробно рассказано в следующих главах. А пока, следуя хронологической последовательности событий, познакомимся с такими процессами и приборами, в которых действует хотя и невидимый, но сосредоточенный (локализованный) в пространстве неутомимый, подвижный, отрицательно заряженный электрон.
     
      ТОК МОЖЕТ ТЕЧЬ НЕ ТОЛЬКО В МЕТАЛЛЕ, НО И В ГАЗЕ, И В ЖИДКОСТИ, И В ПУСТОТЕ
      1.22
      Атомы металла образуют кристаллическую решетку, а в пространстве между узлами решетки хаотично движутся свободные электроны, бродят бесцельно туда и сюда.
      1.23
      Стоит лишь подключить металлическую пластину к двум полюсам источника напряжения, и у электронов сразу появится цель. Они устремятся к положительному полюсу батареи — в металле возникнет электрический ток.
      Электрический ток может возникнуть и в газе. Под действием напряжения внутри трубки происходит ионизация газа: свободные электроны устремляются к пластине с положительным потенциалом и по дороге, ударяясь об атомы, срывают с их орбит электроны. Положительные ионы (атомы, потерявшие свои электроны) движутся к противоположному концу трубки. Характерное свечение газа в трубке свидетельствует о том, что внутри ее движутся навстречу друг другу ионы и электроны — течет электрический ток.
      1.25
      Чтобы создать электрический ток в жидкости (например, в расплаве поваренной соли), надо погрузить в эту жидкость два металлических стержня и подключить их к источнику напряжения. Стержни при этом становятся электродами: тот, что подключен к плюсу источника, будет служить анодом, а соединенный с минусом превратится в катод.
      В электронных лампах электроны движутся в вакууме, то бишь в пустоте. Примером такого устройства может служить диод.
      У диода внутри баллона помещены две основные детали, которые также называются анодом и катодом.
      Рядом с катодом расположена нить накала — миниатюрная электроплитка, которая нагревает катод. При этом «электронная жидкость» (свободные электроны, хаотично движущиеся внутри катода) начинает «кипеть» и испаряться. Это явление называют электронной эмиссией. В результате эмиссии вокруг катода образуется облако «электронного газа».
      1.27
      Если теперь подключить катод к минусу источника напряжения, а на анод подать плюс, анод начнет притягивать к себе электроны из облака, «отсасывать» их от катода, внутри диода будет течь ток. Свобода для электрона оказалась очень недолгой: едва лишь он вырвался из катода, как тут же его притянул анод.
      Диод часто используют в схемах в качестве вентиля (вентиль — в переводе «клапан»).
      На рисунках 1.27 «клапан» был открыт. Чтобы закрыть его, надо поменять полюса источника: на анод подать минус, а на катод — плюс.
      Теперь электронам труднее вырваться за пределы катода, так как он стал их притягивать. Но даже и тем, что вырвались, лететь-то особенно некуда: раньше их притягивал анод, а теперь он толкает их назад к катоду.
      При таком включении через диод ток не течет. «Клапан» перекрывает электрическую цепь, в которую включена эта лампа.
     
      ПУТЕШЕСТВИЕ В ВАННЕ
      Электролиз известен каждому школьнику. Если в ванну с раствором поваренной соли погрузить два металлических стержня и подключить их к разным полюсам электробатареи, через раствор и по внешнему проводу потечет электрический ток (с.м. 1.25).
      Из раствора поваренной соли на одном стержне выделится осадок щелочи, молекулы которой включают в себя ионы натрия, соединившиеся с молекулами кислорода и водорода воды. В пространстве вокруг второго стержня возникнут шустро бегущие снизу вверх пузырьки. Наблюдателю будет казаться, что здесь началось кипение жидкости. На самом деле возникновение пузырьков обусловлено тем. что из раствора поваренной соли выделяется газообразный хлор. Щелочь выделится на катоде, то есть на том стержне, который подключен к отрицательному полюсу батареи. Пузырьки газообразного хлора окружат второй стержень — анод.
      Пока разговор идет о вещах видимых и ощутимых. Стержни можно потрогать руками. Раствор соли можно попробовать на вкус. На катоде можно увидеть осадок щелочи и наблюдать, как бурлит у анода газообразный хлор. Но чем все это вызвано? Почему под воздействием тока жидкость вдруг превращается в газ и твердое вещество? Хлор устремился к аноду, а натрий осел на катоде. А почему не наоборот?
      Вот тут уж нам придется покинуть мир осязаемый и совершить вслед за учеными фантастическое путешествие в иной, невидимый мир. Какой вид транспорта нас может туда доставить? Разумеется, необычный. Говоря языком поэтов, мы полетим туда на крыльях фантазии: ведь электроны нельзя увидеть, их можно только вообразить. Зато, представив себе, в чем заключается роль электронов в этом процессе, мы сможем понять весь его внутренний механизм.
      Что же здесь происходит? Тому, кто знаком со строением атома, понять процесс электролиза не представляет большого труда.
      В составе атома натрия содержится одиннадцать электронов. Два из них находятся в глубине атома, на внутренней оболочке, ближайшей к его ядру. На то, что хотя бы один из них расстанется с атомом и «обретет свободу», рассчитывать не приходится: электроны, «приближенные к центру», не намерены изменять свой статус и включаться в какой-то иной процесс.
      Восемь других электронов атома натрия образуют среднюю оболочку. Их положение в атоме тоже достаточно прочно, поскольку эта восьмерка представляет собой полный комплект.
      А вот одиннадцатый электрон, находящийся на наружной орбите, связан со своим атомом наименее прочно. Во-первых, потому, что он наиболее удален от центра. А во-вторых, потому, что ему не хватает «дружного коллектива» — еще семи подобных ему электронов, которые вместе с ним образовали бы на наружной орбите атома устойчивый к внешним воздействиям полный комплект. Обреченный на одиночество электрон не слишком дорожит своим положением в атоме натрия. Он готов расстаться с десятью своими «коллегами», почувствовав притяжение каких-либо внешних сил. Сила отталкивания катода и сила притяжения анода заставляют его сорваться с наружной орбиты атома, чтобы начать «свободную жизнь».
      Отдав электрон, атом натрия перестает быть нейтральным: число электронов стало меньше, чем число протонов в ядре. Теперь он положительно заряжен, и потому это не просто атом, а атом-путешественник. Путешественника по-гречески называют ионом. А путешественник не любит долго оставаться в покое. Если поблизости есть пластина, соединенная с минусом, он сразу отправится в путь.
      Атомы хлора, напротив, охотно приобретают электроны. Их наружная оболочка содержит только семь электронов.
      А есть всеобщий закон природы: если у атома на наружной орбите недостает одного или двух электронов, он стремится добрать их извне до «ватного комплекта», то есть до восьми.
      Потому атом хлора, подчиняясь этому закону, и отнимает у атома натрия недостающий восьмой электрон.
      Взяв вместо туристской путевки восьмой электрон, атом хлора приобретает порцию отрицательного заряда и тоже становится ионом — он путешествует в том направлении, где есть положительный электрод. Достигнув цели своего турне (то есть анода), ион сдает приобретенную им путевку - восьмой электрон.
      Электрон побежит по внешнему проводу, а поскольку к аноду вновь и вновь прибывают «туристы с путевками», по проводу непрерывно бегут электроны — течет электрический ток. А внутри ванны ток имеет другую природу: здесь «путешественники» непрерывно движутся навстречу друг другу — отрицательные ионы хлора стремятся к аноду, положительные ионы натрия спешат попасть на катод.
      Но по пути им предстоит еще вступить в связь с атомами кислорода и водорода и, образовав вместе с ними щелочь, покрыть щелочным слоем катод.
      Хорошо рассуждать об электронах на оболочках атома тому, кто с ними знаком. А каково было Г. Гельмгольцу? Ведь он изучал электролиз в то время, когда атом еще считался действительно атомом — мельчайшим и неделимым «кирпичиком» вещества. Представление о неделимости атома родилось одновременно с самим понятием «атом»: слово «атом» переводится с греческого как «неделимый».
      Поведение атомов в процессе электролиза было исследовано досконально, но об участии электронов в этом процессе пока еще не догадывался никто.
      По увеличению веса катода вычисляли, сколько атомов натрия вошло в состав щелочного осадка. Измерив ток, текущий по внешнему проводу, определяли перенесенный этими атомами заряд. Установили, что одним и тем же количеством атомов натрия всегда переносится один и тот же заряд. Но если в ванне вместо поваренной соли растворен, к примеру, хлористый кальций, то тем же количеством атомов кальция переносится вдвое больший заряд.
      Вот, собственно, и все данные, которыми располагал в то время Г. Гельмгольц. Но их оказалось достаточно для гениальной догадки: в природе есть наименьшая порция электричества, своеобразный «электрический атом». Каждый ион натрия несет одну порцию электричества, каждый ион кальция — две. Не полторы и не 1,75, а именно две — два «электрических атома».
      Гельмгольц, конечно, и сам не подозревал, что ему удалось впервые проникнуть мысленным взором внутрь того самого атома, который до этого был неделимым. Ведь порция электричества — это и есть электрон.
      Как стало известно впоследствии, на наружной орбите атома кальция находится не один электрон, как у натрия, а два. Поэтому натрий относится к категории одновалентных, а кальций — двухвалентных веществ.
      Отдав два электрона своей наружной орбиты двум атомам хлора, атом кальция становится несущим двойную порцию ионов. Потому-то и получается, что тем же количеством атомов кальция переносится вдвое больший заряд.
      Все это стало известным значительно позже, после того как Э. Резерфорд создал модель планетарного атома, в котором ядро заменяет Солнце, а электроны вращаются на орбитах наподобие наших планет (см. 1.13).
      Но именно порция электричества, обнаруженная Г. Гельмгольцем, привела науку к этим открытиям, позволила сделать первый и, пожалуй, самый решительный шаг.
      Идея Г. Гельмгольца породила много вопросов. Что за порция электричества? Чем она переносится? Что собой представляет? Из чего состоит?
      Эксперименты, проделанные вскоре после открытия Г. Гельмгольца, подтверждали, что во всех явлениях, связанных с электричеством, в самом деле участвуют мельчайшие отрицательные электрические заряды: их стали называть электронами. Но что же все-таки представляют собой электроны? Бестелесную порцию электричества или кусочек какого-то вещества?
      Оказалось, ни то ни другое. Хотя электрон и обладает массой, но он не является веществом. Это частица материи, которая входит в состав всех существующих в природе веществ.
      В истории физики электрон занял почетное место: он был первой частицей, положившей начало изучению большого семейства элементарных частиц.
      С момента открытия электрона физики начали проявлять к нему самый живой интерес. Установили, что внутри всех металлов живут свободные электроны, нечто вроде особой жидкости, разлитой по пустому пространству между атомами металла (см. 1.22).
      Как же смогли заглянуть внутрь металла и увидеть там электроны, которых видеть нельзя?
      Конечно, с помощью опытов. Опыт — фундамент всей электроники, источник ее достижений, высший судья при оценке ее идей. А потому давайте войдем в мир электроники так, как входили в него ученые: не с пустыми руками, а с электрической батареей и кусочком металла — металлической пластинкой — в руках.
      Мы подключаем пластинку к плюсу и минусу батареи, и сразу у всех электронов, бесцельно бродивших внутри пластинки, появляется цель (см. 1.23). Теперь отключим пластинку от батареи и станем ее нагревать. Начнется эмиссия электронов. Вокруг нагретой пластинки образуется облако электронного газа (см. 1.26).
      Если электронов никто не видел, то и электронного облака тоже. И тем не менее современная физика обращается с ними почти так же уверенно, как в известной пословице повар с картошкой: для каждого «электронного блюда» есть готовый рецепт.
      Хотите быстрей «вскипятить» «электронную жидкость»? Возьмите никель или вольфрам. Они дают наибольшее «испарение» электронов, и притом весьма тугоплавки - их можно разогревать до очень высоких температур. А еще лучше покрыть пластинку из никеля или вольфрама оксидной пленкой — окислом щелочноземельных металлов. «Испарение» будет еще эффективнее: возрастет интенсивность эмиссии, скажет специалист.
      Вы, очевидно, заметили, что транзисторный приемник дает звук сразу же после его включения, а ламповый — лишь минуту спустя. В течение этой минуты размещенные внутри баллонов миниатюрные электроплитки (нити накала) разогревают катоды вакуумных ламп. В процессе разогрева катодов вокруг них образуются невидимые облака электронов.
      Внутри облака все электроны движутся хаотично, как мошкара, объединившаяся в рой. «Ветер», который заставит весь этот «рой» двигаться в заданном направлении, могут создать металлические пластины, если на одной из них создать положительный, а на другой — отрицательный потенциал. Ну что ж, за этим дело не станет. У нас есть батарея. У батареи есть минус и плюс.
      Подключим минус к пластинке, окруженной облаком электронного газа, а рядом расположим пластинку, на которую подадим плюс. Возникнет ли ток в подобном устройстве?
      Да, но при одном условии: если опыт проделан... в космосе. А на Земле этому препятствует воздух — он мешает электронам, вырвавшимся за пределы катода, лететь на анод. Чтобы избавиться от влияния воздуха. Т. Эдисон поступил очень просто: он создал «космос в миниатюре» поместил обе пластинки внутри стеклянного баллона, из которого выкачал воздух. И увидел впервые, как в этих условиях между пластинками, не соединенными проводом, течет электрический ток.
      Если захотите проделать подобный опыт, вам не понадобится самим создавать «космос в баллоне», вы можете взять (купить в любом магазине радиодеталей) готовую двухэлектродную лампу — диод (см. 1.26).
      Диод был изобретен англичанином Д. Флемингом в 1904 году. Но в наши дни принцип его остался практически неизменным. Усовершенствованы лишь некоторые детали, в частности, введена уже упомянутая нами нить накала, которую предложил русский ученый А. Чернышев.
      В диоде Флеминга напряжение накала прикладывалось прямо к катоду, и по нему протекал разогревающий его ток. Впоследствии катод приобрел форму трубки, внутри которой располагалась предназначаемая для его разогрева специальная нить.
      Подключив к диоду электрическую батарею и прибор для измерения тока (миллиамперметр), можно измерить ток, текущий через диод. Отклонение стрелки прибора — это единственный видимый результат всех описанных нами явлений. Все остальные процессы незримы. И тем не менее внутри баллона происходит именно то, о чем мы говорили: электроны, вырвавшись из катода, образуют вокруг него электронное облако, анод будет притягивать его, внутри баллона потечет электрический ток.
     
      В ТРУБКЕ ТОЖЕ ЕСТЬ ЭЛЕКТРОДЫ
      ЭЮ ЛЕЖИТ В ОСНОВЕ
      1.29
      Среди многих деталей, помещенных внутри электронной трубки, вы тоже можете обнаружить нить накала, катод и анод.
      Анод электронной трубки не похож на анод диода: он выполняется в виде цилиндра.
      Электроны летят от катода к аноду и, проскочив сквозь него, ударяются об экран. Экран покрыт специальным составом, который начинает светиться в том месте, куда упал электрон.
      1.30
      Чтобы направить все электроны, вылетающие из катода, в одну точку экрана, необходимо собрать их в тонкий луч. Электроны противятся этому, отталкивая друг друга, так как все они имеют одноименный заряд (отрицательный). В результате луч «разбухает», и если бы он упал на экран в таком виде, то на экране образовалось бы размазанное большое пятно.
      4 Е. Седов
      Побороть «своенравие» электронов помог фокусирующий электрод. Выполненный тоже в виде полого цилиндрика, он подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, и потому его стенки отталкивают разбегающиеся электроны и собирают их в тонкий пучок, направленный вдоль продольной оси цилиндра.
      1.32
      По пути от катода к экрану электрон пролетает мимо пластин. Если на них нет напряжения, электрон их «не заметит» и полетит к центру экрана. Вместе с ним туда летят все другие его собратья и создают в центре экрана светящееся пятно.
      А что будет, если к одной паре пластин приложено напряжение? Все электроны отклонятся в сторону положительной пластины, и пятно сместится от центра экрана вверх.
      1.34
      Изменив на пластинах знаки приложенного напряжения, можно сместить пятно вниз.
      Вторая пара пластин позволяет смещать луч и пятно влево и вправо.
      1.36
      Чтобы впредь никогда не путаться в этих пластинах, надо раз и навсегда усвоить одно перекрестное правило: пластины в правой части рисунка, хотя и стоят вертикально, отклоняют лучи влево и вправо, и потому их называют горизонтально отклоняющими пластинами.
      А те пластины, которые лежат в горизонтальной плоскости, называют вертикально отклоняющими пластинами, так как они отклоняют луч или вверх, или вниз.
      Две пары пластин являются своеобразным прицельным устройством, которое позволяет обстрелять любую точку экрана, направив в нее луч.
      Диод — это уже электроника. Он был создан для вполне конкретных технических нужд. Но сначала никаких технических нужд еще не было. Не было и электроники — было лишь естественное желание физиков изучить электрон. Поэтому еще за 40 лет до изобретения двухэлектродной лампы (диода) появилась электронная трубка, созданная физиками как сугубо экспериментальный прибор.
      В то время никто не мог предполагать, какое разностороннее амплуа уготовано в будущем трубке. Впоследствии она нашла применение и в телевидении, и в локации, и в проводимых с помощью осциллографов исследованиях и измерениях, и в разнообразных системах технологического контроля, и в дисплейных устройствах ввода и вывода информации, ставших неотъемлемой частью электронных машин.
      Расширение амплуа породило огромное разнообразие трубок, отличающихся по размерам, конфигурации, конструкции находящихся внутри трубок устройств. Но при всем этом разнообразии техника и по сей день использует разработанные еще в первых опытах с трубкой принципы управления электронным лучом.
      Устройства, создающие управляемый луч внутри трубки, кто-то метко назвал электронными пушками.
      В самом деле: здесь электроны подобны ядрам, а положительный потенциал анода заменяет давление газов, выталкивающих ядро из ствола. Стволом служит фокусирующий электрод, обеспечивающий кучность стрельбы (см. 1.31). Управляющие пластины подобны орудийным прицельным устройствам (см. 1.32—1.36).
      Кто мог знать, что устройства эти со временем оправдают воинственное название «пушка» и. превратившись в экраны локаторов для орудийной наводки, будут помогать настоящим пушкам поражать без промаха вражескую цель!
      Но к тому времени, когда «электронная пушка» нашла применение в индикаторах радиолокационных станций, у нее уже было немало всякого рода мирных заслуг. Среди них самая важная — открытие электрона. С помощью вот такой «электронной пушки» формировался катодный луч, который помог Дж. Дж. Томсону познать свойства невидимых электронов, превратить их из бестелесной порции электричества в частицы «во плоти в крови».
      Впоследствии с помощью точно таких же «пушек» инженеры сумели получить четкие изображения кадров на телевизионном экране. А за много лет до создания телевидения был разработан лабораторный прибор — осциллограф, позволивший наблюдать многие электрические процессы, которые раньше исследователи могли только воображать.
      Возьмем, к примеру, электрический импульс. Что он собой представляет? Толчок, который создается множеством электронов, пробегающих одновременно по проводам и элементам схем.
      Последите при случае за эскалатором на одной из станций метро. Он загружен неравномерно. Когда на перрон прибывает поезд, все пассажиры устремляются к эскалатору- Тот, кому особенно некогда, мчится
      сюда бегом. Затем идет основная масса — на лестнице стало особенно тесно. А дальше на эскалаторе пусто. Импульс кончился. С приходом следующего поезда цикл повторяется вновь.
      Картина эта сходна с тем, что происходит в импульсных схемах. Поезда метро можно сравнить с генератором импульсов, эскалатор — с участком провода, а пассажир в данном случае ведет себя так же, как электрон.
      И график, изображающий изменение тока во времени, очень похож на график, на котором отражено количество пассажиров, доставленных эскалатором наверх.
      Однако в отличие от событий в метро, длящихся многие минуты, электрический импульс обычно появляется и исчезает за миллионные доли секунды. Разве можно за такое короткое время что-нибудь рассмотреть? Кто успеет заметить импульс, который рождается и умирает в течение миллионных долей секунды?
      Оказывается, торопиться здесь вовсе не нужно. Мгновенные импульсы могут оставить след на экране, и след этот будет сохраняться достаточно долго, чтобы инженер или ученый могли оценить его форму, проследить, как за коротенькое мгновенье нарастает, держится и исчезает электрический ток.
      Эту возможность дают инженерам электронные трубки.
      СЛЕДЫ НЕВИДИМОК
      Миллионная доля секунды... Время настолько ничтожное, что его даже трудно вообразить.
      Мировой рекордсмен по бегу, пробегающий стометровку за 9,8 секунды, за одну миллионную долю секунды преодолевает... одну сотую миллиметра.
      Всего на один миллиметр переместится за это короткое время несущейся с тройной скоростью звука реактивный самолет. Ракета, доставляющая на орбиту искусственный спутник, достигнув первой космической скорости, будет подниматься в течение одной миллионной доли секунды всего на 8 миллиметров.
      А в электронной схеме за одну миллионную долю секунды (одну микросекунду) может произойти столько событий, что рассказ о них потребует много часов. Чтобы уловить момент, когда начнется и кончится очередное событие, специалистам по электронике приходится дробить «долгую» микросекунду еще на множество го-
      раздо более коротких частей. Для них вполне «ощутимой» оказалась даже одна тысячная доля микросекунды (наносекунда).
      Электроны «живут» в своем временном масштабе. Они настолько подвижны и расторопны, что не только за миллионную, но и за миллиардную долю секунды (наносекунды) успевают сделать множество разных дел.
      ...Импульс длится одну миллионную долю секунды. В это время луч электронной трубки, двигаясь слева направо, успел пересечь экран. В тот момент, когда луч начинал свой бег, импульс попал на вертикально отклоняющие пластины и отклонил луч вверх. Но, отклонившись, луч продолжал бежать слева направо, и, когда импульс кончился, он вернулся (опустился) к середине экрана и закончил пробег. В результате остался след луча на экране. Это и есть график импульса: глядя на изображение, можно увидеть, как в течение миллионной доли секунды нарастал (участок а в), держался (в с) и падал (с—d) электрический ток.
      Экран электронной трубки стал поистине чудо-экраном: на нем можно увидеть сверхскоростное движение невидимых пассажиров на невидимых эскалаторах, то есть движение тока внутри проводов и других элементов схем.
      Изображение на экране сохраняется недолго: экран покрывают специальным составом, который после пробега луча может светиться секунды или доли секунды. Но электронике очень редко приходится иметь дело с одиночными импульсами. Обычно они следуют друг за другом, и каждый из них заставляет луч отклоняться и обновлять свой след. Пока длится импульс, луч бежит по экрану слева направо. Добежав до правого края экрана, он очень быстро возвращается к левому краю, чтобы вновь повторить пробег.
      А что значит «очень быстро»? Слева направо луч бежит всего одну миллионную долю секунды. В этом случае скорость прямого хода (то есть пробега слева направо) составит в привычных нам единицах примерно 100 километров в секунду, или 360 000 километров в час. Если бы луч скользил не по экрану, а по земле, его след в течение часа десять раз обежал бы вокруг Земли!
      Разве это не быстро? Быстро. Но в электронике даже такая скорость еще далека от рекордной. Слева направо луч бежит быстро, а справа налево (то есть во время обратного хода) еще примерно раз в сто быстрей.
      А от чего зависит скорость пробега? Что заставляет луч, добежав до края экрана, возвращаться
      назад? Чтобы ответить на эти вопросы, придется рассказать о принципах управления электронным лучом.
      Луч управляется электронами. Электронов в этом процессе участвует много: одни создают электрический импульс, другие, вылетев из электронной пушки, несутся от катода к экрану трубки, а третьи в то же самое время управляют лучом. Вот почему за одну миллионную долю секунды в электронной схеме происходит столько событий, что подробный рассказ о них мог бы занять часы. Мы не будем здесь обсуждать все детали. Но самого принципа управления электронным лучом стоит коснуться подробнее, ведь сейчас мы знакомимся с первым электронным прибором, в котором действием множества электронов создается единый сложный процесс. А поскольку процесс электронный неощутим и невидим, мы попробуем для начала обратиться к условной модели. В ней все «весомо, грубо, зримо», и тем не менее она довольно-таки точно воспроизводит процесс управления электронным лучом.
      Представьте себе резервуар определенной емкости — допустим С литров, который через узкий шланг наполняют водою. За время Т, уровень воды в резервуаре поднимется от А до В.
      Поплавок П, поднимаясь по мере наполнения резервуара, поворачивает стрелку, которая в нашей условной модели играет роль луча. За время Т, конец стрелки сместится вверх по экрану от точки 1 до точки 2.
      В этот момент открывается люк, расположенный в нижней части резервуара, и уровень понижается от В до А. Поскольку люк шире, чем шланг, слив происходит намного быстрее, чем наполнение (время Т2. меньше, чем Ti). При этом стрелка-луч вернется из точки 2 в точку I. Не правда ли, наша система напоминает те многочисленные бассейны из школьных задачников, в которых через трубу А вливается х литров воды в минуту, а по трубе В у литров утекает прочь? Но есть и различие. Там вода обычно течет по обеим трубам одновременно. А в нашей системе трубы действуют поочередно. Благодаря этому за время Т| стрелка медленно поднимается, а затем быстро падает вниз за время Т2.
      Описанный нами процесс изображен в виде графика, из которого видно, как за время Т,уровень медленно повышается от А до В, а за время Т2 быстро падает от В к А.
      Теперь, наверное, легче понять, как протекает процесс в электронной схеме. «Резервуаром» является конденсатор С, «насосом» — источник тока Е, а «шлангом» — большое сопротивление R,.
      По мере того как заряжается конденсатор, растет
      уровень в «резервуаре» — в данном случае это уровень напряжения между обкладками конденсатора, который обозначают обычно через Uc.
      Ключ К является своеобразным «люком»: он открывает путь току через малое сопротивление R2 и тем самым дает возможность осуществиться «сливу». Поскольку сопротивление «слива» R2 много меньше сопротивления «шланга» Ri, напряжение на конденсаторе очень быстро падает от Uc до нуля.
      График процесса мы с вами уже изучили.
      Вместо уровня воды в резервуаре по вертикальной оси будем теперь откладывать напряжение на конденсаторе Uc-
      Нетрудно заметить, что график по форме подобен зубу. Если процесс повторяется неоднократно, возникает несколько зубьев, а вместе они образуют пилу. Такое пилообразное напряжение и управляет лучом. Если конденсатор подключен к вертикальным пластинам, луч смещается в горизонтальной плоскости. За время Т, (длинный скос) луч смещается слева направо, за время Т2 (короткий скос) совершает быстрый обратный ход.
      Надо заметить, что скорость луча зависит от скорости «наполнения резервуара», то есть от скорости нарастания напряжения Uc. Пока конденсатор заряжен мало, скорость эта почти постоянна и луч с постоянной скоростью пересекает экран. Чтобы выдержать скорость луча, емкость «резервуара» всегда выбирают с запасом, стараясь не заполнять его «до краев».
      Чтобы понять до конца этот принцип, нам остается решить только один вопрос.
      В нашей условной модели люк для слива в нужный момент открывали мы сами. А кто в приведенной схеме замыкает в нужный момент ключ К?
      Эта задача решается с помощью трехэлектродной лампы — триода. Вот о ней-то у нас и пойдет теперь речь.
     
      СЕТКА СДЕЛАЛА РЕВОЛЮЦИЮ
      1.37
      Введение между катодом и анодом рассмотренной нами лампы-диода третьего электрода (управляющей сетки) позволило управлять током, протекающим в лампе.
      С появлением трехэлектродных ламп — их стали называть триодами — неизмеримо расширилась область использования электронных ламп.
      1.38
      Управление током в триоде осуществляется с помощью напряжения, приложенного между катодом и сеткой. При большом отрицательном потенциале сетки (по отношению к катоду) она станет служить непреодолимым барьером для электронов. Они будут «толпиться» в пространстве между катодом и сеткой; лампа окажется запертой, так как от катода к аноду ток не потечет, несмотря на то, что так же, как и в диоде, к аноду приложен плюс.
      ЭТО ЛЕЖИТ В ОСНОВЕ
      Чтобы ликвидировать «столпотворение», достаточно изменить на сетке минус на плюс, и она начнет оказывать помощь аноду, так как ее положительный потенциал сложится с положительным потенциалом анода. Через лампу потечет сильный ток. Однако при этом сетка может превратиться из помощника анода в его конкурента: часть электронов будет притягиваться к ней, не долетев до анода. В лампе появится вредный сеточный ток.
      Чтобы избежать сеточных токов, на сетки работающих в электронных схемах триодов подается «маленький минус» — небольшой отрицательный потенциал.
      1.40
      Все, что было рассказано о процессах, происходящих в трехэлектродной лампе, можно изобразить кривой линией. Она показывает, как меняется анодный ток в лампе в зависимости от напряжения между ее электродами, и называется характеристикой лампы.
      1.41
      Характеристика лампы есть график.
      Графики служат для наглядного изображения зависимости двух каких-нибудь величин. Ну, например, чем больше времени пешеход находится в дороге, тем больший путь он проходит. График путника, если он шел с постоянной скоростью, изобразится наклонной прямой.
      А если к концу пути пешеход утомился, график будет выглядеть кривой.
      В этом случае говорят, что путь нелинейно зависит от времени.
      1.42
      Нелинейной кривой изображается всякий процесс ускорения, например, ускорение освоения каким-либо предприятием, использующим электронику автоматических (программно-управляемых) станков.
      В предыдущих примерах каждый график показывал, как какая-то величина (путь, количество станков) зависит от времени. С таким же успехом можно выразить с помощью графика связь любых величин.
      Можно показать, как зависит дальность полета самолета от запаса топлива; его скорость от силы двигателя; сопротивление воздуха от скорости полета и т. д. и т. п.
      1.43
      Теперь вернемся к характеристике лампы. Зависимость анодного тока L от напряжения между катодом и сеткой Uc называют анодно-сеточной характеристикой лампы. Зависимость того же тока анода 1« от напряжения на аноде (точнее, от напряжения между катодом и анодом) называют анодной характеристикой лампы.
      Анодно-сеточная характеристика снимается так. Пусть при отрицательном потенциале на сетке Uc=—12 вольт анодный ток 1«=2 миллиамперам (то есть 2 тысячных доли ампера).
      Отложим — 12 вольт на горизонтальной оси графика, а 2 миллиампера — на вертикальной оси.
      Пересечение двух прямых, параллельных осям графика, дает точку а.
      1.44
      При разных значениях напряжения Uc и неизменном напряжении U» получаем различные значения тока U.
      Отложим много точек для разных значений Uc от —12 до +12 вольт, соединим эти точки и получим анодно-сеточную характеристику лампы.
      Как видите, в этом случае график опять нелинеен: у точки а ток нарастает медленно, между точками b и d — быстро (и, кроме того, линейно), а в точке е перестает расти.
      1.45
      Самая подробная характеристика не может дать полного представления о человеке.
      Характеристика лампы дает исчерпывающие сведения о ее поведении. На ней видны все процессы, о которых рассказано в разделах 1.38—1.39.
      Рассмотрим некоторые наиболее характерные точки на графике зависимости анодного и сеточного тока от потенциала на сетке.
      Точка 1. Отрицательный потенциал сетки настолько велик, что сетка не пропускает сквозь себя электроны, поэтому анодный ток равен нулю.
      Точка 2. Отрицательный потенциал на сетке уменьшен настолько, что сетка уже не может служить непроходимым барьером для электронов. Электроны достигают анода, течет анодный ток (зеленый цвет).
      Начал расти и сеточный ток, хотя потенциал сетки все еще отрицателен. Это происходит за счет большой скорости и соответствующей ей высокой кинетической энергии вылетающих с катода электронов. Этой энергии достаточно, чтобы преодолеть отталкивающее действие сетки и создать сеточный ток (синий цвет).
      Точка 3. Теперь начнем повышать положительный потенциал сетки до тех пор, пока она не станет конкурентом анода. При дальнейшем увеличении положительного потенциала на сетке увеличение анодного тока замедляется, а сеточный ток интенсивно растет.
      1.46
      Характеристика позволяет определить, что при изменении ис, например, от —6 до +6 вольт, то есть на 12 вольт, анодный ток изменяется от 5 до 15 миллиампер (см. 1.44).
      Сигнал, воздействующий на сетку, обычно бывает намного слабее. Предположим, что напряжение между катодом и сеткой изменяется от —0,6 до +0,6 вольта, то есть на 1,2 вольта. Анодный ток при этом изменяется на 1 миллиампер. (Кстати заметим, что на линейном участке характеристики существует прямая пропорциональность между напряжением и током.)
      Если к аноду триода подключено сопротивление, равное 24 килоомам (24 тысячи ом), то колебания тока создадут в нем колебания напряжения с размахом: 1X10~f амп. -24X10-3 ом= 24 вольта.
      Значит, поданные на сетку колебания 1,2 вольта превратились в 24 вольта в анодной нагрузке — лампа усилила колебания в 20 раз. Усиление объясняется тем, что сетка в триоде расположена рядом с катодом, и малейшие изменения потенциала на сетке приводят к заметному изменению анодного тока, а следовательно, к изменению напряжения в анодной нагрузке. Включив последовательно несколько усилительных ламп (их называют также усилительными каскадами), можно усилить слабый сигнал в сотни тысяч и в миллионы раз.
      Не нарушается ли закон сохранения энергии, когда триод превращает слабый сигнал на сетке в мощный сигнал в анодной цепи?
      Разумеется, нет. Электроды триода подключены к источнику постоянного тока. Триод заимствует у источника часть энергии, чтобы с ее помощью усилить поданный на его сетку сигнал.
      Способность усиления — это очень ценное свойство триода, которое электроника использует буквально на каждом шагу.
      5 октября 1956 года французский ученый Ли де Форест был удостоен высокой награды - - ордена Почетного легиона. На торжественной церемонии вручения ордена присутствовал один из основоположников квантовой физики Луи де Бройль. Выступая с приветственной речью, Луи де Бройль отметил, что имя Ли де Фореста стало одним из великих имен современной науки и техники благодаря открытию, сделанному полвека назад.
      «Специалисты всех областей науки должны выразить Ли де Форесту свое почтение, свою признательность и свое восхищение»,— сказал в заключение Луи де Бройль.
      Что же это за великое открытие, вызывающее восхищение и признательность даже полвека спустя?
      На первый взгляд оно вовсе не кажется таким грандиозным. За три года до открытия Ли де Фореста английский ученый Д. Флеминг разработал уже знакомую нам двухэлектродную лампу (см. 1.26 и 1.27). А Ли де Форест предложил всего-навсего ввести между анодом и катодом лампы-диода еще один электрод.
      Казалось бы, что тут великого? Было в лампе два электрода, а потом стало три.
      Но какие неожиданные возможности приобрела техника с появлением трехэлектродных ламп!
      Ли де Форест назвал свою лампу «аудионом». Со временем эго название было забыто, и теперь лампу с тремя электродами называют триодом.
      Впоследствии появились лампы с четырьмя, пятью и даже шестью сетками. Вошло в традицию именовать типы вакуумных ламп по числу содержащихся в них электродов: диод от слова диа (два); триод—три, тетрод — тетра (четыре), пентод — пента (пять) и т. д. С помощью дополнительных электродов вносились нужные изменения в характеристики ламп. Появилось огромное количество различаемых по их конкретным наименованиям (шифрам) диодов, триодов, тетродов, пентодов.
      Но, говоря словами того же Луи де Бройля, «как бы ни были важны изменения, внесенные с течением времени в первоначальный образец триода, все современные типы ламп этого рода всегда основаны на следующем существенном принципе, введенном Ли де Форестом: регулировке изменения тока, который течет в вакуумной лампе между катодом и анодом, с помощью других вспомогательных электродов».
      Все гениальное кажется очень простым. Лучшим тому подтверждением может служить первая сетка, сделавшая революцию в технике.
      И едва ли удастся найти сейчас электронный прибор, который обходится без триодов. Правда, вместо триода, с которым мы только что познакомились, все чаще и чаще используют полупроводниковый триод (транзистор).
      Но, несмотря на различия в принципе их действия, все триоды (и вакуумные и полупроводниковые) решают одни и те же задачи: либо усиливают и преобразовывают сигналы, либо используются для включения и выключения тока, то есть служат простым «ключом». Точнее, ключом в этом случае является сетка, а весь триод подобен замку.
      Не случайно первые трехэлектродные лампы получили название пустотных реле. (В электротехнике словом «реле» называют устройства, осуществляющие переключение участков цепи. До появления трехэлектродных ламп такую задачу можно было решить лишь с помощью электромагнита. Притягивая сердечник, магнит включает один контакт и разрывает другой. Триод дал возможность прерывать и включать ток без магнита и без контактов, причем время переключений сократилось в тысячи раз.)
      Первый триод, созданный в нашей стране под руководством М. А. Бонч-Бруевича, был призван решать именно эту задачу. Так его и окрестили: ПР-1, то есть пустотное реле типа 1.
      Эта способность триода приобрела особую актуальность, когда начали применяться счетные и логические схемы электронных машин. В процессе обработки информации компьютером участвуют одновременно сотни тысяч таких «реле». Правда, вакуумные триоды использовались только в ЭВМ первого поколения, и вскоре их место заняли их собратья — транзисторы из полупроводников.
      Принципам действия счетных и логических схем мы посвятим отдельную книгу. А пока вернемся к схеме, рассмотренной-нами в новелле «Почти по задачнику», в которой триод тоже работает как реле.
      Рассмотрим схему формирования пилообразного сигнала, управляющего бегущим по экрану лучом.
      Конденсатор подключен к аноду триода. Пока триод заперт, происходит заряд конденсатора; ток течет от источника Е на землю через конденсатор С и большое сопротивление Ri.
      Напряжение на конденсаторе медленно нарастает, создавая длинный пологий скос зуба пилы. Затем на сетку приходит импульс и, создав положительный потенциал на сетке, отпирает триод. Открытый триод -все равно что широкий люк в резервуаре: через него очень быстро стекает на землю весь накопленный «резервуаром» заряд. Время разряда Т2 соответствует короткому скосу зуба. В это время луч на экране совершает обратный ход.
      Вот, собственно, и рассмотрен весь принцип прибора, позволяющего увидеть то, что невидимо.
      Осталось коснуться одного важного обстоятельства. Чтобы изображение импульса на экране было четким и неподвижным, необходимо, чтобы луч при каждом новом пробеге шел одним и тем же маршрутом. Лучше всего эту задачу решать по принципу «самообслуживания»: сделать так, чтобы импульс, который должен стать видимым, в нужный момент сам для себя запускал пилу. Пила запускается с помощью дополнительного триода-ключа. Импульс проходит сначала на сетку и, отперев триод, заставляет луч бежать по экрану. На экран тот же импульс придет несколько позже (для этого есть специальные схемы задержки импульса). Благодаря этой задержке импульс окажется в середине экрана и будет виден весь целиком.
      Со следующим импульсом повторится то же самое, и он тоже окажется в середине экрана. С приходом каждого импульса луч повторяет пробег по одному и тому же маршруту, обновляя свой собственный след.
      Принцип, с которым мы познакомились, пригоден не только для наблюдения имульсов или других электронных процессов. Он еще позволяет решать задачу огромной важности: измерять время с точностью до миллионных и миллиардных долей секунды. Вполне очевидно, насколько важным является это для нужд самой электроники: ведь электроны так расторопны, что почти все поручения выполняют за миллионные доли секунды.
      Для измерения времени, в течение которого длится импульс, достаточно знать его ширину на экране и скорость луча. Если весь экран луч пробегает за одну миллионную долю секунды, то есть за одну микросекунду, то длительность импульса на рисунке составит 0,8 микросекунды. Для удобства отсчета можно заставить луч слегка отклоняться с помощью импульсов-меток и отсчитывать по этим меткам, скажем, десятые доли микросекунд. Можно замерять время между двумя различными импульсами. Именно так поступают в локации: по расстоянию между импульсами определяют, как далеко находится цель.
      Допустим, импульс-1 попал на экран одновременно с тем импульсом, который был излучен антенной локатора. За время Т этот импульс успел долететь до цели и, отразившись, вернуться назад. Здесь он усилился приемником и вновь отклонил электронный луч. На экране возник новый импульс (импульс-2).
      Импульс летит со скоростью света, то есть 300 000 километров в секунду. Расстояние 150 метров туда, до цели, и 150 метров обратно он пройдет за одну миллионную долю секунды, то есть как раз за то время, в течение которого луч пересек экран. Значит, между временем Т на экране (при известной скорости пробега луча) и расстоянием до отражающей цели существует вполне определенная связь. Чтобы определить расстояние с точностью до 10 метров, надо измерить время с точностью до десятых долей микросекунды. Такую задачу можно решить только с помощью электронных приборов, позволяющих растянуть на экране миллионные доли секунды, подобно тому как микроскопы «растягивают» микроскопические объекты, увеличивая их в несколько тысяч раз.
      Представьте себе, что кто-то решил измерять миллионные доли секунды, не прибегая к помощи электроники. Можно ли сделать это с помощью секундомера?
      Стрелка его совершает один оборот в секунду. Ест и в одном миллиметре циферблата секундомера содержится миллионная доля секунды, то длина окружности циферблата дожна составлять миллион миллиметров, или один километр, а диаметр - около 300 метров: циферблат оказался выше здания МГУ!
      А может быть, надо заставить стрелку совершать один оборот в микросекунду? Тогда за секунду она должна совершить миллион оборотов. Если вращать такое устройство мотором, совершающим 100 оборотов в секунду, то придется ставить редуктор. Попробуем стрелку «микросекундомера» укрепить на колесике диаметром в один сантиметр. Тогда на входе редуктора придется поставить стометровое колесо. Сколько же надо затратить энергии, чтобы вращать со скоростью 100 оборотов в секунду стометровое колесо?!
      Результат получается парадоксальный: ничтожно маленькая микросекунда требует фантастически громадных часов. А удивляться здесь, собственно, нечему. Механика слишком тяжеловесна для измерения миллионных долей секунды. Тут нужны иной «механизм» и иные «детали» — подвижные, легкие, в общем, такие, как электрон.
      ЭРА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
      1 июля 1948 года в газете «Нью-Йорк тайме» появилась короткая информация, которая, как стало ясно впоследствии, знаменовала начало новой технической эры. А в момент опубликования значение изложенных фактов для будущего всего человечества мог оценить лишь опытный специалист. Вот что было написано в газетной заметке, опубликованной более 40 лет назад: «Вчера фирма «Белл телефон лабораториз» впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», который в отдельных случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп... Он начинает работу мгновенно, без задержки на разогрев, так как в отличие от радио-
      лампы в нем нет накала. Рабочие элементы прибора состоят всего из двух тонких проволочек, подходящих к кусочку твердого полупроводникового материала, величиной с булавочную головку, приплавленному к металлическому основанию. Вещество, помещенное на металлическом основании, усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток».
      Человеку, не соприкасавшемуся с техникой создания и использования электронных приборов, содержащиеся в таком сообщении факты могли показаться такими же мелкими, как и те тонкие проволочки и тот материал величиной с булавочную головку, о которых шла речь в цитируемой статье.
      Специалисты восприняли эти факты совсем по-иному. Они сразу оценили все те преимущества, которыми обладали созданные американскими физиками Дж. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли первые образцы полупроводниковых приборов. Для этого достаточно было сопоставить булавочную головку с размерами вакуумного триода.
      Помимо малых размеров, полупроводники обладают и целым рядом других преимуществ. Они потребляют гораздо меньше энергии и служат дольше, чем вакуумные лампы, приблизительно в десять раз.
      Полупроводниковый диод или триод не нуждается в нити накала, без которой не обходится ни одна из электронных ламп. Эта маленькая деталь влечет за собой большие последствия: экономится расход энергии, он сокращается чуть ли не вдвое из-за того, что в транзисторе не нужно раскалять нить.
      При включении и выключении ламп нить то нагревается, то остывает. Подобные встряски выводят ее из строя значительно раньше других деталей, которые содержатся в лампе. «Где тонко, там и рвется»,— говорится в пословице. В электронной лампе раньше всего рвется ее тонкая нить. А каждый отказ электронной лампы вещь весьма неприятная — весь прибор выходит из строя, и не так-то просто бывает узнать, какая из ламп в данном случае подвела. Уже одного этого преимущества (отсутствия нити накала) достаточно, чтобы во всех случаях, когда это возможно, специалист предпочел вакуумным электронным приборам приборы из полупроводников.
      Одна лампа требует для разогрева нити накала ничтожных долей ватта. Ну а если работают одновременно тысячи ламп?
      А ведь как раз в эго самое время начали создаваться первые электронно-вычислительные машины, размеры и надежность которых определялись именно размерами, энергетической емкостью и надежностью используемых в них вакуумных ламп.
      Оглядываясь назад, можно сказать, что полупроводниковый прибор подоспел как раз в то самое время, когда в нем особенно остро стала ощущаться нужда. И именно по этой причине первое сообщение о действующем полупроводниковом приборе породило лавину сообщений о результатах исследований свойств полупроводниковых приборов, создаваемых параллельно во многих лабораториях мира.
      Сообщения эти носили не только оптимистичный характер. Вскоре были выявлены и многие факторы, ограничивающие возможности использования полупроводниковых приборов вместо вакуумных ламп. Первые образцы таких диодов и триодов (транзисторов) были пригодны для усиления и преобразований маломощных сигналов. Их характеристики были очень чувствительны к изменениям температуры и значительно уступали по температурной стабильности параметрам вакуумных ламп. Но очевидные преимущества, обусловленные их миниатюрными размерами, малым потреблением энергии, мгновенной готовностью к действию вследствие отсутствия нити накала, отсутствием хрупких стеклянных баллонов — все эти чрезвычайно важные для развития электроники свойства стимулировали активные поиски способов увеличения их температурной стабильности, увеличения мощности, расширения диапазона частот. Со временем поиски увенчались успехом и породили огромное разнообразие транзисторов и полупроводниковых диодов, предназначаемых для различных технических нужд.
      А вслед за отдельными транзисторами и диодами, выполнявшими функции, аналогичные функциям вакуумных электронных приборов, начали создавать пленочные интегральные схемы, в которых транзисторы и диоды превратились в микроскопические многослойные структуры, напыляемые на поверхность кристаллов, словно тончайшая паутина, сотканная имеющим размеры микроба фантастическим пауком. К настоящему времени интегральная техника стала столь совершенной, что сотни тысяч транзисторов и диодов удается расположить на поверхности, не превышающей размеров ногтя на пальцах человеческих рук.
      При этом вся полупроводниковая техника, начиная от первых транзисторов и включая совершеннейшие интегральные схемы, использует открытые физикой твердого тела уникальные свойства полупроводниковых материалов, в которых, помимо характерного для металлов электронного тока, возникает еще и дырочный ток.
     
      ЭЛЕКТРОНЫ ВСТРЕЧАЮТСЯ С ДЫРКАМИ
      1.47
      Чем дырочный ток отличается от электронного тока? Придется начать «танцевать от печки», вспомнив еще раз о том, что восемь электронов на наружной орбите атома составляют полный комплект. Если до полного комплекта атому недостает одного-двух электронов, он их охотно присвоит. А если на его наружной орбите электронов «раз-два и обчелся», он «предпочтет» их отпустить на свободу и превратиться в положительный ион.
      Так ведут себя атомы различных металлов. Иное дело — полупроводники.
      Например, на наружной орбите атома кристалла германия обитают четыре электрона, то есть как раз половина комплекта. Как поступить в данном случае атому: добрать до комплекта недостающие четыре электрона или расстаться с имеющимися четырьмя?
      1.48
      В действительности атом германия не делает ни того, ни другого. Все атомы кристаллического германия образуют сложную пространственно-симметричную структуру, в которой наружная орбита каждого атома как бы «переплелась» с орбитами четырех атомов, расположенных рядом.
      Электрон соседнего атома, оказавшись на общей орбите, выполняет теперь роль «совместителя», принадлежащего как бы одновременно двум атомам. Четыре соседних атома дают четырех совместителей. Четыре «своих» электрона совместно с четырьмя «совместителями» образуют полный комплект.
      В свою очередь, атом-сосед таким же образом взаимодействует с четырьмя своими соседями. Благодаря «совместительству» электронов каждый атом кристаллической решетки германия обладает полным комплектом, а все их наружные электроны связаны нерасторжимыми узами, как члены дружной семьи.
      Но вот внутрь кристалла германия проник чужеродный атом примеси, имеющий на наружной оболочке не четыре электрона, а пять. Чужеродный атом расположился в узле решетки кристалла. При этом четыре его электрона становятся «совместителями» для четырех соседних атомов германия, а пятый наружный электрон атома-примеси оказался здесь не у дел. Примесь, атомы которой имеют вот такие «лишние» электроны, называют донорной примесью. Для германия или кремния донорной примесью могут служить мышьяк и сурьма.
      1.49
      «Вливание крови», полученной от многочисленных атомов-доноров, дают кристаллам германия или кремния свободные электроны. При подаче внешнего напряжения «кровь» начнет циркулировать по кристаллу — в нем будет течь электрический ток.
      1.50
      В качестве примеси можно использовать индий, у которого на внешней оболочке атомов имеются не пять, а три электрона.
      Всем трем электронам атома индия найдется место в структуре кристалла, но одного электрона будет недоставать.
      Это «пустое место» специалисты назвали дыркой.
      Примесь, создающую дырки в структуре кристалла, называют акцепторной.
      1.51
      Там, где возникла дырка, заряд ядра атома не будет уравновешен, и он окажется с лишней порцией положительного заряда. К положительно заряженному атому со всех сторон потянутся электроны. Ближайший из них займет вакантное место. В данном атоме дырка исчезает. Зато возникает дырка в том атоме, из которого только что перебежал электрон.
      С новой дыркой произойдет то же самое, что и с предыдущей: место ушедшего электрона вскоре займет другой. Теперь дырка переместится в следующий, третий атом, а из соседнего, четвертого атома вновь придет электрон. Электроны поочередно станут занимать вакантное место, а само это место будет двигаться им навстречу.
      1.52
      То же самое происходит в том случае, когда один из правофланговых солдат покинет шеренгу, а остальные по команде «сомкнись!» станут восстанавливать сомкнутый строй. Солдаты поочередно делают шаг вправо, а пустое место движется к левому флангу. Таким же образом перемещаются дырки в полупроводником кристалле при наличии разности потенциалов на его концах. При отключении источника напряжения, приложенного к кристаллу, перемещение дырок становится хаотичным. Его можно сравнить с расстроенными шеренгами во время отступления под натиском превосходящего по силам врага.
      1.53
      Сама дырка не содержит заряда. Но в том месте, где она образуется, заряд атома неуравновешен, так как здесь отсутствует один электрон. Зуачит, там,
      где есть дырка, присутствует порция положительного заряда. Если дырки перемещаются, то вместе с ними, как тени, перемещаются и положительные заряды. Так возникает своеобразный дырочный ток.
      Поле, возникающее в кристалле под действием приложенного к нему напряжения, регулирует это движение: электроны устремляются к положительному электроду, заполняя дырки, встречающиеся по пути. Дырки будут перемещаться навстречу, к отрицательному электроду.
      Говорят, что кристалл, снабженный с помощью донорных примесей избыточными электронами, обладает п-проводимостью; п в данном случае означает, что проводимость обусловлена отрицательными зарядами: отрицательные—негативные, а по-английски — negative.
      При наличии дырок возникает р-проводимость; р — положительная, позитивная (по-английски — positive).
      1.54
      Транзисторы завоевали всеобщее признание спустя несколько лет после того, как был создан первый полупроводниковый прибор. Их преимущества стали для всех очевидны: благодаря транзисторам радиовещательные приемники перестали быть «домоседами». Ламповые приемники лишены возможности перемещаться с места на место не только из-за своей тяжеловесности и размеров, но и из-за значительного потребления энергии, поступающей к ним из общей электросети. Они привязаны шнуром к настенной розетке, словно охраняющие дом сторожевые псы.
      Эту цепь удалось разорвать, заменив электросеть аккумуляторной батарейкой из нескольких гальванических элементов, используемой для питания радиоприемника на основе полупроводников. Если подобный источник питания попытаться применить для лампового приемника, придется включать последовательно около 100 элементов по 1,5 вольта каждый, чтобы поднять напряжение хотя бы до требуемых 127 вольт. При этом запаса энергии всех 100 элементов едва хватило бы всего лишь на один час работы приемника ввиду большого расхода мощности, необходимой для питания радиоламп.
      То ли дело транзисторные приемники! Им достаточно батарейки всего из 6 элементов, обеспечивающей 12 вольт напряжения с запасом энергии на много недель, Снабженный такой батарейкой миниатюрный полупроводниковый приемник начал свободно перемещаться по улицам, площадям и паркам, превратился в постоянного пассажира пригородного транспорта, его голос стал заглушать голоса певчих птиц лесов и полей. Владельца такого приемника можно легко отличить не только по издаваемым им похожим на чревовещание звукам, но и по переброшенному с щеголеватой небрежностью через плечо тонкому ремешку, прикрепленному к кожаному футлярчику, болтающемуся чуть выше бедра.
      В обиходе такие приемники стали именоваться транзисторами, хотя, по сути дела, транзистор — это не сам приемник, а те приборы, которые используются в нем вместо радиоламп.
      Популярность таких приемников с каждым годом становилась все шире. Но мало кто из их владельцев задумывался над тем, почему создание подобных приемников стало возможным только благодаря полупроводникам. Почему именно «полу»?
      С тех пор как техника занялась электричеством, она применяла материалы двух категорий: изоляторы и проводники. Проводники очень нужны для передачи тока: с этой целью из металлов, обладающих малым сопротивлением току (медь, алюминий, серебро), изготовляют электрические провода. А чтобы провода не замыкались и ток шел в одном направлении, каждый провод окру-
      НИ РЫБА НИ МЯСО
      жен материалом, не пропускающим ток. Вот почему изоляторы тоже находят себе применение с тех пор, как люди используют электрический ток.
      Провода делают из металлов. Помимо них, проводниками являются газы и растворы солей (1.24, 1.25).
      Изоляторы — это фарфор, керамика, стекло, резина.
      Были известны и такие материалы, которые по своим свойствам не подходили ни к той, ни к другой категории. Их назвали полупроводниками, хотя с таким же успехом могли назвать и полуизоляторами. Эти вещества проводят ток несколько лучше, чем изоляторы, и в то же время значительно хуже проводников; короче, это и плохие изоляторы, и плохие проводники. Такими свойствами обладают чистые элементы: кремний, селен, германий, теллур. А есть и химические соединения, обладающие теми же свойствами, например окислы некоторых металлов, соединения с серой (сульфиды) или с селеном (селениды). Некоторые сплавы металлов тоже ведут себя как полупроводники.
      Так же, как в изоляторах, в полупроводниках все электроны прочно связаны с атомами (см. 1.48). При нагревании полупроводниковых кристаллов некоторым электронам все же удается выйти из-под влияния атомов. Поскольку таких электронов немного, ток, возникающий в нагретом полупроводниковом кристалле, будет весьма невелик.
      Все рассказанное было давно известно. Свойства германия предсказал еще Д. Менделеев, который, кстати, его и открыл, назвав его экасилицием. А силицием тогда называли кремний. Этим названием Менделеев хотел подчеркнуть их родство.
      Немецкий ученый К. Винклер подробно исследовал свойства германия и в честь своей родины дал ему имя, которое и сохранилось до наших дней.
      Разумеется, химикам необходимо было исследовать и германий и кремний. Но ни электротехника, ни электроника долгое время не проявляли к ним интереса. И это естественно: какой им прок от материала, который не может служить ни надежным изолятором тока, ни хорошим проводником? Так, нечто среднее, «полу-полу», или, как говорится, ни рыба ни мясо, ни богу свечка, ни черту кочерга.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
     
      ПЛОДЫ ОДНОГО СТОЛЕТИЯ
      (Заключение)
      Вот мы и у финиша. Можно теперь подводить итоги всему, что повстречалось в пути.
      Рассказать хотелось о многом. Но пришлось ограничиться основным- Коснуться только фундаментальных идей, возникавших на разных этапах создания электроники и послуживших главными вехами на ее славном пути. Показать, как одни и те же идеи могут использоваться для самых различных целей. А главное - убедить читателя в том, что без электроники нет XX века, точно так же, как нет культуры древней Эллады без ее дворцов, храмов и великолепных скульптур.
      Подумать только: все гигантское здание электроники было воздвигнуто человечеством всего за одно столетие.
      Закончив маршрут, всегда полезно последний раз оглянуться. Взгляду откроется панорама, и быть может, последнее впечатление и окажется наиболее полным.
      Как же выглядит электроника, если, окинув прощальным взглядом, попытаться увидеть ее сразу всю целиком?
      Воображению рисуется гигантское дерево, корни которого уходят в глубокую научную почву, а ветви тянутся ко всем современным техническим областям.
      Так выглядит это могучее дерево в данный момент. А какие побеги даст это дерево завтра, через 10 и 20 лет? На этот вопрос не возьмется ответить ученый. И едва ли рискнет ответить фантаст. Кто знает, какие вырастут новые ветви и какие родятся плоды?
      Первая радиостанция, созданная А. Поповым, связала Кронштадт с островом Гогланд в 1900 году. И с тех пор каждое десятилетие порождало новую ветвь.
      Десятые годы нашего века — радио учится говорить.
      Двадцатые —дальние передачи. Связь на коротких отраженных ионосфероой волнах.
      Тридцатые — освоены принципы телевидения.
      Сороковые — радиолокационные станции, арсенал новых электронных приборов для генерации и усиления сантиметровых волн: клистрон, магнетрон, лампа с бегущей волной.
      Пятидесятые — вычислительные машины, внедрение полупроводниковых приборов.
      Шестидесятые — квантовые генераторы. На помощь радиоизлучениям пришли световые лучи.
      Семидесятые — большие интегральные схемы, сверхпроводящая электроника, голография, волоконно-оптические линии связи.
      Восьмидесятые — сверхбольшие интегральные схемы, емкая электронная память, миниатюрные компьютеры в одном кристалле, сети взаимодействующих электронных машин.
      Девяностые —
      Что еще успеет создать электроника до начала третьего тысячелетия?
      Судить об этом совсем не просто. Ведь вплоть до середины нашего века никто не знал о возможностях создания электронного «мозга» и огромного семейства «умных» машин. А потом за каких-нибудь тридцать лет возникло такое обилие средств вычислительной техники, что все мы оказались или участниками, или свидетелями компьютерной революции, переживающими всевозрастающий информационный взрыв.
      В этой книге почти ничего не рассказано о компьютерах. О них стоит написать еще одну книгу.
      А пока подчеркнем еще раз, что как ни стремительно развивалась до сих пор электроника, темпы по-прежнему продолжают расти. Нельзя предречь всех направлений ее развития, но можно с полной уверенностью сказать: какие бы отрасли техники ни возникали в ближайшем или далеком будущем, электроника еще долго останется на передовых рубежах.

 

 

НА ГЛАВНУЮТЕКСТЫ КНИГ БКАУДИОКНИГИ БКПОЛИТ-ИНФОСОВЕТСКИЕ УЧЕБНИКИЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКАФОТО-ПИТЕРНАСТРОИ СЫТИНАРАДИОСПЕКТАКЛИКНИЖНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ

 

Яндекс.Метрика


Творческая студия БК-МТГК 2001-3001 гг. karlov@bk.ru