Создание физических основ электроники. Развитие элементной базы в конце хiх В. -1960-е гг. (см. Документы №№ 64-102 хрестоматии)

История открытий, опыты по электричеству и магнетизму, создание теории электромагнитного поля, квантовая механика, электротехника, полупроводники,

полупроводниковая электроника, интегральные схемы

Важнейшая роль электроники в современной науке и тех-нике очевидна. Электроника - катализатор научно - технического прогресса, без нее невозможно освоение космических и морских просторов, развитие промышленности и транспорта, средств ин-форматизации и связи, атомной энергетики, медицины, биологии, автоматизация производства и др.

Электроника - область науки, техники и производства, включающая в себя изучение и разработку электронных прибо-ров и систем, принципов их использования и применения.

Развитие электроники связано с непрерывным совершен-ствованием электронной аппаратуры, что обусловлено невоз-можностью решать новые задачи старыми средствами на опре-деленных этапах развития науки и техники. Критериями для по-явления новой элементной базы электроники является расшире-ние функциональных возможностей приборов, их надежность, размеры, масса, мощность и стоимость. В данном разделе рас-сматривается история развития элементной базы электроники, микроэлектронных систем и оптоэлектроники.

Создание электромагнитной теории

Электрические и магнитные свойства материи наблюда-лись с древнейших времен. Но до середины ХVIII в. опыты с электричеством не носили последовательного характера и вос-принимались как некая "игра природы" (см. документ № 27 хрестоматии).

Термин "электричество" впервые появился в 1600 г. в трудах В. Гильберта. Немецкий ученый О. Герике в период 1650-1672 гг. провел серию опытов по электричеству и магнетизму. Им были изготовлены первые электростатические генераторы и при-боры для измерения статического электричества (см. документ № 64 хрестоматии). В 1745 г. нидерландский ученый Н. Мушенбрук изобрел электрический конденсатор - "лейденскую банку" (см. документы №№ 65, 67 хрестоматии). В середине ХVIII в. важные опыты в области исследования атмосферного электричества были проведены Б. Франклином и Ш. Кулоном, а также русскими учеными М. Ломоносовым и Г. Рихманом.

В период становления классического естествознания раз-работка теории электричества носила эмпирический характер и шла по пути от исследования явлений к созданию теорий и их математическому обоснованию. Эта тенденция отразилась в ис-следованиях петербургского академика Ф.-У. Эпинуса. В работах 1759 г. он развил теорию, согласно которой электрические явле-ния связаны с изменением количества электрических флюидов в теле по сравнению с его естественным состоянием.

Исследование электрических явлений постепенно утрачи-вало спонтанный характер и приобретало тенденцию к системно-му осмыслению. Исследования Эпинуса были продолжены и раз-виты Г. Кавендишем и Дж. Робайсоном. Однако основной закон электростатики открыл французский ученый Ш.-О. Кулон. Он доказал, что силы отталкивания и притяжения электрических за-рядов обратно пропорциональны квадрату расстояний между ними. Использовав полученный закон обратных квадратов, Кулон в работах 1790-х гг. теоретически установил, что электрические заряды распределяются по поверхности проводника. Основы электростатики, заложенные Кулоном, имели важнейшее теоре-тическое и прикладное значение не только для развития теории электричества, но и для определения единицы электрического заряда через величины, использовавшиеся в механике.

Начало систематических исследований в области элек-тричества во второй половине ХVIII в. распространилось на биологию. В конце 1780-х гг. итальянский физиолог Л. Гальвани наблюдал сокращение мышц препарированной лягушки, если к ним приложены два разных металла, находящиеся в контакте. Он предположил, что биологическая субстанция является своеобразной "лейденской банкой" и выдвинул теорию так называемого "животного электричества". Эта идея поначалу увлекла его соотечественника А. Вольта. Но, продолжив эксперименты, Вольта пришел к иному выводу. Исключив физиологию и взяв за основу чисто физические явления, Вольта определил, что электричество возникает в результате контакта двух разнородных металлов. В 1797 г. он создал первый искусственный источник электрического тока - "вольтов столб" - медные и цинковые кружки с суконными прокладками между ними, пропитанными слабым раствором кислоты (см. документ № 70 хрестоматии). Демонстрируя свое уважение к учителю, Вольта назвал свое изобретение "гальваническим элементом".

Гальвани вошел в историю как основоположник электрофизиологии, а Вольта - учения о электричестве. Оно вызвало огромный научный резонанс и повлекло за собой открытие других физических явлений: теплового действия тока, электрической дуги, электролиза. Гальванические элементы долгие годы были единственными источниками тока, с которых, по существу, началась электротехника.

Научные факты, указывающие на связь между магнетизмом и электричеством, начиная от притяжения пушинок янтарем и железных опилок магнитом до намагничивающего действия молнии, лейденской банки, непреложности закона обратных квадратов для электрических и магнитных явлений, пока не под-тверждались вескими аргументами. Эта связь была найдена бла-годаря опытам датского физика Г.-Х. Эрстеда в 1820 г. Он обна-ружил магнитные явления при протекании электрического тока в проводнике и первым высказал предположение о взаимосвязи между магнитными, электрическими и световыми явлениями. Заслуга Эрстеда в том, что, поняв важность своего открытия, он привлек к нему внимание ученых. С точки зрения дальнейшего развития электромагнитной теории, этот опыт стал необходимым звеном в цепи исследований.

Теория, объединяющая электрические и магнитные явле-ния, была разработана в 1820-1826 гг. французским ученым А.-М. Ампером. Он же ввел термины "электростатика" и "электро-динамика". Закон А.-М. Ампера определяет силу, возникающую при воздействии магнитного поля на участок проводника, через который протекает ток. Понятие "магнитного поля" тогда не бы-ло известно, оно появилось в работах Фарадея и Дж Максвелла. А.-М. Ампер вошел в историю как создатель теории электроди-намики.

Используя гальванические элементы, немецкий физик Г.-С. Ом разработал в 1826 г. теорию электрических цепей. Сначала эта теория осталась незамеченной, но ее поддержали русские фи-зики Б. Якоби и Э. Ленц, что помогло ее международному при-знанию. Законы Г.-С. Ома стали основой для всех электротехни-ческих расчетов в будущем.

В ходе опытов Г.-Х. Эрстед и А.-М. Ампер установили наличие магнитных свойств у электрического тока. Необходимо было решить обратную задачу - исследовать влияние магнитных явлений на электрические, что реализовал М. Фарадей. В ходе опытов 1831 г. он открыл явление электромагнитной индукции и высказал предположение о существовании электромагнитных волн и электромагнитного поля. Вслед за ним, Э. Ленц сформу-лировал правило для определения направления индукционного тока, которое носит его имя. Открытие явления электромагнит-ной индукции относится к наиболее выдающимся открытиям ХIХ в., поскольку лежит в основе работы всех электродвигателей и электрогенераторов последующих времен.

Таким образом, в начальном периоде классического есте-ствознания исследование электрических и магнитных явлений продвигалось на ощупь, благодаря ученым - одиночкам. Но к се-редине ХVIII в. в области эмпирических знаний проявилась тен-денция к системным исследованиям, подкрепленная количест-венным и качественным обобщением, получением математиче-ских зависимостей и, как следствие, появлением научного метода для создания электромагнитной теории.

Квантовая теория света

Зарождение основных представлений о физической природе света относится к концу XVII в. и связано с противоборст-вом двух, казалось бы, взаимоисключающих теорий: волновой и корпускулярной. И. Ньютон считал световой поток корпускуляр-ным, т.е. состоящим из частиц. Не смотря на непререкаемый ав-торитет Ньютона, его современник Х. Гюйгенс и, столетие спус-тя, О-Ж. Френель, Т. Юнг, В. Лейбниц, М. Ломоносов и Б. Франклин склонялись к волновой теории. Интерференция света, обнаруженная Ньютоном (кольца Ньютона) и обоснованная в качестве основы классической оптики только в начале ХIХ в. в трудах О.-Ж. Френеля и Т. Юнга, также указывала на волновую природу света.

Представления о свете были продолжены и развиты М. Фарадеем в 1845 г. Он установил связь между магнетизмом и светом и показал, что световые и магнитные колебания являются поперечными, причем последние распространяются с конечной скоростью, равной скорости света. Эта зависимость легла в осно-ву электромагнитной теории света. В работах М. Фарадея было введено понятие "магнитного поля" при отсутствии у автора ма-тематических методов описываемых явлений. Здесь сыграла роль научная интуиция и базовые физические представления ученого, а математическая взаимосвязь между магнетизмом и оптикой была установлена в 1864 г. Д.-К. Максвеллом.

Развивая идею М. Фарадея, Д.-К. Максвелл сформулиро-вал знаменитые уравнения, которые определяли математическую теорию электромагнитного поля и объяснили все известные яв-ления электромагнетизма. Используя свои уравнения, Д.-К. Мак-свелл пришел к выводу, что в пустоте электромагнитное поле распространяется с той же скоростью, что и свет, что является подтверждением электромагнитной теории света. Была доказана единая природа световых и электромагнитных волн, а именно подчинение законам отражения, преломления, интерференции и поляризации. Теория электромагнитных волн Д.-К. Максвелла, называемая иногда "электромагнитной картиной мира", при жиз-ни автора не имела всеобщего признания. Эксперименты Г. Герца 1880-х гг. и выдающегося русского физика П.Н. Лебедева сыгра-ли решающую роль в подтверждении этой теории. Они показали, что радиоволны подчиняются всем законам геометрической оп-тики, включая рефракцию и поляризацию. Опыты Г. Герца легли в основу создания беспроводной связи - телеграфа, телефона, ра-дио и телевидения. Не удивительно, что первое сообщение, пе-реданное в 1886 г. по телеграфу создателем радио А. Поповым, стало "Генрих Герц".

В 1900 г. М. Планк высказал предположение о квантовой природе света, которое возникло при изучении классической проблемы излучения "черного тела". Исследование инфракрасно-го излучения (ИК), открытого в 1800 г. В. Гершелем, нашло под-тверждение в теории М. Планка. Формула М. Планка связала интенсивность теплового излучения с длиной волны при различ-ных температурах нагрева вещества.

Теория квантов М. Планка совершила подлинную революцию в физике. Она стала основой для атомной теории, по-скольку в 1913 г. Н. Бор применил ее к строению атома, а также объяснила движение электронов в твердых телах и дала начало квантовой физике. Было доказано, что вещество излучает или поглощает энергию конечными порциями (квантами), пропор-циональными излучаемой или поглощаемой частоте. Энергия од-ного кванта Е=h •ν, где ν - частота излучения, а h - универсальная константа, названная постоянной М. Планка. За открытие кванта М. Планк стал лауреатом Нобелевской премии по физике в 1918 г.

Квантовая теория вновь обострила противоречия, связан-ные с природой света. В 1923 г. Л. де Бройль выдвинул и обосно-вал гипотезу об универсальности дуализма в микромире. Он рас-пространил идею А. Эйнштейна, высказанную в 1905 г., о двой-ственности природы света и вещества, т.е. каждой частице мате-рии, в частности, электрону, должна соответствовать волна. Вос-пользовавшись теорий относительности, де Бройль вывел форму-лу, связывающую длину волны движущейся частицы с ее им-пульсом: λ= h/P, где h - постоянная М. Планка. За открытие волновой природы электронов де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике, а его теория легла в основу волновой механи-ки. Открытие дифракционных (волновых) свойств микрочастиц привели к разработке новых методов исследования структуры веществ, в частности электронно-оптических методов.

Развитие квантовой механики, изучающей движение и взаимодействие электронов в атоме с учетом их волновых свойств, показало невозможность использования для описания этих процессов законов классической механики и электродинамики. Проблема была решена усилиями австрийского физика Э. Шрёдингера и немецкого физика В.-К. Гейзенберга. Э. Шрёдин-гер опубликовал в 1926 г. знаменитое квантово - механическое уравнение, ставшее основным уравнением квантовой механики и доказал фактическую тождественность волновой и матричной механики В.-К. Гейзенберга.

Квантовую механику, по определению швейцарского фи-зика В. Паули, называют "теорией дополнительности", поскольку квантовый объект может быть и частицей, и волной, но никогда ни тем, ни другим одновременно. Результаты исследований, по-лученные в том или ином случае, не исключают, а дополняют друг друга. Это кажется парадоксом, о котором его первооткры-ватель, гениальный А. Эйнштейн в конце жизни сказал следую-щее: "В наши дни каждый студент думает, что ему это понятно. Но он ошибается". Принцип квантовой теории лег в основу тео-рии вероятностей, широко распространившейся в науке ХХ в.