الإلكترونيات: حقائق أساسية ودور ووظائف الأجهزة الإلكترونية

الإلكترونيات: حقائق أساسية ودور ووظائف الأجهزة الإلكترونية!

حقائق أساسية:

تتعامل الإلكترونيات وعلوم الكهرباء مع التيار الكهربائي. لكن كل واحد يركز على استخدام مختلف للتيار. تعامل الكهرباء مع التيار بشكل رئيسي كشكل من أشكال الطاقة التي يمكن أن تعمل أضواء ، والمحركات ، وغيرها من المعدات. تعامل الإلكترونيات التيار الكهربائي بشكل رئيسي كوسيلة لنقل المعلومات. تسمى التيارات التي تحمل المعلومات إشارات.

Image Courtesy: buzzsolutions.com/wordpress/wp-content/uploads/2013/05/electronics-appliances-industry.jpg

يمكن لتيار كهربائي ثابت لا يتغير أن يحمل الطاقة. لكن يجب أن يختلف التيار بطريقة ما لتكون بمثابة إشارة. تقوم بعض أجهزة الإلكترون بتغيير سلوك التيار لإنتاج أو تعديل الإشارات. آخرون يفسرون الإشارات. قد تمثل الإشارات أصواتًا أو صورًا أو أرقامًا أو حروفًا أو تعليمات كمبيوتر. ويمكن استخدام الإشارات أيضًا في حساب الكائنات أو قياس الوقت أو درجة الحرارة أو الكشف عن المواد الكيميائية أو المواد المشعة.

قد تصنف الإشارات في الدوائر الإلكترونية إما الرقمية أو التناظرية. تشبه الإشارة الرقمية مفتاحًا كهربائيًا عاديًا ، إما أن تكون في وضع التشغيل أو الإيقاف. يمكن أن يكون للإشارة التناظرية أي قيمة ضمن نطاق معين.

تستخدم الإشارات التناظرية على نطاق واسع لتمثيل الأصوات والصور لأن مستويات الضوء وترددات الموجات الصوتية يمكن أن يكون لها أي قيمة ضمن نطاق معين. يمكن تحويل الإشارات التناظرية إلى إشارات رقمية ، وإشارات رقمية إلى نظير. على سبيل المثال ، يقوم مشغلات الأقراص المضغوطة بتحويل الإشارات الصوتية الرقمية على الأقراص إلى الإشارات التناظرية لتشغيلها عبر مكبرات الصوت.

إن التحكم السريع والموثوق به لكل من الإشارات الرقمية والتناظرية بواسطة الأجهزة الإلكترونية أصبح ممكنًا بفضل الخصائص الفريدة لمواد شبه الموصلات مثل السيليكون والجرمانيوم.

تعتمد الإلكترونيات على بعض الأجهزة الإلكترونية عالية التخصص. قد تحتوي مجموعة التلفزيون أو الكمبيوتر أو أي جهاز إلكتروني آخر معقد على أي مكان من مئات إلى ملايين من هذه الأجهزة. الجهاز الإلكتروني الأكثر شهرة والأكثر أهمية هو الترانزستور.

لا تزال الترانزستورات تعمل بملايين أجهزة الاستريو والراديو وأجهزة التلفزيون. لكن بإمكان المهندسين الآن وضع أكثر من مائة ألف ترانزستور على شريحة واحدة من السيليكون أصغر من أي ظفر. مثل هذه الرقاقة تشكل دائرة متكاملة. يمكن توصيل شرائح من هذا النوع معًا على لوحات الدوائر الإلكترونية لإنتاج معدات إلكترونية أصغر وأقل تكلفة - ولكنها أكثر قوة - من أي وقت مضى.

تُستخدم الأجهزة الإلكترونية عادة في عدد كبير من التطبيقات التي كانت تعتمد في السابق على الأنظمة الميكانيكية أو الكهربائية لتشغيلها. ومن الأمثلة على ذلك الضوابط الإلكترونية في الكاميرات الأوتوماتيكية وأنظمة الإشعال الإلكترونية في السيارات والتحكم الإلكتروني في المعدات المنزلية ، مثل الغسالات.

وظائف الأجهزة الإلكترونية:

تقوم الأجهزة الإلكترونية بثلاث وظائف رئيسية: (1) التضخيم ، (2) التبديل ، (3) التذبذب ، كل ذلك كجزء من الدوائر. تتكون الدائرة من سلسلة من أجهزة الإلكترون المتصلة وأجزاء أخرى. من خلال الجمع بين الوظائف الثلاث بطرق مختلفة ، يقوم المهندسون بتصميم معدات إلكترونية تؤدي العديد من الوظائف الخاصة الأخرى ، مثل العمليات عالية السرعة لأجهزة الكمبيوتر.

يتم تنفيذ وظائف أخرى معينة أيضا عن طريق الأجهزة الإلكترونية.

تغيير الضوء إلى كهرباء:

عندما تتعرض بعض المواد ، مثل أكسيد النحاس أو السيلينيوم للضوء ، فإنها تنتج تيارًا كهربائيًا أو تسمح بتدفق تيار خلالها. يمكن للأجهزة الإلكترونية المصنوعة من هذه المواد تغيير الضوء إلى كهرباء. تسمى هذه الأجهزة الأجهزة الكهروضوئية أو العيون الكهربائية. التيار من جهاز كهروضوئي عادة ما يكون ضعيف للغاية. يجب أن تعزز مكبرات الصوت التيار قبل أن يتم استخدامه.

إنتاج واستخدام الأشعة السينية:

يتم استخدام أنواع خاصة من أنابيب الإلكترون لإنتاج الأشعة السينية. يمكن للأشعة السينية أن تمر عبر النسيج البشري والمواد الأخرى وترك صورة على لوحة فوتوغرافية أو على شاشة فلورسنت. وهكذا يمكن أن تظهر الأشعة السينية ما هي المواد التي تبدو في الداخل. تستخدم الأشعة السينية في التشخيص والعلاج.

التشخيص يشمل كشف الكسور ، الأجسام الغريبة في الجسم ، تجاويف الأسنان ، والظروف المريضة مثل السرطان. تستخدم الأشعة السينية في العلاج العلاجي أيضا لوقف انتشار الأورام الخبيثة. في الصناعات ، يتم استخدام الأشعة السينية للعثور على سمك المواد. كما تستخدم الأشعة السينية لفحص الفحص المجهري الإلكتروني للحصول على "صورة".

تطوير الالكترونيات:

تطورت الالكترونيات بشكل رئيسي من تجارب كهربائية معينة في القرن التاسع عشر. تضمنت هذه التجارب استخدام أنبوب تفريغ الغاز ، وهو عبارة عن سائل تم سحب بعض منه من الهواء ، تاركًا مزيجًا رفيعًا من الغازات. كان للأنبوب قطب كهربائي (عمود كهربائي أو محطة طرفية) في كل طرف.

عندما كانت البطارية متصلة بالقطبين الكهربائيين ، توهج الأنبوب بألوان زاهية يعتقد العلماء أن القطب السالب ، الكاثود ، أعطى أشعة غير مرئية تسببت في الألوان. سموا الأشعة غير المرئية أشعة الكاثود. ومع قيام العلماء بإزالة المزيد من الهواء من الدرنة ، أصبحت الأنابيب ، بسبب تجاربهم ، أنابيب مفرغة.

في عام 1895 ، اكتشف الفيزيائي الألماني فيلهيل رونتجن أن أشعة الكاثود يمكن أن تنتج أشعة مختلفة تمامًا وغير مألوفة. خلقت أشعة الكاثود هذه الأشعة غير العادية عندما ضربوا الزجاج في نهاية الأنبوب المقابل للكاثود. لدهشته ، وجد رونتجن أيضا أن ray3 أنتجت بهذه الطريقة يمكن أن تمر عبر الأنسجة الحيوانية والنباتية وترك انطباعا على لوحة التصوير الفوتوغرافي. سمى الأشعة السينية الغامضة.

في عام 1897 ، أدى اكتشاف الفيزيائي البريطاني جوزيف ج. تومسون للإلكترونات إلى اختراع أجهزة يمكنها التحكم في تدفق الإلكترونات ، أو إشارة كهربائية ، ووضعها في العمل.

أنابيب فراغ (صمامات):

في عام 1904 ، بنى عالم بريطاني يدعى جون أمبروز فليمينغ أول أنبوب مفرغ يمكن استخدامه تجاريًا. لقد كان أنبوبًا ثنائي القطب ، أو أنبوب ثنائي الصمام يمكنه اكتشاف الإشارات اللاسلكية. في الوقت المناسب ، أصبحت أنابيب الصمام الثنائي تستخدم على نطاق واسع لتصليح التيار المتردد.

في عام 1907 ، قام المخترع الأمريكي لي دي فورست ببراءة أنبوب ثلاثي القطب أو ثلاثي الصمام. أصبح أنبوب الصمام الثلاثي أول مضخم إلكتروني. كان أحد التطبيقات الأولى في خطوط الهاتف لمسافات طويلة. في عام 1912 و 1913 ، طور دي فورست وراديو الإذاعة الأمريكية إدوين هـ. أرمسترونغ ، بشكل مستقل ، أنبوب الصمام الثلاثي كمذبذب. أدى اختراع مكبر للصوت ومذبذب إلكتروني إلى بداية البث الإذاعي في الولايات المتحدة في عام 1920. ويمثل هذا التاريخ أيضًا بداية صناعة الإلكترونيات.

من 1920 إلى 1950s ، جعلت المعرفة حول الأنابيب المفرغة مثل هذه الاختراعات والتلفزيون والأفلام مع أجهزة الكمبيوتر الصوتية والرادار والإلكترونية. أدت هذه الاختراعات ، بدورها ، إلى تطوير أجهزة إلكترونية جديدة.

كان عالم أمريكي يدعى آر. آر. كاري قد بنى جهاز كهروضوئي ، يدعى خلية كهروضوئية ، في وقت مبكر من عام 1875. لكن المهندسين استخدموا القليل منه حتى أوائل عشرينيات القرن العشرين ، عندما كثفوا جهودهم لتطوير التلفزيون والأفلام مع الصوت.

في عام 1923 ، قام عالم أمريكي مولود في روسيا يدعى "فلاديمير ك. زوريكين" بدمج خلية كهروضوئية بمسدس إلكترونى ، مما جعل أول كاميرا تلفزيونية ناجحة.

في عام 1921 ، اخترع ألبرت دبليو هول ، وهو مهندس أميركي ، مذبذب أنبوب فراغ يسمى مغنطرون. كان المغنطرون أول جهاز يمكنه إنتاج الموجات الدقيقة بكفاءة. الرادار ، الذي تم تطويره تدريجيا خلال 1920s و 1930s ، وفرت أول استخدام واسع النطاق من أفران الميكروويف.

بلغ عصر الأنبوب الفراغ ذروته مع الانتهاء من أول جهاز كمبيوتر إلكتروني عام الأغراض في عام 1946.

عصر الدولة الصلبة:

وكانت أجهزة أشباه الموصلات البدائية المصنوعة من السلينيوم تعمل كمعدلات في وقت مبكر يعود إلى عام 1900. كما كانت أجهزة الكشف البلورية في أجهزة الراديو المبكرة أشباه موصلات. لكن أيا من هذه الأجهزة لم يعمل كما هو الحال مع محولات الأنبوب الفراغي وأجهزة الكشف.

بعد ذلك ، في أوائل الأربعينيات ، أنتج فريق من الفيزيائيين الأمريكيين أول ثنائيات شبه موصلة ناجحة. تألف الفريق من جون باردين ، والتر إتش. براين ، وويليام شوكلي. في عام 1947 ، اخترع هذا الفريق نفسه الترانزستور. بدأت الشركات المصنعة باستخدام الترانزستورات كمكبرات للصوت في أجهزة السمع وأجهزة الراديو بحجم الجيب في أوائل الخمسينات. وبحلول الستينات من القرن العشرين ، استبدلت الثنائيات والترانزستورات شبه الموصلة أنابيب مفرغة في الكثير من الأجهزة الإلكترونية.

الالكترونيات الدقيقة:

في أواخر الخمسينيات ، بدأت البرامج العسكرية والفضائية تطالب بمزيد من المعدات الإلكترونية المدمجة. على الرغم من أن الشركات المصنعة قد خفضت حجم أجهزة الإلكترون ، إلا أن كل جهاز لا يزال يشكل مكونًا منفصلاً في الدائرة نتيجة لذلك ؛ المعدات الإلكترونية كانت كبيرة للغاية بالنسبة لمتطلبات البرامج العسكرية والفضائية. بدأت الشركات الإلكترونية العمل على تطوير دوائر أصغر بكثير. أدى عملهم إلى الإلكترونيات الدقيقة - تصميم وإنتاج الدوائر المتكاملة والمعدات التي استخدمت الدوائر المتكاملة.

بحلول عام 1960 ، نجح المهندسون والعلماء في بناء دائرة متكاملة. كان لديها جميع وظائف دائرة تقليدية معبأة في بلورة أشباه الموصلات ، أصغر 1000 مرة من الدائرة التقليدية.

دور الالكترونيات:

للالكترونيات دور هام في عملية التنمية في البلاد اليوم. تلعب الإلكترونيات دورًا حافزًا في تعزيز الإنتاج والإنتاجية في القطاعات الرئيسية للاقتصاد ، سواء كان ذلك يتعلق بالبنية التحتية أو صناعات التصنيع أو الاتصالات أو حتى التدريب على القوى العاملة. تعتمد المناطق عالية التقنية اليوم بشكل كبير على الإلكترونيات.

يتم تصنيف الإلكترونيات في قطاعات المستهلك ، والصناعة ، والدفاع ، والاتصالات ، ومعالجة المعلومات. في الآونة الأخيرة ، أصبحت الإلكترونيات الطبية ، وأنظمة النقل ومرافق الطاقة قطاعات مهمة بمفردها.

تعتبر الإلكترونيات الاستهلاكية أقدم قطاع في المجال الذي بدأ بتطوير مستقبلات الراديو بعد اختراع الصمام الثلاثي. التنافسية الدولية في هذا المجال يتطلب الابتكار المستمر.

وقد توسع هذا المجال بشكل ملحوظ في السنوات القليلة الماضية مع تطوير عناصر مثل مشغلات الأقراص المضغوطة (CD) ، وأشرطة الصوت الرقمية ، وأفران الميكروويف ، والغسالات ، وأنظمة استقبال القنوات الفضائية. ومع ذلك ، فإن جميع هذه العناصر تستفيد من التقنيات والتقنيات المتقدمة في التصنيع مثل أشباه الموصلات وأجهزة أشباه الموصلات.

يتم توجيه الإلكترونيات الصناعية نحو تصنيع المنتجات التي تتطلبها أجهزة التحكم في صناعة المعدات ، وأجهزة التحكم والروبوت ذات التحكم الرقمي ، ومعدات الاختبار والقياس. تتطلب المختبرات أيضًا أدوات الدقة. هذا المجال لديه امكانات كبيرة للنمو والتنمية.

البنية التحتية المتقدمة في علوم المواد والإلكترونيات المتطورة هي ذات صلة بمجال الدفاع حيث التكلفة ليست عاملاً مقيدًا. يجب أن تكون المعدات قوية بما يكفي لتحمل الضغوط البيئية إلى جانب كونها دقيقة وحساسة كذلك.

الدفاع والالكترونيات هي استراتيجية بالطبع. لديها أيضا spin-offs قيمة لتقديم الصناعة. وقد ساهمت بهارات للإلكترونيات المحدودة (BEL) ، وهي منظمة ممولة من الدفاع ، بالكثير في تطوير الترانزستور والتلفزيون في الهند.

تعتبر إلكترونيات الاتصالات مجالًا سريع النمو مع مجال واسع للابتكار والتطبيق الصناعي. استفادت معدات الاتصالات بشكل كبير من تطوير ليزر أشباه الموصلات بكفاءة ، وتكنولوجيا الألياف الضوئية ، والتقنيات الرقمية ، والمعالجات الدقيقة القوية.

تكنولوجيا المعلومات ، مرة أخرى ، تعتمد بشكل واضح على الإلكترونيات. الدائرة المتكاملة هي قاعدة أجهزة الكمبيوتر التي يتم استخدامها بدورها لتصميم دارات متكاملة (VLSI) ذات حجم كبير جدًا ، وخاصة المعالجات الدقيقة والذكريات. تساعد أجهزة الكمبيوتر الأفضل مرة أخرى على تحسين أنظمة الاتصالات ، بينما تؤدي الاتصالات السريعة والفعالة إلى شبكات كمبيوتر موزعة تتيح الوصول إلى البيانات المتخصصة في جهاز كمبيوتر بعيد عن مكان العمل نفسه.

في المجال الطبي ، جعلت الإلكترونيات من الممكن تسجيل جهاز تخطيط القلب الكهربائي (ECG) بالإضافة إلى جهاز الرنين المغناطيسي النووي (NMR) بالإضافة إلى أجهزة قياس أخرى.