Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации




Скачать 272.35 Kb.
НазваниеЛекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации
Дата конвертации22.04.2013
Размер272.35 Kb.
ТипЛекция




Лекция 3.

Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации.

Введение. Аппаратные средства вычислительной техники, на настоящее время, содержат компоненты полупроводниковой электроники. Поэтому изучать историю развития аппаратной части вычислительной техники начнем с полупроводниковой электроники. Ее становление и развитие связано с открытием и созданием материалов и устройств, действие которых основано на перемещении электрических зарядов в веществе. Эта область науки создана благодаря творчеству большого числа специалистов и ученых разных стран. Рассмотрим полупроводниковую электронику и историю развития ее важных событий в хронологической последовательности.

Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники.

В 1817 году шведский химик и минералог Йенс Якоб Берцелиус (Berzelius 1779—1848) открыл селен.

В 1823 году он же открыл кремний. Еще до этого события он в 1803 он открыл церий. С 1812 по 1819 создавал электрохимическую теорию и на ее основе построил классификацию элементов. Ввел современные химические знаки элементов. В 1814 составил таблицу атомных масс элементов. В 1820 избран почетным членом Петербургской Академии Наук (АН).

В 1869 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) открыл периодический закон химических элементов [1].).

В 1886 году немецкий химик Клеменс Александр Винклер (Winkler 1838—1904) открыл предсказанный Д.И.Менделеевым элемент экасилиций, который назвал германием.

В 1890 году француз Э.Бренли в стеклянной трубке между двумя серебряными электродами зажал железную стружку и наблюдал, как высокочастотный переменный ток воздействует на слипшуюся в результате железную стружку, которая, сопротивляясь, понижала ток. [2]

В 1894 году английский физик, профессор Ливерпульского университета, Оливер Джозеф Лодж (Lodge — род. 1851) регистрировал высокочастотные электромагнитные колебания, используя стеклянную трубку наполненную железными опилками. Он назвал это устройство "трубка когеррер". Его работы касаются гальванизма, электролиза, электромагнитных колебаний эфира. В 1886 году он первым произвел измерение скорости движения иона [3].

25.04 (07.05 по новому стилю) 1895 года русский физик Александр Степанович Попов (1859—1905, физик и электротехник, изобретатель электрической связи без проводов (радиосвязи). Весной 1897 достиг дальности связи 5 км, а в 1901 — около 150 км.), используя автоматическое встряхивание когерреров, осуществил радиотелеграфную связь [4].

В 1897 году итальянский радиотехник и предприниматель Гульельмо Маркони (Marconi — 1874—1937) получил патент на изобретение радиоприемника, принципиально тождественного созданному в 1895 году радиоприемнику А.С.Попова [5].

В 1906 году американский офицер военизированной связи H.H.Danvudijs (написание в латышской транскрипции), разместив между двумя пластинами кристалл карборунда (SiCкарбид кремния), получил кристаллический детектор.

В 1906 году американский инженер химик Жан-Феликс Пикард (Piccard, Jean Felix — b. 28.01.1884, Basel, Switzerland; d. 28.01.1963, Minneapolis, Minnesota, US.), брат-близнец бельгийского физика Августа Пикарда, образовал контакт между металлическим проводником и кристаллом кремния, и полученный компонент запатентовал как детектор [6].

В 1915 году швед C.A.F.Benedikss (написание в латышской транскрипции) открыл свойство детектирования при контакте металлической проволоки с кристаллом германия.

В 1922 году нижненовгородский сотрудник радиолаборатории О.Лосев (Олег Владимирович Лосев — 1903—1942, советский радиофизик. Открыл ряд явлений в полупроводниках — "свечение Лосева" и др.) с помощью полупроводникового устройства — кристадина — генерировал и усиливал электромагнитные колебания [7].

1925 г. Начато промышленное изготовление купрокса (Cu2O).

1930 г. Начато промышленное изготовление селена.

1930 г. J.E.Lilienfelds (написание в латышской транскрипции) патентует полевой транзистор, за более, чем два десятилетия до промышленного изготовления.

В 1948 году Джон Бардин (Bardeen, р. 1908, американский физик, в 1957 один из авторов микроскопической теории сверхпроводимости [8].), Уолтер Браттейн (Brattain, р. 1902, американский физик, открыл транзисторный эффект [9].), Уильям Брэдфорд Шокли (Shockley, p. 1910, американский физик, труды по физике твердого тела и полупроводников; в 1949 разработал теорию электронно-дырочного перехода [10].), — запатентовали биполярный транзистор. В 1956 все трое стали лауреатами Нобелевской премии.

В 1951 году начато промышленное производство биполярных транзисторов.

В 1951 году начато промышленное производство первого поколения электронных вычислительных машин.

В 1952 году Уильям Брэдфорд Шокли (Shockley) публикует теоретическое обоснование работы электронно-дырочного p-n перехода полевого транзистора.

В 1956 году японский физик Лео Эсаки (Esaki, p. 1925, с 1960 в США; труды по полупроводниковой электронике, сверхпроводимости; Нобелевская премия 1973 года совместно с А.Джайевером и Б.Джозефсоном [11].) открыл туннельный эффект в германиевых элементах, а в следующем году начато промышленное производство туннельных диодов.

В 1960 году начато промышленное производство интегральных микросхем.

В 1964 году начато промышленное производство интегральных операционных усилителей.

В 1972 году Начато промышленное производство микропроцессоров и микрокалькуляторов.

Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации.

А.Вольта (Volta, Алессандро, 1745—1827, итальянский физик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве; открыл контактную разность потенциалов.) пришел к заключению, что для получения разности потенциалов требуется контакт между двумя металлами, разделенными слабопроводящим веществом. В 1800 году он создал первый химический источник тока, состоящий из цинковой и медной пластинок. Разделяющий их лоскут ткани пропитывался либо соленой водой, либо разбавленной кислотой. Этот элемент стал затем известен как "вольтов столб".

В 1851 году Э.Беккерель (Becquerel, Александр Эдмон, 1820—91, французский физик, его отец Антуан Сезар и его сын Антуан Анри также были физиками.) открыл, что электродвижущая сила гальванического элемента изменяется под действием света (эффект Беккереля). После этого открытия сразу начались опыты по созданию фотореле, однако все они кончились неудачей из-за сильной зависимости эффекта от химического состава элемента. В 1873 году было обнаружено воздействие света на электропроводность селена (так "незаметно" был открыт внутренний фотоэффект!). Это явление фотопроводимости было тщательно изучено и уже тогда нашло применение в ряде устройств.

В 1877 году в американском портовом городе Бостоне Александр Грэхэм Белл (Bell, 1847—1922, по национальности шотландец, с 1871 года в США, в 1876 году получил патент на 1-й практически пригодный телефон.) в возрасте 30-ти лет демонстрировал на выставке, посвященной столетию США, свой телефон. Понадобилось еще два долгих года, прежде чем "техническим экспертом" случайно стала сама английская королева. Кто-то показал ей телефон и игрушка королеве понравилась. Этого оказалось достаточным, чтобы деловой мир резко изменил свое отношение к изобретателю, а акции "Белл компани" поднялись почти до 1000 долларов за штуку. Это был настоящий успех. Можно было начинать новые разработки.

28 августа 1880 года Белл выступает с докладом в Бостоне перед американской Ассоциацией прогресса науки. В докладе сообщалось о необычных опытах по получению звука посредством света и о создании нового прибора — фотофона.

В 1881 году состоялся первый сеанс оптической телефонии. Беллу удалось осуществить оптическую связь на расстоянии 40 метров. В качестве приемника излучения использовалась тепловая деформация вещества, заполняющего стеклянную бутыль, к горловине которой крепился слуховой рупор. В следующей модификации А.Белл в качестве акустического приемника использовал селеновый столбик, и оптический сигнал преобразовывался непосредственно в электрический. Таким образом, один из первых преобразователей оптического сигнала в электрический был твердотельный полупроводниковый селеновый фотоприемник.

В 1887 году Генрих Рудольф Герц (Hertz, 1857—1894, немецкий физик.) обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом искрового промежутка между цинковыми электродами, которые были под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними. Так был открыт внешний фотоэффект. В последующие годы Александр Григорьевич Столетов (1839—1896, русский физик) и А.Риги (A.Righi, итальянский физик) на основе многочисленных опытов установили границу фотоэффекта (т.е. минимальную энергию света, вызывающую фотоэффект). Дальнейшие опыты, которые проводил Ф.Ленард (Lenard, Филипп Эдуард Антон, 1862—1947, немецкий физик.), выполнялись в максимально возможном на то время вакууме. В его работах было показано, что металлы под действием света испускают электроны. Скорость электронов не зависит от интенсивности света, а зависит от его длины волны. Эти исследования и привели к разработке первых фотореле.

В начале 30-х годов XX столетия начали развиваться необычные методы записи изображения ("обычной" к тому времени уже была фотография). Принципиальная идея нового метода получения изображения была выдвинута и даже экспериментально осуществлена польским физиком М.Вольфке. В 1920 году он опубликовал работу "О возможности оптического изображения молекулярной решетки".

Идеи и принципы голографии (от греческого holos — весь, полный и ...графия.) были заново сформулированы в 1947 году Деннисом (по венгерски Денеш) Габором (Gabor, 1900—1979, физик, по национальности венгр; с 1927 в Германии, с 1934 в Великобритании, с 1967 в США; труды по электронике, оптике, микроскопии и др.; Нобелевская премия 1971.), который не был знаком в то время с работами М.Вольфке. В дальнейшем Габор для получения голограмм использовал двухступенчатый процесс: сначала предмет регистрировался с помощью пучка электронов, а затем восстанавливался с помощью светового луча. Однако на стадии восстановления изображения возникали многочисленные помехи. Идеи Габора надолго остаются нереализованными, и лишь спустя 12 лет, с появлением лазеров, в голографии наступает новая эра.

Способ получения микроволнового (длина волны 1...10 см, так называемый СВЧ диапазон.) излучения был найден Н.Г.Басовым (Николай Геннадьевич, p. 1922, советский физик, один из основоположников квантовой электроники.) и А.М.Прохоровым (Александр Михайлович, p. 1916, советский физик, один из основоположников квантовой электроники.) в СССР и Ч.Таунсом (Townes, Чарльз Хард, p. 1915, американский физик, один из основоположников квантовой электроники.) в США, которые открыли в 1955 году принцип мазера (от англ. слов Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает: усиление СВЧ микроволн в результате вынужденного излучения; используется в космической связи в научных исследованиях и т.д.). За это открытие все трое получили в 1964 году высшую награду в области физики — Нобелевскую премию.

В 1958 году А.М.Прохоров и независимо от него А.Шавлов (Schawlow, Артур Леонард, p. 1921, труды по радио- и оптической спектроскопии, сверхпроводимости) и Ч.Таунс пришли к идее использования того же принципа мазера для получения излучения инфракрасного и видимого диапазонов. И, наконец, в 1960 году американским физиком Теодором Мейманом был создан "оптический мазер", или лазер.

Параллельно с этими работами разрабатывался другой тип излучателей света — полупроводниковых светодиодов. Еще в 1920 году О.В.Лосевым впервые наблюдалось свечение в детекторах на основе карбида кремния. Потом эти работы были забыты. Французский физик Дж. Дистру открыл в 1936 году, что порошки некоторых веществ испускать устойчивое излучение при приложении к ним переменного напряжения. И только в 1962 году сотрудники Линкольнской лаборатории знаменитого Массачусетского технологического института создали инфракрасный излучатель на основе детектора из арсенида галлия. В 1964 году появились "красные" и "зеленые" светодиоды на основе детекторов из фосфида галлия.

Большинство современных твердотельных фотоприемников, основанных на использовании электронно-дырочного (p—n) перехода, появились лишь в начале 50-х годов. В те же годы интенсивно исследуются кристаллы, изменяющие свои свойства под влиянием электрического поля (электрооптические кристаллы), которые впоследствии послужили основой для создания модуляторов света — устройств, обладающих способностью менять по определенному закону интенсивность и направление распространения проходящего через них светового луча.

В конце 60-х годов были разработаны первые световоды и началось практическое применение волоконной оптики. Жгут из тончайших стеклянных нитей оказался прекрасным информационным каналом, по которому можно передавать большое количество телефонных разговоров, телевизионных программ и т.д. [12].

На одном из утренних заседаний Международной конференции по гетеропереходам, которая проходила в Будапеште в 1970 году, с обзорным докладом выступил известный американский ученый в области физики полупроводников профессор Р.Андерсен. В резюме своего обзора он с сожалением констатировал, что хотя гетеропереходы и обладают массой достоинств и у них громадные перспективы, создание приборов на их основе пока еще остается лишь "голубой" мечтой ученых разных стран. В тот же день на вечернем заседании выступил доктор физико-математических наук (ныне академик) из Советского Союза Жорес Иванович Алферов. Он рассказал присутствующим о целой группе приборов и даже лазеров на основе гетеропереходов, разработанных в Ленинграде. Мечта оказалась уже воплощенной в жизнь. На закрытии конференции Андерсен признал полный приоритет советских ученых и поздравил с успехом своих коллег из СССР.

Один из крупнейших специалистов в области голографии Э.Лейт писал о Габоре, как об ученом широчайшего кругозора и называл его настоящим интеллектуальным гигантом, голография — наиболее яркий вклад ученого в науку.

Советский ученый, член-корреспондент АН СССР Юрий Николаевич Денисюк (p. 1927), предложил в 1962 году новый способ записи информации — метод объемной голографии.

Голограмма представляет собой интерференционную картину, зарегистрированную при прохождении световых лучей через фотографическую пластинку. Фотопластинка — это стеклянная пластинка, покрытая тонким слоем светочувствительного вещества — фотоэмульсией. А что произойдет с голограммой, если этот слой сделать потолще? Оказалось, что если толщина эмульсии больше, чем расстояние между интерференционными полосами, то на нем можно записать голографическую интерференционную картину не только на поверхности, но и в глубину эмульсии. Такая голограмма называется объемной. При этом цвет лазера (например, зеленый или красный) не влияет на цвет объекта, в результате на проявленной голограмме, при освещении ее обычным солнечным светом (имеющим все цветовые составляющие), сохраняются все цветовые оттенки реального объекта. Цветные голограммы в честь ученого, открывшего этот способ регистрации, называются голограммами Денисюка [13].

Средства отображения информации.

Во всех системах, где требуется представить информацию в форме, удобной для визуального восприятия человеком, применяются средства отображения информации (СОИ). Одной из основных частей СОИ является индикатор — электронный прибор для преобразования электрических сигналов в пространственное распределение яркости (контраста). Свойства и характеристики индикатора определяются параметрами СОИ — информационной емкостью, быстродействием, надежностью [14] и др.

В последнее время при построении СОИ наряду с электронно-лучевыми приборами (ЭЛП) применяются дискретные индикаторы. Дискретные индикаторы имеют возможность непосредственной связи с вычислительными комплексами, обладают экономичностью, высокой надежностью, простотой сопряжения с микроэлектронной аппаратурой.

В отличие от чисто электронных или чисто оптических устройств, в индикаторах происходит смена носителя информационных сигналов. Оптоэлектронное преобразование информации в индикаторе — физический процесс, в результате которого информационный сигнал, переносимый электронами, превращается в информационный сигнал, переносимый фотонами.

Управление индикаторами. Различают следующие способы управления индикаторами: сканирование, используемое в ЭЛП и лазерных СОИ; сеточная адресация, применяющаяся в плоских ЭЛП; параллельная для проекционных систем; статическая и мультиплексная адресации, применяемые в знакосинтезирующих индикаторах (ЗСИ).

Статическая адресация. Обычно многоэлементный индикатор, имеющий m строк и n столбцов, лучше всего работает, когда каждый элемент управляется индивидуально, однако это осуществимо, если число индикаторных элементов mn не слишком велико. Когда mn>50—100 практически невозможно изготовить индикатор с прямой электрической адресацией. Поэтому используется матричная адресация. Простейший способ адресации матрицы заключается в приложении соответствующих постоянных напряжений к ее электродам по строкам и столбцам. При том число внешних шин, которые применяются для управления элементами, уменьшается до m+n.

Исходя из сказанного, можно определить статическую адресацию как режим управления индикатором, при котором все элементы отображения имеют раздельные выводы цепей питания, а каждое знакоместо — отдельный вывод цепей управления и напряжения питания. Управляющие сигналы при статической адресации подаются одновременно на все элементы, которые участвуют в отображении информации.

Основным недостатком статической адресации является ее неспособность реализовать все возможные рисунки. Например, статическая схема не может обеспечить воспроизведение замкнутой фигуры с отверстием в центре. Это приводит к противоречию. Поэтому статическая адресация используется в основном в тех областях, где воспроизводимая информация заранее ограничена.

Мультиплексная адресация. Статическая адресация не в состоянии воспроизводить все возможные матричные рисунки, так как по определению она должна удовлетворять требования выборки всех элементов индикатора одновременно.

Под мультиплексной адресацией понимают такой режим управления, при котором управляющие импульсы передаются с временным уплотнением, тогда каждому из n каналов управления в течение такта T предоставляется время T/n, и с временной селекцией, когда n схем коммутатора открываются поочередно с помощью импульсов тактовой частоты, сдвинутых во времени на T/n.

Столбцы последовательно сканируются, причем только один из них выбирается в любой момент с помощью стробирующего напряжения. Уровень U1 соответствует наличию информации, а уровень Uo — ее отсутствию. В результате к элементам матрицы, которые должны воспроизвести информацию, будет прикладываться напряжение Uc+U1=U, а на всех остальных элементах будет действовать напряжение Uc-Uo. Схема управления по строкам, которая вырабатывает импульсы положительной (Uo) и отрицательной (U1) полярностей, довольно сложна. Поэтому в ряде случаев используют более простую схему, в которой Uo=0, т.е. схему с нулевым уровнем.

Структура управляющих устройств (УУ) дискретных средств отображения информации (ДСОИ) может реализоваться в двух основных вариантах, отличающихся характером памяти и способом управления массивом ЗСИ: ДСОИ с поэлементной памятью и ДСОИ с промежуточной памятью и регенерацией информации. В ДСОИ первого типа (Рис.1.) информация после приема и преобразования поступает в устройство коммутации индикаторов, которое состоит из идентичных схем памяти и управления напряжением возбуждения.



Рис. 1. Структурная схема ДСОИ с поэлементной памятью.

Цепи управления, которые объединяют элементы памяти и управления в функциональную матрицу, независимо от компоновки информационного поля образуют строки и столбцы. По столбцам подаются информационные сигналы, а по строкам — сигналы адреса. После окончания процесса записи информации, выбранные элементы экрана остаются возбужденными до поступления информации в следующем цикле. Изменение состояния каждого элемента экрана происходит только при условии, что информация в новом цикле отличается от ранее записанной информации.

На основании рассмотренной структуры ДСОИ и метода описания информации во времени [15] может быть проведен анализ процессов преобразования информации в ДСОИ с поэлементной памятью и с динамическим управлением. Целью такого анализа является оптимизация структуры ДСОИ [16].

При исследовании ДСОИ может быть предложен критерий оценки по стоимости или по определяющему числу элементов, составляющих УУ, с использованием стандартных микросхем. Число элементов управления определяет степень оптимизации аппаратуры на структурном уровне, причем система элементов, как правило, выбирается заранее исходя из эксплуатационных требований [17].

Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники.

Введение. Непрерывное совершенствование и усложнение систем автоматического управления, информационно-измерительной и вычислительной техники обусловливают все более высокие требования к техническим средствам, предназначенным для их реализации, к их надежности, стоимости и т.д. Это определяет широкий фронт интенсивных исследований как в области создания новых, так и в области совершенствования имеющихся магнитных элементов.

Преимущества магнитных элементов — высокая надежность, радиационная стойкость и теплостойкость, способность хранить записанную информацию без потребления энергии, высокая плотность записанной информации и возможность многократного считывания без разрушения информации и др. — в значительной мере определяют то ведущее место, которое занимает магнитная техника, и позволяют отнести магнитные элементы к числу наиболее эффективных и перспективных технических средств автоматики, промышленной электроники и вычислительной техники. Развитие других технических средств и в первую очередь полупроводниковой электроники не только не уменьшило роли и значения магнитных элементов, но и открыло новые возможности их применения. Во многих случаях единственные решения технических задач достигаются путем совместного применения магнитных и полупроводниковых элементов.

По магнитным свойствам вещества можно подразделить на две большие группы: ферромагнитные и неферромагнитные. К неферромагнитным веществам относятся диамагнетики и парамагнетики. Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то индукция результирующего магнитного поля окажется во много раз (сотни и сотни тысяч) больше, чем магнитная индукция внешнего поля, воздействующего на ферромагнетик. При помещении в магнитное поле диамагнетиков магнитное поле практически не увеличивается.

Процессы намагничивания могут быть обратимыми и необратимыми. Для восстановления исходного магнитного состояния необходимо затрачивать дополнительную энергию.

Гистерезис. Процесс технического намагничивания, за исключением начальной и конечных областей, является необратимым. Поэтому, если при намагничивании после достижения некоторой величины индукции начать уменьшать напряженность магнитного поля, то индукция будет изменяться по кривой, отличной от начальной кривой намагничивания. Рассмотрим это явление подробнее. Пусть внешнее приложенное поле имеет напряженность HHs. В этом случае ферромагнетик достигнет насыщения (Рис.2.).



Рис. 2. Петля гистерезиса.

Если уменьшить напряженность H, то намагниченность также уменьшится в результате вращения магнитного момента каждого домена в направлении ближайшей оси легкого намагничивания (практически обратимый процесс). При H=0 в ферромагнетике сохраняется остаточная намагниченность Jr и соответственно остаточная магнитная индукция Br. При этом магнитные моменты доменов направлены вдоль осей легкого намагничивания.

Если после этого увеличить напряженность H в "отрицательном" (размагничивающем) направлении, то дальнейшее уменьшение индукции происходит главным образом за счет необратимого процесса смещения границ доменов. При напряженности поля H=-Hc, называемом коэрцитивной силой, магнитная индукция B равна нулю. Процесс смещения границ продолжается и для более отрицательных значений поля H, когда индукция B также принимает отрицательные значения. Начиная примерно со значений B>-Br, дальнейшее изменение намагниченности в "отрицательном" направлении опять связано с процессом вращения вектора магнитного момента.

Если после достижения H=-Hs вновь увеличить H до +Hs, то изменение магнитного состояния будет в виде нижней ветви C, -Br, Hc, D.

Явление отставания намагниченности от напряженности магнитного поля, обусловленное наличием необратимых процессов намагничивания, называют гистерезисом, а замкнутую кривую (Рис.2.), графически изображающую это отставание за полный цикл изменения напряженности, — петлей гистерезиса.

На Рис. 2 показано семейство симметричных петель (циклов) гистерезиса, полученных при различных значениях максимальной напряженности поля; причем для симметричных петель |+Hmax|=|-Hmax|. Величину уменьшения индукции до нуля при снятии напряженности поля называют обратимой составляющей магнитной индукции Boбp, а иногда величиной спада Bcпaд.

С увеличением Hmax площадь петли гистерезиса увеличивается и при некотором его значении достигает наибольших размеров.

Дальнейшее увеличение Hmax не вызывает увеличения размеров и изменения формы петли; увеличиваются лишь ее безгистерезисные части ("усы"). Наибольшую петлю гистерезиса называют предельной, а все остальные петли гистерезиса, кроме предельной, — частными. Магнитные сердечники из магнитных материалов практически характеризуются предельной петлей гистерезиса при напряженностях намагничивающих полей, превышающих коэрцитивную силу в 5—10 раз.

Наименьшую напряженность, при которой перемагничивание происходит по предельному циклу, называют граничной Hгp. При напряженности H<Hгp материал перемагничивается по частным петлям (циклам) гистерезиса.

Гальваномагнитные явления. Гальваномагнитными принято называть эффекты, связанные с изменениями электрических свойств проводников и полупроводников под влиянием магнитного поля. К числу гальваномагнитных относится эффект Холла.

Эффект Холла обнаружен Холлом в 1879 году (Холл, Hall, Эдвин Герберт, 1855—1938, американский физик, исследовал термоэлектрические, гальвано- и термомагнитные явления в проводниках.). Рассмотрим проводник в форме прямоугольного бруска, по которому протекает постоянный ток плотностью j (Рис.3.).



Рис. 3. Эффект Холла в проводящем прямоугольном бруске.

Перпендикулярно проводнику приложено магнитное поле напряженностью H. На двух противоположных гранях бруска расположены электроды 1 и 2. В отсутствие магнитного поля на этих электродах наводится э.д.с. При появлении магнитного поля между электродами возникает разность потенциалов U, величина которой пропорциональна напряженности поля H, плотности тока j и расстоянию l между электродами:



(1)

где — коэффициент, зависящий от состава вещества и называемый постоянной Холла.

Электронная теория объясняет явление Холла как следствие действия на носители тока Лоренца



где e — заряд (например, электрона); v — средняя скорость дрейфа носителей заряда.

Сила Лоренца F вызывает смещение носителей заряда перпендикулярно к направлению их движения по правилу левой руки. В результате смещения носителей заряда в бруске возникает поперечное электрическое поле E, перпендикулярное векторам j и H, которое в свою очередь действует на носители. Сила, с которой это поле действует на носитель заряда, уравновешивается силой Лоренца:

откуда

Разность потенциалов, возникающая между электродами

Так как плотность тока

где no — концентрация свободных носителей заряда, то, подставив в (5) v=j/noe, получим



Сравнивая (1) и (7), получаем, что постоянная Холла



Если неизвестно , то из (8) можно вычислить концентрацию свободных носителей заряда no, которая играет очень важную роль в теории металлов и полупроводников.

Эффект Холла нередко используют в технике. Широко известны датчики Холла: при возникновении магнитного поля или тока в цепи в них появляется э.д.с. С помощью таких датчиков можно измерить напряженности постоянных и переменных магнитных полей, исследовать неоднородности магнитного поля, модулировать и детектировать сигналы, а также усиливать и генерировать колебания.

Магнитооптические эффекты. Как известно, колебания световой волны направлены перпендикулярно линии распространения светового луча. В обычном естественном свете эти поперечные колебания совершаются перпендикулярно направлению луча в самых разнообразных плоскостях. Если на пути луча от источника света (1 на Рис.4.) поставить поляризатор (поляроид) (2 на Рис.4.), то он выделит световые волны, колебания которых происходят в строго определенной плоскости. Такую световую волну называют поляризованной.



Рис. 4. Устройства для демонстрации эффекта Фарадея (а) и эффекта Керра (б).

Эффект Фарадея заключается в том, что при прохождении плоскополяризованного светового луча через вещество, магнитное поле в котором не равно нулю (3 на Рис.4а.) возникает вращение плоскости поляризации. Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления и величины намагниченности вещества.

Эффект Керра связан с изменением плоскости поляризации света при отражении поляризованного светового луча от намагниченного ферромагнетика (3 на Рис.4б.). Величина изменения плоскости поляризации, так же как и в эффекте Фарадея, зависит от направления и величины намагниченности.

Оба эффекта широко применяются для считывания записанной информации, т.е. для обнаружения доменов той или иной намагниченности.

Если на пути поляризованного светового луча поставить еще один поляризующий прибор (анализатор) (4 на Рис.4.), то свет через него пройдет полностью только в том случае, если плоскости поляризации поляризатора и анализатора совпадают. При "скрещенных" поляризаторе и анализаторе, когда их плоскости поляризации расположены под углом 90 относительно друг друга, свет через них не проходит.

Таким образом, доменная структура будет видна в виде темных и светлых полос доменов противоположной намагниченности. С анализатора свет поступает на электронно-оптический преобразователь (фотодиод) (5 на Рис.4.) и на выходе появляется тот или иной электрический сигнал [18].

Контрольные вопросы.

1. Что является основой действия полупроводниковых элементов?

2. С чьим именем связано открытие химических элементов селена, германия?

3. С именами каких ученых связано появление когеррера?

4. Что представляла собой первая радиотелеграфная связь? Когда и кем она была проведена?

5. Какое соединение кремния было запатентовано первым?

6. Определите значение работ Лосева, Бонч-Бруевича для дальнейшего развития элементной базы.

7. С чьими именами связано открытие транзисторного эффекта?

8. Когда было начато промышленное производство ЭВМ? Чем это было обусловлено?

9. Какие достижения в электронике 50-х послужили основой современных средств ВТ?

10. Какие открытия связаны с именами Volta и Беккереля?

11. Определите значение опытов Г.Герца.

12. С каким явлением связаны труды Ричи Ленарда? В чем заключается его суть?

13. В чем заключается значение работ польского ученого М.Вольфке?

14. Кем впервые были созданы LASER, MASER? Чем отличаются эти излучения?

15. Кто является автором первых работ по объемной голографии? В чем заключается значение этого явления?

16. Определите понятие модуляции света.

17. Какой вид преобразований выполняет индикатор?

18. В чем заключается проблема управления индикацией?

19. Какое применение находит эффект Холла? На чем он основан?

20. Какие эффекты используют при создании поляризаторов, анализаторов света?

Список литературы.

1. Советский энциклопедический словарь/Научно-редакционный совет: А.М.Прохоров (пред.). — М.: "Советская энциклопедия", 1981. — С. 798.

2. Vainovskis E. Pusvaditaju radioelektronika. — Riga: Zvaigzne, 1985. — Lp. 9—10.

3. Малая Советская энциклопедия/Под ред. Н.Л.Мещерякова, 2-е издание, Т. 6. — М.: Государственное издательство "Малая Советская энциклопедия", ОГИЗ РСФСР, 1937. — С. 363.

4. п. 1, — C. 1051.

5. там же, — С. 772.

6. The New Encyclopaedia BRITANNICA, 15-th edition, V. 9. — Chicago, 1988. — P. 422.

7. п. 1, — С. 735.

8. там же, — С. 111.

9. там же, — С. 167.

10. там же, — С. 1532.

11. там же, — C. 1571.

12. Струбман Э.Е. Новые профессии светового луча. — Кишинев: Картя Молдовеняске, 1983. — С. 8—15.

13. там же, — С. 34—74.

14. В.И.Костюк, В.Е.Ходаков. Системы отображения информации и инженерная психология. — Киев: "Вища школа", 1977. — С. 21—165.

15. Гусев Ю.М., Литвак И.И. К оценке эффективности электролюминесцентного табло коллективного пользования. — Труды МИЭМ, 1974, вып. 37. — С. 84—105.

16. Литвак И.И. Проблемы разработки общего метода проектирования систем отображения информации. — В кн.: Современные методы и устройства отображения информации. — М.: Радио и связь, 1981.

17. Электронные приборы для отображения информации/Ю.А.Быстров, И.И.Литвак, Г.М.Персианов. — М.: Радио и связь, 1985. — 240 с., ил.

18. Боярченков М.А., Черкашина А.Г. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. Учеб. пособие для специальности "Автоматика и телемеханика" вузов. — М.: "Высш. школа", 1976. — 383 с., с ил.

Дополнительная литература:

Vainovskis E. Pusvaditaju radioelektronika. — Riga: Zvaigzne, 1985. — 210 lpp., il.

Похожие:

Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации iconЛекция №1 история развития средств вычислительной техники
Вычислительная техника (ВТ) − это совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных
Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации iconБилет №01 Краткая история развития вычислительной техники. Основные исторические этапы, выдающиеся ученые и изобретатели, поколения электронных вычислительных машин. Выберите правильный ответ
Краткая история развития вычислительной техники. Основные исторические этапы, выдающиеся ученые и изобретатели, поколения электронных...
Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации iconИстория развития средств вычислительной техники
Вычислительная техника (ВТ) − это совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных
Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации iconБилет №1 Информатизация общества. Основные этапы развития вычислительной техники
Под информатизацией общества понимают реализацию комплекса мер, направленных на обеспечение полного и своевременного использования...
Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации iconЛекция Этапы развития вычислительной техники от античных времен и до наших дней
Также первобытному человеку трудно было угадать последствия изобретения орудий труда. Тогда был сделан первый гигантский шаг становления...
Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации iconВнеклассное мероприятие по информатике. Неделя математики. Январь 2008 г Виртуальная экскурсия «История вычислительной техники»
Показать, какую большую роль в развитии вычислительной техники
Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации iconЛекция вткс определение и онтология. История развития вычислительной техники
Чарлз Беббидж аналитическая машина, Герман Холлерит табулятор, Блез Паскаль, Готфрид Вильгельм Лейбниц, Джон фон Нейман, Алан Тьюринг,...
Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации icon«История развития вычислительной техники»
Как называлось первое механическое устройство для выполнения четырёх арифметических действий?
Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации iconШаблон матрицы соответствия компетенций, составных частей ооп и оценочных средств

Лекция Этапы и история развития составных частей и компонентов вычислительной техники. Открытия ученых и создание на их основе средств коммуникации и отображения информации iconИстория появления и развития вычислительной техники (ВТ)
Разработка сценариев для расчета расходов при изменении цен на материалы и расценок на выполнение рабо
Разместите кнопку на своём сайте:
kk.convdocs.org



База данных защищена авторским правом ©kk.convdocs.org 2012-2019
обратиться к администрации
kk.convdocs.org
Главная страница