电子信息工程概论-课件1.ppt

1、第第1 1章章 电子信息技术发展史电子信息技术发展史1.1 1.1 电的发现与发展电的发现与发展 1.2 1.2 电子线路元件的发展电子线路元件的发展1.3 1.3 近代通信技术发展近代通信技术发展1.4 1.4 计算机的发展计算机的发展1.51.5自动控制理论的发展自动控制理论的发展1.1 1.1 电的发现与发展电的发现与发展1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应1.1.3 1.1.3 欧姆定律实验欧姆定律实验1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现1 1）摩擦起电）摩擦起电 “电电”一词在西方是从希腊

2、文琥珀一词在西方是从希腊文琥珀一词转意而来的，是能的一种形式，它包一词转意而来的，是能的一种形式，它包括了许多种由于电荷的存在或移动而产生括了许多种由于电荷的存在或移动而产生的现象，自然界的闪电就是其中一种。的现象，自然界的闪电就是其中一种。16001600年，英国物理学家年，英国物理学家吉伯发现，不仅琥珀和煤吉伯发现，不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体，玉摩擦后能吸引轻小物体，而且相当多的物质经摩擦而且相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体后也都具有吸引轻小物体的性质（图的性质（图1-11-1）图图1-1 1-1 摩擦起电摩擦起电 1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现o 他注意到这些物

3、质经摩擦后并不具备磁他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同，他采用琥珀的希腊字母拼音把的不同，他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为这种性质称为 电的电的。大约在大约在16601660年，马德堡的盖年，马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体，用干燥的仪的可转动球体，用干燥的手掌摩擦转动球体，使之获手掌摩擦转动球体，使之获得电。得电。图图1-21-2感应起电机感应起电机1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现2)2)伽伐尼青蛙实验伽伐尼青蛙实验

4、17801780年，意大利的解剖学家年，意大利的解剖学家伽伐尼（图伽伐尼（图1-31-3）偶然观察到与金）偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。它在属相接触的蛙腿发生抽动。它在实验室解剖青蛙，把剥了皮的蛙实验室解剖青蛙，把剥了皮的蛙腿，用刀尖碰蛙腿上外露的神经腿，用刀尖碰蛙腿上外露的神经时，蛙腿剧烈地痉挛，同时出现时，蛙腿剧烈地痉挛，同时出现电火花（如图电火花（如图1-41-4）。）。图图1-3 1-3 伽伐尼伽伐尼 1-4 1-4 伽伐尼的青蛙实验伽伐尼的青蛙实验 1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现3)库仑扭秤库仑扭秤很久以前，人们已经知道电荷只有两种，很久以前，人们已经知道电荷只有两

5、种，同种电荷互相排斥，不同电荷互相吸引。同种电荷互相排斥，不同电荷互相吸引。但是这种相互排斥或吸引的力非常小，难但是这种相互排斥或吸引的力非常小，难以测量，以测量，20002000多年来人们始终无法了解这多年来人们始终无法了解这种力的规律。种力的规律。1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现这种相互吸引的或排斥的力，与两个小球所带电量的乘这种相互吸引的或排斥的力，与两个小球所带电量的乘积成正比，与两个小球之间距离的平方成反比。库仑用自积成正比，与两个小球之间距离的平方成反比。库仑用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律，为了纪念己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律，为了纪念这位探索电的

6、先驱，人们把电量的单位称为这位探索电的先驱，人们把电量的单位称为“库仑库仑”。图图1-51-5法国物理学家库仑法国物理学家库仑 图图1-6 1-6 库仑扭秤库仑扭秤1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现4)4)莱顿瓶与伏打电堆莱顿瓶与伏打电堆17451745年，荷兰莱顿大学的物理学教授穆申布年，荷兰莱顿大学的物理学教授穆申布鲁克发明了能保存静电的莱顿瓶。鲁克发明了能保存静电的莱顿瓶。莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶的外面和瓶内均贴莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶的外面和瓶内均贴上像纸一样的银箔，把摩擦起电装置所产生的上像纸一样的银箔，把摩擦起电装置所产生的电用导线引到瓶内的银箔上面，而把瓶外壁的电用导线引到瓶内

7、的银箔上面，而把瓶外壁的银箔接地，这样就可以使电在瓶内聚集起来银箔接地，这样就可以使电在瓶内聚集起来(图图1-7)1-7)。1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现如果用一根导线把瓶内如果用一根导线把瓶内的银箔和瓶外壁的银箔连的银箔和瓶外壁的银箔连接起来，则产生放电现象，接起来，则产生放电现象，引起电火花，发生响声，引起电火花，发生响声，并伴随着一种气味。并伴随着一种气味。图图1-7 1-7 莱顿瓶莱顿瓶1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现 莱顿瓶的发明，为科学界提供了一种莱顿瓶的发明，为科学界提供了一种贮存电的有效的方法，为进一步深入研贮存电的有效的方法，为进一步深入研究电的现象提供了一

8、种新的强有力的手究电的现象提供了一种新的强有力的手段。段。1818世纪后期电学的另一个世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学重要的发展是意大利物理学家伏打（图家伏打（图1-81-8）发明了电）发明了电池，在这之前，电学实验只池，在这之前，电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进能用摩擦起电机的莱顿瓶进行，而它们只能提供短暂的行，而它们只能提供短暂的电流。电流。图图1-8 1-8 意大利物理学家伏打意大利物理学家伏打 1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现 17921792年，伏打对伽伐尼青蛙实验进行年，伏打对伽伐尼青蛙实验进行了仔细研究之后，认为蛙腿的抽动是一了仔细研究之后，认为蛙腿的抽动是

9、一种对电流的灵敏反应。种对电流的灵敏反应。电流是两种不同金属插在一定的溶电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的，而肌肉提液内并构成回路时产生的，而肌肉提供了这种溶液。基于这一思想，供了这种溶液。基于这一思想，17991799年，他制造了第一个能产生持续电流年，他制造了第一个能产生持续电流的化学电池，其装置为一系列按同样的化学电池，其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆（图电堆（图1-91-9）。）。图图1-9 1-9 伏打电堆伏打电堆 1.1.1 1.1.1 电的发现

10、电的发现电堆能产生连续的电流，它的强度的电堆能产生连续的电流，它的强度的数量级比从静电起电机能得到的电流大，数量级比从静电起电机能得到的电流大，由此开始了一场真正的科学革命。由此开始了一场真正的科学革命。为了纪念这位杰出的科学家，人们把为了纪念这位杰出的科学家，人们把电压的单位定为电压的单位定为“伏特伏特”。伏特简称伏，。伏特简称伏，符号是符号是V V。1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现 伏打电池可以说是伏打赠给伏打电池可以说是伏打赠给19 19 世纪的世纪的宝贵礼物。他的这个发明为电流效应的宝贵礼物。他的这个发明为电流效应的应用开创了前景，并很快成为进行电磁应用开创了前景，并很快成为进

11、行电磁学和化学研究的有力工具。学和化学研究的有力工具。5 5）富兰克林风筝实验）富兰克林风筝实验莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。很多电荷，并对其性质进行研究。17461746年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学家，通过邮寄向美国费城的本杰明家，通过邮寄向美国费城的本杰明.富兰克富兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法，这直接导致了使用方法，这直接导致了17521752年富兰克林著年富兰克林著名的费城实验。名的费城实验。1.1.1 1.1.1 电的发

12、现电的发现图图1-10 1-10 富兰克林的风筝实验富兰克林的风筝实验 他做了一个把风筝放到雷雨云他做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。他用金属丝把一个很里去的实验。他用金属丝把一个很大的风筝放到云层里去，金属丝的大的风筝放到云层里去，金属丝的下端接了一段绳子，另外金属丝上下端接了一段绳子，另外金属丝上还挂了一串钥匙。当时富兰克林一还挂了一串钥匙。当时富兰克林一手拉住绳子，用另一手轻轻触及钥手拉住绳子，用另一手轻轻触及钥匙。于是他立即感到一阵猛烈的冲匙。于是他立即感到一阵猛烈的冲击（电击），同时还看到手指和钥击（电击），同时还看到手指和钥匙之间产生了小火花（图匙之间产生了小火花（图1-101-

13、10）。）。1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现这个实验表明：被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导这个实验表明：被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导体，把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间，这在当时是体，把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间，这在当时是一件轰动一时的大事。一件轰动一时的大事。富兰克林在美国费城的实验惊动了教会，他们斥责他冒富兰克林在美国费城的实验惊动了教会，他们斥责他冒犯天威，是对上帝和雷公的大逆不道。然而，他仍然坚持犯天威，是对上帝和雷公的大逆不道。然而，他仍然坚持不懈，而且在一年后制造出世界上第一个避雷针，终于制不懈，而且在一年后制造出世界上第一个避雷针，终于制服了天电。富兰克

14、林的这个实验，不仅在美国有很大的影服了天电。富兰克林的这个实验，不仅在美国有很大的影响，而且影响到世界其他国家。响，而且影响到世界其他国家。1.1.1 1.1.1 电的发现电的发现1 1）奥斯特电流磁效应）奥斯特电流磁效应奥斯特（图奥斯特（图1-111-11）根据已发现一些电可能会发生磁的迹）根据已发现一些电可能会发生磁的迹象，坚信电磁间有联系，并开展电是否能产生磁的研究。象，坚信电磁间有联系，并开展电是否能产生磁的研究。18201820年年4 4月的一天，奥斯特在一次讲演快结束的时候，抱月的一天，奥斯特在一次讲演快结束的时候，抱着试试看的心情又做了一次实验。他把一条非常细的铂导着试试看的心情

15、又做了一次实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方，接通电源的瞬间，线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方，接通电源的瞬间，发现磁针跳动了一下（图发现磁针跳动了一下（图1-121-12）。这一跳使有心的奥斯特）。这一跳使有心的奥斯特喜出望外，竟激动得在讲台上摔了一跤。喜出望外，竟激动得在讲台上摔了一跤。1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应图图1-11 1-11 丹麦物理学家奥斯持丹麦物理学家奥斯持 图图1-121-12电流磁效应电流磁效应 1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应以后的两个月里，奥斯特闭门不出，设计了几以后的两个月里，奥斯特闭门不出，设计了几十个不同的实验，

16、都证实了通电导线周围存在磁十个不同的实验，都证实了通电导线周围存在磁场。场。同年同年7 7月，奥斯特发表了月，奥斯特发表了关于磁体周围电冲突关于磁体周围电冲突的实验的实验论文，向学术界宣布了电流的磁效应，论文，向学术界宣布了电流的磁效应，整个物理学界都震动了。整个物理学界都震动了。1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应 2 2）安培电流磁效应与分子电流假说）安培电流磁效应与分子电流假说18201820年年7 7月月 ，H.C.H.C.奥斯特发表关于电流磁效应的论文奥斯特发表关于电流磁效应的论文后，安培（图后，安培（图1-131-13）报告了他的实验结果）报告了他的实验结果 ：通电的线：通电的

17、线圈与磁铁相似。圈与磁铁相似。9 9月月2525日，他报告了两根载流导线存在相互影响，相日，他报告了两根载流导线存在相互影响，相同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此相斥（图相斥（图1-141-14），并进一步发现了通电螺线管与条形磁），并进一步发现了通电螺线管与条形磁铁的等效性（图铁的等效性（图1-151-15）。）。1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应图图1-13 1-13 法国化学家安培法国化学家安培 图图1-141-14载流直导线相互作用载流直导线相互作用 图图1-151-15载流螺线管与条形磁铁等效载流螺线管与条形磁铁等效

18、 1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应通过一系列经典的和简单的实验，他认识到磁是由运通过一系列经典的和简单的实验，他认识到磁是由运动的电产生的。他用这一观点来说明地磁的成因和物质动的电产生的。他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。的磁性。他提出分子电流假说（图他提出分子电流假说（图1-161-16）：电流从分子的一端）：电流从分子的一端流出，通过分子周围空间由另一端注入；非磁化的分子流出，通过分子周围空间由另一端注入；非磁化的分子的电流呈均匀对称分布，对外不显示磁性；当受外界磁的电流呈均匀对称分布，对外不显示磁性；当受外界磁体或电流影响时，对称性受到破坏，显示出宏观磁性，体或电流影响时

19、，对称性受到破坏，显示出宏观磁性，这时分子就被磁化了。这时分子就被磁化了。1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应图图1-16 1-16 安培分子电流假说安培分子电流假说 为了进一步说明电流之间的为了进一步说明电流之间的相互作用，相互作用，1821182118251825年，安年，安培做了关于电流相互作用的四培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验，并根据这四个个精巧的实验，并根据这四个实验导出两个电流元之间的相实验导出两个电流元之间的相互作用力公式。互作用力公式。1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应18271827年，安培将他的电磁现象的研究综合在年，安培将他的电磁现象的研究综合在电动力学

20、现象的数学理论电动力学现象的数学理论一书中一书中 ，这是，这是电磁学史上一部重要的经典论著，对以后电磁电磁学史上一部重要的经典论著，对以后电磁学的发展起了深远的影响。为了纪念安培在电学的发展起了深远的影响。为了纪念安培在电学上的杰出贡献，电流的单位安培是以他的姓学上的杰出贡献，电流的单位安培是以他的姓氏命名的。氏命名的。在科学高度发展的今天，安培的分子电流假在科学高度发展的今天，安培的分子电流假说已成为认识物质磁性的重要依据。说已成为认识物质磁性的重要依据。1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应3 3）法拉第电磁感应）法拉第电磁感应法拉第（图法拉第（图1-171-17）经过近）经过近1010

21、年的年的努力，于努力，于18311831年发现了电磁感应现年发现了电磁感应现象。他把磁产生电的现象称为象。他把磁产生电的现象称为“电电磁感应磁感应”，并且概括了可以产生感，并且概括了可以产生感应电流的几种途径：电流变化、磁应电流的几种途径：电流变化、磁场变化、流过恒定电流的导线空间场变化、流过恒定电流的导线空间位置变化、磁场运动以及使导体在位置变化、磁场运动以及使导体在磁场中运动。磁场中运动。图图1-17 1-17 英国著名物英国著名物理学家、化学家法拉第理学家、化学家法拉第1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应这里的关键这里的关键技术是：产生技术是：产生感应电流的回感应电流的回路都是处在一

22、路都是处在一个变化的磁场个变化的磁场中，一旦磁场中，一旦磁场变化停止，感变化停止，感应电流就消失应电流就消失（图（图1-181-18）。）。图图1-18 1-18 产生感应电流产生感应电流 1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应实际上，法拉第已经告诉了人们发电的五种方法，其实际上，法拉第已经告诉了人们发电的五种方法，其中第五种已经成为今天全世界共同采用的发电方式，目中第五种已经成为今天全世界共同采用的发电方式，目前人们使用的电主要用这种方法得到。电磁感应现象应前人们使用的电主要用这种方法得到。电磁感应现象应用例子如图用例子如图1-191-19和和1-201-20。图图1-191-19麦克风麦

23、克风 图图1-201-20发电机原理发电机原理 1.1.2 1.1.2 电的效应电的效应18521852年年5 5月，德国物理学家月，德国物理学家欧姆（图欧姆（图1-211-21）研究探讨了）研究探讨了电流产生的电磁力的衰减与电流产生的电磁力的衰减与导线长度的关系，其结果在导线长度的关系，其结果在他的第一篇科学论文中发表，他的第一篇科学论文中发表，在这个实验中，他碰到了测在这个实验中，他碰到了测量电流强度的困难。量电流强度的困难。图图1-211-21德国物理学家欧姆德国物理学家欧姆 1.1.3 1.1.3 欧姆定理实验欧姆定理实验在德国科学家施威格发明的检流计启发下，他把在德国科学家施威格发明

24、的检流计启发下，他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤方法巧妙奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤方法巧妙地结合起来，设计了一个电流扭力秤，用它测量电地结合起来，设计了一个电流扭力秤，用它测量电流强度。流强度。欧姆从初步的实验中证实，电流的电磁力与导体欧姆从初步的实验中证实，电流的电磁力与导体的长度有关。随后，在试验中改变电路上的电动势的长度有关。随后，在试验中改变电路上的电动势中，他发现：电荷在导体中流动遵从一种十分简单中，他发现：电荷在导体中流动遵从一种十分简单的规律：电流和电压成正比。的规律：电流和电压成正比。1.1.3 1.1.3 欧姆定理实验欧姆定理实验电压和电流之间的比例系数称作

25、电阻，它表示电压和电流之间的比例系数称作电阻，它表示导体对电荷流动所呈现的导体对电荷流动所呈现的“阻力阻力”（图（图1-221-22），），电动势与电阻之间的依存关系，就是欧姆定律。电动势与电阻之间的依存关系，就是欧姆定律。I=U/R 图图1-22 1-22 欧姆定理实验电路图欧姆定理实验电路图 1.1.3 1.1.3 欧姆定理实验欧姆定理实验1 1）麦克斯韦方程组）麦克斯韦方程组麦克斯韦（图麦克斯韦（图1-231-23）通过对前人的发现和成果）通过对前人的发现和成果加以总结和升华以及结合位移电流概念的引入，加以总结和升华以及结合位移电流概念的引入，创造性地提出了变化电场可在周围激发磁场的创造

26、性地提出了变化电场可在周围激发磁场的假设，把物理与数学紧密结合假设，把物理与数学紧密结合,利用类比方法利用类比方法建立了描写电磁场运动规律的麦克斯韦方程组建立了描写电磁场运动规律的麦克斯韦方程组（图（图1-241-24）。）。1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现图图1-23 1-23 英国物理学家家麦克斯韦英国物理学家家麦克斯韦 图图1-24 1-24 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可在周围产生交变磁场（或电场），预言了场）可在周围产生交变磁场（或电

27、场），预言了电磁波。电磁波。他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波（图（图1-251-25）。）。1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现(a)电磁波的形成和发展(b)沿X方向传播的简谐平面电磁波图图1-25 1-25 电磁波电磁波 1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现麦克斯韦的电磁理论首次综合和发展了前人工作麦克斯韦的电磁理论首次综合和发展了前人工作,给给出了一个描写出了一个描写电磁场电磁场运动的完美的统一方程；充运动的完美的统一方程；充分反映了电

28、场与磁场以及时间空间的对称性；数学形分反映了电场与磁场以及时间空间的对称性；数学形式简单优美式简单优美,充分体现了物理学的充分体现了物理学的美美以及数学的以及数学的重要性；重要性；更重要的是科学家正是利用数学方法从庞杂更重要的是科学家正是利用数学方法从庞杂的经验事实中找出自然界普遍的高于感性经验的客观的经验事实中找出自然界普遍的高于感性经验的客观规律来。规律来。1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现2 2）赫兹实验）赫兹实验18731873年，德国物理学家赫兹年，德国物理学家赫兹(图图1-26)1-26)用试验第用试验第一次证明了电磁波的存在。他自制了一个能够一次证明了电磁波的存在。

29、他自制了一个能够产生电磁振荡的仪器，产生出电磁波，在离它产生电磁振荡的仪器，产生出电磁波，在离它三公尺的地方，赫兹用一个简单的接受器接受三公尺的地方，赫兹用一个简单的接受器接受到了这台仪器发出的电磁波。图到了这台仪器发出的电磁波。图1-27 1-27 是赫兹试是赫兹试验验证原理图。验验证原理图。1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现图图1-26 1-26 德国物理学家赫兹德国物理学家赫兹 图图1-271-27赫兹实验赫兹实验 1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现图的左方是由感应圈、金属杆图的左方是由感应圈、金属杆A A、B B组成的电组成的电磁波发射器。磁波发射器。A A

30、、B B金属杆两个金属球之间留金属杆两个金属球之间留有间隙。把两金属杆接到感应圈有间隙。把两金属杆接到感应圈C C的两极上。的两极上。感应圈是一个特殊的变压装置，它可以把低感应圈是一个特殊的变压装置，它可以把低电压变成高电压。电压变成高电压。1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现o 当两球之间的电压足够高时，空气被击穿，在当两球之间的电压足够高时，空气被击穿，在两球间隙中发生火花放电。每跳一次火花，电两球间隙中发生火花放电。每跳一次火花，电荷在两球的间隙间往复多次，形成高频振荡电荷在两球的间隙间往复多次，形成高频振荡电流。火花放电是间断性的，跳过一次火花之后，流。火花放电是间断性的，

31、跳过一次火花之后，接着跳过第二次火花，这样就间断性地发出电接着跳过第二次火花，这样就间断性地发出电磁波。磁波。图图1-271-27的右方是电磁波接收器，它是一个金的右方是电磁波接收器，它是一个金属圆环，也留有一个间隙，在间隙处的两端属圆环，也留有一个间隙，在间隙处的两端带有金属球。当电磁波传到接收器时，电磁带有金属球。当电磁波传到接收器时，电磁波使环的两个金属球间产生电动势。这个电波使环的两个金属球间产生电动势。这个电动势足够高时，在两球间隙中也会发生火花动势足够高时，在两球间隙中也会发生火花放电。放电。1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现赫兹在实验时曾指出，电磁波可以被反射、赫兹

32、在实验时曾指出，电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波，其电场平行于振荡器的导线，而磁场波，其电场平行于振荡器的导线，而磁场垂直于电场，且两者均垂直传播方向。垂直于电场，且两者均垂直传播方向。1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波的发现o 18891889年在一次著名的演说中，赫兹明确的指年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。此外，赫兹还发现出，光是一种电磁现象。此外，赫兹还发现电磁波可以毫无困难地通过墙壁，不过它能电磁波可以毫无困难地通过墙壁，不

33、过它能被大金属挡住；镜子可以反射电磁波。赫兹被大金属挡住；镜子可以反射电磁波。赫兹还测出电磁波的波长，由此计算出电磁波的还测出电磁波的波长，由此计算出电磁波的传播速度，结果发现，电磁波的传播速度和传播速度，结果发现，电磁波的传播速度和光速完全相同。光速完全相同。第一次以电磁波传递信息是第一次以电磁波传递信息是18961896年意大利马可年意大利马可尼开始的。尼开始的。19011901年，马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼年，马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。岸的美国。2020世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。1.1.4 1.1.4 电磁波的发现电磁波

34、的发现o 赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论，更为无线电、电视和雷达的发展找论，更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。电的真正魅力在于，它为人到了途径。电的真正魅力在于，它为人类提供了一种传输和控制能量最理想的类提供了一种传输和控制能量最理想的方式，使人类获得了一种以光速传输信方式，使人类获得了一种以光速传输信息的载体。息的载体。1.2 1.2 电子线路元件的发展电子线路元件的发展1.2.1 1.2.1 电子的发现电子的发现1.2.2 1.2.2 电子管电子管1.2.3 1.2.3 晶体管晶体管1.2.4 1.2.4 集成电路集成电路1.2.1 1.2.1 电

35、子的发现电子的发现电子的发现过程，始于人们对气体放电的电子的发现过程，始于人们对气体放电的研究。当气体放电发生时，电子很容易脱离研究。当气体放电发生时，电子很容易脱离原子的束缚呈现许多新奇现象。它们引导科原子的束缚呈现许多新奇现象。它们引导科学家探寻隐藏其中的奥秘，从而找到电子；学家探寻隐藏其中的奥秘，从而找到电子；o 应用电子的构想，源于白炽灯的发明。白炽灯应用电子的构想，源于白炽灯的发明。白炽灯灼热的灯丝，不仅持续地发出明亮的光，并源灼热的灯丝，不仅持续地发出明亮的光，并源源不断地发射电子；源不断地发射电子；o 这些电子在没有空气的环境里能够自由地飞行，这些电子在没有空气的环境里能够自由地

36、飞行，借助电和磁的作用，人们可以控制它们的运动，借助电和磁的作用，人们可以控制它们的运动，这成为各类电子技术发明共同的基础。这成为各类电子技术发明共同的基础。18971897年，英国科学家汤姆孙（如图年，英国科学家汤姆孙（如图1-281-28）对阴极射线进行更加精确的实验研究时发对阴极射线进行更加精确的实验研究时发现，阴极射线是一种带负电的微粒，与气现，阴极射线是一种带负电的微粒，与气体成分或阴极材料无关，它存在于一切物体成分或阴极材料无关，它存在于一切物质之中。质之中。1.2.1 1.2.1 电子的发现电子的发现o 汤姆孙用汤姆孙用“电子电子”一词命名他确认的这一词命名他确认的这种带电微粒，

37、图种带电微粒，图1-291-29就是汤姆孙的原子就是汤姆孙的原子模型。模型。o 科学史家将人类发现电子的时间定为科学史家将人类发现电子的时间定为18971897年。年。图图 1-281-28英国科学家汤姆孙英国科学家汤姆孙 图图1-29 1-29 汤姆孙的原子模型汤姆孙的原子模型 1.2.1 1.2.1 电子的发现电子的发现电子是一种基本粒子，目前无法再分解为更小的物质。电子是一种基本粒子，目前无法再分解为更小的物质。其直径是质子的其直径是质子的0.0010.001倍，重量为质子的倍，重量为质子的1/18361/1836。电子围绕原子的核做高速运动。电子通常排列在各个电子围绕原子的核做高速运动

38、。电子通常排列在各个能量层上。当原子互相结合成为分子时，在最外层的电能量层上。当原子互相结合成为分子时，在最外层的电子便会由一原子移至另一原子或成为彼此共享的电子。子便会由一原子移至另一原子或成为彼此共享的电子。在汤姆孙的原子模型中，原子是一个球体；正电核均在汤姆孙的原子模型中，原子是一个球体；正电核均匀分布在整个球内，而电子镶嵌在原子里面。匀分布在整个球内，而电子镶嵌在原子里面。1.2.1 1.2.1 电子的发现电子的发现19041904年，英国工程师弗莱明年，英国工程师弗莱明(图图 1-30)1-30)发明了人类第一只电子管发明了人类第一只电子管,电子管的诞生，电子管的诞生，是人类电子文明

39、的起点。是人类电子文明的起点。弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生发弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生发现的现的“爱迪生效应爱迪生效应”。1.2.2 1.2.2 电子管电子管o 弗莱明采用在真空中利用电流加热灯丝的方弗莱明采用在真空中利用电流加热灯丝的方法，轻而易举地获得逸出物体的自由电子，法，轻而易举地获得逸出物体的自由电子，并用它做成了一种效率很高的无线电信号检并用它做成了一种效率很高的无线电信号检测器测器-真空二极管（如图真空二极管（如图1-311-31）。真空）。真空二极管可使频率很高的无线电信号被整流检二极管可使频率很高的无线电信号被整流检波成为人们需要的信息。波成为人们需要的信息。图

40、图 1-301-30英国工程师弗莱明英国工程师弗莱明 图图 1-31 1-31 真空电子二极管（真空电子二极管（19041904年）年）1.2.2 1.2.2 电子管电子管 19061906年，另一位美国发明家德福雷斯特福年，另一位美国发明家德福雷斯特福瑞斯特（图瑞斯特（图1-321-32）致力于能放大电信号的真）致力于能放大电信号的真空管的研究，他在真空二极管的阳极与阴极空管的研究，他在真空二极管的阳极与阴极之间的靠近阴极的区域安置了一个栅网状电之间的靠近阴极的区域安置了一个栅网状电极极控制栅极。控制栅极。1.2.2 1.2.2 电子管电子管o 这样一来，从阴极发射出来的奔向阳极的电子数目这

41、样一来，从阴极发射出来的奔向阳极的电子数目就将受到加在栅极上的电信号的控制。于是能放大就将受到加在栅极上的电信号的控制。于是能放大电信号的第一代电子器件电信号的第一代电子器件真空三极管问世了。真空三极管问世了。真空三极管（如图真空三极管（如图1-331-33）是一种能量转换装置，就）是一种能量转换装置，就好像是电信号的加油站，这项看似简单的发明，翻好像是电信号的加油站，这项看似简单的发明，翻开了电子技术发展史新的一页。开了电子技术发展史新的一页。图图1-321-32美国发明家德福雷斯特美国发明家德福雷斯特 图图1-33 1-33 真空三极管真空三极管 1.2.2 1.2.2 电子管电子管真空三

42、极管的发明，使无线广播迅速成真空三极管的发明，使无线广播迅速成为一种大众传媒，收音机成为一种时尚家为一种大众传媒，收音机成为一种时尚家电。电。利用真空三极管，可以产生功率强大的利用真空三极管，可以产生功率强大的高频无线电信号，同时使声音变成的电信高频无线电信号，同时使声音变成的电信号叠加在上面，向幅员辽阔的地域播送语号叠加在上面，向幅员辽阔的地域播送语音信息。音信息。1.2.2 1.2.2 电子管电子管o 真空三极管产生的高频电信号可使人体某些组真空三极管产生的高频电信号可使人体某些组织发热，从而改善血液循环，有助于医生治疗织发热，从而改善血液循环，有助于医生治疗疾病。疾病。o 它还可用来熔炼

43、金属，对金属材料进行淬火处它还可用来熔炼金属，对金属材料进行淬火处理，改善工具、机器零部件的性能等。理，改善工具、机器零部件的性能等。无线电电子学技术开始跨出通信系统，进入人无线电电子学技术开始跨出通信系统，进入人类活动的更多领域。作为电子学装置的核心器类活动的更多领域。作为电子学装置的核心器件，真空三极管一直推动着电子技术前进，直件，真空三极管一直推动着电子技术前进，直到到19471947年，三位美国科学家发明晶体管，它才年，三位美国科学家发明晶体管，它才逐渐退出历史舞台。逐渐退出历史舞台。1.2.2 1.2.2 电子管电子管为了克服电子管的局限性，第二次世为了克服电子管的局限性，第二次世界

44、大战结束后，贝尔实验室加紧了对固界大战结束后，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。用半导体材料制作放大器件的可能性。1.2.3 1.2.3 晶体管晶体管o 19451945年秋天，贝尔实验室成立了以肖克年秋天，贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组，成员有布拉莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、巴丁等人（图顿、巴丁等人（图1-341-34）。他们经过一）。他们经过一系列的实验和观察，逐步认识到半导体系列的实验和观察，逐步认识到半导体中

45、电流放大效应产生的原因。中电流放大效应产生的原因。图图1-34 1-34 晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿 1.2.3 1.2.3 晶体管晶体管 布拉顿发现，在锗片的底面接上电极，布拉顿发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。样就会使原来的电流产生很大的变化。1.2.3 1.2.3 晶体管晶体管o 微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很

46、大的影响，这就是很大的影响，这就是“放大放大”作用。布拉顿作用。布拉顿等人，还想出有效的办法，来实现这种放大等人，还想出有效的办法，来实现这种放大效应。他们在发射极和基极之间输入一个弱效应。他们在发射极和基极之间输入一个弱信号，在集电极和基极之间的输出端，就放信号，在集电极和基极之间的输出端，就放大为一个强信号了。大为一个强信号了。巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为大倍数为5050左右。不久之后，他们利用两左右。不久之后，他们利用两个靠得很近个靠得很近(相距相距0.050.05毫米毫米)的触须接点，的触须接点，来代替金箔接点，制造了来代替金箔接点，制造

47、了“点接触型晶体点接触型晶体管管”。1.2.3 1.2.3 晶体管晶体管o 19471947年年1212月，这个世界上最早的实用半月，这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了（图导体器件终于问世了（图1-351-35），在首），在首次试验时，它能把音频信号放大次试验时，它能把音频信号放大100100倍，倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。它的外形比火柴棍短，但要粗一些。图图1-35 1-35 晶体管的早期模式和第一个晶体管晶体管的早期模式和第一个晶体管 1.2.3 1.2.3 晶体管晶体管在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电阻变换特性，即它是靠一种从阻变换特

48、性，即它是靠一种从“低电阻输入低电阻输入”到到“高电阻输出高电阻输出”的转移电流来工作的，于的转移电流来工作的，于是取名为是取名为trans-resister(trans-resister(转换电阻转换电阻)，后来，后来缩写为缩写为transistertransister，中文译名就是晶体管。，中文译名就是晶体管。1.2.3 1.2.3 晶体管晶体管o 晶体管的发明是晶体管的发明是2020世纪最伟大的发明，世纪最伟大的发明，它为集成电路的出现拉开了序幕，晶体它为集成电路的出现拉开了序幕，晶体管的发明奠定了现代电子技术的基础，管的发明奠定了现代电子技术的基础，揭开了微电子技术和信息化的序幕，开揭

49、开了微电子技术和信息化的序幕，开创了人类的硅文明时代。创了人类的硅文明时代。大约在大约在19561956年，英国的德马就从晶体管原理预想到了年，英国的德马就从晶体管原理预想到了集成电路的出现。集成电路的出现。19581958年美国提出了用半导体制作全部电路元器件实现年美国提出了用半导体制作全部电路元器件实现集成电路化方案。当年，美国德州仪器公司的基尔比在集成电路化方案。当年，美国德州仪器公司的基尔比在研究微型组件时，为实现电路的微型化，提出了用同一研究微型组件时，为实现电路的微型化，提出了用同一种材料做出电子元器件的设想，并在一个玻璃板上焊接种材料做出电子元器件的设想，并在一个玻璃板上焊接锗晶

50、体管芯片等元件，成功地研究出了微小型锗振荡器，锗晶体管芯片等元件，成功地研究出了微小型锗振荡器，这就是世界第一块集成电路。这就是世界第一块集成电路。1961 1961年，开始批量生产集成电路。年，开始批量生产集成电路。1.2.4 1.2.4 集成电路集成电路集成电路示例见图集成电路示例见图1-361-36。(a)第一块集成电路(b)集成电路芯片显微照片(c)各种封装好的集成电路 图图 1-36 1-36 集成电路示例集成电路示例 1.2.4 1.2.4 集成电路集成电路集成电路并不是一个一个的电路元器件连接成集成电路并不是一个一个的电路元器件连接成的电路，而是把具有某种功能的电路的电路，而是把