ηλεκτρονική

Κλάδος της σύγχρονης επιστήμης. Απαρτίζεται από σύνολο μελετών και εφαρμογών που αφορούν την πραγματοποίηση και τη λειτουργία κυκλωμάτων με καθορισμένες ιδιότητες σε συσχετισμό με ηλεκτρικά ή μαγνητικά σήματα που εισάγονται σε αυτά. Για τον χαρακτηρισμό των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχουν δύο τάσεις: η μία τα χαρακτηρίζει ως κυκλώματα ασθενών ρευμάτων από το γεγονός ότι σε αυτά κυκλοφορούν κυρίως ασθενή ρεύματα· η άλλη άποψη είναι ότι εκείνο που χαρακτηρίζει τα κυκλώματα αυτά είναι η βασική λειτουργία τους, που αποσκοπεί στο να δεχτούν ή να μεταδώσουν μια πληροφορία, που ανάλογα με τις περιπτώσεις μπορεί να είναι ένας ήχος, μια εικόνα, η παρουσία ενός σωματιδίου σε έναν χώρο κ.ο.κ. Ιστορικά στοιχεία.Η η. γεννήθηκε σχετικά πρόσφατα: η αρχή της μπορεί να αναχθεί στις παρατηρήσεις του Κρουξ για τις ηλεκτρικές εκφορτίσεις εντός αραιών αερίων (1878) και στις έρευνες του Έντισον για τους λαμπτήρες πυράκτωσης (1883), όταν δηλαδή για πρώτη φορά έγινε λόγος για εκπομπή φορτισμένων σωματιδίων. Οι πρώτες εφαρμογές, που πραγματοποιήθηκαν κατά το τέλος του 19ου αι. και την πρώτη δεκαετία του 20ού από τον Φλέμινγκ (βλ. λ. δίοδος) και από τον Λι ντε Φόρεστ (βλ. λ. τρίοδος), άνοιξαν την περίοδο των τυπικών ηλεκτρονικών διατάξεων, που είχαν ως αποστολή να ελέγχουν την κίνηση των ηλεκτρονίων στο κενό, στα αέρια και στα στερεά. Κατά την πρώτη περίοδο, που διήρκεσε μέχρι τον Β’ Παγκόσμιο πόλεμο, η η. παρέμεινε σχεδόν ένα μέσο στη διάθεση της ραδιοτεχνικής και της τηλεπικοινωνίας. Κύριοι στόχοι της ήταν να αυξηθεί η ισχύς των ηλεκτρονικών λυχνιών, να βελτιωθούν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους και να επινοηθούν νέοι τύποι λυχνιών (τέτροδος, πέντοδος κλπ.) για να λυθούν προβλήματα που σχετίζονταν με τις εγκαταστάσεις της ραδιοτηλεφωνικής μετάδοσης και της ηχητικής αναπαραγωγής. Μια σημαντική ανάπτυξη της τεχνικής των ηλεκτρονικών πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου πολέμου, ιδιαίτερα από την προώθηση των ερευνών για την πραγματοποίηση του ραντάρ. Η ανάγκη να μειωθεί το μήκος κύματος ή –πράγμα που είναι το ίδιο– να αυξηθεί η συχνότητα των εκπεμπόμενων κυμάτων, είχε ως αποτέλεσμα να επινοηθούν νέοι τύποι λυχνιών (βλ. λ. κλύστρον, μάγνετρον) που λειτουργούν στην περιοχή των μικροκυμάτων. Επίσης η τηλεόραση, που γεννήθηκε κατά το 1920, χάρη στη κατασκευή των καθοδικών σωλήνων και των φωτοκύτταρων παρέμεινε στενά συνδεδεμένη με την ανάπτυξη της τεχνικής των ηλεκτρονικών. Για παράδειγμα, οι λυχνίες λήψης βελτιώθηκαν σημαντικά, με πρώτο το εικονοσκόπιο. Ήδη κατά τα τελευταία χρόνια του Β’ Παγκοσμίου πολέμου και αμέσως μετά, η η. αναπτύχθηκε σε τέτοιο βαθμό, ώστε να εξαρτάται από αυτήν κάθε τομέας της επιστημονικής έρευνας. Στην πυρηνική φυσική, για παράδειγμα, οι ηλεκτρονικές συσκευές είναι πλέον αναντικατάστατες για την ανίχνευση, τον υπολογισμό και τη μελέτη των σωματιδίων. Για τον σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν κυκλώματα που διευκρινίζουν το πλάτος ενός ηλεκτροπαλμού ή διαβάζουν τον συγχρονισμό δύο ή περισσότερων παλμών που δέχονται στην είσοδό τους. Αναπτύχθηκε δηλαδή η τεχνική των σημάτων, η βάση της λειτουργίας των ηλεκτρονικών υπολογιστών (βλ. λ. υπολογιστικές μηχανές). Το 1948 έκαναν την εμφάνισή τους οι κρυσταλλολυχνίες (βλ. λ. τρανζίστορ), το πρώτο επαναστατικό επίτευγμα της φυσικής του στερεού σώματος. Οι κρυσταλλολυχνίες, που στην αρχή χρησιμοποιήθηκαν σε αντικατάσταση των ηλεκτρονικών λυχνιών, επέφεραν κατά τις δεκαετίες 1950 και 1960 μία προοδευτική σμίκρυνση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (μικροκυκλώματα), η οποία επέτρεψε την κατασκευή συστημάτων που περιέχουν αυξημένο αριθμό ηλεκτρονικών εξαρτημάτων συγκεντρωμένων σε έναν όγκο όλο και πιο περιορισμένο και συμπαγή. Οι συνεχείς έρευνες στο πεδίο της φυσικής του στερεού σώματος μαζί με την ανάπτυξη της τεχνικής των μικροκυκλωμάτων άνοιξαν τον δρόμο στις πρόσφατες πραγματοποιήσεις της μοριακής η., στην οποία οι διάφορες λειτουργίες των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων εκτελούνται από ατομικές και μοριακές κατασκευές και γίνονται με κατάλληλη επεξεργασία. Με διάφορες δηλαδή επεξεργασίες (τοποθέτηση των μετάλλων και των διηλεκτρικών σε κενό, τήξη, οπτική και ηλεκτρική σύνδεση των επιφανειών κλπ.) επιτυγχάνονται πλακίδια πολύ περιορισμένων διαστάσεων και εξαιρετικά συμπαγή, που χαρακτηρίζονται από μια κατασκευή ικανή να αντικαταστήσει το σύνολο των εξαρτημάτων (αντιστάσεις, αυτεπαγωγές, πυκνωτές κλπ.) ενός ή περισσότερων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Οι σχετικές συνδέσεις και κατασκευές στήριξης και προστασίας είναι σχεδόν ανύπαρκτες. Χαρακτηριστικά λειτουργίας των κυκλωμάτων.Οι ηλεκτρονικές διατάξεις γενικά βασίζονται σε δύο φυσικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρονίων: το πρώτο είναι ότι αυτά είναι σωμάτια ηλεκτρικά φορτισμένα, γεγονός που τα κάνει ευαίσθητα στην παρουσία ενός ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου· το δεύτερο είναι ότι αυτά έχουν αμελητέα αδράνεια επειδή η μάζα τους είναι περίπου το 1/1.800 της μάζας του πιο ελαφρού ατόμου, του υδρογόνου. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια υπακούουν σε ηλεκτρομαγνητικές πιέσεις (ακόμα και ασθενέστερες και μεταβλητές) αρκετά γρήγορα. Με μεθόδους ενίσχυσης μπορούμε να μεγεθύνουμε τα χαρακτηριστικά ενός πολύ ασθενούς σήματος που εμφανίζεται στην είσοδο μίας ηλεκτρονικής διάταξης. Συνεπώς, μία ηλεκτρονική συσκευή μπορεί να αντιδράσει σε πάρα πολύ μικρά μεγέθη ισχύς και σε ταχύτατες μεταβολές ενός σήματος εισόδου, με αποτέλεσμα να διεγείρονται συστήματα που θα παρέμεναν αδρανή υπό από την επίδραση του ίδιου σήματος. Σήμερα, συσκευές αυτού του τύπου μπορούν να αντιδράσουν σε ισχύ της τάξης των 10^-14 W (δηλαδή ένα εκατοντάκις χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του Βατ). Για να πάρουμε μία ιδέα του τι σημαίνει ισχύς 10^-14 W, μπορούμε να φανταστούμε ότι αυτή αντιστοιχεί σε εκείνη που απορροφά μία επιφάνεια ενός τ.μ. που βρίσκεται στο Παρίσι και φωτίζεται από έναν μικρό λαμπτήρα που έχει τοποθετηθεί στο Σικάγο, με την προϋπόθεση ότι η Γη είναι επίπεδη και χωρίς εμπόδια. Επιπλέον, ένα ηλεκτρονικό σύστημα μπορεί να αντιδράσει σε μεταβολές της τάξης του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, δηλαδή σε χρόνο που χρειάζεται το φως να διανύσει απόσταση 30 εκ. Επομένως, οι βασικοί παράγοντες της η. είναι η ευαισθησία και η ταχύτητα. Πράγματι, πριν από τη διάδοσή της, όλες οι επιστημονικές και τεχνικές πρόοδοι ήταν περιορισμένες από τις ανθρώπινες αισθήσεις. Παρατηρήσεις, μετρήσεις και όργανα ήταν εξαρτημένα από τις προσωπικές εκτιμήσεις (ιδιαίτερα από την άποψη της ανάγνωσης των οργάνων μέτρησης) και από την περιορισμένη ταχύτητα αντίδρασης. Η η. κατάργησε όλα αυτά τα εμπόδια, πολλαπλασιάζοντας τις δυνατότητες που προσφέρονταν για την παρατήρηση και για την αξιοποίηση των τεχνητών και φυσικών φαινομένων. Η περιοχή έρευνας των φαινομένων διευρύνθηκε σε μεγάλο βαθμό, εφόσον δεν υπήρχε πλέον εξάρτηση από τα όρια των αισθήσεων. Αυτή για παράδειγμα, είναι η περίπτωση της αστρονομίας, της πιο αρχαίας επιστήμης. Πριν από την εμφάνιση της η., οι αστρονόμοι εκτελούσαν μόνο οπτικές παρατηρήσεις. Η η. επέτρεψε την εξερεύνηση του διαστήματος σε όλες τις συχνότητες των ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών με τα ραδιοτηλεσκόπια. Εκτός από αυτές τις βασικές ιδιότητες των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, που όπως είδαμε είναι η ευαισθησία και η ταχύτητα απόκρισης, θα αναφέρουμε τώρα σύντομα ποιες εργασίες καλούνται να πραγματοποιήσουν αυτά τα κυκλώματα. Υπάρχει προπάντων η ανάγκη, σχεδόν σε κάθε τομέα εφαρμογής, να πετύχουμε σήματα, δηλαδή μεταβλητά μεγέθη σε συνάρτηση με τον χρόνο. Για τον σκοπό αυτό κατάλληλοι είναι οι διάφοροι τύποι ταλαντωτών που παράγουν ηλεκτρικές ταλαντώσεις (σήματα) για κάθε επιθυμητή συχνότητα. Άλλες τυπικές ηλεκτρονικές λειτουργίες είναι εκείνες της ενίσχυσης (βλ. λ. ενισχυτής), της διαμόρφωσης, της φώρασης των σημάτων. Σημαντικές επίσης λειτουργίες είναι η μετάδοση και η λήψη πληροφοριών και προπάντων η καταγραφή και η επεξεργασία τους. Το σύνολο αυτών και πολλών άλλων εργασιών αποτελεί τη βάση των πιο σημαντικών επιτευγμάτων της εποχής μας. Πεδία εφαρμογής της η.Για να επεξηγήσουμεέστω και συνοπτικά τη συμβολή της η. στους διάφορους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας, αρκεί να υπενθυμίσουμε την ανάπτυξη που έχει πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα στις τηλεπικοινωνίες και στις ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές μεταδόσεις. Είναι γνωστό ότι οι εικόνες και οι ήχοι μετατρέπονται στον σταθμό εκπομπής σε ηλεκτρικά σήματα (τάσεις ή ρεύματα μεταβλητά) και ύστερα αποστέλλονται με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στον σταθμό λήψης (δέκτη), όπου αυτά τα σήματα μετατρέπονται πάλι σε εικόνες και ήχους. Στη διαδικασία αυτή παρεμβάλλονται ηλεκτρονικά κυκλώματα (ταλαντωτές, διαμορφωτές, φωρατές, ενισχυτές κ.ά.) στα οποία ανήκουν πολλές από τις λειτουργίες που προαναφέρθηκαν και οι οποίες σύνολό τους αποτελούν τις συσκευές εκπομπής, τα ενδεχόμενα ενδιάμεσα στάδια και τις συσκευές λήψης (ραδιόφωνο, τηλεόραση, τηλέφωνο). Άλλο σημαντικότατο πεδίο εφαρμογής είναι η βιομηχανία όπου η η. έκανε δυνατή την αυτοματοποίηση των μηχανών και την κατασκευή συσκευών ελέγχου της επεξεργασίας και της παραγωγής. Σήμερα, πολυάριθμες μηχανές-εργαλεία πραγματοποιούν τις διάφορες εργασίες παραγωγής και επεξεργασίας και τις ελέγχουν με βάση τις οδηγίες που έχουν προηγουμένως καταγραφεί σε ολοκληρωμένα κυκλώματα μνήμης μόνο για ανάγνωση (όπως ROM, UVEPROM, EEPROM)· οι οποίες, μεταφραζόμενες σε ηλεκτρικά σήματα, χειρίζονται τις κινήσεις των ίδιων των μηχανών (προγραμματισμός). Στον επιστημονικό τομέα η συμβολή της η. είναι ανυπολόγιστη. Όλοι σχεδόν οι κλάδοι της επιστήμης προωθήθηκαν στο ερευνητικό τους έργο χάρη στην η. Προβλήματα που απασχολούσαν την αστρονομία, τη μετεωρολογία, την πυρηνική φυσική, τη χημεία, την ιατρική και πολλούς άλλους κλάδους, βρήκαν –κατά ένα μεγάλο ποσοστό– τη λύση τους χάρη στα νέα επιστημονικά μέσα που τους προσέφερε η η.: ραδιοτηλεσκόπια, ηλεκτρονικά φωτόμετρα, ηλεκτρονικά χρονόμετρα, ραντάρ, ραδιοβολίδες, παλμογράφοι καθοδικών ακτινών, ηλεκτρονικοί εγγραφείς, ηλεκτρονικά μικροσκόπια, ηλεκτροκαρδιογράφοι, ηλεκτροεγκεφαλογράφοι, συσκευές λέιζερ και μέιζερ και πλήθος άλλων οργάνων και συσκευών. Μεταξύ των μεγαλύτερων επιτευγμάτων που οφείλονται στην η. είναι η πραγματοποίηση των ηλεκτρονικών υπολογιστικών μηχανών μεγάλης ικανότητας και των ηλεκτρονικών εγκεφάλων που προσφέρουν υπηρεσίες σε διάφορους τομείς. Ακόμα και στην έρευνα του Διαστήματος η η. παρέχει πολύτιμες υπηρεσίες και δεν αποτελεί υπερβολή ότι χάρη σε αυτήν έγιναν πραγματικότητα τα διαστημικά ταξίδια. Τα μικροκυκλώματα με διάφορες επεξεργασίες γίνονται ολοένα και μικρότερα και εξαιρετικά συμπαγή (φωτ. ΑΠΕ). Ο φορητός ηλεκτρονικός υπολογιστής της φωτογραφίας ζυγίζει μόλις 250 γρ. και παρουσιάστηκε το 2002 σε εμπορική έκθεση στο Σιάτλ των ΗΠΑ (φωτ. ΑΠΕ). Οι νέες τεχνολογίες στηρίζονται στην εξέλιξη των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Ερευνητικές ομάδες παρουσιάζουν διαρκώς καινούργια επιτεύγματα στον τομέα της ηλεκτρονικής. Κύκλωμα ολοκληρωτικού τύπου μεγεθυμένο πενήντα φορές. Οι διαστάσεις ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος ολοκληρωτικού τύπου μπορούν να συγκριθούν με τις διαστάσεις ενός τυπωμένου κυκλώματος συνηθισμένου τύπου, που στη φωτογραφία εικονίζεται σε πολλαπλή σμίκρυνση. Ο διευθυντής της ιαπωνικής εταιρείας ηλεκτρονικών συσκευών Νippon παρουσιάζει το πρώτο μικροτσίπ ενός γιγαμπίτ το 1995.