嘿，存钱。他们监控 你的心跳。他们携带 你的声音传进别人的家中。他们带来了 飞机 进入陆地并引导汽车安全到达目的地——他们甚至开火 这 安全气囊 如果我们遇到麻烦。想想有多少真是太神奇了 “他们”实际做的事情。 “他们”是电子：内部的微小粒子 原子 绕着定义的路径行进，称为 承载电能的电路。人们最伟大的事情之一 20世纪学会做的是用电子来控制 机器和过程信息。这 电子学 革命，就像这样 已知，加速 计算机 革命 这两件事都改变了我们的许多领域 生活。但是纳米级小颗粒究竟是如何做到的，太小了 看到，实现如此大和戏剧性的事情?让我们来一个 仔细观察并找出答案!

　　照片：紧凑型电子电路板 网络摄像头. 该板包含几十个独立的电子元件，主要是小型电阻器和电容器， 加上完成大部分工作的大型黑色微芯片(左下角)。

　　电力和电子产品有什么区别?

　　如果您已经阅读了我们的文章 电力, 你会知道这是一种 能源——一个非常 我们可以以各种方式制造和使用的各种能源 在更多。电就是制造电磁能 在电路周围流动，以便它将驱动类似 电动机 或 加热元件, 为电器供电，例如 电动车, 水壶, 烤 面包 机和 灯. 一般来说，电器需要大量的能量来制造 他们工作所以他们使用相当大的(通常是相当危险的)电力 电流。电热水壶内的 2500 瓦加热元件 工作电流约为 10 安培。相比之下，电子元件使用电流 可能以毫安的分数(千分之一安培)为单位进行测量。换句话说，典型的 电器可能会使用数十、数百或数千的电流 比典型的电子产品大几倍。

　　电子产品是一种更微妙的电，其中微小的 电流(理论上是单电子)小心翼翼地 围绕更复杂的电路来处理信号(例如 那些携带 收音机 和 电视 程序)或存储和处理 信息.想一想像 微波 烤箱 而且很容易看出普通之间的区别 电力和电子。在微波炉中，电力提供 产生高能波来烹饪食物的力量;电子学 控制烹饪的电路。

　　艺术品：微波炉由插入墙壁的电缆(灰色)供电。 电缆为大电流电路和低电流电子电路供电。 大电流电路为磁控管(蓝色)供电，磁控管是制造烹饪食物的波浪的装置， 并旋转转盘。低电流电子电路(红色)控制这些高功率电路， 以及数字显示单位之类的东西。

　　模拟和数字电子

　　有两种非常不同的信息存储方式 — 称为 模拟和数字.这听起来像是一个很抽象的想法，但它是 真的非常简单。假设你拍了一张老式的照片 有人有 胶片相机.相机捕捉流入的光线 通过前面的快门作为光的图案 和经过化学处理的暗区 塑胶. 你所在的场景 摄影被转化为一种即时的化学绘画—— 你正在看的东西的“类比”。这就是为什么我们说这是一个 模拟 存储信息的方式。但是，如果您拍摄一张照片 同一场景与 数码相机, 相机存储非常不同的记录。而不是保存 可识别的明暗图案，它转换了明暗 区域成数字并存储它们。存储数字，编码 某物的版本称为 数字.

　　照片：模拟和数字电子。收音机(背面)是模拟的：它“吸收”无线电波，并通过晶体管和电容器等电子元件将它们变回声音。相机(前置)是数字的：它将照片存储和处理为数字。

　　电子设备通常处理任一模拟信息。 或数字格式。在老式晶体管中 收音机, 广播信号通过 天线 贴 出局。这些是模拟信号：它们是无线电波， 从遥远的无线电发射器在空中传播， 振动 以与单词完全对应的模式上下和 他们携带的音乐。如此响亮的摇滚音乐意味着比安静更大的信号 古典乐。收音机以模拟形式保持信号 接收它们，增强它们，并将它们变回您可以的声音 听见。但在现代 数字收音机, 事情以不同的方式发生。首先，信号以数字方式传播 格式 - 作为编码数字。当他们到达您的收音机时，数字 被转换回声音信号。这是一种非常不同的方式 处理信息，它既有优点也有缺点。 通常，大多数现代形式的电子设备(包括 计算机, 细胞 手机, 数码相机, 数字收音机、助听器，以及 电视) 使用 数字电子。

　　电子元器件

　　如果你曾经从摩天大楼的窗户俯视过一座城市， 你会惊叹于你脚下的所有小建筑， 街道以各种错综复杂的方式将它们连接在一起。每 建筑具有功能和街道，允许人们旅行 从城市的一部分到另一个地方，或参观不同的建筑物 转，使所有建筑物协同工作。收藏 建筑物，它们的排列方式，以及它们之间的许多联系 它们使一个充满活力的城市远远超过其总和 单个零件。

　　电子设备内部的电路有点像 城市也是如此：它们挤满了 组件 (类似于 建筑物)执行不同的工作，并且组件是链接的 通过电缆或印刷金属连接在一起 连接 (类似于 街道)。与城市不同，几乎每座建筑都是独一无二的 甚至两个据称相同的房屋或办公大楼也可能是微妙的 不同的是，电子电路是由少数 标准组件。但是，就像乐高®一样，你可以把这些 组件在无数个不同的地方组合在一起，所以它们 做无限数量的不同工作。

　　以下是您将遇到的一些最重要的组件：

　　电阻

　　这些是任何电路中最简单的元件。它们的工作是限制电子的流动并减少 通过将电能转化为热量流动的电流或电压。 电阻器有许多不同的形状和尺寸。可变电阻器 (也称为电位计)具有刻度盘控件，因此它们 转动它们时更改阻力量。音量控制 音频设备使用这样的可变电阻器。

　　在我们的主要文章中阅读更多关于 电阻.

　　照片：来自收音机的电路板上的典型电阻器。二极管

　　二极管是单行道的电子等价物，允许电流流动 只在一个方向上通过它们。它们也被称为整流器。 二极管可用于改变交流电(回流的交流电) 并绕一个电路，不断交换方向)变成直接 电流(始终沿同一方向流动的电流)。

　　在我们的主要文章中阅读更多关于 二极管.

　　相片：二极管外观与电阻器相似，但工作方式不同 并做完全不同的工作。与电阻器不同，电阻器可以插入电路中 无论哪种方式，二极管都必须以正确的方向接线(对应于箭头 在此电路板上)。电容器

　　这些相对简单的组件由两块导电材料(如金属)组成，由 称为电介质的非导电(绝缘)材料。他们是 通常用作计时设备，但它们可以转换电气 其他方式也流动。在收音机中，最重要的工作之一， 调谐到您想收听的电台，是由电容器完成的。

　　在我们的主要文章中阅读更多关于 电容器.

　　照片：晶体管无线电电路中的小电容器。晶体管

　　很容易成为计算机中最重要的组件，晶体管可以 打开和关闭微小的电流或放大它们(变换 小电流变成大得多的电流)。工作的晶体管 开关充当计算机中的存储器，而晶体管工作 因为放大器提高了助听器中的声音音量。什么时候 晶体管连接在一起，它们使设备称为 逻辑门 可以执行非常基本的 决策形式。(晶闸管 有点像晶体管，但是 以不同的方式工作。

　　在我们的主要文章中阅读更多关于 晶体管.

　　照片：电子电路板上的典型场效应晶体管(FET)。光电(光学电子)元件

　　有各种组件可以将光转化为电能，反之亦然。 光电管 (也称为 光电电池)产生微小的电 当光线落在它们身上并用作“魔眼”光束时产生的电流 在各种类型的传感设备中，包括某些种类的 烟雾探测器. 发光二极管 (LED) 以相反的方式工作，转换小电流 变成光。LED通常用于立体声的仪表板 设备。 液晶显示器，例如用于 平板液晶电视和笔记本电脑 计算机是光电学的更复杂的例子。

　　相片：安装在电子电路中的LED。这是其中之一 在光学器件内发出红光的 LED 电脑鼠标.电子元件有一些非常重要的共同点。 无论他们做什么工作，他们都通过控制电子的流动来工作。 以非常精确的方式通过它们的结构。这些组件中的大多数 由部分导电、部分绝缘的实心片制成 称为的材料 半导体 (描述 更详细地见我们的 关于 晶体管).因为电子涉及理解 固体如何让电子通过它们的精确机制， 它有时被称为 固态 物理。 这就是为什么你经常会看到电子设备被描述为“固态”。

　　电子电路和电路板

　　电子设备的关键不仅仅是它的组件 包含，但它们在电路中的排列方式。最简单的 可能的电路是连接两个组件的连续回路，例如 两颗珠子系在同一条项链上。模拟电子电器 往往比数字电路简单得多。基本晶体管 收音机可能有几十个不同的组件和一个电路板 可能不比平装书的封面大。但是在某些事情上 像一个 计算机，使用数字技术，电路更多 密集而复杂，包括数百、数千甚至数百万 分开 途径。一般来说，电路越复杂，越多 复杂地执行它可以执行的操作。

　　照片：电脑打印机内部的电子电路板。哪些电子元件 你能看到这里吗?我可以辨认出一些电容器，二极管和集成电路(黑色的大东西，下面解释)。

　　如果您尝试过简单的电子产品，您就会知道 构建电路的最简单方法是将组件连接在一起 长度短 铜 电缆。但是你必须做的组件越多 连接，这变得越难。这就是为什么电子设计师 通常选择更系统的方式来排列组件 称为 电路板.基本电路 董事会只是一个 的矩形 塑胶 一侧有铜连接轨道和很多 钻穿它的孔。您可以轻松地将组件连接在一起 通过将它们戳穿孔并使用铜将它们连接起来 一起，根据需要去除铜位，并添加额外的电线 以建立其他连接。这种类型的电路板通常是 称为“面包板”。

　　您在商店购买的电子设备将这个想法向前迈进了一步 进一步使用在工厂自动制造的电路板. 电路的确切布局以化学方式印刷到塑料上 板，所有铜轨在 制造过程。然后简单地推动组件 预先钻孔并用一种电动固定到位 导电胶称为 焊料.以这种方式制造的电路 被称为 印刷电路板.

　　相片： 软焊 组件成电子 电路。您可以看到的烟雾来自焊料熔化并变成蒸汽。我在这里焊接的蓝色塑料矩形是一个典型的印刷电路板 - 你可以看到各种组件从它上面伸出来，包括前面的一堆电阻器和顶部的一个大型集成电路。

　　虽然PCB在手工布线电路板上是一个很大的进步， 当您需要连接数百个时，它们仍然很难使用， 数千个甚至数百万个组件在一起。原因早 计算机是如此之大，耗电，缓慢，昂贵且不可靠是 因为它们的组件是手动连接在一起的 老式的方式。然而，在1950年代后期，工程师杰克·基尔比和 罗伯特·诺伊斯独立开发了一种创建电子产品的方法 硅片表面的微型组件。用 这些 集成电路，它迅速变成了 可能挤压成百上千，几百万，然后数亿 小型化组件到大约大小的硅芯片上 指甲。这就是计算机变得更小、更便宜、更多的原因。 从 1960 年代开始更加可靠。

　　照片：小型化。拥有更多的计算能力 在我手指上的处理芯片中，比你在房间大小中找到的要多 1940 年代的计算机!

　　电子产品是做什么用的?

　　电子产品现在如此普遍，以至于几乎更容易想到 不使用它的东西比使用它的东西。

　　娱乐是最早受益的领域之一，包括 收音机 (和 后 电视) 都至关重要 取决于 电子元件。虽然 电话 是在电子产品得到适当发展之前发明的，现代的 电话系统， 手机 网络 和计算机网络 心脏 互联网 所有受益者都受益于 精密的数字电子产品。

　　试着想一些你做的事情不涉及电子产品 你可能会挣扎。你 汽车发动机 可能有电子电路 在其中 - 那么 全球定位系统 卫星 告诉你去哪里的导航设备?甚至 安全气囊 在你的 方向盘由电子电路触发，该电路可检测何时 你需要一些额外的保护。

　　电子设备也以其他方式拯救我们的生命。医院 挤满了各种电子产品，从心率 监视器和 超声波 扫描仪到复杂的脑扫描仪和 X射线 机器。助听器是首批受益于 20世纪中叶微型晶体管的发展，以及 越来越小的集成电路使助听器成为 从那以后的几十年里，更小、更强大。

　　谁会想到有电子——几乎是你最小的东西 可以想象——会在这么多重要的事情上改变人们的生活 方式?

　　电子学简史

　　照片：J.J.汤姆森爵士，他于1897年在剑桥大学发现电子是带负电的粒子。汤姆森赢得 1906年诺贝尔物理学奖 因为他的工作。照片由贝恩新闻服务提供 美国国会图书馆.

　　1874年：爱尔兰科学家 乔治·约翰斯通·斯托尼 (1826-1911)建议电力必须由微小的电力“建造” 收费。大约20年后，他创造了“电子”这个名字。

　　1875年：美国科学家 乔治·凯里 构建一个光电电池，当光线照射时发电 它。

　　1879： 英国人 威廉·克鲁克斯爵士 (1832-1919)开发了他的阴极射线管(类似于旧式， 基于“管”的 电视) 学习 电子(当时被称为“阴极射线”)。

　　1883年：多产的美国发明家 爱迪生 (1847-1931)发现热离子发射(也称为爱迪生 效应)，其中电子由加热的灯丝释放。

　　1887年：德国物理学家 海因里希·赫兹 (1857-1894)发现了更多关于光电效应的信息， 凯里偶然发现的光和电之间的联系 前十年。

　　1897年：英国物理学家 J.J.汤姆森 (1856-1940)表明阴极射线是带负电的粒子。 汤姆森称它们为“微粒”，但它们很快就被重新命名为电子。

　　1904: 约翰·安布罗斯·弗莱明 (1849-1945)，英国科学家，生产了弗莱明阀门(后来 更名为二极管)。它成为收音机中不可或缺的组件。

　　1906年：美国发明家 李德福雷斯特 (1873-1961)，做得更好，并开发了一种改进的阀门，称为 三极管(或音频)，大大改进了收音机的设计。德 福里斯特经常被誉为现代无线电之父。

　　1947： 美国人 约翰·巴丁 (1908–1991), 沃尔特·布拉坦 (1902-1987)，以及 威廉·肖克利 (1910–1989) 在贝尔实验室开发晶体管。它彻底改变了电子和数字 20世纪下半叶的计算机。

　　1958年：独立工作，美国工程师 杰克·基尔比 (1923-2005)的德州仪器和 罗伯特·诺伊斯 (1927-1990) 的费尔柴尔德 半导体(以及后来的英特尔)开发集成电路。

　　1971: 马西安·爱德华(泰德)霍夫 (1937–) 和 费德里科·费金 (1941–) 设法将计算机的所有关键组件压缩到 单芯片，生产世界上第一个通用微处理器，英特尔4004。

　　1987年：美国科学家 西奥多·富尔顿 和 杰拉尔德·多兰 贝尔实验室开发了第一个单电子晶体管。

　　2008年：惠普研究员 斯坦利·威廉姆斯 构建第一个工作忆阻器，一个新的 一种磁路元件，其工作原理类似于带有存储器的电阻器，最早由美国物理学家设想 蔡磊 近四十年前(1971 年)。