Физика в технике - Г. Покровский

Полупроводники и вычислительные машины

Вещества, которые по своей электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами, называют полупроводниками.

В отличие от проводников тока, где свободных электронов очень много, в полупроводниках их гораздо меньше.

Особенно интересные физические явления происходят в пограничном слое между двумя полупроводниками. Обычно, говоря о свойствах полупроводниковых устройств, имеют в виду свойства такого пограничного слоя.

При контакте двух полупроводников может быть создано устройство, хорошо проводящее ток в одном направлении и почти не проводящее его в обратном направлении. Это. свойство используют для выпрямления переменного тока.

Полупроводниковые устройства несколько иного типа, освещенные лучистой энергией (световыми, ультрафиолетовыми или инфракрасными лучами), могут служить источниками электрической энергии. В сельской местности широко применяют полупроводниковые преобразователи тепловой энергии в электрическую. Подобное устройство надевают на стекло керосиновой лампы и от него питают радиоприемник.

Воздействуя определенным образом на пограничный слой небольшим напряжением, можно широко изменять величину проходящего через полупроводник тока. Это свойство позволяет заменять громоздкие электронные радиолампы небольшими полупроводниками.

Такие полупроводники широко используют при создании современной электронной аппаратуры.

Различного рода полупроводниковые приборы, так или иначе управляющие электрическим током, лежат в основе разнообразных аппаратов, самыми простыми из которых являются радиоприемники и усилители.

Успехи в автоматической двусторонней радиосвязи с искусственными спутниками Земли и космическими ракетами стали возможными только благодаря полупроводниковым приборам.

Полупроводниковые приборы открыли широкие перспективы и перед электронными вычислительными машинами.

Электронные вычислительные машины представляют собой такие системы, в которых различного рода арифметические и логические действия с большой скоростью и точностью выполняются специальными схемами.

С помощью электронных вычислительных машин огромное количество задач, подлежащих расчетам, анализу и вычислениям, может быть сведено к простейшим логическим связям.

Подобные логические операции могут быть осуществлены с помощью так называемых устройств совпадения, различного рода триггерных схем (т. е. схем, обладающих двумя устойчивыми состояниями равновесия), инверторов, делительных цепей и т. д.

Так, например, используя электронную схему, в которой при наличии сигнала на ее входе выходной сигнал отсутствует и, наоборот, при отсутствии сигнала на входе выходной сигнал имеется (такая система называется инвертором), можно проводить операцию «да — нет».

Операция «или — или» может быть выполнена на так называемых разделительных цепях. В этом случае выходной сигнал будет возникать только тогда, когда хотя бы на одном из входов разделительной цепи есть входной сигнал.

Выполнение всевозможных арифметических действий (сложение, умножение и др.) может быть выполнено на триггерных схемах или на электронных логических схемах.

Поскольку электронные схемы и различные элементы вычислительных машин оперируют только с электрическими сигналами, то, для того чтобы машина стала решать ту или иную задачу или сложное математическое уравнение, надо сначала сформулировать эту задачу на «языке машины», т. е. составить программу работы машины применительно к данной задаче, предварительно приведя в соответствие величины чисел, входящих в формулы, с величинами электрических напряжений в машине.

Важной характеристикой всех электронных машин является объем их «памяти», т. е. максимальное число чисел и команд, которые могут «храниться» в машине.

Простейшим «запоминающим» устройством является ферритовый сердечник, который может намагничиваться или размагничиваться в зависимости от величины и направления электрического тока, протекающего по обмотке, намотанной на сердечник.

Намагниченный или размагниченный сердечник будет сохранять свое состояние как угодно долго, т. е. «запомнит» данный сигнал. Если через обмотку снова пропустить ток, то в зависимости от направления (полярности) последнего намагниченный сердечник или перемагнитится (при этом на выходе возникнет сигнал), или не перемагнитится (в этом случае выходной сигнал будет отсутствовать). Таким образом, возможность пропускания электрических сигналов запоминающей магнитной системой зависит от того, был ли ранее пропущен через эту систему сигнал и какова была его полярность.

В настоящее время в качестве запоминающих устройств в электронных машинах применяют специальные типы электронно-лучевых трубок, различные виды магнитной записи; причем современные вычислительные машины могут «запомнить» от 500 до нескольких сотен тысяч чисел и команд, а скорость их счета может достигать нескольких миллионов операций в секунду.

Применение полупроводников позволяет уменьшить размеры и вес электронных машин, которые используются на самолетах и космических кораблях.

Электронные вычислительные машины на полупроводниках могут применяться в управлении ракетами в системе противовоздушной обороны. В этом случае задача решается следующим образом.

Радиолокаторы непрерывно следят за самолетом (самолетом-снарядом) противника и за ракетой, выпущенной для его поражения (рис. 17). Данные о положении самолета и ракеты непрерывно передаются на электронную вычислительную машину. Эта машина почти мгновенно определяет, на каком расстоянии находится ракета от самолета и по какому направлению она должна двигаться, чтобы быстрее поразить самолет. Решив задачу, машина по радио передает автоматические сигналы, которые управляют рулями и двигателем ракеты. В результате ракета автоматически следует за самолетом, настигает и точно поражает цель.

Не следует думать, что электронные вычислительные машины применяют только для решения сложных и трудных проблем новейшей техники. Электронные вычислительные машины могут применяться в бухгалтерских расчетах на предприятиях и колхозах, в управлении поездами, кораблями и даже автомобилями.

Конечно, электронная автоматика и вычислительные машины не могут заменить творческую деятельность человеческого мозга. Это обусловлено тем, что все эти средства выполняют в конце концов только такие действия, которые до этого были продуманы и разработаны человеком или, точнее, большим творческим коллективом.

Из оказанного видно, что использование полупроводников открывает перед конструкторами электронной аппаратуры большие возможности для решения сложных задач.

Физическая оптика в науке и технике

Физическая оптика — это область физики, изучающая явления, связанные с процессами испускания, распространения и поглощения света.

Изучение спектра частот различных источников света дает возможность узнать строение и свойства атомов и молекул, определить наличие мельчайших примесей в том или ином веществе, судить о характере связей атомов в молекулах и о многом другом.

Все эти исследования связаны с применением спектрального анализа, идея которого принадлежит немецкому физику Кирхгофу.

Какова сущность спектрального анализа?

Всякое нагретое тело или разогретый газ излучает в окружающее пространство электромагнитные волны и, в частности, видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

При не очень высокой температуре, например при температуре 15–20 °C, максимальная доля энергии излучается в инфракрасной области, т. е. на волнах длиной в несколько десятых долей миллиметра. При повышении температуры вещества максимум его излучения перемещается в видимую, а затем и в ультрафиолетовую область спектра. Так, например, максимум излучения Солнца, температура поверхности которого равна примерно 5–6 тысяч градусов, приходится на длину волны [1], т. е. лежит в желто-зеленой области спектра видимого света.

Смещение максимума излучаемой энергии в сторону более коротких длин волн с увеличением температуры тела носит название закона смещения Вина. С помощью закона Вина можно рассчитать, в какой части спектра излучается основная доля энергии разогретого тела, температура которого известна, и наоборот, зная распределение излучаемой телом энергии по спектру, можно определить его температуру.