Исследования электричества на атомном уровне на заре 20 века

На заре 20 века, нам удалось открыть из чего состоят атомы и как они себя ведут и что представляло собой электричество на атомном уровне. В Манчестерском университете команда Эрнеста Резерфорда исследовало внутреннее строение атома и составляло его общее изображение. В конечном итоге это откровение поможет объяснить некоторые наиболее загадочные свойства электричества. На 1913 год атом представлял собой положительно заряженное ядро в центре окруженное негативно заряженными электронами вращающимся по так называемым орбитам. Каждая орбита соответствовала электрону с определенной энергией, а вот если усилить заряд электрона он сможет переместиться из внутренней во внешнюю, причем энергия должна быть определенной мощности. Если её недостаточно, то электрон не сможет переместиться и зачастую усиление заряда было временным поскольку электрон затем возвращался на собственную орбиту. В таком случае ему приходилось избавляться от избыточной энергии выделяя фотон, а энергия каждого фотона зависила от длины его волны или в нашем восприятии его цвета.

Понимание строения атомов могло теперь объяснить и зрелищные природные световые электрические шоу. Как и в лампах Гайслера, цвет газа через которое проходит электричество обусловлен его типом. Молния имеет синеватый оттенок, поскольку атмосфера насыщена азотом. В более высоких слоях атмосферы присутствуют другие газы, по этому отличается и цвет вырабатываемых фотонов, что порождает южное и северное сияние. Понимание атомов, принципов их взаимодействия в веществах, а также поведение электронов, было последним ключом к пониманию фундаментальной природы электричества.

Машина одного из ученых генерирующая электрический заряд работала по следующему принципу. Электроны извлекались из дисков и пускали электрический ток по металлическим компонентам машины.

Металлы проводят электричество, поскольку электроны в их атомах связаны очень слабо, а значит могут свободно перемещаться и передвигаться в виде электричества, по этому до сих пор используют для передачи тока — кабель медный силовой и другие виды из современных каталогов кабельно-проводниковой продукции. Диэлектрики наоборот не пропускают ток поскольку в их атомах электроны связаны слишком плотно и не имеют свободы движения. Движение электронов, а следовательно и электричества по тому или иному веществу получило объяснение. Теперь стали понятны проводники и диэлектрики. Гораздо сложнее было разобраться в необычных свойствах полупроводников.

Наш современный электронный мир построен на полупроводниках и без них просто застопорится. Никто не мог предвидеть насколько огромное значение они обретут, но все изменилось с началом второй мировой войны.

В Оксфорде, только что построенная физическая лаборатория была незамедлительно передана под нужды военных разработок. Исследователям было поручено исследовать радиолокационную систему Британии. В радиолокаторах для обнаружения вражеских бомбардировщиков применялись электромагнитные волны. По мере того, как точность возрастала становилось понятно, что лампы с такой задачей не справляются, по этому исследователям пришлось обратиться к старой технологии. Лампы они заменили полупроводниковыми кристаллами, разумеется они не стали использовать кристаллы разработанные Босом, вместо них был предложен кремний. Это устройство стало называться кремниевым детекторным приемником. Внутри него была свернута тончайшая вольфрамовая нить соприкасающаяся с крохотным кристалликом кремния. Значение которое имело это устройство трудно переоценить. Кремний впервые был использован в качестве полупроводника, однако для этой цели он должен был быть очень чистым и обе воюющие стороны вложили немалые ресурсы в очищение минерала.

Нужно отметить, что качество британских кремниевых устройств было выше, а следовательно у английских исследователей уже имелся в распоряжении хороший кремний, который в Берлине только начинали получать. Кремниевые полупроводники у британцев были лучше, потому что им помогали лаборатории из США. В частности знаменитые лаборатории Белла. Вскоре физики поняли, что если полупроводниками можно заменить лампы в радиолокаторах, их наверное можно использовать в других приборах, к примеру в усилителях. Простая вакуумная лампа с односторонним потоком электронов была модифицирована и получилось новое устройство. Если электроном преградить путь металлической решеткой и подать на неё небольшое напряжение, можно добиться значительных изменений в мощности луча. Эти лампы служили усилителями, превращая очень слабый электрический сигнал в более мощный.

Усилитель с одной стороны это очень простое устройство, берется слабый ток и делается мощнее, однако с другой стороны это в корне меняет весь мир поскольку, если усилить сигнал, то его можно отправить в любую точку земного шара. Сразу по окончанию войны, немецкий специалист Герберт Матэрэ и его коллега приступили к созданию полупроводникового устройства, которое можно было бы использовать в качестве электронного усилителя. Им удалось сделать крохотное приспособление способное заменить громоздкие дорогостоящие лампы в международных телефонных сетях, радиостанциях и в прочем оборудовании где требовалось усиление слабого сигнала. Матэре сразу осознал значимость своего изобретения, однако его начальство по началу интереса не проявило, по крайней мере пока в одном научном журнале не появилась статья описывающая открытие сделанное в лабораториях Белла. Там команда ученых столкнулась с тем же эффектом и решила объявить о своем изобретении миру, оно получило название транзистор. Их изобретение появилось в декабре 1947 года, а американское в начале 1948 года. Они открыли этот эффект несколько раньше, однако забавно, что немецкие транзисторы никуда не годились. Хотя европейское устройство было надежнее чем сделанное в лабораториях Белла, ни то, ни другое не оправдало ожидания. Они работали, но были слишком хрупкими. Начались способы более жесткого усиления электросигналов и прорыв был совершен по чистой случайности. Рассел Оул специалист по кремниевым кристаллам из лаборатории Белла, заметил у одного из кристаллов весьма странное свойство, он словно самостоятельно вырабатывал напряжение. Решив его замерить, ученый подключил кристалл к осциллографу и понял что напряжение постоянно колеблется. Судя по всему мощность зависела от освещенности помещения. Поместив кристалл в тень Оул отметил снижение напряжения, в то время как свет приводил к его росту. Более того, когда между светильником и кристаллом был включен вентилятор, напряжение стало колебаться с той же частотой, что и лопасти бросали тень на кристалл. Один из коллег Оула тут же сообразил, что в кристалле есть трещина образовавшая естественный переход. Именно этот крохотный естественный переход в сплошном куске минерала служил более тонким соединением и между кончиком проводка и кристаллом открытым Босом только в данном случае он реагировал на свет. Кристалл треснул поскольку в обеих его сторонах содержалось различное количество примесей. В одной части было несколько больше фосфора, а в другой бора и судя по всему электроны могли перемещаться со стороны фосфора на сторону бора, но не обратно. Фотоны света падавшего на кристалл, выбивали электроны из атомов, но в движения, ток приводили именно атомы примесей.

В фосфоре есть электрон, который становится резервным, а бор готов его принять, по этому электроны имели тенденцию переходить со стороны фосфора на сторону бора и что очень важно перемешались только в одном направлении через переход. Руководитель команды изучавший полупроводники Уильям Шокли увидел потенциал этого одностороннего перехода внутри кристалла, но возможно ли создать кристалл с двумя переходами в нём для использования в качестве усилителя. Ещё одни исследователь из лаборатории Белла — Гордон Тилл работал над методикой, которая сделала бы это возможным. Он открыл способ выращивания отдельных кристаллов полупроводникового элемента — германия. Тилл пришел к выводу, что по мере роста кристаллов в емкость можно добавлять и другие примеси, в результате получается отдельный кристалл покрытый мельчайшими слоями различных примесей образующими переходы внутри самого кристалла.

Коллектив лаборатории Белла удостоился Нобелевской премии за изобретение изменившее мир, а европейская команда оказалась забытой.




Комментирование закрыто.