السلام ورحمة الله وبركاته

اهلا بزوار واعضاء واداري منتديات فلسطين التعليمية ..

لدي اليوم بحث مفيد عن الاكترونات وكل ما يخص الاكترونات ..

اتمنى لكم الفائدة

{{الاكترونات}}

كانت الإلكترونيات electronics
تُعنى أصلاً بوصف سلوك الإلكترونات الحرة في الأوعية المفرغة من الهواء، ثم استعمل هذا المصطلح فيما بعد ليشمل سلوك هذه الإلكترونات في الغازات والسوائل والمواد الصلبة. وغدا في النهاية، فرعاً خاصاً من الهندسة الكهربائية. ويمكن القول إن الهندسة الكهربائية التي تهتم بدراسة حركة الإلكترونات في النواقل، هي فرع من الإلكترونيات التي تعنى بدراسة حركة الإلكترونات أينما ظهرت. والحقيقة في كل هذا أن مفهوم الإلكترون[ر] عام جداً وأساسي جداً حتى ليستحيل معها ظاهرياً الحد من مجال هذا الموضوع أو تطبيقاته الصناعية.

تبحث الإلكترونيات في سلوك العناصر التي تطلق سيلاً من الإلكترونات في فراغ أو في غاز أو في أنبوب أو صمام أو تستعمل جريان إلكترونات في نصف ناقل semiconductor كما تبحث في تطبيقاتها. وتقوم الأجهزة الإلكترونية بعملها من دون الحاجة إلى حركة ميكانيكية، وهي تنجز بذلك مهام كثيرة بسرعة واقتصاد أكبر مما في الأجهزة الميكانيكية.

وقد نما مجال الإلكترونيات واتسع اتساعاً كبيراً، فلم تعد التعريفات القديمة كافية على الإطلاق، وما هو اليوم جديد يصبح في الغد في عداد القديم بسبب التطور المتسارع في هذا الميدان الذي غزا مجالات الحياة كافة، وغدت الأجهزة الإلكترونية البحتة كالتلفاز والراديو والهاتف، وكذلك الأجهزة التي تتحكم في عمل مكنات أخرى كأجهزة تصنيع الآلات الميكانيكية والمحركات الكهربائية والطائرات والمركبات الفضائية والأسلحة، عصب الحياة في العالم المعاصر.

تشمل الإلكترونيات مجالات واسعة كاللاسلكي والرادار والتلفزة، والأجهزة الملاحية، وأنظمة التحكم الصناعي والحواسيب والاتصالات وأجهزة التسجيل والاستعادة وأجهزة القياس والاختبار والأجهزة الطبية والأجهزة الأخرى التي تستعمل الأنابيب أو الصمامات الإلكترونية والعناصر نصف الناقلة. وبالمقابل يشمل مجال الكهرباء توليد الطاقة ونقلها والإضاءة والتجهيزات الأخرى التي ينحصر سريان الإلكترونات فيها في النواقل المعدنية. ولكن الأجهزة الكهربائية والإلكترونية غالباً ما يؤثر بعضها في بعض، ويرتبط بعضها ببعض، فعلى سبيل المثال يمكن أن يكون للمحرك تحكم إلكتروني في سرعة دورانه وأن تُشَغَّل «حاكمة» relay ما بوساطة خلية كهرضوئية، وأن يُشَغَّل جرس كهربائي بحساس sensor للموجات فوق الصوتية.

لمحة تاريخية

تمتد جذور الإلكترونيات إلى الكشوف الكهربائية التي تحققت في القرون السادس عشر والسابع عشر والثامن عشر. ومن الرجال الذين كان لهم السبق في هذه الكشوف ويليم جلبرت William Gilbert ونيوتن Newton في القرن السادس عشر، وكولومب Coulomb وغلفاني Galvani في القرن الثامن عشر، وأمبير Ampere وفارادي Faraday وأوم Ohm ومورس Morse وأديسون Adison وماركوني Marconi في القرن التاسع عشر، وغيرهم كثيرون.

أما أصل كلمة إلكترون فموغل في القدم، وقد اشتقت من التسمية اليونانية للكهرمان الذي لاحظ الإغريق أنه يجذب الأجسام الخفيفة عندما يدلك. وقد لاحظ أديسون في السنوات الأولى من القرن العشرين ظهور ألق أزرق اللون في المصباح الكهربائي تحت شروط معينة من الفراغ والجهد، وفسر ذلك بسريان الإلكترونات السالبة من الطرف السالب (المهبط) إلى الطرف الموجب (المصعد) لفتيل المصباح، وسمى أحد طلاب أديسون هذه الظاهرة بالإصدار الحراري thermionic emission. وتوصل الباحث البريطاني فليمنغ إلى فكرة استخدام أثر أديسون هذا في استقبال الموجات الراديوية. فجهز صماماً مفرغاً بلوحين معدنيين، وسخن القطب السالب منه إلى درجة التوهج بوساطة بطارية فانبعثت الإلكترونات متجهة إلى القطب الموجب (المصعد). وعندما وضع الصمّام في دارة مستقبل راديوي، أصبح المصعد موجباً وسالباً بالتناوب بحسب تغيرات الموجات الراديوية القادمة، فكانت الإلكترونات تنجذب إلى المصعد عندما يكون موجباً وتصدر عنه عندما يكون سالباً، وقد سمح ذلك للتيار بالمرور باتجاه واحد. لقد أنتجت عملية التقويم هذه، التي سميت «كشفاً» detection أو «كشف التعديل» demodulation تيار خرج مقوم من الممكن استعماله لتشغيل مستقبل هاتفي أو أي جهاز تسجيل آخر، ولكن هذه الإشارات كانت ضعيفة جداً. وفي عام 1907 حسّن دي فورست De Forest صمام فليمينغ تحسيناً جذرياً بإدخال قطب ثالث بين المهبط والمصعد، له شكل المشواة، سمي «الشبكة». وقد أتاحت هذه الشبكة للصمام إعطاء الطاقة من دون استهلاكها في الدخل، وأصبح بالإمكان استعمال هذا الصمام الثلاثي مضخماً للإشارات الكهربائية. ثم طوِّر الصّمام الثلاثي بإضافة أقطاب أخرى فنتجت الصمامات المتعددة الشبكات التي استعملت لاحقاً على نطاق واسع في أجهزة التضخيم والتحكم والإرسال والاستقبال. وقد لوحظ تطور كبير في البث اللاسلكي الراديوي منذ عام 1920 وفي الوقت نفسه حصل تطور رئيسي في الأجهزة الإلكترونية الأخرى فاخترع المهندس الأمريكي الجنسية الروسي الأصل فلاديمير زفوريكين Vladimir Zworykin «الإيكونوسكوب» iconoscope وهو جهاز مبني على ظاهرة الأثر الكهرضوئي photoelectric effect أي إطلاق الإلكترونات من المعادن بفعل الضوء، الأمر الذي جعل مسح الصور وتحويلها إلى تيارات كهربائية ممكناً، وهذا هو أساس التلفزة.

تطور صناعة الإلكترونيات

دخلت صناعة الإلكترونيات في الحرب العالمية الثانية مرحلة تطور رئيسة، فقد حرضت هذه الحرب علماء الدول المحاربة ومهندسيها على الابتكار والإبداع. ولم تكد الحرب تقترب من نهايتها حتى كانت هذه الدول ولاسيما بريطانية والولايات المتحدة قد أقامت منشآت صناعية ضخمة لإنتاج الأجهزة الإلكترونية. وقد وفر اختراع الترانزستور عام 1948 بديلاً صغيراً وسهل التركيب للصمام المفرغ أعطى دفعاً جديداً للصناعة الإلكترونية، وسهل تطور الحاسوب خاصة فاتحاً بذلك المجال لإمكانات جديدة في الأتمتة. ومع طرح الدارات الميكروية microcircuits أولاً، ثم الدارات المتكاملة integrated circuits في أوائل الستينات، فتحت الإلكترونيات آفاقاً جديدة في الفضاء والمخابر والصناعة.

وفي السبعينات من القرن العشرين وأوائل الثمانينات كانت الإلكترونيات واحدة من أكبر الصناعات في أمريكة، وكانت صناعة رئيسة في دول أخرى منها اليابان وألمانية الغربية وبريطانية وروسية. وفي نهاية عام 1990 احتلت هذه الصناعة مكانة رئيسة في الميزان التجاري بين دول كبرى مثل أمريكة واليابان، وقد تغدو هذه الصناعة قريباً الصناعة الكبرى في العالم أجمع.

أثر الإلكترونيات في تطور المعرفة والمجتمع

بدأ تطبيق الإلكترونيات في مجال الاتصالات البرقية في بداية القرن العشرين ثم ما لبث أن اتسع ليشمل الهاتف والإذاعة المسموعة (الراديو) ومن ثم الإذاعة المرئية (التلفزة). ودخلت الإلكترونيات المجال العسكري من الباب العريض في الحربين العالميتين الأولى والثانية على وجه الخصوص، وتلا ذلك دخول الإلكترونيات في تصنيع جميع الأدوات المنزلية والصناعية والتحكم في وظائف عملها بعد اختراع أنصاف النواقل. ومع دخول الدارات المتكاملة صَغُر حجم الأجهزة الإلكترونية وارتفعت كفايتها فأصبح بالإمكان، على سبيل المثال، صنع حاسوب الجيب وتصنيع تلفاز أو راديو في حجم ساعة اليد، وتصنيع الإنسان الآلي (الروبوت) القادر على الكلام وغير ذلك. وتدل التقديرات أنه سيمكن في مدد قريبة صنع حاسوب الجيب الفائق، والمسجل نصف الناقل أي الذي يعمل من دون أشرطة مغنطيسية إضافة إلى الكثير من التطبيقات التي لم تكن في الماضي القريب إلا حلماً.

1ـ حقبة الأنابيب أو الصمامات: كانت الإلكترونيات في بداية القرن العشرين تقتصر أساساً على البرق اللاسلكي wireless telegraphy للاتصال بين السفن والمحطات الموجودة على الشواطئ وكذلك بين بعض المجربين الهواة الذين لم يكونوا يتجاوزون أصابع اليد. ومع حلول عام 1910 نجح بعض الطليعيين في هذا المجال، ومنهم دي فورست، في إخراج الهاتف اللاسلكي radio-telegraphy إلى حيز الوجود، كما أدى اختراعه الصمّام الثلاثي إلى تسريع تطوير الهاتف اللاسلكي، كذلك خضع البرق والهاتف اللاسلكيين لتحسين أكبر من ذي قبل، استجابة لطلب القوات المسلحة في الحرب العالمية الأولى.

ومع حلول عام 1920 كانت الاتصالات اللاسلكية متوافرة على نطاق واسع في دول مثل الولايات المتحدة الأمريكية وبينها وبين الدول الأخرى عبر البحار، وكانت هذه الاتصالات تستعمل خاصة في الخدمات الملاحية البحرية. كما كان بعض المجربين يمارسونها هواية.

أ ـ البث الإذاعي: بدأ البث الإذاعي يربط الناس بالإلكترونيات منذ أوائل العشرينات من القرن العشرين، ففي ذلك الوقت بدأ فرانك كونراد Frank Conrad، الذي كان يعمل في شركة ويستينغهاوس الأمريكية، ببث الأخبار وموسيقى الحاكي phonograph عن طريق إذاعة تعمل بالتعديل المطالي AM في مدينة بتسبورغ Pitsburg في ولاية بنسلفانية الأمريكية، وقد استمع إلى هذه الإذاعة هواة قليلون عن طريق أجهزة استقبال (راديو) مصنوعة يدوياً. وكانت تلك أول محطة إرسال KDKA وبداية متواضعة لصناعة البث الراديوي. وفي عام 1935 ظهر مصدر ثانٍ للإذاعة باختراع التعديل الترددي FM على يد المخترع إدوين أرمسترونغ Edwin H.Armstrong.

وكانت برامج التسلية والمعلومات والبرامج التعليمية هي المواد الإذاعية السائدة في حقبة الثلاثينات، واستمر ذلك حتى الأربعينات حين بدأت التلفزة تنافس الإذاعة منذ عام 1947.

ب ـ الراشدات: في عام 1912، حصلت شركة ماركوني Marconi على براءة اختراع لجهاز الإرشاد (معيّن الاتجاه) direction finder الذي اصطلح على تسميته (الراشدة) وهو جهاز يحدد اتجاه محطة إرسال بعيدة. وبحلول عام 1918 كانت الراشدات قد دخلت الخدمة في الملاحة البحرية، ثم أصبحت تقدم مساعدة قيمة للملاحة الجوية منذ أوائل الثلاثينات إضافة إلى استعمالاتها العسكرية المختلفة.

جـ ـ الرادار: يعتمد الرادار على ارتداد الموجات اللاسلكية عن الأجسام (الأهداف) التي تصطدم بها مثل السفن والطائرات. وتم التوصل إلى صنع الرادار بالملاحظة، والاستفادة من الأصداء الراديوية من قبل روبرت واطسون واط (1892-1973)Robert Watson Watt وآخرين في الثلاثينات والأربعينات من القرن العشرين، ومن التجارب المكثفة على الإرسال النبضي في المدة بين 1936 و1940. وقد دخلت أجهزة الرادار مرحلة التصنيع بالجملة في بريطانية والولايات المتحدة عام 1941. وكان لها شأن مهم في الحرب العالمية الثانية إذ كانت تقنية فعالة للغاية في الملاحة والكشف والمراقبة والتحكم في نيران المدفعية المضادة للطائرات. وفي نهاية تلك الحرب، كان الرادار جاهزاً لأداء الكثير من المهمات السلمية مثل تقديم الخدمات الملاحية للسفن والطائرات والتحكم في حركة مرور الطائرات في الجو والمركبات في البر. والأكثر أهمية من ذلك هو أن تطوير دارات الرادار في زمن الحرب وتحسينها فتحا المجال كاملاً للتقنيات النبضية والمرئية والاتصالات الميكروية التي جعلت التلفاز في خاتمة المطاف قابلاً للتصنيع.

د ـ ظهور التلفاز: خرج التلفاز من المخبر في منتصف العشرينات من القرن العشرين بعد سنوات طويلة من العمل. وكان جون بيرد John Bird وآخرون يختبرون أجهزة إرسال واستقبال تلفازية بدائية تعتمد على أقراص نيبكو Nipkow الماسحة الكهرميكانيكية. وفي عام 1927 تم عرض نظام تلفازي من هذا النوع بنجاح من محطة نيويورك للبث الإذاعي. وفي العام التالي 1928، تم التوصل في إنكلترة إلى محطة بث بعيدة المدى تغطي منطقة واسعة، ولكن الرغبة المستمرة في التخلص من أقراص نيبكو الكهرميكانيكية الضخمة وجعل التلفاز إلكترونياً بالكامل دفع كثيراً من المجربين مثل فلاديمير زفوريكين ودي فورست وآخرين إلى تجريب أنابيب الأشعة المهبطية في كل من المرسل والمستقبل. وعرضت شركة أمريكة للراديو RCA في معرض نيويورك الدولي عام 1939 تلفازاً يعمل على أنبوب الأشعة المهبطية، شبيهاً بتلفازات اليوم. لكن العمل المكثف لتطوير الرادار الذي أنجز في الحرب العالمية الثانية هو الذي جعل هذا النوع من التلفازات ملائماً للاستعمال المنزلي. ولم يمض على انتهاء هذه الحرب أكثر من سنتين حتى غدت أجهزة الاستقبال التلفازي متوافرة للناس كافة وغدت محطات التلفزة تبث برامجها على الهواء. وكان من نتائج دمج الصوت في الصورة بالأسود والأبيض إزاحة البث الإذاعي AM إلى المكان الثاني بين وسائل الترفيه، كما خفض كثيراً عدد مرتادي المسارح والسينما.

2ـ حقبة الترانزستور والدارات المتكاملة: بقي الصمام المفرغ من الهواء أساس الإلكترونيات بلا منازع أكثر من أربعين عاماً. لكن تطوير ثنائيات أنصاف النواقل في زمن الحرب، أدى في عام 1948 إلى اختراع الترانزستور من قبل جون باردين John Bardeen ووالتر براتين Walter Brattain ووليم شوكلي William Shockly. والترانزستور نصف ناقل ثلاثي الأقطاب صغير الحجم خفيف الوزن ويتطلب طاقة قليلة ولا يحتاج إلى تحمية، وقد تفوق الترانزستور بهذه المعايير على الصمام المفرغ لبساطته وكفايته وتحمله للصدمات وحياته غير المحدودة. وقد حل هذا العنصر محل الصمام تماماً في أكثر التطبيقات الإلكترونية وكان منافساً خطيراً له في تطبيقات أخرى. وفي السبعينات من القرن العشرين توافرت أجهزة استقبال رخيصة الثمن بحجوم صغيرة جداً، كما أدخل الترانزستور في هذه الحقبة (السبعينات) على أجهزة التلفزة جزئياً لتصغير حجمها فغدت سهلة النقل وتعمل «بالبطارية»، ثم ظهرت التلفازات الملونة التي استعملت الترانزستور وداراته استعمالاً كاملاً.

وكانت الترانزستورات التي تستعمل لتضخيم الإشارات الصوتية ذات استطاعة منخفضة أول الأمر، وكان عملها مرضياً في مضخمات «الستيريو» وغيرها. ولم تلبث الترانزستورات ذات القدرة (الاستطاعة) العالية أن توافرت تجارياً منذ عام 1952 وأصبحت أنظمة الصوت تعمل بالترانزستور فقط.

كذلك أدت الترانزستورات في هذه الحقبة إلى تقليص حجم الحاسوب الرقمي الكبير تقليصاً مثيراً للدهشة. فبعد أن كان الحاسوب جهازاً ضخماً جداً ويحتل قاعة فسيحة ويحتوي مئات الصمامات والثنائيات المفرغة وينتج كمية كبيرة جداً من الحرارة، غدا الحاسوب المكتبي في حجم آلة كاتبة سهلة النقل تحتوي أكثر من 500 ترانزستور وأكثر من 1000 ثنائي نصف ناقل.

وقد استعمل الترانزستور استعمالاً واسعاً في المركبات الفضائية وفي الرادارات والساعات الإلكترونية، وضوابط نبضات القلب، والأجهزة المساعدة للسمع وأجهزة الإشعال في السيارات والمركبات.

ومع ظهور الدارات المتكاملة المتوسطة التجميع MSI والعالية التجميع LSI، تسارع تطور الأجهزة الإلكترونية واتسعت مجالات استعمالها حتى بلغت مبيعات الصناعة الإلكترونية في الولايات المتحدة الأمريكية وحدها 25 مليار دولار في عام 1970.


وفيما يلي بعض المنتجات الإلكترونية التي ظهرت منذ السبعينات من القرن العشرين:

أـ المنتجات الاستهلاكية: وتشمل أجهزة الإنذار من السرقة والمكيفات والأدوات المطبخية المتحكم فيها بدقة، والأفران الميكروية، وأجهزة تعقيم الطعام، والأجهزة الذاتية الحركة، والمعتمات الإلكترونية dimmers وأجهزة الاتصال الداخلية والميقاتيات وغيرها.

ب ـ المنتجات التجارية والصناعية: وتشمل الحاسبات، والحواسيب، ومعالجات المعطيات، وأجهزة التحكم في المكنات، وأجهزة النسخ، ومعالجات المواد الأولية، وأجهزة القياس والاختبار، وأجهزة الأمان ومنظومات الجدولة وغيرها.

جـ ـ المنتجات العسكرية: ومنها الرادار، والمناظير الكاشفة، ومنظومات التحكم وقيادة النيران، ومنظومات الصواريخ الموجهة، وأجهزة الكشف تحت المياه (السونار sonar)، وأجهزة تصنيع القذائف الصاروخية وغيرها.

د ـ منتجات البحث العلمي: ومنها أجهزة القياس والاختبار والأجهزة النووية ومعالجات المعطيات ومسجلاتها والحاسبات والحواسيب ومولدات الإشارة وغيرها.

هـ ـ منتجات الإلكترونيات الطبية: ومنها أجهزة التشخيص مثل أجهزة أشعة X وأجهزة التصوير والتخطيط القلبيين الإلكترونيين والراسمات العضلية وأجهزة التصوير الطبقي المحوري الإلكترونية والمرنان المغنطيسي، وأجهزة المعالجة الفيزيائية والطب النووي، وأجهزة الموجات فوق الصوتية، وضوابط نبضات القلب، وأجهزة الصدم الكهربائي، ومساعدات السمع، والأجهزة المساعدة مثل الدارات التلفازية المغلقة في المستشفيات وغيرها.

3 ـ أثر الدارات المتكاملة العالية التجميع جداً: عندما استعملت الدارات المتكاملة العالية التجميع جداً VLSI أي التي تجمع أكثر من دارة متكاملة عالية التجميع LSI في دارة متكاملة واحدة، أخذ حجم الأجهزة الإلكترونية يزداد صغراً، وارتفعت كفايتها واتسعت إمكاناتها وظهرت أجهزة كثيرة، لم تكن ممكنة التحقيق، من تقنيات الدارات العالية التجميع فقد كانت أصغر منظومة حاسوبية مثلاً هي الحاسب الصغير minicomputer، وكانت ذاكرته من نوع RAM من المرتبة 64 كيلو بايت فقط، وبعد استعمال تقنية الدارات المتكاملة العالية التجميع جداً ظهرت الحواسيب الشخصية في أوائل الثمانينات وأصبحت ذاكرتها من مرتبة 640 كيلو بايت على الأقل، وتابعت الأجهزة الإلكترونية الأخرى تطورها على هذا النحو، وفيما يلي بعض منها:


أ ـ الحواسيب الرقمية: كان من نتائج استعمال الدارات المتكاملة العالية التجميع جداً ظهور الحواسيب الشخصية ذات الإمكانات الجيدة بذاكرتها الكبيرة وسرعة عملها وأسعارها المعتدلة، فكثر استعمالها في مختلف الدوائر والجامعات والمدارس في الدول المتطورة ثم عمت المكاتب والشركات والمعامل ووسائل النقل وغيرها. وأصبحت جميع الأعمال تدار بمساعدة الحواسيب الشخصية، وظهر ما يسمى «أتمتة المكاتب» office automation التي تشمل أعمالاً إدارية وحسابية مثل حفظ البيانات والمعطيات وترتيبها وتنسيقها وإدارة الأعمال بمساعدة الحاسوب ليمكن تحديث المعطيات واستدعاؤها وقراءتها وطباعتها بسرعة عالية جداً. إضافة إلى استقبال المعلومات وإرسالها إلى أي مكان في العالم، حتى غدا إدخال الحواسيب في نظم التعليم في المدارس والجامعات أمراً ملحاً وإلزامياً.

ومن أهم المزايا الأساسية التي يحققها تخزين المعلومات ومعالجتها بالحاسوب الحجمُ الصغير اللازم للتخزين، إذ يمكن لقرص ضوئي واحد أن يخزن أسماء سكان سورية جميعهم مع عناوينهم.

كذلك مكنت تقنية الدارات المتكاملة العالية التجميع جداً من صنع حواسيب الجيب بإمكانات متواضعة في البداية، وتوجد اليوم حواسيب جيب تسع ذاكرتها RAM 32 كيلو بايت ويمكن أن تستخدم معها بطاقات RAM إضافية سعة الواحدة 64 كيلو بايت وأقراص مرنة (قياس 3.5 إنش) سعة تخزين كل منها 320 كيلو بايت، كما يمكن وصل حاسوب الجيب هذا مع طابعة، وبرمجته بلغات كثيرة معروفة مثل لغة بيزيك basic وبرولوغ prolog. وفي نطاق الحواسيب العملاقة، ظهرت حواسيب تعمل بتردد واحد غيغا هيرتز، ويمكنها أن تنجز عملية منطقية في جزء واحد من ألف مليون جزء من الثانية.

وكان لانتشار الحواسيب الواسع هذا واستعمالاتها آثارهما في المجتمع. فبرزت الحاجة إلى المبرمجين والفنيين وأدى ذلك إلى ضرورة تعليم معظم الناس البرمجة. وقد أظهرت دراسة في اليابان أن اليابانيين جميعهم يجب أن يكونوا قادرين على البرمجة في عام 2000.