Говоря об электротехнике, мы чаще всего подразумеваем генерацию, преобразование, передачу или использование электрической энергии. При этом имеем ввиду традиционные устройства, применяемые для решения названных задач. Данный раздел техники связан не только с эксплуатацией, но и с разработкой, и с совершенствованием оборудования, с оптимизацией его частей, схем, а также электронных компонентов.
По большому счету электротехника — это целая наука, изучающая, и в конце концов открывающая возможности для практического внедрения электромагнитных явлений в разнообразные процессы.
Электротехника — это наука, которая занимается практическим использованием электромагнитных явлений, и часто это название применяется для обозначения всей соответствующей отрасли техники. Электротехника имеет большое значение для современной промышленности и быта, потому что с помощью электротехники относительно просто можно осуществить преобразование и передачу энергии (задачи электроэнергетики), а также решить вопросы передачи и преобразования сигналов и информации (электросвязь).
Более чем сто лет назад электротехника выделилась из физики в довольно обширную самостоятельную науку, а на сегодняшний день уже сама электротехника может быть условно разделена на пять частей:
-
светотехника,
-
силовая электроника,
-
электроэнергетика,
-
электромеханика,
-
теоретическая электротехника (ТОЭ).
При этом справедливости ради стоит заметить, что электроэнергетика сама давно является отдельной наукой.
Электротехника занимается применением электрических явлений как в промышленном производстве, так и в повседневной жизни. Она охватывает область применения электрической энергии, что составляет основу технических расчетов во всех разделах электротехники. Поэтому электрические явления изучаются в курсе электротехники с другой точки зрения, чем в курсе физики. Одним из важнейших явлений является электрический ток.
В отличие от слаботочной (не силовой) электроники, для компонентов которой характерны малые габариты, электротехника охватывает сравнительно крупные объекты, такие как: электроприводы, ЛЭП, электростанции, трансформаторные подстанции и т. д.
Электроника же оперирует интегральными микросхемами и прочими радиоэлектронными компонентами, где более значительное внимание уделяется не электроэнергии как таковой, а информации и непосредственно алгоритмам взаимодействия тех или иных устройств, схем, потребителей, - с электроэнергией, с сигналами, с электрическими и магнитными полями. Компьютеры в данном контексте тоже относятся к электронике.
Электроника — это раздел науки и техники, который занимается изучением взаимодействия электронов с электромагнитными полями и разработкой электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для производства, передачи, преобразования и обработки сигналов и информации.
Важной вехой для становления современной электротехники явилось широкое внедрение в начале 20 века трехфазных электродвигателей и многофазных систем передачи электроэнергии на переменном токе.
Эти технологии позволили значительно повысить эффективность производства, передачи и распределения электроэнергии, сделав её более доступной для промышленности, транспорта и бытового использования.
Сегодня, когда минуло более двухсот лет со дня создания вольтова столба, мы знаем многие законы электромагнетизма и используем не только постоянный и низкочастотный переменный ток, но и переменный высокочастотный, и пульсирующие токи, благодаря чему открыты и реализуются широчайшие возможности для передачи не только электроэнергии, но и информации на значительные расстояния без проводов, даже в космических масштабах.
Теперь электротехника с электроникой неизбежно плотно переплетаются практически всюду, хотя и принято считать, что электротехника и электроника — вещи совершенно разного масштаба. Электротехника, в традиционном понимании, занимается проектированием и эксплуатацией электрических машин, силовых цепей и систем, обеспечивающих передачу и преобразование энергии. Электроника же обращается к более тонким процессам, связанным с управлением движением электронов и взаимодействием полупроводников, элементарных частиц и электромагнитных полей.
Сама по себе электроника, как отдельная наука, изучает взаимодействие заряженных частиц, в частности электронов, с электромагнитными полями. Например, ток в проводе — это движение электронов под действием электрического поля.
В электротехнике редко углубляются в такие детали, поскольку основной упор делается на макроскопические процессы и инженерные решения, связанные с электроэнергией в целом.
А между тем именно электроника позволяет создавать точные электронные преобразователи электроэнергии, устройства передачи, приема, хранения и обработки информации, аппаратуру различного назначения для многих современных отраслей. Электроника дает возможность мгновенной обработки сигналов, управления сложными системами, миниатюризации устройств и существенного повышения надежности и эффективности оборудования.
Именно благодаря электронике изначально зародились модуляция и демодуляция в радиотехнике — ключевые процессы для передачи и приема информации на расстоянии. Если бы не электроника, то не было бы ни радио, ни телерадиовещания, ни интернета — основ современного мира коммуникаций.
Элементная база электроники зарождалась на электронных лампах и развивалась с появлением полупроводников — транзисторов, диодов и интегральных схем, что кардинально изменило масштаб и возможности техники. В этих достижениях электротехнике одному было бы трудно справиться, поскольку электроника открывает доступ в мир микроскопических процессов и манипуляций с электрическими сигналами на глубоком уровне.
Полупроводниковая (твердотельная) микроэлектроника, зародившаяся во второй половине 20 века, стала точкой резкого прорыва в становлении компьютерных систем, основанных на микросхемах, наконец появление в начале 70-х микропроцессора положило старт развитию компьютеров по закону Мура, гласящему, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
Сегодня именно благодаря твердотельной электронике существует и развивается сотовая связь, создаются различные беспроводные устройства, GPS-навигаторы, планшеты и многое другое. И сама полупроводниковая микроэлектроника теперь полностью включает в себя: радиоэлектронику, бытовую электронику, электронику энергетики, оптоэлектронику, цифровую электронику, аудио-видеотехнику, физику магнетизма и другие смежные направления.
Между тем в начале 21 века эволюционная миниатюризация полупроводниковой электроники приостановилась и практически остановлена сейчас. Это случилось из-за достижения минимально возможных размеров транзисторов и иных радиоэлектронных компонентов на кристалле, при которых они еще способны эффективно отводить джоулево тепло. С уменьшением размеров компонента тепловыделение становится критическим фактором, ограничивающим скорость работы и надежность устройств.
Но хотя размеры транзисторов достигли единиц нанометров, а миниатюризация уперлась в предел разогрева и квантовых эффектов (например, туннелирования), в принципе ещё возможно, что следующим этапом в эволюции электроники станет оптоэлектроника.
В ней несущим элементом выступит фотон — частичка света, которая значительно более подвижна и менее инерционна, чем электроны и «дырки» полупроводников нынешней электроники.
Оптоэлектронные устройства способны передавать информацию с огромной скоростью и с минимальными потерями энергии, что открывает путь к созданию квантовых вычислительных систем и фотонных процессоров.
Кроме того, развиваются направления, связанные с комбинацией электроники и оптики — такие как интегрированные фотонные схемы и плазмоника, а также перспективные материалы, например, графен и топологические изоляторы, способные изменить фундаментальные ограничения существующих транзисторных технологий.
Вместе это позволяет говорить о начале новой эры в микроэлектронике — эры нано- и фотонных технологий, где ключевую роль будут играть фотоны, квантовые эффекты и новые физические принципы.
Несмотря на определённые технологические барьеры, развитие полупроводниковой микроэлектроники продолжится, но на качественно новом уровне, открывая широкие возможности для создания более производительных, энергоэффективных и компактных вычислительных и коммуникационных систем.
Андрей Повный