DPZ - 電的旅程

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回復: DPZ - 電的旅程

發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:53 am

「第十八章:光電與液晶技術」
<發光的半導體 ( 4 )>……續上
紅光LED很快就被應用到計算機和電子手錶的顯示器上。LED的顏色悅眼,體積小,很受歡迎。材料研究員又發展了用磷化鎵(GaP)做成的LED,放入不同的雜質可發出橙光、紅光,甚至綠光。在物理上大家知道用不同顏色的光混合一起,可產生更多顏色,但如要發出白色,除了紅光及綠光外,還需要藍光。因為藍光的波長更短,所需半導體的能隙必須更大,材料技術更為困難。多年來全世界不少研究所都在競賽,看誰可先發展出藍光LED。在1992年,日本一家專營螢光材料的公司「日亞化學」(Nichia)宣布成功發展出藍光LED,先拔頭籌。日亞化學的資深研究員中村修二(Shuji Nakamura)經過不斷的嘗試,終於用他獨創的氣態沉積磊晶技術,合成氮化銦鎵(InGaN)的p-n接面,突破了藍光LED這個重要技術關口。……(待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:54 am

「第十八章:光電與液晶技術」
<發光的半導體 ( 5 )>……續上
中村修二是很有個性的人。他覺得日本工業界有太多長年的陋規,對技術上真正有貢獻的人不公平,他發表了很多尖銳的批評,最後還把自己的公司日亞化學告上法庭,得到勝利,為很多長期受到壓抑的日本技術員出了一口氣。有了紅光、綠光及藍光LED,明亮的全色大型LED平面顯示幕面世了。現代很多室外超巨型顯示幕,用的都是這個技術。在2008年的北京奧運會開幕儀式上,也派上用場,大大露臉。
適度的將紅、綠及藍光LED的光混合在一起,可產生白光,但這種方法成本昂貴。有一個更簡單有效的技術,是把藍光LED外鍍上一層特別的螢光膜,先把一部分藍光轉換成波長較長的一種帶黃色的光,然後再和原來的藍光適當混合,產生白光。現今大多數白色照明用的LED,都使用這個技術。……(待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:54 am

「第十八章:光電與液晶技術」
<發光的半導體 ( 6 )>……續上
LED的光是由電子和電洞復合時,由量子物理原理而產生的光,由電能直接轉變成光能的效率很高,比常用的白熾燈照明效率高出多倍,所以用LED來取代白熾燈,可以節省大量電能。目前LED的價格仍較高,但是LED的壽命可達3到5萬小時,遠較鎢絲白熾燈的1、2千小時為長。所以在一些特別應用上,如手電筒、街燈、交通號誌燈、車頭燈、車尾燈、液晶電視的光源及飛機機艙照明等,LED產品已具有很大競爭力。自從1962年以來,LED發光亮度不停以每兩年增加一倍的速度發展,與晶片的摩爾定律有同功異曲之妙。隨著亞洲國家的大力投資生產,LED的價格不斷降低,在不久的將來,LED取代白熾燈是完全可能的,對人類節能減碳的目標會起重要作用。
在LED及砷化鎵微波電子元件發展過程中,三五族半導體的材料技術得到了極大的進展。用化學氣態沉積(chemical vapor deposition)或分子束磊晶(molecular beam epitaxy)技術,人們可合成各種半導體單晶薄膜。除了極度精確控制半導體的成分和雜質外,對單晶薄膜厚度的控制更可達到單層原子的程度。有了先進的材料技術,很多本來只能憑空想像的元件結構,如異質接面(heterojunction)及量子井(quantum well)等都變成了現實。實用的半導體雷射也因此而產生。…… (完)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:54 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
有了個人電腦、網際網路、智慧型手機,足不出門也能盡知世界上發生的事。無論是新聞、球賽過程或股票價格,在網路上可得到即時的結果,還可完成即刻的買賣交易。更進一步,如果我們想蒐集關於某一個題目的資料,用網路搜尋引擎,幾秒鐘就可從分散在世界各地的伺服器中找到答案。這些資料可以是一篇文章、一首音樂、一張圖片或者是一支影片。分處各地的幾百萬人,可同時在網路上比賽電玩遊戲。現在世界上已有46億人擁有手機,在任何地方或時間,可打電話給其中任何一人。幾十年的幻想,曾幾何時都成了事實!

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:55 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<資訊革命 ( 1 )>
人類歷史從技術角度來說,經歷了三次革命。
第一次是十七世紀英國帶頭的工業革命。瓦特的蒸汽機動力,解脫了人類倚靠自己或牛馬力量的限制。蒸汽機的原動力,促成了工業的發展、城市的崛起和數不盡的社會變遷,從此人類的生活方式和幾千年的傳統發生了劇變。
在十九世紀的中後期,世界發生了第二次工業革命,從通訊(電報、電話、無線電)、能源(電氣化、石油)到交通(鐵路網、電車、汽車)都產生了巨幅的改進。有了電報及電話,世界縮小了,跨國大企業開始興起,家中電燈的普及,使人類在夜間的活動大量增加。這次技術革命的中心在美國,而新興的電磁技術更是扮演了重要的角色。
從二十世紀的1970年代開始,世界進入了第三次技術革命。這次變革凸顯了資訊的非凡價值,所以稱為「資訊革命」。與第一次工業革命的蒸汽機及第二次工業革命的發電機與馬達、內燃機、電燈泡、電報或電話相比,資訊革命的技術基石是電腦、網路、智慧型手機及各種嶄新的系統概念與軟體程式。在這次革命中,電子技術是主角。…… (待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:55 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<資訊革命 ( 2 )>……續上
電腦和網路硬體的核心技術是晶片微處理器、記憶體與光纖通訊。在1970年代中期,這些技術初次融合在一起,掀起一波巨浪。隨著摩爾定律的方向,晶片技術以每一至兩年翻倍的速度,持續發展到今天。保守的估計,從1970年開始到四十年後的今天,微處理器的綜合性功能或晶片記憶體的容量均增加了一百萬倍以上。硬碟容量及光纖通訊速度的進展還要更快。歷史上從未有三個重要而相關配套的技術(資訊處理、儲存、傳送)在四十年中,能同時進步一百萬倍!現代的電腦和網際網路,跟早期相比,就像A-380巨無霸客機和1903年萊特兄弟發明的飛機一樣,雖都是飛機,空氣力學的原理也一樣,但性能則有天壤之別了。
由於晶片及其他技術的高速發展,各種電子產品不斷的每年或每半年就更新換代。新一代的產品性能更高、用途更多樣化,然而價錢反而更便宜,這又使得市場不停擴張。在2010年,全世界半導體晶片的總產額已接近3,000億美元,直接支持了超過1,000萬個工作職位。如果再包括其他元件產業(液晶、光電等),加上產業鏈更下游的終端系統性產品,包括電腦、手機、通訊設備、消費電子、醫療儀器、車用電子、太空軍事等,總產額至少10倍於這個數目,且提供了數以億計的工作職位。至於密切倚靠應用這些技術的行業,數量之大更是無可估計。……(待續)

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「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<資訊革命 ( 3 )>……續上
在電子工業發展過程中,工業的結構和產業鏈也產生了很大的改變。半導體晶片、LED、液晶顯示等技術雖都由美國發明,但在商業化的過程中,這些產品的製造基地都轉移到了亞洲。歐美的工商界著重投資利潤的報酬率,半導體或液晶製造業都需極大的投資,但報酬風險大,管理及成本的變數也多。許多企業基於避免風險,不願投資這些製造業。亞洲國家則樂於在這方面投資,尋求發展新產業,創造就業機會。…… (待續)

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「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<資訊革命 ( 4 )>……續上
隨著製造業的外移,不少核心技術也由歐美擴散到了亞洲各地。在很多領域,譬如液晶顯示器,亞洲技術早已青出於藍。歐美大多數企業都把精力集中在產業鏈中高利潤的環節上,包括新技術的研發及應用,新產品的定位、設計、組合及營銷。問題是歐美的策略可否長期持續?亞洲工業已掌握了生產資源,又擁有足夠的資金及市場,該如何進一步發揮更大的競爭優勢?這些問題都值得深思。
最重要的因素應是新科技的發展。在未來世界,誰掌握了最重要的核心技術,就可以有最大的發言權。可是從歷史角度來看,單有新技術還不夠,更要懂得聰敏的應用。在產品定位上要具有卓越的眼光,在設計上也要有獨特的創意,可以預測大眾的喜愛。這些專長是相當重要的「軟性」核心技術,其內涵甚至包含文化修養及審美觀念,重要性不可小覷。可是怎樣才能培養這些人才及開創所需的環境呢?怎樣才能創造出持久亮麗的世界性品牌?在這方面,日本及韓國已有可觀的成就,亞洲其他國家也在沿著這條大道上齊頭並進。……(完)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:55 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<電子產品的模組化( 1 )>
在電子工業的產業鏈變換中,有一個新的現象產生,就是技術的不斷「模組化」,或「積木化」。最易理解的是系統單晶片產品,各家廠商紛紛供應「晶片上的電腦」、「晶片上的手機」、「晶片上的全球定位系統」等。每種系統單晶片或元件,就像小孩子玩的樂高積木一樣,有不同形狀、顏色、大小、功用。運用這些積木,可搭出不同的組合,堆成房子、車子等各種「產品」。…… (待續)

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「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<電子產品的模組化 ( 2 )>……續上
舉例來說,一家企業要進入手機市場,手機的功能均包含在「晶片上的手機」系統單晶片的硬體和軟體中。為了推銷系統單晶片產品,設計商會教你如何使用他們的晶片組合,來生產完整的手機。所以推出終端手機產品的企業,本身不一定需要知道手機內部複雜的技術,只需設計自己品牌的外型,然後從別家廠商採購小型的液晶顯示器、鍵盤等,來搭配就可。如有必要,還可委託專門組裝的企業,把你設計的手機安裝生產,再貼上你的品牌。這也是為什麼「山寨手機」可以興起的原因。這些企業不需大量投資產品發展,因為基本技術的模組都由他人提供,所以進入市場的門檻很低,失敗的後果也有限。而對於系統單晶片設計商來說,因為產品有巨大的開放式市場,所以有量產的優勢,可有效的分攤設計成本。
這是一個很有經濟效益的制度,各企業各精其業,分工合作,形成多贏的局面。但在這產業鏈中,核心的高科技大都集中在系統單晶片的公司手上,而不是在終端手機品牌的製造商手裡。因為入市門檻低,終端產品公司如果沒有自己的競爭特色,只能在微薄的利潤空間中追逐。…… (待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:55 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<電子產品的模組化( 3 )>……續上
在組合「模組」時,產品的定位是有分高下的,山寨手機是一個低檔的例子。眾所周知的高檔例子是蘋果電腦的iPhone。在這資訊時代,這是一個富有代表性的電子產品,成功的結合了兩百多年來電子技術發展的精華。iPhone是一部手機,同時又是收音機、電視機、錄音機、攝影機、導航儀、加速儀、網路瀏覽器、手電筒、鬧鐘、電子遊戲機、電子書閱讀器,當然還是一部高性能的電腦,擁有超過20萬種應用軟體。
毫無疑問,不久的將來會有更好的產品來取代,但在歷史上,iPhone會是經典之作。在細薄美觀的外殼內,容納了很多枚性能最好及具獨特設計的電子「模組」,包括最高速及低耗能的「晶片電腦」、最新的「觸控高解析液晶顯示器」、性能最好的微型麥克風、喇叭、最新的三軸加速探測器、高容能鋰離子電池等。所有的晶片及其他元件都用最先進的封裝技術搭配在一起。更重要的是iPhone中的系統軟體,把各種功能天衣無縫的連結在一起,使用者可輕易憑直覺來操控各種功能。難能可貴的是,這樣複雜多功能的產品,品質可靠耐用,價格也在多數人可以負擔的範圍之內,實是劃時代的產品!…… (完)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:56 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<展望未來 ( 1 )>
電子工業五十年來一直沿著摩爾定律的路線在高速發展,不過摩爾定律的極限已快到來。這並不是危言聳聽,而是根據科學事實的結論。摩爾定律的原動力,是把每一枚電晶體的尺寸按照比例不斷縮小。隨著光刻、蝕刻和材料技術的進步,電晶體上最小的尺寸由10微米(1970年的技術)縮小到了約40到26奈米(2010年的技術),約有400倍。在此同時,電晶體結構上,二氧化矽薄膜的厚度也減少到了約5奈米,這個厚度不過是幾層矽和氧原子而已,要再減薄,已經快沒有原子了!各種跡象均表示,摩爾定律在今後十年中會達到終端,電晶體上最小的尺寸會縮小到7奈米左右。要達到這個目標,工藝與材料面對的挑戰之嚴峻難以想像,但成功的可能性極高。…… (待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:56 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<展望未來 ( 2 )>…… 續上
研究上的真正突破,不一定是繼續尋找更小的電晶體替代品。人腦子中有無數的神經元複雜的連結在一起,神經元之間的訊號交換,是靠離子流動而完成的。這些離子導電很緩慢,遠比晶片中的電子兄弟們行動悠閒。但是不要忘記,很多人腦可做到的事情,超級電腦還做不到呢!這裡面有沒有特別的啟示呢?
其實所有技術經過長時期發展,都會達到成熟階段,進度會慢下來。電子技術經過五十年的超高速發展,漸趨成熟,毫不奇怪。尤其晶片技術已到了一個極高的境界,價值已從生產技術轉移到系統單晶片設計上去了。系統單晶片設計和軟體工程的進步,是沒有明顯極限的,只受限於人的想像力。雖然晶片製造工藝進展會慢下來,但我們可以期待,價值更高的晶片產品仍會源源不斷面世,繼續造福人群。……(待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:56 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<展望未來 ( 3 )>…… 續上
晶片製造技術的發展會慢下來,但光纖與無線通訊的速度及硬碟儲存的密度,在技術上還有很大的發展空間,以後二十年中還會高速成長。平面及3D顯像的液晶技術,也仍在健康發展中。新材料技術「有機LED」(organic LED,或OLED)很有前途,因為OLED自身可發光,在耗能方面比液晶佔基本優勢,而且生產成本也有希望比液晶低,更有可能顯示幕可像紙一樣捲起來或折疊起來。不過OLED還有很多基本技術問題需要解決,最重要的是元件的可靠度。除了顯像外,有機半導體做成的廉價太陽電池,在解決能源問題上也可能佔有一席之地。……(待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:56 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<展望未來 ( 4 )>…… 續上
MEMS(微機電系統)技術則會在各種領域的超微型感測器應用上發揮作用。譬如用MEMS晶片做的微型血壓、血糖及血脂測示器,已可移植到人體的動脈壁上,再用心臟跳動的能量轉化為電能,把即時測量到的心臟及血液的數據,用MEMS晶片上的無線電發射器傳送到隨身攜帶的智慧型手機上,再連結到網路網絡上的互動資料庫,時刻監察人体的健康狀態。這種技術還在萌芽階段,前途無量。……(待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:57 am

「第十九章:資訊時代與電子發展前景」
<展望未來 ( 5 )>…… 續上
至於電池技術的發展則相當困難,鋰離子電池技術會不斷循序進步,但要在概念上有基本的突破,則可求而不可得,因為週期表上只有這幾樣元素。但願我的估計太保守了。嶄新的奈米材料技術如石墨烯(graphene,單層石墨),其獨特的性能有可能在這方面別創洞天。電子發展歷史上,充滿了突發的神來之筆,柳暗花明,說不定世界上某個地方現在有一個小孩,長大後會從完全意想不到的角度,解決了這個難題?
我們生活在資訊革命時代,下一個時代會是什麼呢?是綠色能源革命?還是生命科學革命?人類對能源、環保及醫學健康的需求是無窮無盡的。在這些未來的革命中,電子的功能一定會從多方面繼續發揮重大的影響。……(完)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:57 am

「結語 ( 1 )」
在2010年,全世界半導體晶片的總產額已接近3,000億美元,直接支持了超過1,000萬個工作職位。如果再包括其他元件產業(液晶、光電等),加上產業鏈更下游的終端系統性產品,包括電腦、手機、通訊設備、消費電子、醫療儀器、車用電子、太空軍事等,總產額至少10倍於這個數目,提供了數以億計的工作職位。至於密切倚靠應用這些技術的行業,數量之大更是無可估計。
中國有句俗語叫「飲水思源」,今天大家享受著電子為我們帶來的各種好處,我們應該要瞭解人類學會駕馭電子的歷史。這本書主要是把歷史故事簡潔的聯貫融合起來,把事情發展的來龍去脈弄清楚,再用現代人的「事後宏觀」眼光,來解讀前因後果。讓我們再來簡短的重走一趟這段「電的旅程」吧。…… (待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:57 am

「結語 ( 2 )」……續上
西方人的electron(電)這個字源自希臘文「琥珀」的意思,因其能產生靜電;而中國人的「電」則來自「雷電交加」,倒是和富蘭克林不謀而合。四百年前的吉爾伯特開始了對電與磁研究。他提倡了文藝復興中求真知的精神,用科學觀的方法示範了實踐求證真理的原則,結束了幾千年玄虛的形而上作風,為科學研究走出了重要的一步。
在吉爾伯特以後的兩百年當中,少數人受好奇心的驅使,開始對靜電做各種實驗,包括富蘭克林的風箏故事及避雷針的發明。我們可以看到,當時西方社會對電的研究抱有好奇及支持的態度,研究者受到普遍的尊重。在這段時期的中國,這種社會環境沒有出現。……(待續)

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「結語 ( 3 )」……續上
現代電磁時代的正式開始,應歸功於伏特在1800年發明了電池,這個創新沒有前車可鑑,是一個神來之筆。有了固定的電源,各種實驗的結果可靠又可重複,奠定了以後科學技術發展的良好基石。
在電磁學早期的研究上,很幸運的出了兩位出類拔萃的科學家:法拉第及馬克士威。兩人天才橫溢,把電磁的知識扎下了堅實的根基。馬克士威的方程式是科學史上最偉大的成就之一。有了科學的依據,整個電磁的研究發明都有理可循。電磁波等現象神祕而不可思議,但在馬克士威的方程式下,一切都是合理、透明的,所以電磁的研究一直沒有走上偽科學的邪路。…… (待續)

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「結語 ( 4 )」……續上
在早期尋求應用電與磁的現象時,摩斯第一個成功的發展了電報技術。人類社會對長途通訊有迫切的內在需要,電報正好滿足了這個慾望。不過,摩斯需要克服大眾對電的驚畏及無知。在摩斯成功的諸多因素中,美國聯邦政府的三萬美元支持極為重要,使得社會大眾有機會見識到電報真正的價值,產生了所謂「臨界點」。
另一個成功原因是電報技術的簡單性。摩斯密碼無形中選擇了「數位型」技術,遠比「類比型」技術簡單。摩斯電報只需用一條電線,就可有效的長途傳送訊息,這個技術最後普及到全世界。……(待續)

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發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:57 am

「結語 ( 5 )」……續上
貝爾電話的發明,主要是把聲波訊號轉換成電流,再把接收的電流用電磁鐵及振動膜重組為聲波。很明顯,貝爾的結果是從別人(格雷)那兒偷來的,所以貝爾在歷史上的地位應大打折扣。電話的成功歸功於企業管理。貝爾電話公司的第一任總經理泰特‧費爾是傑出的企業家和創業者,他利用貝爾的電話智慧財產權,再加上過人的商業管理能力,建造了AT&T這個通訊巨無霸。
從這件事中,另一個可學到的教訓是「成者為王」。AT&T的公關經過一百多年的努力,成功的扭曲了電話發明的過程,塑造神話。平日很多耳濡目染的故事,有時不能盡信。
智慧財產權的重要性,在電話商業化過程中輕易可見。其實從電話之前的電報,到後來的收音機、電視、晶片等發明,專利權的爭鬥一直盤據重要的地位。專利權的本意是公平保護發明者的權利,但是從歷史角度來說,這一點做到了嗎?……(待續)

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「結語 ( 6 )」……續上
馬可尼是極有氣魄的創業者,他充分利用了馬克士威與赫茲留下來的無線電基本知識,發展了無線電報這個行業,在過程中他作出了很多技術上及商業上異常出色的決策。無線電技術主要的精華,是把電流經天線轉換成電磁波,成功的把電流及電磁波兩個現象連結在一起。…… (待續)

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「結語 ( 7 )」……續上
愛迪生這位偉大的發明家,在十九世紀電氣化過程中是個大功臣。他早期在電報技術方面的發明,為他帶來了第一桶金,他用這些錢在門羅公園建立了歷史上第一間技術研究所,把不同領域的技術專家聚集在一起,專門從事應用研發,成為近代研發中心的先驅。用這個平台,愛迪生發明了碳紐式電話麥克風,在電話技術上一直沿用了將近一百年。他又發明了唱機與留聲機(錄音機);更用系統工程方式發展了電燈照明、中央發電廠及電力輸送網路。後來在交流和直流電之戰中,因個人的頑固及執著,敗在西屋電氣與特斯拉之手。但愛迪生一生充滿了頑強的創新鬥志,令人起敬,不失為十九世紀發明家的第一人。…… (待續)

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回復: DPZ - 電的旅程

發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:58 am

「結語 ( 8 )」……續上
除了摩斯、馬可尼、愛迪生這些人之外,還有很多人對十九世紀的電氣化過程做出了巨大貢獻,如德國的西門子、比利時的格拉美、美國的韋斯汀豪斯及特斯拉等人,不勝枚舉。所有這些人有幾個共同的特點:他們都充滿了活力和頑強的鬥志,喜歡做其他人沒有做過的事。他們腳踏「技術」及「創業」兩艘船,雖各有成敗,但都名留青史,為後人帶來福祉。大家同時可看到每一人都有自己的弱點,人生中有得意也有失意,有成功也有失敗,都是有血有肉的凡人,並非有些歷史想要刻意塑造的完人。…… (待續)

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回復: DPZ - 電的旅程

發表 由 Admin 于 周日 2月 09, 2014 8:58 am

「結語 ( 9 )」……續上
從十九世紀中葉開始,隨著真空及高壓電源技術的進步,科學家們開始研究真空管導電及發光的原理。在這個過程中累積了很多新的知識,直接導致了很多重要應用元件的誕生,包括霓虹燈、螢光燈、X光、CRT、磁控管等。更重要的是湯姆森教授在1895年所做的實驗,讓人類終於認出了電子的真面目。
到了二十世紀初,電磁技術的應用已深入民間,但有兩個難題一直無法解決。一個是如何將聲波用無線電波傳送,另一個是怎樣可把長途電話的通話距離增加。想不到這兩個技術難題,最後由同一個元件的發明而得到解決,就是德福雷斯特的真空三極管。在真空二極管中放入第三個電柵,這是電子史上偉大的創舉,屬神來之筆。……(待續)

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