Elektronika wg jednej z definicji zajmuje się sterowaniem przepływem prądu, zmienianiem jego parametrów i kierunku przepływu poprzez różne, specjalizowane układy elektroniczne. Jest to dziedzina nauki, która bada, w jaki sposób można kontrolować energię elektryczną poprzez elektroniczne obwody, elementy i połączenia.
Czym więc jest prąd elektryczny?
Wprowadzające definicje:
- Czym jest ładunek elektryczny?
- Jak zbudowany jest atom?
- Jaka jest różnica między przewodnikiem a izolatorem?
zdefiniowałem we wpisie: Elektryczność statyczna.
Prąd elektryczny to ruch elektrycznie naładowanych cząstek.
Cząstki elektryczne przepływającego prądu niosą ze sobą energię elektryczną. W naszym fizycznym świecie zastosowanie ma prawo zachowania energii, które mówi m.in., że energii nie można stworzyć ani zniszczyć, możliwa jest natomiast transformacja jednego rodzaju energii w inny, jednak suma energii we wszechświecie pozostaje stała. Istnieje energia:
- mechaniczna kinetyczna związana z przemieszczaniem się obiektu,
- mechaniczna potencjalna związana z położeniem obiektu w polu działających na niego sił,
- termiczna, związana z drganiem cząstek i temperaturą zbudowanych z nich obiektów,
- elektryczna związana z prądem elektrycznym, ale też polem elektrycznym,
- magnetyczna, związana z polem magnetycznym,
- chemiczna, zmagazynowana w wiązaniach chemicznych,
- jądrowa, uwalniana w wyniku reakcji jądrowej,
- świetlna, mająca związek z falami elektromagnetycznymi np. światłem lub promieniowaniem UV,
- sprężystości, zmagazynowanej w ciałach sprężystych,
- dźwiękowa, związana z drganiami cząsteczek w ośrodku (powietrze, woda, ciało stałe). Dźwięk przenosi energię w postaci fal,
- falowa, przenoszona przez fale mechaniczne,
- grawitacyjna, związana z oddziaływaniem mas ciał niebieskich,
- ciemna – tajemnicza forma energii odpowiedzialna za przyspieszanie ekspansji Wszechświata. Nie jest do końca zrozumiała, ale uznaje się ją za fundamentalną w astrofizyce,
- energia masy zgodnie ze wzorem E=mcc
Naukowcy wciąż badają różne formy energii istniejące we wszechświecie, więc ta lista nie musi być kompletna i mogą istnieć jeszcze inne formy energii.
Dzięki temu, że energię elektryczną możemy zmieniać na inne formy energii, rośnie zastosowanie praktyczne i potencjał różnych możliwości zastosowań elektroniki. Pisząc prościej, możliwości zastosowania prądu są bardzo szerokie. To zjawisko jest wspólne dla elektrotechniki, a także innych dziedzin nauki w jakiś sposób związanych ze zjawiskiem elektryczności.
„Prompt” odnośnie współczesnych zastosowań elektroniki skierowany do TutorMe daje następujące wyniki:
Elektronika ma ogromne zastosowanie w naszym codziennym życiu, technice i nauce. Oto główne obszary, w których elektronika znajduje zastosowanie:
- Elektronika użytkowa • Urządzenia codziennego użytku: Telewizory, smartfony, komputery, tablety, zegarki elektroniczne.
• Sprzęt AGD: Lodówki, pralki, kuchenki mikrofalowe, odkurzacze.
• Zabawki i gadżety elektroniczne: Drony, konsole do gier, inteligentne asystenty (np. Alexa, Google Home). - Telekomunikacja • Internet i sieci: Routery, modemy, światłowody.
• Telefonia: Smartfony, stacje bazowe, nadajniki i odbiorniki.
• Przekaz sygnałów: Anteny satelitarne, radia, telewizja cyfrowa. - Medycyna • Diagnostyka: Urządzenia takie jak tomografy, ultrasonografy, elektrokardiografy (EKG).
• Leczenie: Rozruszniki serca, pompy insulinowe, lasery chirurgiczne.
• Monitorowanie pacjentów: Czujniki i monitory do mierzenia funkcji życiowych. - Transport • Pojazdy elektryczne: Samochody, hulajnogi, rowery elektryczne.
• Systemy nawigacji: GPS, radary, kontrola ruchu lotniczego.
• Systemy bezpieczeństwa: ABS, poduszki powietrzne, czujniki parkowania. - Przemysł i automatyka • Robotyka: Roboty przemysłowe do montażu, spawania czy pakowania.
• Sterowanie procesami: Systemy PLC (Programowalne Sterowniki Logiczne), automatyka fabryczna.
• Pomiar i kontrola: Czujniki temperatury, ciśnienia, przepływu. - Energetyka • Panele słoneczne: Przekształcanie światła w energię elektryczną.
• Systemy zarządzania energią: Inteligentne liczniki, falowniki w elektrowniach wiatrowych.
• Zasilanie awaryjne: UPS, generatory. - Nauka i badania • Instrumenty pomiarowe: Oscyloskopy, analizatory widma, mikroskopy elektronowe.
• Komputery w badaniach: Superkomputery do modelowania naukowego, symulacje w fizyce, chemii.
• Kosmos: Satelity, sondy kosmiczne, teleskopy (np. Hubble, Webb). - Rozrywka • Systemy audio i wideo: Kino domowe, głośniki, słuchawki.
• Gry wideo: Konsole, urządzenia VR, sprzęt komputerowy.
• Streaming: Platformy online korzystające z zaawansowanej infrastruktury elektronicznej.
Choć istnieje wiele form transformacji jednego rodzaju energii w inny, w przypadku energii elektrycznej spotyka się najczęściej transformację do:
- ciepła,
- pracy mechanicznej (silniki),
- energii promieniowania (lampy, nadajniki),
- energii zmagazynowanej (baterie, kondensatory, cewki indukcyjne).
Elementy elektroniczne mogą energię:
- rozpraszać,
- wytwarzać,
- akumulować,
w rzeczywistości są kombinacją powyższych, gdyż obecność tylko jednej z cech czyni układy idealnymi (nierzeczywistymi, modelami). Dodatkowo elementy mogą być:
- aktywne – wytwarzają energię elektryczną lub zmieniają swoje parametry pod wpływem przyłożonego napięcia albo prądu np. źródła zasilania (baterie), tranzystory, układy scalone,
- pasywne – rozpraszają (zmieniają formę energii) lub akumulują energię np. rezystor, cewka, kondensator,
- liniowe – zależność pomiędzy natężeniem a napięciem jest równaniem liniowym,
- nieliniowe.
Elementy pobierające energię nagrzewają się. Dla układów z krzemu maksymalna temperatura, której osiągnięcie może uszkodzić struktury elementu, wynosi od 120°C – 150°C, w przypadku rezystorów może to być 200°C. Należy przy tym uwzględnić fakt, że obudowa elementu zawsze będzie nieco chłodniejsza od jego wewnętrznych struktur, a więc obudowa rozgrzana do temperatury granicznej sugeruje jej przekroczenie w wewnętrznych strukturach elementu, a więc najprawdopodobniej jego uszkodzenie. Nagrzewanie elementów do ich granicznych temperatur negatywnie wpływa na ich trwałość i ich parametry.