200年电子行业的科学定律的发展史

来源：线束世界•作者：•2023-10-05 19:10

几个世纪以来，科学家，物理学家等等无数好奇的头脑已经制定了很多物理、数学和电学的科学定律。这些科学规律也构成了现代电子工业的基础。

人类对电的认识已有数千年的历史。在古代，闪电被认为是神的工具或者法术，比如中国的雷公和电母，乃是古希腊神话中，掌控雷电之力的众神之王宙斯，北欧神话中的雷神托尔等等。尽管这些神们经常制定法律或者规则，但他们似乎不受法律的约束。所谓王子犯法与庶民同罪对神仙并不适用。

很久以后，人类好奇的头脑开始识别物理学的基本定律，这些定律将新秩序引入了蓬勃发展的电学。人们一旦了解了自然现象，就可以将其操纵以实现有用的应用。

从18世纪中期开始，科学家和工程师一直忙于制定定义电力行为的规则。这为预测电路的性能打开了大门，剩下就成为历史了。从那时起，大量的电子定律、定理和原理被构思出来，证明了人类对知识的追求。

电路最基本的定律之一欧姆定律，该定律是由德国物理学家乔治·西蒙·欧姆1826年4月发表的《金属导电定律的测定》论文提出的。根据欧姆定律，电路中流动的电流可以通过简单的方程I=E/R来计算，其中I是电流，E是电压，R是电阻。欧姆定律开启了理解这种神秘的自然力的特征和极限的竞赛，并使我们今天所依赖的电子设备成为现实。随研究电路工作的进展，人们逐渐认识到欧姆定律的重要性，欧姆本人的声誉也大大提高。为了纪念欧姆对电磁学的贡献，物理学界将电阻的单位命名为欧姆，以符号Ω表示

欧姆的实验与改进装置

138 年后，戈登·摩尔 (Gordon Moore) 提出了摩尔定律，他是英特尔公司（Intel）的创始人之一，他预测集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。但现在才开始达到半导体制造技术和经济的极限。

摩尔于2023年3月去世。不太为人所知的是洛克定律，该定律规定指出半导体芯片制造工厂的成本每四年就会翻一番。制造亚 2 纳米器件的努力正在证明收益递减规律，并引发了人们对这些最先进芯片的投资经济回报的质疑。

戈登·摩尔预测，计算机芯片上的晶体管数量每年都会增加一倍

多年来，人们引入了定律、定理、原理和方程来定义、测量和预测直流到每秒数万亿比特的电路的行为。其中许多是由物理学领域的先驱创建的，并为我们的电子设备世界提供了构建基础。

能量焦耳、电阻欧姆、电荷库仑和电容法拉等测量单位都是以创始人的名字命名的。意大利物理学家亚历山德罗·伏特伯爵（Count Alessandro Volta，1745-1827 年）在1800年前成功发明了第一个电池——伏打堆。1810年，拿破仑册封他为伯爵。电压是以他的名字命名的。

伏打亲手制作的“伏打堆”，现藏于意大利伏打博物馆

频率单位赫兹（Hz）是以德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857-1894）的名字命名的，他最先证明了电磁波的存在。

物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹首先证明了电磁波的存在。电磁波被称为赫兹波，后来被称为无线电波

古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824-1887）提出了稳恒电路网络中电流、电压、电阻关系的两条电路定律，即著名的基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL），解决了电器设计中电路方面的难题。基尔霍夫电流定律（KCL）内容是电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。基尔霍夫电压定律（KVL）内容是，在任何一个闭合回路中，各元件上的电压降的代数和等于电动势的代数和，即从一点出发绕回路一周回到该点时，各段电压的代数和恒等于零，即∑U=0

英国数学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule，1818-1879）创立了焦耳定律，该定律内容是电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。焦耳定律数学表达式：Q=I²Rt

法国军官、工程师和物理学家查尔斯·奥古斯丁·德库仑（Charles-Augustin de Coulomb，1736-1806 年）确定了静电库仑定律，该定律规定同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

英国科学家迈克尔·法拉第（1791-1867）创立了法拉第电磁感应第二定律，该定律假设导体中感应电动势的大小等于磁通量的变化率。

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迈克尔·法拉第的感应实验

法国电报工程师 Léon Charles Thévenin（1857-1926）因戴维南定理而闻名，该定理指出，

含独立电源的线性电阻单口网络N，就端口特性而言，可以等效为一个电压源和电阻串联的单口网络。电压源的电压等于单口网络在负载开路时的电压uoc；电阻R0是单口网络内全部独立电源为零值时所得单口网络N0的等效电阻。

法国科学家，玛丽·居里的丈夫，皮埃尔·居里（1859-1906），以居里定律而闻名于世，该定律指出顺磁性材料的磁化强度与所施加的磁场成正比。

法国数学家让-巴蒂斯特·约瑟夫·傅立叶（Jean-Baptiste Joseph Fourier ，1768-1830) 创建了傅里叶变换，这是一种复杂的数学函数，可用于将波形分解为其组成频率。

美国数学家、电气工程师、计算机科学家和密码学家克劳德·埃尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon，1916-2001）被誉为“信息时代之父”。他 1948 年的论文确定了香农极限，该极限定义了如果链路在特定噪声水平下出现随机数据传输错误，则数据可以通过通道传输的最大无错误率。

香农极限方程

苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831-1879）负责电磁辐射的经典理论；麦克斯韦方程定义了电荷和电流如何产生磁场和电场。它们用于创建电气、光学和无线电电路的数学模型。

美国物理学家、电气和通信工程师哈利·奈奎斯特（Harry Nyquist，1889-1976）提出了奈奎斯特定理，该定理指出，通过以相等的时间间隔对模拟信号进行采样，可以将模拟信号波形转换为数字信号。奈奎斯特频率是在不引入误差的情况下对信号进行采样的最小速率。

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乔治·韦斯特曼 (George Westerman)，麻省理工学院斯隆管理学院高级讲师、全球机会倡议创始人

并非所有法律都涉及技术问题。乔治·韦斯特曼 (George Westerman)是麻省理工学院斯隆管理学院的高级讲师。乔治·韦斯特曼数字创新定律指出，技术变化很快，但组织变化却要慢得多。包括 Palm Computer、Polaroid 和 Iomega 在内的大型电子设备制造商经历了惨痛的教训才发现了这一法则的影响。

当然最后不得不提一下墨菲定律。墨菲定律是一种心理学效应，由爱德华·墨菲（Edward A. Murphy）提出：凡事只要有可能出错，那就一定会出错。墨菲定律自被提出之日起便被广泛应用于各个行业的安全生产管理中，通信行业也不例外。

举几个扎心的例子：

凡是有可能停电的基站，那就一定会停电；

凡是有可能发生断网的日子，那就一定会断网；

凡是有可能发生安全事故的工程施工，那就一定会发生事故。

“墨菲定律”是通信行业的铁律

对待科学，我们不要有侥幸心理，要有敬畏之心。