- Регистрация
- 23 Август 2023
- Сообщения
- 2 993
- Лучшие ответы
- 0
- Реакции
- 0
- Баллы
- 51
Offline
Привет, Хабр!
Этой статьей мы запускаем серию уроков на тему: Электричество в компьютере. Усаживайтесь поудобней.
Роль электричества в работе компьютера
Компьютер — это сложная электронная система, и его работа полностью зависит от электричества. Без электрического тока ни один компонент компьютера не сможет функционировать. Но как именно электричество делает возможными все вычисления, хранение данных и передачу информации?
В основе работы компьютера лежит двоичная система — все данные представляются в виде нулей и единиц. Физически эти состояния реализуются с помощью электрических сигналов: напряжение есть (1) и напряжения нет (0). Например, когда процессор выполняет вычисления, он оперирует миллиардами таких электрических импульсов, передающихся по микроскопическим проводникам на кристалле.
Электричество питает все компоненты компьютера:
Даже простейшие логические элементы из которых состоят процессоры, работают на основе электричества. Например, транзистор — ключевой компонент микросхем — открывается или закрывается в зависимости от подаваемого напряжения, что позволяет управлять потоком данных.
Кроме того, электричество необходимо для преобразования данных в понятные человеку формы: видеокарта превращает цифровые сигналы в изображение на мониторе, а звуковая карта — в аудиоволны. Даже клавиатура и мышь передают сигналы через электрические импульсы.
Таким образом, электричество — это не просто «питание» компьютера, а сама основа его работы. Понимание этого принципа помогает осознать, как физические процессы (движение электронов) превращаются в логические операции, хранение информации и, в итоге, во все, что мы видим на экране.
Что мы называем электричеством
Когда мы говорим «электричество», чаще всего представляем что-то невидимое, что бежит по проводам и заставляет работать лампочку, телефон или компьютер. Но чтобы понять, что именно там бежит, давай начнём с самого маленького — с атомов.
Любое вещество состоит из крошечных частиц — атомов. Атом - это мельчайшая устойчивая частица материи. Именно благодаря атомам материя может быть твёрдой или жидкой, лёгкой или тяжёлой, прозрачной или цветной. Атомы настолько малы, что миллионы их помещаются на кончике иглы. Но и сам атом тоже имеет структуру. Давайте познакомимся с атомом углерода:
Что мы видим на это картинке? Какие-то пунктирные линии и разноцветные кружки. На самом деле тут изображена трехмерная модель атома углерода. Я предлагаю вам представить атом как сферический трехмерный объект чем-то напоминающий модель солнечной системы. Кстати, данная модель атома называется моделью Бора. Для наглядности и упрощения разговоров об атоме, давайте посмотрим на него, как говорится, под другим углом, а именно представим его в двухмерным виде.
Так то лучше! Давайте же разберемся из чего состоит Атом. А состоит он из элементарных частиц Протонов (красный), Нейтронов (фиолетовый) и Электронов (синий). На рисунке видно, что элементы атома можно разделить на 2 группы. Первая группа, это скопление Протонов и Нейтронов - вместе они образуют Ядро атома. Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Размер ядра значительно меньше размера самого атома, примерно в 10 000 - 100 000 раз. Вторая группа, это Электроны которые находятся на пунктирных окружностях. Эти пунктирные окружности называются энергетическими уровнями. На них то и располагаются наши виновники торжества - электроны. Можно представить, что электроны все время вращаются вокруг Ядра, поэтому ранее мы говорили о модели солнечной системы. И правда похоже! Кстати, у разных элементов, атомы имеют разное количество энергетических слоев, а также разное кол-во электронов на их орбите.
Обычно электроны привязаны к своему атому, как собака на поводке — они могут двигаться, но далеко не уйдут. Но есть особенные материалы, например металлы, где часть электронов почти не держится за свой атом. Они могут свободно перемещаться по всему материалу, «перескакивая» от о��ного атома к другому. Такие электроны называются свободными. Представь, что у тебя есть комната, заполненная шарами. Одни из них привязаны верёвками к полу — это «занятые» электроны. Другие же просто лежат на полу, и их можно легко катать в любую сторону — это свободные электроны. Давайте посмотрим как выглядит атом меди.
На самом деле свободные электроны появляются когда на последнем, самом дельном энергетическом уровне мало электронов. Как мы видим, в атоме Меди как раз такая ситуация. Далекий электрон, имеет слабую связь с ядром и может покинуть атом. Кстати, вещества и материалы, которые имеют свободными электроны, называют проводниками. А вещества у котор�� электроны плотно сидят на своих энергетических уровнях и никуда не уходят (сильно связаны с Ядром), называют изоляторами.
Внутри куска металла таких свободных электронов очень много. Они двигаются хаотично — немного туда, немного сюда, как толпа людей на площади, которая ещё не решила, куда идти. Пока движение беспорядочное, никакого электричества нет — просто электроны «толкаются» между собой, передавая тепло (так называемое тепловое движение).
Но если создать условия, при которых эти электроны начинают двигаться в одном направлении, всё меняется. Это уже упорядоченное движение электрических зарядов, и именно его мы называем электричеством. Давайте рассмотрим аналогию с шариками: представь прозрачную трубку, наполненную маленькими шариками (они олицетворяют свободные электроны). Пока они лежат на месте, ничего не происходит. Но стоит подтолкнуть шарики с одного конца — они начинают двигаться, и движение мгновенно передаётся по всей длине трубки. Так и в проводнике: мы «толкаем» свободные электроны, и они дружно устремляются вперёд.
В компьютере этот поток электронов — основа всей работы. Клавиатура, процессор, память, видеокарта — всё это просто управляет тем, куда и как бегут электроны. Когда ты нажимаешь клавишу, замыкается крошечная цепь, и электроны начинают движение по определённому пути. Процессор, выполняя команды, открывает и закрывает электронные «ворота» — транзисторы — направляя поток туда, где он нужен. Даже монитор, когда загорается точка на экране, просто получает свою порцию бегущих электронов.
Итак, электричество — это не какая-то мистическая сила, а всего лишь упорядоченное движение свободных электронов по проводнику. Понимая, что именно бежит по проводам и откуда оно берётся, мы уже делаем первый шаг к пониманию того, как «думает» компьютер.
Спасибо за внимание!
Если статья вам понравилась, дайте знать и вторая часть не заставит себя долго ждать.
P.S.
Если вы теперь смотрите на свой телефон или ноутбук не как на бездушную железку, а как на клубок молний, который научили думать, — вам понравится мой курс «Как работает компьютер. Просто о сложном» https://stepik.org/a/249383
Этой статьей мы запускаем серию уроков на тему: Электричество в компьютере. Усаживайтесь поудобней.
Роль электричества в работе компьютера
Компьютер — это сложная электронная система, и его работа полностью зависит от электричества. Без электрического тока ни один компонент компьютера не сможет функционировать. Но как именно электричество делает возможными все вычисления, хранение данных и передачу информации?
В основе работы компьютера лежит двоичная система — все данные представляются в виде нулей и единиц. Физически эти состояния реализуются с помощью электрических сигналов: напряжение есть (1) и напряжения нет (0). Например, когда процессор выполняет вычисления, он оперирует миллиардами таких электрических импульсов, передающихся по микроскопическим проводникам на кристалле.
Электричество питает все компоненты компьютера:
Процессор (CPU) — преобразует электрические сигналы в логические операции, выполняя вычисления.
Оперативная память (RAM) — хранит данные в виде зарядов в конденсаторах, которые быстро теряются без постоянного обновления (отсюда энергозависимая память).
Жесткие диски (HDD) — используют электромагниты для записи и чтения данных с магнитных пластин, а SSD — полагаются на электрические заряды в ячейках флеш-памяти.
Материнская плата — распределяет питание и обеспечивает связь между компонентами через электрические сигналы в проводниках.
Даже простейшие логические элементы из которых состоят процессоры, работают на основе электричества. Например, транзистор — ключевой компонент микросхем — открывается или закрывается в зависимости от подаваемого напряжения, что позволяет управлять потоком данных.
Кроме того, электричество необходимо для преобразования данных в понятные человеку формы: видеокарта превращает цифровые сигналы в изображение на мониторе, а звуковая карта — в аудиоволны. Даже клавиатура и мышь передают сигналы через электрические импульсы.
Таким образом, электричество — это не просто «питание» компьютера, а сама основа его работы. Понимание этого принципа помогает осознать, как физические процессы (движение электронов) превращаются в логические операции, хранение информации и, в итоге, во все, что мы видим на экране.
Что мы называем электричеством
Когда мы говорим «электричество», чаще всего представляем что-то невидимое, что бежит по проводам и заставляет работать лампочку, телефон или компьютер. Но чтобы понять, что именно там бежит, давай начнём с самого маленького — с атомов.
Любое вещество состоит из крошечных частиц — атомов. Атом - это мельчайшая устойчивая частица материи. Именно благодаря атомам материя может быть твёрдой или жидкой, лёгкой или тяжёлой, прозрачной или цветной. Атомы настолько малы, что миллионы их помещаются на кончике иглы. Но и сам атом тоже имеет структуру. Давайте познакомимся с атомом углерода:
Что мы видим на это картинке? Какие-то пунктирные линии и разноцветные кружки. На самом деле тут изображена трехмерная модель атома углерода. Я предлагаю вам представить атом как сферический трехмерный объект чем-то напоминающий модель солнечной системы. Кстати, данная модель атома называется моделью Бора. Для наглядности и упрощения разговоров об атоме, давайте посмотрим на него, как говорится, под другим углом, а именно представим его в двухмерным виде.
Так то лучше! Давайте же разберемся из чего состоит Атом. А состоит он из элементарных частиц Протонов (красный), Нейтронов (фиолетовый) и Электронов (синий). На рисунке видно, что элементы атома можно разделить на 2 группы. Первая группа, это скопление Протонов и Нейтронов - вместе они образуют Ядро атома. Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Размер ядра значительно меньше размера самого атома, примерно в 10 000 - 100 000 раз. Вторая группа, это Электроны которые находятся на пунктирных окружностях. Эти пунктирные окружности называются энергетическими уровнями. На них то и располагаются наши виновники торжества - электроны. Можно представить, что электроны все время вращаются вокруг Ядра, поэтому ранее мы говорили о модели солнечной системы. И правда похоже! Кстати, у разных элементов, атомы имеют разное количество энергетических слоев, а также разное кол-во электронов на их орбите.
Обычно электроны привязаны к своему атому, как собака на поводке — они могут двигаться, но далеко не уйдут. Но есть особенные материалы, например металлы, где часть электронов почти не держится за свой атом. Они могут свободно перемещаться по всему материалу, «перескакивая» от о��ного атома к другому. Такие электроны называются свободными. Представь, что у тебя есть комната, заполненная шарами. Одни из них привязаны верёвками к полу — это «занятые» электроны. Другие же просто лежат на полу, и их можно легко катать в любую сторону — это свободные электроны. Давайте посмотрим как выглядит атом меди.
На самом деле свободные электроны появляются когда на последнем, самом дельном энергетическом уровне мало электронов. Как мы видим, в атоме Меди как раз такая ситуация. Далекий электрон, имеет слабую связь с ядром и может покинуть атом. Кстати, вещества и материалы, которые имеют свободными электроны, называют проводниками. А вещества у котор�� электроны плотно сидят на своих энергетических уровнях и никуда не уходят (сильно связаны с Ядром), называют изоляторами.
Внутри куска металла таких свободных электронов очень много. Они двигаются хаотично — немного туда, немного сюда, как толпа людей на площади, которая ещё не решила, куда идти. Пока движение беспорядочное, никакого электричества нет — просто электроны «толкаются» между собой, передавая тепло (так называемое тепловое движение).
Но если создать условия, при которых эти электроны начинают двигаться в одном направлении, всё меняется. Это уже упорядоченное движение электрических зарядов, и именно его мы называем электричеством. Давайте рассмотрим аналогию с шариками: представь прозрачную трубку, наполненную маленькими шариками (они олицетворяют свободные электроны). Пока они лежат на месте, ничего не происходит. Но стоит подтолкнуть шарики с одного конца — они начинают двигаться, и движение мгновенно передаётся по всей длине трубки. Так и в проводнике: мы «толкаем» свободные электроны, и они дружно устремляются вперёд.
В компьютере этот поток электронов — основа всей работы. Клавиатура, процессор, память, видеокарта — всё это просто управляет тем, куда и как бегут электроны. Когда ты нажимаешь клавишу, замыкается крошечная цепь, и электроны начинают движение по определённому пути. Процессор, выполняя команды, открывает и закрывает электронные «ворота» — транзисторы — направляя поток туда, где он нужен. Даже монитор, когда загорается точка на экране, просто получает свою порцию бегущих электронов.
Итак, электричество — это не какая-то мистическая сила, а всего лишь упорядоченное движение свободных электронов по проводнику. Понимая, что именно бежит по проводам и откуда оно берётся, мы уже делаем первый шаг к пониманию того, как «думает» компьютер.
Спасибо за внимание!
Если статья вам понравилась, дайте знать и вторая часть не заставит себя долго ждать.
P.S.
Если вы теперь смотрите на свой телефон или ноутбук не как на бездушную железку, а как на клубок молний, который научили думать, — вам понравится мой курс «Как работает компьютер. Просто о сложном» https://stepik.org/a/249383
