电子学的发明

电子学的发明

无线电电子学在其发展中经历了几次重大的技术革命。每一次革命总是以新一代电子器件的出现为先导，从而推动了无线电技术的广泛应用。从“爱迪生效应”到电子管的发明和发展，是无线电长河中的一朵绚丽的浪花。并且正是由于20世纪初电子管的发明，才将这一新兴技术迅速地推进到实际应用阶段。

托马斯·爱迪生是蜚声世界的大发明家。他一生中共有大小两千多项的发明创造，获得了1300多项专利。像大家熟悉的电灯、留声机、自动抄报机和电影机都是他发明的。在这位大发明家的发明历程中，有一个不太引人注目的“小插曲”，那就是在他发明白炽灯的过程中，出现一个被后人称为“爱迪生效应”的现象。这朵奇异的微弱火花尽管没有引起爱迪生本人足够的重视，但是它却引发了无线电世界的重大革命。

从1878年秋开始，爱迪生致力于延长白炽灯寿命的研究工作。爱迪生和他的助手们试验用几千种不同的材料作灯泡的灯丝。1882年春天，爱迪生选用碳丝作为灯丝材料，但由于碳丝易于蒸发，灯泡的寿命只有1000小时左右。1883年，爱迪生在抽空的灯泡内再封入一根不与灯丝相连接的铜丝。他想借此遏止碳丝的蒸发，从而可延长灯泡的寿命。当他给灯泡通电加热达到白炽状态后，如给铜丝加上正电压，尽管铜丝与灯丝没有直接接触，但这时却有电流通过。如在铜丝上加负电压，或者不加热灯丝，则不出现电流。人们将他发现的现象称为“爱迪生效应”。爱迪生被这个奇怪现象惊呆了：因为在此之前人们只知道通电导线连通时，才会有电流通过，而现在电流竟能够飞越灯丝与铜丝之间的真空空间，并且只有当灯丝处于炽热状态和铜丝加有正电压时，才有电流通过。对一切新发现异常敏感的发明家爱迪生，很快地把这一现象记在了笔记本上并申请了专利。但他没有兴趣去探索这个新现象的实质，而转向别的研究中去。

被束之高阁的“爱迪生效应”并没有被长期地尘封下去。“爱迪生效应”引起了大洋彼岸一位名叫J．A．弗莱明的人的浓厚兴趣。

J．A．弗莱明1849年出生于英国的兰开斯特，曾就学于伦敦大学和剑桥大学，在卡文迪许研究所中受到麦克斯韦的指导。毕业后，任诺丁汉大学的物理学教授，伦敦爱迪生电灯公司顾问，自1885年起担任伦敦大学电工学教授。弗莱明得知“爱迪生效应”后，立即着手进行实验，他发现灯泡内的电流是从阴极（灯丝）流向阳极（加正电压的铜丝）的带电粒子流。1884年，弗莱明到美国，向爱迪生阐述了自己的见解，但爱迪生当时正忙于电灯的推广应用，对于一年前发现的新奇现象不感兴趣。1896年，弗莱明被聘为马可尼无线电公司的顾问。当时，无线电报的发明得了很大突破，但是电报的接收装置检波器的效率和性能并不理想，怎样才能改进检波器的性能呢？弗莱明开始了这方面的研究，并注意到了“爱迪生效应”在研究中的运用。

开始时弗莱明采用爱迪生那种封接有铜丝（阳级）的灯泡来对高频电流进行检波（或整流），但是检波或整流效率很低。弗莱明对灯泡结构做了大胆的改进。他认为，必须增大阳极的面积，以便接收到更多的从阴极（灯丝）飞出来的电子。因此他改用一块板状金属电极来替代原先作为阳极的铜丝，这种阳极也称为板极。由于现在的阳极具有较大的几何尺寸，不仅易于收集从阴极发射的电子，而且热容量也很大，不致因为炽热阴极的热辐射和电子的轰击而使其温升过高。经过这样的改进后，检波和整流效率大大地提高了。经过这样的改进后，检波和整流效率大大地提高了。弗莱明将这种只允许正方向电流通过的灯泡称为“热离子阀”。由于这个灯泡内有两个电极——阴极和阳极，而且玻璃泡内被抽成真空，所以后来人们将它称为真空二极管。1904年，马可尼无线电公司在该公司制造的无线电装置中，以完善后的弗莱明二极管取代粉末检波器，大大改善了无线电装置的性能。

真空二极管的发明，标志着人类驯服电子、控制电子的开始，它是现代各种真空电子器件的先声。正是在真空二极管的基础上，随后出现的三级管、四极管等开辟了电子学的新时代。在发明真空三极管的征程上，不能不提到赖·德福雷斯特。

1873年8月26日，赖·德福雷斯特出生于美国爱华州的坎斯塔特。1896年，他毕业于耶鲁大学。毕业后，立即参军，走上了西班牙和美国战争的战场，所以，推迟了一年才在1897年取得了博士学位。从学生时代起，他就非常关心马可尼研制的无线电通讯。并有十分浓厚的兴趣。1899年8月12日，他前往芝加哥，在威斯坦电气公司工作。同年10日，他转到电话研究所工作，在这里有一个条件不错的图书馆。在这个图书馆里，他开始系统地研究无线电讯号检波器等。11月，他从魏德曼纪要4号刊登的阿休基纳斯论文中，很快就找到了解决自己正在思考中的问题的启示。当时，他正埋头于自己叫作“共鸣器”的新型无线装置的实验。对本职工作——电话实验和制作装置却逐渐马虎起来。公司老板沉不住气了，终于有一天对德福雷斯特说：“喂，德福雷斯特先生，你怎么也不能成为一个电话技师。我不明白，你随心所欲能干成什么呢？”

1899年深秋的一天，美国纽约港口码头上，挤满了熙熙攘攘的人群。大家兴高采烈地迎接无线电发明家马可尼的来访。那一天，马可尼不仅向他的崇拜者们表演了当时美国人渴望一睹为快的无线电码传送试验，而且在一个美国青年的心里撒下了发明真空三级管的种子。这位青年就是德福雷斯特。那天，德福雷斯特勇敢地跑到马可尼的面前，说自己是一个业余无线电爱好者，有志于从事无线电的创新工作。马可尼望着这位年龄和自己相近的美国朋友，热情地叙说了改进无线电收报机检波器的必要性和重要性。马可尼指出：为了进一步增大通报距离，必须改革现有的那种金属粉末检波器。马可尼的话激发了德福雷斯特发明电子管的热情。

德福雷斯特在威斯坦电气公司干了1年多，就辞职不干了。此后在米尔沃基的一家无线电讯公司干了3个月，又作为辅导员在威斯坦电气杂志的编辑部干了一段时间。最后他辞去了公司的工作，开始了发明家的生涯，悉心研究检波器的改进工作。

正当德福雷斯特努力寻求改进检波器的方案时，从大西洋彼岸传来了弗莱明发明真空二极管的消息。这给德福雷斯特很大的启发；假如在两个极之间再插进一个电极，结果会怎样呢？

1906年初，德福雷斯特在真空二极管的阴极和阳极之间封接了第三个电级——小块锡箔，于是出现奇迹：通过管子的阳极电流竟会跟着加在这个电极（锡箔）上的电压大小发生变化，而且锡箔片愈是安置在靠近阴极（灯丝）的位置，阳极电流变化愈大。这就是说，从阴极发射的电子流在奔向阳极的过程中，受到了安置在其间的第三个电极上电信号的有效控制。为了更有效地控制从阴极发射出去的电子的运动，德福雷斯特在十分靠近阴极的位置上，安置了一个由铂丝构成的栅网状电极以替代锡箔。这一栅网电极被称为栅极。令人惊奇的是：只要加于栅极上的电压大小有微小的起伏变化，那么阳极电流就立即出现较大幅度的变化。于是世界上第一个能放大电信号的电子器件——真空三级管诞生了。

栅极的作用像一道能够有效地控制电子流的“闸门”。当栅极电位比阴极低许多时，“闸门”便关闭。这是因为，从阴极发射出来的电子受到栅极负电位的拒斥力而回到阴极附近区域，电子不能穿越栅极而到达阳极，所以没有电流流经管子。随着栅极电压的提高，栅极对运动的电子的拒斥力也逐渐减少，穿越栅极的电子便愈来愈多，从而使阳极电流愈来愈大。这相当于“闸门”愈开愈大。因此只要在栅极上施加微小的电压就能有效地控制这道特殊的“闸门”。

德福雷斯特的三级管和弗莱明的二极管相比，确实有更多的优越性。二极管只具有检波和整流两种功能，而三极管则具有检波、整流和放大3种功能。特别是三级管的放大作用，更是一种特别有用的新功能。如果使用几个三极管，能将所接收的弱电流放大到几万倍，甚至到几十万倍。因此，三极管的发明极大地推动了无线电通信和广播的发展。

三极管被发明出来后，和其它新生事物一样，并不是很快就被社会接受和认可的。德福雷斯特带着自己发明的特殊“灯泡”，走访了美国的几家大电气公司，力图说服他们给以资助。德福雷斯特不仅没有得到应有的支持，相反，人们把他看成是在技术上招摇撞骗的江湖术士。德福雷斯特渴望说服对方，话语中流露出急切的心情，再加上他那穿着破烂的寒酸相，引起人们对他的疑心。最后一家公司的经理干脆将他作为一个“骗子”送给了警察局。杰出的发明家竟莫名其妙地变成了一个“公开行骗”的嫌疑犯。1906年春季的一天，德福雷斯特站在美国纽约地方法院的被告席上，勇敢地、充满自信和激情地为他的“行骗”辩护。他利用庄严的法庭作为宣传自己伟大发明的讲坛。他声称：这个三个电极的“灯泡”具有放大微弱电信号的神奇功能，可以不用耳机而让公众听到从大西洋对岸传送过来的无线电码声。他自信地说：“历史必将证明，我已发明了空中帝国的王冠”。他胜诉了。他的声音冲出了法庭的大厅，冲出了新大陆。历史证明了德福雷斯特的预言，真空三极管很快地变成了无线电空中帝国的王冠，它几乎独霸电子器件舞台长达半个世纪。

德福雷斯特花了3个星期的时间，筹足了15美元，于1907年1月29日缴付了电子管发明专利申请费。1910年，他使用三级管播送了意大利的著名歌唱家恩利克·卡鲁索演唱的歌曲。1916年，成立了广播事业局，开始播放新闻消息等。1917年，德福雷斯特向电话公司转让出售了反馈电路以及全部无线电话专利、所有的有关真空管的发明。而且，从那以后，他就离开了无线电通讯工作。1920年以后，他的兴趣从无线电通讯转到其它方面去了。

三极管的发明对无线电通信技术以及随后兴起的其它无线电分支的影响，超过了过去的一切发明创造。不过，三极管刚诞生时，只在极为有限的场合作试验性应用。影响当时三级管推广应用的主要障碍，是管子性能不稳定，主要是阳极电流不稳定，并且使用寿命太短，只有几十小时。这就必须进行改进和完善。科学家们在这方面进行了相当的努力。1910年，德国科学家哥德发明了抽高真空的分子泵，为电子管进入实用阶段提供了必要的设备。后来，科学家们应用分子泵进行排气，使电子管的寿命一下子延长到1000小时以上，管子的性能也变稳定了。1914年，市场上开始出现较多的电子管。随着管子性能的改善和售价的降低，人们应用电子管的热情日益高涨起来。随着振荡电路技术在电子管上的运用，人们制出了电子管发射机，无线电通讯向前迈出了一大步。从1918年起，电子管发射机在世界范围内得到了广泛应用。

随着制造工艺的不断进步，人们相继制出了四极管、五极管、八极管以及复合管，这些统称为电子管。自从电子管发明后，有关电子管的发明专利权和各种工艺专利权分属于不同的公司。到了1920年，世界上第一座无线电广播电台在美国匹兹堡建立后，人们感觉到成立统一机构和扩大电子管生产规模的迫切性。1921年，美国“无线电股份有限公司”成立，将原先分属于马可尼、贝尔电话、通用电气、西渥和阿姆斯特朗等各大公司的电子管生产的专利技术汇集在一起。专门生产电子管的大工厂在世界各地相继建立起来，迎来了以电子管生产为中心的电子工业体系的新时代。

随着电子管工业在全世界范围内的涌现，电子管正在向小型化的方向发展。并且，随着无线电波段的超短波波段和微波波段化，原来的三极管、四级管、五极管等都不能适应新技术发展的需要，于是出现了微波电子管并得以发展起业。电子管作为第一代电子器件，对早期和中期无线电电子学的发展，有着不可估量的影响和贡献。在每一个无线电技术分支中，无不闪烁着电子管的光辉。现代电子学的骄傲——雷达和电子计算机，也是应用电子管而迈出第一步的。一部早期雷达应用300个～400个电子管，而第一台电子计算机则应用了1．8万个电子管。电子管的诞生同时也表明，我们可以让微不可见的电子俯首贴耳地听从人们的使唤。这促进了许多新兴学科的兴起，预示了人类将真正成为电子的主人，宣告了驯服电子、控制电子时代的开始。