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            到底什么是電子管(真空管)?

            2023-01-01 12:33:24 來源:鮮棗課堂 作者:小棗君
            1883年,著名發明家托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)在一次實驗中,觀察到一種奇怪現象。

            當時,他正在進行燈絲(碳絲)的壽命測試。在燈絲旁邊,他放置了一根銅絲,但銅絲并沒有接在任何電極上。也就是說,銅絲沒有通電。


            碳絲正常通電后,開始發光發熱。過了一會,愛迪生斷開電源。他無意中發現,銅絲上竟然也產生了電流。


            圖片


            愛迪生沒有辦法解釋出現這種現象的原因,但是,作為一個精明的“商人”,他想到的第一件事,就是給這個發現申請專利。他還將這種現象,命名為“愛迪生效應”。



            愛迪生


            現在我們知道,愛迪生效應的本質,是熱電子發射。也就是說,燈絲被加熱后,表面的電子變得活躍,“逃”了出去,結果被金屬銅絲捕獲,從而產生了電流。


            愛迪生申請專利之后,并沒有想到這個效應有什么用途,于是將其束之高閣。


            1884年,愛迪生電光公司的技術顧問、英國物理學家約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)訪問美國,與愛迪生進行會面。愛迪生向弗萊明展示了自己發現的愛迪生效應,給弗萊明留下了深刻的印象。


            弗萊明


            這個弗萊明,大家應該也比較熟悉。他是一個電學專家,也是一個電機工程師,我們中學經常使用的右手定則,就是他發明的。


            除了傳統電學之外,弗萊明其實還有一個強項,那就是無線電磁學。他年輕的時候,曾經師從麥克斯韋,專門學習無線電磁理論。麥克斯韋臨終前上課,只有兩個學生來聽,其中一個,就是弗萊明。


            弗萊明觀摩了愛迪生效應的演示后,也沒有想到這個效應到底能用來干啥。事實上,等到他真正用到它,已經是十幾年后。


            1896年,意大利人伽利爾摩·馬可尼(Guglielmo Marconi)成功取得了世界上第一個無線電報系統專利,從而將人類帶入無線通信時代。


            圖片

            馬可尼


            1899年,馬可尼決定嘗試橫跨大西洋的遠程無線電通信。為了完成這個壯舉,他找來了弗萊明,和他簽約,請他幫忙改進自己的無線電發射機和接收機。


            弗萊明也確實沒有辜負馬可尼的期望,大幅改進了馬可尼的設計,幫助實現了跨大西洋無線通信實驗。(可惜,馬可尼刻意對外隱瞞了弗萊明的貢獻,還“忘記”了自己承諾要給弗萊明的500股股票獎勵,把弗萊明氣得半死。)


            弗萊明在改進無線通信系統的時候,遇到了很多技術挑戰。其中,最大的挑戰,就是無線信號的接收。


            簡單來說,就是在接收端,如何檢波信號,放大信號,讓信號能夠被完美解讀。


            放大信號大家都懂,那什么是檢波信號呢?


            所謂信號檢波,其實就是信號篩選。天線接收到的信號,是非常雜亂的,什么信號都有。我們真正需要的信號(指定頻率的信號),需要從這些雜亂信號中“過濾”出來,這就是檢波。


            想要實現檢波,單向導通性(單向導電)是關鍵。


            大家都知道,無線電磁波是高頻振蕩,每秒高達幾十萬次的頻率。無線電磁波產生的感應電流,也隨著“正、負、正、負”不斷變化,如果我們用這個電流去驅動耳機,一正一負就是零,耳機就沒辦法反應出信號。


            采用單向導電性,正弦波的負半周就沒有了,全部是正的,電流方向一致,把高頻過濾掉之后,耳機就能夠輕松體現出電流的變化。



            去掉負半周,電流方向變成一致的,容易解讀

            在這里,我要先給大家介紹一樣東西——礦石檢波器。


            1874年,德國科學家卡爾·布勞恩(Karl Ferdinand Braun)發現,有一些天然礦石(金屬硫化物)具有電流單向導通的特性,可以用于整流(將交流電變成直流電)。


            1894年,英屬印度物理學家賈格迪什·錢德拉·博斯(Jagadish Chandra Bose)基于卡爾·布勞恩的發現,利用方鉛礦(硫化鉛)的單向導電性,制成了世界上第一個檢波器——礦石檢波器。



            1900年,美國人格林里夫·惠特勒·皮卡德(Greenleaf Whittier Pickard),基于礦石檢波器,成功制造了世界上第一個礦石收音機。這為后來無線電廣播的迅速普及奠定了基礎。


            弗萊明在研究如何改進無線電接收機的時候,采用了礦石檢波器。但是,他想起了之前的愛迪生效應,他想到——是不是可以基于愛迪生效應的電子流動,設計一個新型的檢波器呢?


            就這樣,1904年,世界上第一只真空電子二極管,在弗萊明的手下誕生了。當時,這個二極管也叫做“弗萊明閥”。(真空管,vacuum tube,也就是電子管,有時候也叫“膽管”。)


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            弗萊明發明的二極管


            弗萊明的二極管,結構其實非常簡單,就是真空玻璃燈泡里,塞了兩個極:一個陰極(Cathode),加熱后可以發射電子;一個陽極(Anode),接收電子。


            旁熱式二極管


            玻璃管里之所以要抽成真空,是為了防止發生氣體電離,對正常的電子流動造成影響,破壞特性曲線。(抽成真空,還可以有效降低燈絲的氧化損耗。)


            二極管的出現,解決了檢波和整流需求。但是,它還有改進的空間。


            1899年,馬可尼應邀到美國做無線電通訊表演。他的表演,吸引了一個年輕人的關注。這個年輕人,就是剛剛獲得博士學位的德福雷斯特(De Forest Lee)。


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            德福雷斯特


            德福雷斯特為馬可尼的無線電感到著迷。于是,他投遞簡歷,想要加入馬可尼的公司。結果,遭到拒絕。


            被拒絕之后,德福雷斯特沒有放棄,而是繼續研究無線電通信。他的目光,放在了弗萊明的二極管上。


            1906年,德·福雷斯特在真空二極電子管里,巧妙地加了一個柵板(“柵極”),發明了真空三極電子管。


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            德·福雷斯特發明的三極管


            柵板的主要作用,是控制電流。


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            柵極上很小的電流變化,能引起陽極很大的電流變化,而且,變化波形與柵極電流完全一致。所以, 三極管有信號放大的作用。



            現在看來,真空三極管的發明,是電子工業領域的里程碑事件。


            這個小小的元件,集檢波、放大和振蕩三種功能于一體,為電子技術的發展奠定了基礎。


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            一開始的三極管是單柵,后來變成了兩個板子夾在一起的雙柵,再后來,干脆變成了整個包起來的圍柵


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            真空管


            真空三極管是那一時期電子工業的心臟。基于它,我們才有了性能越來越強大的廣播電臺、收音機、留聲機、電影、電臺、雷達、無線電對講等。


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            真空管收音機的內部構造(可以看到很多個真空管)


            德·福雷斯特發明了三極管之后,很快陷入與弗萊明以及馬可尼公司的專利官司。


            雙方互相起訴,弗萊明認為德·福雷斯特侵犯了自己的二極管專利,而德·福雷斯特則認為自己的改進很大,足以形成新的專利。官司打了很久,最終,雙方達成和解,相互授權對方生產二極管(三極管)。


            三極管誕生后,因為能放大信號,所以受到了美國通信巨頭AT&T公司的關注。


            當時,AT&T公司打算建造一條連接美國東西海岸的跨大陸電話線,急需解決信號放大問題。在沒有三極管之前,放大信號只能用中繼器,但是中繼器的效果不好,且成本較高。


            三極管的出現,給AT&T公司帶來了新的選項。


            1913年7月,經過一番討價還價,AT&T公司以39萬美元的價格,買下了德·福雷斯特的三極管專利。


            再后來,AT&T認識到電子管這類基礎研究對于產業發展的重要作用,于1925年正式成立了“貝爾電話實驗室公司”。這個公司,就是后來大名鼎鼎的貝爾實驗室。


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            1912—1920年,美國西電公司(Western Electric,簡稱WE)研制出具有實用性的球形電子三極管,發燒友稱之為“洋蔥頭”電子管。


            1924年,美國RCA公司(Radio Corporation of America)研制出效率較高的三極真空電子管。這種古典管在第一次世界大戰中得到廣泛應用。


            1919年,德國的肖特基提出在柵極和正極間加一個簾柵極的想法。這個想法被英國的朗德在1926年實現。這就是后來的四極管。再后來,荷蘭的霍爾斯特和泰萊根又發明了五極管。


            到了20世紀40年代,計算機技術研究進入高潮。人們發現,電子管的單向導通特性,可以用于設計一些邏輯電路(例如與門電路、或門電路)。于是,他們開始將電子管引入計算機領域。


            1946年,賓夕法尼亞大學的工程師??颂睾臀锢韺W家毛希利等人,共同研制出了真正意義上的第一臺通用型電子計算機——埃尼阿克(ENIAC)。



            大家應該都知道埃尼阿克。這臺鋼鐵巨獸,使用了18000多只電子管,重130多噸,占地面積170多平方米,每秒鐘可作5000多次加法運算。之前的計算機需要2小時完成的計算任務,ENIAC只需要3秒鐘,在當時堪稱奇跡。


            上世紀40-50年代,電子管的發展達到了高潮。但是,隨著技術的進步,人們發現,電子管已經無法滿足產品設計的需求。


            一方面,電子管容易破損,故障率高,另一方面,電子管需要加熱使用,很多能量都浪費在發熱上,也帶來了極高的功耗。


            所以,人們開始思考——是否有更好的方式,可以實現電路的檢波、整流和信號放大呢?



            且看下期——《到底什么是晶體管》。


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            參考文獻:

            1、Leo的微電子學習筆記,黎翱白Leobai,B站;

            2、從上海發跡的中國收音機百年史,戴輝;

            3、從電子管到晶體管,解碼科技史,央視;

            4、真空二極管的工作原理,IC先生;

            5、第一塊晶體管背后的故事,中科大胡不歸;


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