一、背景介紹

在晶體管發(fā)明之前，最重要的電子設(shè)備是真空三極管。?所有的收音機(jī)都使用它們，早期的電視也使用它們。?你知道嗎，即使是早期的計(jì)算機(jī)也使用這些帶有插座的真空管燈泡， 體積巨大，充滿(mǎn)了整間房屋。?但它們是如何工作的？它們是如何以及為什么發(fā)明的？?這是一個(gè)關(guān)于燈泡內(nèi)部的污跡，一個(gè)記憶力很好的助手，和一個(gè)發(fā)明專(zhuān)利欺騙行為。?這里面的故事讓我們聽(tīng) Kathy 老師娓娓道來(lái)吧。

二、燈泡里面的污漬

這一切都始于 1880 年的普通燈泡。托馬斯·愛(ài)迪生 (Thomas Edison) 注意到，?當(dāng)他的燈泡壞了時(shí)，燈泡內(nèi)部通常會(huì)在燈絲正極附近產(chǎn)生黑色污跡。? 他盡最大努力制造出優(yōu)質(zhì)的真空燈泡，因此他非常確定這些污漬不是由燈泡內(nèi)的任何物質(zhì)產(chǎn)生的。?因此，他推斷一定是燈絲本身蒸發(fā)出的東西。

▲ 圖2.2.1 燈泡內(nèi)部的污漬

然后他在燈泡上加了一個(gè)金屬板，?希望燈絲發(fā)出的任何東西都能粘在金屬板上，并能在第一時(shí)間防止燈絲斷裂。?事實(shí)證明，這個(gè)金屬板并沒(méi)有多大幫助。?然而，他注意到，如果在燈絲和極板之間添加另一個(gè)電池，就會(huì)發(fā)生一些奇怪的事情。? 如果金屬板為正，則電流可以流動(dòng)，?但如果板為負(fù)，則電流不會(huì)流動(dòng)。?愛(ài)迪生申請(qǐng)了電壓表的專(zhuān)利，盡管他真的不知道發(fā)生了什么，也不知道為什么將來(lái)會(huì)有人想要這種昂貴且無(wú)效的電壓表。

▲ 圖32.2.2 燈泡內(nèi)部的金屬電極板

這中間到底發(fā)生了什么事？?好吧，這一切都與帶負(fù)電的電子的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。?在燈泡里， 當(dāng)燈絲變熱時(shí)，電子可以變得自由。?當(dāng)燈絲斷裂時(shí)，電子會(huì)飛向正極，并帶動(dòng)燈絲物質(zhì)在旁邊玻璃壁上留下黑色污跡。? 如果在燈絲斷裂之前，在燈絲和板之間加了一個(gè)額外的電壓，燈絲帶負(fù)電，板帶正電，帶負(fù)電的電子很容易從燈絲跳到帶正電的板上，讓電流流動(dòng)。?然而，如果板帶負(fù)電，那么電子會(huì)留在板上，因?yàn)樗抢涞?，而不是集中在?xì)絲上。?這被稱(chēng)為愛(ài)迪生效應(yīng)。

▲ 圖32.2.3 燈泡中的電流

三、無(wú)線(xiàn)檢波器

盡管除了申請(qǐng)專(zhuān)利外，愛(ài)迪生對(duì)此并不感興趣。?然而，愛(ài)迪生有一位年輕的英國(guó)技術(shù)顧問(wèn)，名叫約翰·安布羅斯·弗萊明，他對(duì)此很感興趣。?弗萊明原本在愛(ài)迪生那里從事交流電技術(shù)研發(fā)，愛(ài)迪生看他不務(wù)正業(yè)，很快決定辭退弗萊明并將他送回英國(guó)。

歲月如梭，過(guò)了 24 年，到 1904 年 10 月。?此時(shí)，弗萊明已成為古列爾莫·馬可尼 (Guglielmo Marconi) 的技術(shù)顧問(wèn)，幫助他發(fā)送無(wú)線(xiàn)電報(bào)信號(hào)。?馬可尼當(dāng)時(shí)最大的問(wèn)題是他的接收器。?馬可尼使用了一個(gè)內(nèi)部帶有細(xì)碎金屬粉末管子，被稱(chēng)為相關(guān)檢波器。?平時(shí)它不導(dǎo)電。當(dāng)無(wú)線(xiàn)電波通過(guò)它時(shí)，這些金屬粉末會(huì)粘在一起或凝聚在一起，?電極之間電阻下降， 在電壓作用下形成接收信號(hào)輸出。?然后在信號(hào)接收之后它被旁邊電磁鐵敲擊恢復(fù)不導(dǎo)通狀態(tài)。?它很慢，笨拙且效率低下。

▲ 圖32.3.2 馬可尼的無(wú)線(xiàn)接收機(jī)

根據(jù)當(dāng)時(shí)的一位工程師的說(shuō)法，?相干檢波器 “雖然被宣傳為很棒，但它相當(dāng)不靠譜，而且糟糕。它在該導(dǎo)通的時(shí)候不導(dǎo)通，而在不該工作的時(shí)候卻隨著時(shí)間的推移導(dǎo)通?！??

在此一年前， 1903 年，加拿大人雷金納德·費(fèi)森登 (Reginald Fessenden) 制作了一種化學(xué)電解檢測(cè)器，?利用化學(xué)反應(yīng)對(duì)電流的一個(gè)方向進(jìn)行整流或者去除，以便在耳機(jī)上可以聽(tīng)到高頻無(wú)線(xiàn)信號(hào)。?Fleming 認(rèn)為，檢測(cè)器在高頻下效果不佳。此外，他們沒(méi)有持有專(zhuān)利。

▲ 圖32.3.3 Reginal Fessenden 和他的電機(jī)整流器

四、真空二極管

據(jù)弗萊明后來(lái)回憶， 當(dāng)他突然想到這個(gè)問(wèn)題時(shí)，非常高興。? 為什么不試試燈泡呢？? 他寫(xiě)信給馬可尼說(shuō)，“我找到了一種對(duì)電子信號(hào)整流方法”，就是讓電流都朝同一個(gè)方向流動(dòng)。?到 11 月，弗萊明為所謂的弗萊明真空管或真空二極管申請(qǐng)了專(zhuān)利，?di 代表兩個(gè)，?ode 代表路徑。

▲ 圖32.3.4 弗萊明真空二極管

請(qǐng)注意，弗萊明真空管與愛(ài)迪生效應(yīng)真空管完全相同。不同的是在如何使用它的方式上。? 那么，讓我們談?wù)劯トR明的所作所為。?弗萊明使用帶有線(xiàn)圈的天線(xiàn)來(lái)接收無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。?然后他利用另一個(gè)線(xiàn)圈與第一個(gè)線(xiàn)圈形成互感，?這樣第一個(gè)線(xiàn)圈中的交流電就會(huì)在第二個(gè)線(xiàn)圈中感應(yīng)出交流電。? 然后他讓這個(gè)信號(hào)通過(guò)一個(gè)靈敏的電流計(jì)，稱(chēng)為鏡面反射檢流計(jì)，?信號(hào)的一端到達(dá)真空二極管的正極，?另一端到達(dá)他的真空管燈絲，燈絲由電池加熱。? 因此，真空管使信號(hào)單向流動(dòng)，從而使儀表朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)并可以記錄下來(lái)。

▲ 圖32.3.5 弗萊明的真空二極管檢波器

弗萊明沒(méi)有戴耳機(jī)，可能是因?yàn)樗糠质敗?這種方法效果很好，但由于價(jià)格過(guò)于昂貴，因此不太受歡迎。?而且大多數(shù)人開(kāi)始使用半導(dǎo)體，并使用所謂的晶體組合作為整流器。?然而，有一個(gè)人對(duì) Fleming 真空管非常感興趣，他的名字叫 Lee de Forest。?當(dāng)時(shí)，雷金納德·費(fèi)森登 (Reginald Fessenden) 起訴 Lee de Forest 抄襲他的電解檢測(cè)器。? 因此，de Forest 正在尋找一種新的探測(cè)器。

五、真空三極管

我們知道德福雷斯特了解過(guò)弗萊明真空二極管，?因?yàn)樵?1905 年 12 月，德福雷斯特申請(qǐng)了專(zhuān)利時(shí)，寫(xiě)到：?專(zhuān)利使用了 “J.A 弗萊明 (J.A Fleming) 的電子管，弗萊明的專(zhuān)利中對(duì)其進(jìn)行了全面描述”。?五周后，Deforest 申請(qǐng)了一種新檢測(cè)器的專(zhuān)利，該檢測(cè)器與弗萊明真空二極管驚人地相似。?在真空管中都有一根燈絲和一塊金屬板，他用電池驅(qū)動(dòng)燈絲。?他們還從天線(xiàn)接收無(wú)線(xiàn)電波并將其通過(guò)真空二極管中的陽(yáng)極和燈絲。

▲ 圖A32.5.1 德福雷斯特?zé)o線(xiàn)檢波器

事實(shí)上，只有四個(gè)非常小的差異。?首先，de forest 使用耳機(jī)代替電流表。? 其次，他加了一個(gè)似乎沒(méi)什么用的額外電池。? 第三，他沒(méi)有使用并聯(lián)線(xiàn)圈，至少在這個(gè)電路中是這樣。? 第四，他錯(cuò)誤地認(rèn)為燈泡中的微量氣體能夠電離而帶電，這就是導(dǎo)致電流流動(dòng)的原因。?所以，他堅(jiān)持認(rèn)為燈泡不是完美的真空。? 因?yàn)檫@個(gè)裝置是用來(lái)發(fā)出聲音的，他錯(cuò)誤地認(rèn)為它與氣體的電離有關(guān)。他將此稱(chēng)為三極管。

▲ 圖32.5.1 德福雷斯特?zé)o線(xiàn)檢波器與弗萊明無(wú)線(xiàn)檢波器

不出意外，弗萊明對(duì) de Forest 專(zhuān)利侵權(quán)提起訴訟。? 為了躲避專(zhuān)利訴訟，de Forest 開(kāi)始在真空管設(shè)施中到處添加金屬電極。?他用錫紙包裹了他的真空管、他用鐵絲在外面繞了一圈、?他在燈泡內(nèi)有多個(gè)連接板， 不論是有用的還是無(wú)用的，他就亂加一氣。?在 1906 年的圣誕節(jié)那天，de Forest 將這些亂七八糟的真空管整理成有三個(gè)電極的燈泡，?即燈絲、陽(yáng)極金屬板，以及在它們之間彎曲成之字形的金屬絲，他稱(chēng)之為柵極。?在1922年真空管中間添加第三根柵極，這個(gè)發(fā)明非同尋常，?被描述為“人類(lèi)在整個(gè)無(wú)線(xiàn)電通信發(fā)展過(guò)程中邁出的最重要的一步”。

▲ 圖32.5.3 弗萊明的真空三極管

六、工作原理

那么，柵極做了什么？?好吧，想象一下你通過(guò)用電池加熱燈絲。? 附加一個(gè)單獨(dú)的電壓，使燈絲為負(fù)極，金屬板為正極，形成接受電子的陽(yáng)極。?在這種情況下，電子會(huì)從加熱的燈絲上發(fā)射，經(jīng)過(guò)柵極線(xiàn)，到達(dá)陽(yáng)極上。

▲ 圖32.6.1 柵極可以控制電流

然后想象一下，向網(wǎng)格線(xiàn)施加微弱的電信號(hào)。?如果在柵極上增加正電壓，更多的電子會(huì)被吸引前往柵極，大部分穿過(guò)柵極達(dá)到陽(yáng)極。這將大大增加陽(yáng)極上的電流。? 但是，如果柵極線(xiàn)施加負(fù)電壓，它會(huì)阻止負(fù)電子通過(guò)，從而大大降低電流。

這樣，柵極上的微小電壓變化就能使從陽(yáng)極流出的電流發(fā)生巨大變化。?這既是電放大器，又是電整流器，或單向真空管。

不幸的是，Lee de Forest 無(wú)法讓他的設(shè)備工作得那么好，他大多只是將它用作復(fù)雜的整流器。?此外，de Forest 確信，真空管內(nèi)需要有一點(diǎn)氣體才能使它工作。?可能是為了躲避弗萊明真空管專(zhuān)利限制，這些夾雜著錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的做法導(dǎo)致一些三極管質(zhì)量低下。? 因?yàn)槿龢O管價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量參差不齊，所以很少有人使用。

七、后記

直到它發(fā)明五年后，一位名叫霍華德·阿姆斯特朗本科生， ?性格堅(jiān)韌不拔，想出了如何讓三極管能夠放大無(wú)線(xiàn)電信號(hào)并開(kāi)始唱歌的方法，方法是在他稱(chēng)為再生的系統(tǒng)中將信號(hào)反饋給三極管。?

這就是真空三極管，未來(lái) 50 年電子設(shè)計(jì)中的瑞士軍刀。這意味著它會(huì)被用于一切電子電路中。?

如果不是因?yàn)檫@些電子器件的誕生，就不會(huì)有后來(lái)的收音機(jī)。?是的，包括我在內(nèi)，還有成千上萬(wàn)人的工作歸功于真空管。?事實(shí)上，幾乎每個(gè)人都以某種方式從中受益。

參考資料

[1]Triode Vacuum Tube: History & Physics: https://www.youtube.com/watch?v=0Smj2nHo9zA

[2]Kathy老師講述的有趣科學(xué)歷史: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/128637281

編輯：黃飛

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