什么是電子管（真空管）？

現(xiàn)在我們知道，愛迪生效應(yīng)的本質(zhì)，是熱電子發(fā)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(jié)果被金屬銅絲捕獲，從而產(chǎn)生了電流。

1883年，著名發(fā)明家托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）在一次實(shí)驗(yàn)中，觀察到一種奇怪現(xiàn)象。

當(dāng)時(shí)，他正在進(jìn)行燈絲（碳絲）的壽命測(cè)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(fā)光發(fā)熱。過了一會(huì)，愛迪生斷開電源。他無意中發(fā)現(xiàn)，銅絲上竟然也產(chǎn)生了電流。

愛迪生沒有辦法解釋出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，但是，作為一個(gè)精明的“商人”，他想到的第一件事，就是給這個(gè)發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)專利。他還將這種現(xiàn)象，命名為“愛迪生效應(yīng)”。

▲愛迪生

現(xiàn)在我們知道，愛迪生效應(yīng)的本質(zhì)，是熱電子發(fā)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(jié)果被金屬銅絲捕獲，從而產(chǎn)生了電流。

愛迪生申請(qǐng)專利之后，并沒有想到這個(gè)效應(yīng)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(shù)顧問、英國物理學(xué)家約翰·安布羅斯·弗萊明（John Ambrose Fleming）訪問美國，與愛迪生進(jìn)行會(huì)面。愛迪生向弗萊明展示了自己發(fā)現(xiàn)的愛迪生效應(yīng)，給弗萊明留下了深刻的印象。

▲弗萊明

這個(gè)弗萊明，大家應(yīng)該也比較熟悉。他是一個(gè)電學(xué)專家，也是一個(gè)電機(jī)工程師，我們中學(xué)經(jīng)常使用的右手定則，就是他發(fā)明的。

除了傳統(tǒng)電學(xué)之外，弗萊明其實(shí)還有一個(gè)強(qiáng)項(xiàng)，那就是無線電磁學(xué)。他年輕的時(shí)候，曾經(jīng)師從麥克斯韋，專門學(xué)習(xí)無線電磁理論。麥克斯韋臨終前上課，只有兩個(gè)學(xué)生來聽，其中一個(gè)，就是弗萊明。

弗萊明觀摩了愛迪生效應(yīng)的演示后，也沒有想到這個(gè)效應(yīng)到底能用來干啥。事實(shí)上，等到他真正用到它，已經(jīng)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(gè)無線電報(bào)系統(tǒng)專利，從而將人類帶入無線通信時(shí)代。

▲馬可尼

1899年，馬可尼決定嘗試橫跨大西洋的遠(yuǎn)程無線電通信。為了完成這個(gè)壯舉，他找來了弗萊明，和他簽約，請(qǐng)他幫忙改進(jìn)自己的無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。

弗萊明也確實(shí)沒有辜負(fù)馬可尼的期望，大幅改進(jìn)了馬可尼的設(shè)計(jì)，幫助實(shí)現(xiàn)了跨大西洋無線通信實(shí)驗(yàn)。（可惜，馬可尼刻意對(duì)外隱瞞了弗萊明的貢獻(xiàn)，還“忘記”了自己承諾要給弗萊明的500股股票獎(jiǎng)勵(lì)，把弗萊明氣得半死。）

弗萊明在改進(jìn)無線通信系統(tǒng)的時(shí)候，遇到了很多技術(shù)挑戰(zhàn)。其中，最大的挑戰(zhàn)，就是無線信號(hào)的接收。

簡(jiǎn)單來說，就是在接收端，如何檢波信號(hào)，放大信號(hào)，讓信號(hào)能夠被完美解讀。

放大信號(hào)大家都懂，那什么是檢波信號(hào)呢？

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

想要實(shí)現(xiàn)檢波，單向?qū)ㄐ裕▎蜗驅(qū)щ姡┦顷P(guān)鍵。

大家都知道，無線電磁波是高頻振蕩，每秒高達(dá)幾十萬次的頻率。無線電磁波產(chǎn)生的感應(yīng)電流，也隨著“正、負(fù)、正、負(fù)”不斷變化，如果我們用這個(gè)電流去驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，一正一負(fù)就是零，耳機(jī)就沒辦法反應(yīng)出信號(hào)。

采用單向?qū)щ娦?，正弦波的?fù)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(jī)就能夠輕松體現(xiàn)出電流的變化。

在這里，我要先給大家介紹一樣?xùn)|西——礦石檢波器。

1874年，德國科學(xué)家卡爾·布勞恩（Karl Ferdinand Braun）發(fā)現(xiàn)，有一些天然礦石（金屬硫化物）具有電流單向?qū)ǖ奶匦裕梢杂糜谡鳎▽⒔涣麟娮兂芍绷麟姡?/p>

1894年，英屬印度物理學(xué)家賈格迪什·錢德拉·博斯（Jagadish Chandra Bose）基于卡爾·布勞恩的發(fā)現(xiàn)，利用方鉛礦（硫化鉛）的單向?qū)щ娦?，制成了世界上第一個(gè)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(gè)礦石收音機(jī)。這為后來無線電廣播的迅速普及奠定了基礎(chǔ)。

弗萊明在研究如何改進(jìn)無線電接收機(jī)的時(shí)候，采用了礦石檢波器。但是，他想起了之前的愛迪生效應(yīng)，他想到——是不是可以基于愛迪生效應(yīng)的電子流動(dòng)，設(shè)計(jì)一個(gè)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(dāng)時(shí)，這個(gè)二極管也叫做“弗萊明閥”。（真空管，vacuum tube，也就是電子管，有時(shí)候也叫“膽管”。）

▲弗萊明發(fā)明的二極管

弗萊明的二極管，結(jié)構(gòu)其實(shí)非常簡(jiǎn)單，就是真空玻璃燈泡里，塞了兩個(gè)極：一個(gè)陰極（Cathode），加熱后可以發(fā)射電子；一個(gè)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(fā)生氣體電離，對(duì)正常的電子流動(dòng)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(xiàn)，解決了檢波和整流需求。但是，它還有改進(jìn)的空間。

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

▲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(jiǎn)歷，想要加入馬可尼的公司。結(jié)果，遭到拒絕。

被拒絕之后，德福雷斯特沒有放棄，而是繼續(xù)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(gè)柵板（“柵極”），發(fā)明了真空三極電子管。

▲德·福雷斯特發(fā)明的三極管

柵板的主要作用，是控制電流。

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(hào)放大的作用。

現(xiàn)在看來，真空三極管的發(fā)明，是電子工業(yè)領(lǐng)域的里程碑事件。

這個(gè)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(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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

▲真空管

真空三極管是那一時(shí)期電子工業(yè)的心臟?；谒?，我們才有了性能越來越強(qiáng)大的廣播電臺(tái)、收音機(jī)、留聲機(jī)、電影、電臺(tái)、雷達(dá)、無線電對(duì)講等。

▲真空管收音機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造（可以看到很多個(gè)真空管）

德·福雷斯特發(fā)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(rèn)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(rèn)為自己的改進(jìn)很大，足以形成新的專利。官司打了很久，最終，雙方達(dá)成和解，相互授權(quán)對(duì)方生產(chǎn)二極管（三極管）。

三極管誕生后，因?yàn)槟芊糯笮盘?hào)，所以受到了美國通信巨頭AT&T公司的關(guān)注。

當(dāng)時(shí)，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(hào)放大問題。在沒有三極管之前，放大信號(hào)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(xiàn)，給AT&T公司帶來了新的選項(xiàng)。

1913年7月，經(jīng)過一番討價(jià)還價(jià)，AT&T公司以39萬美元的價(jià)格，買下了德·福雷斯特的三極管專利。

再后來，AT&T認(rèn)識(shí)到電子管這類基礎(chǔ)研究對(duì)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用，于1925年正式成立了“貝爾電話實(shí)驗(yàn)室公司”。這個(gè)公司，就是后來大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗(yàn)室。

1912—1920年，美國西電公司（Western Electric，簡(jiǎn)稱WE）研制出具有實(shí)用性的球形電子三極管，發(fā)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(zhàn)中得到廣泛應(yīng)用。

1919年，德國的肖特基提出在柵極和正極間加一個(gè)簾柵極的想法。這個(gè)想法被英國的朗德在1926年實(shí)現(xiàn)。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(fā)明了五極管。

到了20世紀(jì)40年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)研究進(jìn)入高潮。人們發(fā)現(xiàn)，電子管的單向?qū)ㄌ匦?，可以用于設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)領(lǐng)域。

1946年，賓夕法尼亞大學(xué)的工程師埃克特和物理學(xué)家毛希利等人，共同研制出了真正意義上的第一臺(tái)通用型電子計(jì)算機(jī)——埃尼阿克（ENIAC）。

大家應(yīng)該都知道埃尼阿克。這臺(tái)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(yùn)算。之前的計(jì)算機(jī)需要2小時(shí)完成的計(jì)算任務(wù)，ENIAC只需要3秒鐘，在當(dāng)時(shí)堪稱奇跡。

上世紀(jì)40-50年代，電子管的發(fā)展達(dá)到了高潮。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)，電子管已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(fèi)在發(fā)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(shí)現(xiàn)電路的檢波、整流和信號(hào)放大呢？