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电灯泡里的奥秘,揭开了电子世界的大门

万象经验 2023/5/23 14:32:04 责编:梦泽

电灯泡是人类文明的重要象征,它为我们的生活带来了光明和便利。但是你知道吗?在电灯泡的背后,隐藏着一个关于热电子发射和真空管的精彩故事,它们不仅揭示了电子的奥秘,还开启了电子时代的大门。

爱迪生效应:一个偶然的发现

我们知道,灯泡上的球形玻璃灯罩是为了保护灯丝不被氧化。但是爱迪生发现,灯泡用久之后玻璃球壳上会有一层黑色的东西。他很好奇这是什么东西?想了想之后觉得可能是灯丝上的一些杂质被电流加热后蒸发出来,然后沉积在玻璃球壳上。

为了验证他的猜想,他在灯泡中加入了一个不与碳丝接触的金属片,希望它能吸收一些碳丝蒸发出来的物质。然而,他意外地发现,在加热灯丝时,在金属片和碳丝之间接上电流表,竟然能检测到微弱的电流。

这在当时是一件不可思议的事情,难道电流能从空中飞渡吗?事实上,爱迪生发现了热电子发射的现象,但他当时并不明白它的原理,没有深入地研究它。他只是把它作为一个副产品,用来测量灯泡的功率。他把这个现象叫做“爱迪生效应”,并且申请了专利。

汤姆逊效应:电子的诞生

在爱迪生发现这个效应之后的十几年里,人们并没有对它进行深入的研究和利用。直到 1897 年,英国物理学家约瑟夫・约翰・汤姆逊做了一个历史性的实验,揭示了爱迪生效应背后的秘密。

汤姆孙在一个真空管中放置了一个加热的阴极和一个阳极,并在两者之间施加一个高压电场。他观察到从阴极射出一束带负电荷的粒子流(后来被称为阴极射线),并且这些粒子可以被外加的电场或磁场偏转。通过测量粒子流的偏转角度和强度,汤姆孙计算出了这些粒子的质量和电荷比,并得出了一个惊人的结论:这些粒子比氢原子还要轻得多,而且都带有相同数量的负电荷。

汤姆孙认为,这些粒子就是构成原子的基本单位,也就是我们今天所说的电子。他把这个发现称为“汤姆孙效应”,并因此获得了 1906 年诺贝尔物理学奖。汤姆逊效应不仅证明了原子具有内部结构,而且揭开了物质微观性质和宏观性质之间联系的新视角。

弗莱明效应:真空管的诞生

汤姆孙效应让人们对爱迪生效应有了新的认识:原来从加热阴极表面释放出来的就是电子!那么,能不能利用这些电子来实现一些有用的功能呢?1904 年,英国物理学家约翰・安布罗斯・弗莱明给出了肯定的答案。

弗莱明曾经是爱迪生公司在英国分部的首席工程师,并参与过改进碳丝灯泡和无线电通信设备等项目。他注意到,在无线电接收器中使用普通二极管整流器(由两个相反方向连接在一起的二极管组成)会产生很大的信号损失,于是他想到了利用爱迪生效应来改进整流器的性能。

他在一个真空玻璃管内封装了两个金属片,一个作为阴极,另一个作为阳极。他给阴极加上直流电压,使其加热并发射电子;给阳极加上高频交流电压,使其在正负半周分别吸引和排斥电子。这样,当交流电通过这个装置时,就被变成了直流电。

弗莱明把这种装有两个电极的管子叫作真空二极管,它具有整流和检波两种作用,这是人类历史上第一只电子器件。弗莱明将此项发明用于无线电检波,并于 1904 年 11 月 16 日在英国取得专利。

电子三极管:放大器的诞生

弗莱明的真空二极管虽然具有整流和检波的功能,但是它不能放大信号,因为它只有两个电极,无法控制电子流的大小。为了实现信号的放大,人们开始尝试在真空管中增加一个电极,从而改变电子流的路径和强度。这就是电子三极管的由来。

电子三极管是由美国物理学家李・德富雷斯特于 1906 年发明的,他在弗莱明的真空二极管中加入了一个金属网状结构,作为第三个电极,称为栅极。栅极位于发射极和集电极之间,可以对发射极发射出的电子流进行调制和控制。当栅极加上负电压时,它会阻碍或减少电子流到达集电极;当栅极加上正电压时,它会促进或增加电子流到达集电极。这样,通过改变栅极的电压,就可以控制集电极的电流。

德富雷斯特把他的发明称为 Audion,并将其用于无线电接收和放大。他发现,当栅极接收到一个微弱的交流信号时,集电极就会输出一个幅度更大的交流信号,而且两者之间的相位和波形保持一致。这就是信号放大的原理。德富雷斯特将此项发明用于无线电话、无线报和广播等领域,并于 1907 年 1 月 29 日在美国取得专利。

德富雷斯特的 Audion 虽然具有放大功能,但是它还存在一些缺陷,比如输出功率低、失真高、噪声大等。为了改进 Audion 的性能,人们开始对其结构和材料进行优化和创新。例如,在 1913 年,美国工程师欧文・朗缪尔在 Audion 中加入了一个水冷系统,使得真空管能够承受更高的温度和压力,并提高了输出功率;在 1915 年,英国工程师罗伯特・冯・里博夫斯基在 Audion 中使用了氧化物阴极,使得发射效率更高,并减少了热噪声;在 1916 年,美国工程师埃德温・阿姆斯壮在 Audion 中使用了负反馈回路,使得失真更低,并提高了稳定性。

经过这些改进后,电子三极管成为了一种性能优良、应用广泛的放大器。它不仅用于无线通信、广播和电话等领域,还用于音响、仪器、计算机和雷达等领域。它也催生了一系列新型的真空管器件,如四极管、五极管、六极管等。直到 20 世纪 50 年代后期,随着晶体管等半导体器件的出现和发展,电子三极管才逐渐被替代。

晶体管:半导体的革命

电子三极管虽然具有很多优点,但是它也有一些缺点,比如体积大、功耗高、寿命短、工作频率低等。为了克服这些缺点,人们开始寻找一种新的放大器,能够更小、更省电、更耐用、更快速。

晶体管是由美国贝尔实验室的约翰・巴丁、威廉・肖克利和沃尔特・布拉顿于 1947 年发明的,他们利用了半导体材料的特性,将两个或三个不同掺杂的半导体区域连接在一起,形成了一种新型的放大器。晶体管有两种基本类型,分别是双极型晶体管和场效应晶体管。双极型晶体管有两种结构,分别是 NPN 型和 PNP 型。场效应晶体管也有两种结构,分别是结型场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管。

晶体管的工作原理与电子三极管类似,都是利用一个小信号控制一个大信号。不同的是,电子三极管是利用栅极上的电压控制发射极到集电极之间的电子流,而晶体管是利用基极上的电流控制发射极到集电极之间的电流(双极型晶体管),或者利用栅极上的电压控制源极到漏极之间的电流(场效应晶体管)。晶体管相比电子三极管有很多优势,比如体积小、功耗低、寿命长、工作频率高等。

晶体管的发明引发了一场半导体技术的革命,它不仅取代了电子三极管在无线通信、广播和电话等领域的应用,还开拓了计算机、微波通信和卫星导航等新领域。它也催生了一系列新型的半导体器件,如二极管、光电二极管、激光二极管、太阳能电池等。直到现在,晶体管仍然是最重要和最广泛使用的半导体器件之一。

本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang

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关键词:电子爱迪生

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