什么是電子管（真空管）？

現在我們知道，愛(ài)迪生效應的本質(zhì)，是熱電子發(fā)射。也就是說(shuō)，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(chǎn)生了電流。

1883年，著(zhù)名發(fā)明家托馬斯·愛(ài)迪生（Thomas Edison）在一次實(shí)驗中，觀(guān)察到一種奇怪現象。

當時(shí)，他正在進(jìn)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(méi)有接在任何電極上。也就是說(shuō)，銅絲沒(méi)有通電。

碳絲正常通電后，開(kāi)始發(fā)光發(fā)熱。過(guò)了一會(huì )，愛(ài)迪生斷開(kāi)電源。他無(wú)意中發(fā)現，銅絲上竟然也產(chǎn)生了電流。

愛(ài)迪生沒(méi)有辦法解釋出現這種現象的原因，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)現申請專(zhuān)利。他還將這種現象，命名為“愛(ài)迪生效應”。

▲愛(ài)迪生

現在我們知道，愛(ài)迪生效應的本質(zhì)，是熱電子發(fā)射。也就是說(shuō)，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(chǎn)生了電流。

愛(ài)迪生申請專(zhuān)利之后，并沒(méi)有想到這個(gè)效應有什么用途，于是將其束之高閣。

1884年，愛(ài)迪生電光公司的技術(shù)顧問(wèn)、英國物理學(xué)家約翰·安布羅斯·弗萊明（John Ambrose Fleming）訪(fǎng)問(wèn)美國，與愛(ài)迪生進(jìn)行會(huì )面。愛(ài)迪生向弗萊明展示了自己發(fā)現的愛(ài)迪生效應，給弗萊明留下了深刻的印象。

▲弗萊明

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

除了傳統電學(xué)之外，弗萊明其實(shí)還有一個(gè)強項，那就是無(wú)線(xiàn)電磁學(xué)。他年輕的時(shí)候，曾經(jīng)師從麥克斯韋，專(zhuān)門(mén)學(xué)習無(wú)線(xiàn)電磁理論。麥克斯韋臨終前上課，只有兩個(gè)學(xué)生來(lái)聽(tīng)，其中一個(gè)，就是弗萊明。

弗萊明觀(guān)摩了愛(ài)迪生效應的演示后，也沒(méi)有想到這個(gè)效應到底能用來(lái)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(wú)線(xiàn)電報系統專(zhuān)利，從而將人類(lèi)帶入無(wú)線(xiàn)通信時(shí)代。

▲馬可尼

1899年，馬可尼決定嘗試橫跨大西洋的遠程無(wú)線(xiàn)電通信。為了完成這個(gè)壯舉，他找來(lái)了弗萊明，和他簽約，請他幫忙改進(jìn)自己的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機和接收機。

弗萊明也確實(shí)沒(méi)有辜負馬可尼的期望，大幅改進(jìn)了馬可尼的設計，幫助實(shí)現了跨大西洋無(wú)線(xiàn)通信實(shí)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(jìn)無(wú)線(xiàn)通信系統的時(shí)候，遇到了很多技術(shù)挑戰。其中，最大的挑戰，就是無(wú)線(xiàn)信號的接收。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(shí)就是信號篩選。天線(xiàn)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(guò)濾”出來(lái)，這就是檢波。

想要實(shí)現檢波，單向導通性（單向導電）是關(guān)鍵。

大家都知道，無(wú)線(xiàn)電磁波是高頻振蕩，每秒高達幾十萬(wàn)次的頻率。無(wú)線(xiàn)電磁波產(chǎn)生的感應電流，也隨著(zhù)“正、負、正、負”不斷變化，如果我們用這個(gè)電流去驅動(dòng)耳機，一正一負就是零，耳機就沒(méi)辦法反應出信號。

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

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(xué)家卡爾·布勞恩（Karl Ferdinand Braun）發(fā)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(xué)家賈格迪什·錢(qián)德拉·博斯（Jagadish Chandra Bose）基于卡爾·布勞恩的發(fā)現，利用方鉛礦（硫化鉛）的單向導電性，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。這為后來(lái)無(wú)線(xiàn)電廣播的迅速普及奠定了基礎。

弗萊明在研究如何改進(jìn)無(wú)線(xiàn)電接收機的時(shí)候，采用了礦石檢波器。但是，他想起了之前的愛(ài)迪生效應，他想到——是不是可以基于愛(ài)迪生效應的電子流動(dòng)，設計一個(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，結構其實(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(yáng)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，對正常的電子流動(dòng)造成影響，破壞特性曲線(xiàn)。（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(jìn)的空間。

1899年，馬可尼應邀到美國做無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電感到著(zhù)迷。于是，他投遞簡(jiǎn)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(méi)有放棄，而是繼續研究無(wú)線(xiàn)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(yáng)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(lái)，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。

▲一開(kāi)始的三極管是單柵，后來(lái)變成了兩個(gè)板子夾在一起的雙柵，再后來(lái)，干脆變成了整個(gè)包起來(lái)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(lái)越強大的廣播電臺、收音機、留聲機、電影、電臺、雷達、無(wú)線(xiàn)電對講等。

▲真空管收音機的內部構造（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(zhuān)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(zhuān)利，而德·福雷斯特則認為自己的改進(jìn)很大，足以形成新的專(zhuān)利。官司打了很久，最終，雙方達成和解，相互授權對方生產(chǎn)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(guān)注。

當時(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(huà)線(xiàn)，急需解決信號放大問(wèn)題。在沒(méi)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(lái)了新的選項。

1913年7月，經(jīng)過(guò)一番討價(jià)還價(jià)，AT&T公司以39萬(wàn)美元的價(jià)格，買(mǎi)下了德·福雷斯特的三極管專(zhuān)利。

再后來(lái)，AT&T認識到電子管這類(lèi)基礎研究對于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用，于1925年正式成立了“貝爾電話(huà)實(shí)驗室公司”。這個(gè)公司，就是后來(lái)大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗室。

1912—1920年，美國西電公司（Western Electric，簡(jiǎn)稱(chēng)WE）研制出具有實(shí)用性的球形電子三極管，發(fā)燒友稱(chēng)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(gè)簾柵極的想法。這個(gè)想法被英國的朗德在1926年實(shí)現。這就是后來(lái)的四極管。再后來(lái)，荷蘭的霍爾斯特和泰萊根又發(fā)明了五極管。

到了20世紀40年代，計算機技術(shù)研究進(jìn)入高潮。人們發(fā)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(mén)電路、或門(mén)電路）。于是，他們開(kāi)始將電子管引入計算機領(lǐng)域。

1946年，賓夕法尼亞大學(xué)的工程師?？颂睾臀锢韺W(xué)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(shí)完成的計算任務(wù)，ENIAC只需要3秒鐘，在當時(shí)堪稱(chēng)奇跡。

上世紀40-50年代，電子管的發(fā)展達到了高潮。但是，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現，電子管已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)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(fā)熱上，也帶來(lái)了極高的功耗。

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