什么是电子工业和电子管时代?

电子工业

1906年,美国人deforest发明了真空三极管。正如一位作家所描述的:“真空三极管的发明就像天空中升起的一颗明亮的耀斑,让全世界的科学家都争先恐后地朝这个方向研究。所以在很短的时间内,电子设备取得了惊人的发展。”

从deforest的真空三极管到个人电脑的问世,电子技术经历了一个飞速发展的新时代。

贝尔研究所的专家看到了电子管的缺陷,他们开始研究可以“有意识地控制电子群流动”的半导体。

晶体管发明后,科学家又发明了集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路。人们用这些元件组装电视机、电子词典、带音视频画面的电脑、家庭影院等产品。电子设备的极大丰富,让我们的生活比以往任何时代都更加丰富多彩,也推动了一个又一个新产业的发展,引起了一系列的连锁反应。

电子管时代

在贝尔发现了一种通过电线把声音从一个地方传到另一个地方的方法后,他又发现了一种不用电线把声音传到远处的方法。这是无线电技术。

法国科幻作家儒勒·凡尔纳早就预言了“广播”这种东西。他的很多小说都有这方面的描写,比如通过电话线传送音乐会、广播小说等。我们知道,当时无线电还处于探索阶段,马可尼刚刚用无线电向大洋彼岸发完电报,凡尔纳当然没想到这种东西还能传输声音。

无线电的历史已经超过100年,无线电所使用的电和声音的基本原理早在几百年前人类就已经了解。富兰克林、伏特、安培等人发现了电学的基本原理,欧姆、亥姆霍兹、贝尔等人对声音进行了重要研究。然后在1883年,托马斯·阿尔瓦·爱迪生在他早期的一个电灯泡中发现了一个奇怪的现象,大约30年后被称为“爱迪生效应”。现在无线电机的应用就是基于这种效应。

众所周知,爱迪生发明了低价灯泡,但是灯丝寿命太短,无法满足他。为了分析灯丝寿命短,不能长久的现象,爱迪生在灯泡顶部封了一块金属板,把金属板和电池连接起来,然后打开灯泡。令他惊讶的是,他看到电流从灯丝穿过空间流向金属板。换句话说,电流在灯丝和金属板之间流动,尽管它们之间没有电连接——也就是说,没有电线。

事实是,当电流通过电灯的灯丝时,灯丝中挤满了电子,金属板与电流的正极相连。因此,灯丝中的电子比金属板中的多。相同的电荷互相排斥,相反的电荷互相吸引。在这个实验中,许多带电荷的电子在灯丝中被推来推去,而带正电荷的金属板会吸引它们。因此,许多电子离开灯丝并穿过空间,电流从灯丝流向金属板。

爱迪生没有继续研究这个有趣的现象,因为他致力于另一件重要的事情——改进灯泡。二十年后,英国人约翰·弗莱明爵士利用爱迪生效应制成了第一支实用的电子管。和后来的电子管相比还是很粗糙,但已经可以用在早期的无线电机上了。当时人们用这些无线电机做实验。

1906年,美国人李德·法莱斯特博士给电子管加了第三部分。他把这个第三部分叫做栅极,把这个管子叫做三极管。这三极是灯丝(阴极)、屏极和栅极。加了栅极后,电子管变得更有用了。因为栅极可以非常迅速地改变灯丝和屏幕之间通过的电子数量,可以让很多电子通过,然后瞬间停止流动。

以后我们会发现,这种灵活性在实际应用中非常重要。这种管子通常被称为“真空管”,因为管子里的空气已被抽出,内部是真空的。

网格和接收器

先介绍一下接收机的工作原理。电流强度的变化使线圈周围的磁场发生变化,磁场的变化使振膜振动产生声音。但如果输入信号很弱,这种变化就不能让振膜充分振动,我们就听不到任何声音了。

如何解决这个问题?

三极管管可以用来放大电信号,也就是增强电信号,使振膜的振动更强。其实也不复杂,把输入信号接到电子管的栅极上就行了。在栅极灯丝的实验中,我们可以看到,如果输入端没有电流,栅极上的电子就不多,结果就会有大量的电子从灯丝飞到屏幕上。但是,如果电流从输入端来到栅极,栅极上会有很多电子。现在,当电子离开灯丝,走向屏幕,接近网格时,网格上的电子会排斥它们,使它们无法通过,结果,它们就不会到达屏幕。

要产生这种效应,你不需要在栅极上有很多电子。举个简单的例子,假设输入电流在栅极上从10个电子变成100个电子。当网格上有100个电子时,一秒钟只能有1000个电子从灯丝传到屏幕上。也就是说,除了1000个电子,其他所有电子都被100个栅极电子排斥。

然而,当栅极电子的数量减少到只有10时,更多的电子可以通过。在某种电子管中,每秒钟有多达200万个电子通过。这样输入信号——每秒电子数在10到100之间变化——被电子管放大,每秒电子数在100万到2000万之间变化。

这告诉我们什么?

电信号都是用电流强度的变化来表示的。如果输入信号很弱,每秒只能把10 ~ 100个电子放到网格上。为了改变这种情况,我们需要让它通过三极管,这样输出的信号就会变得非常强大,每秒钟可以有1000 ~ 2000万个电子从灯丝流向屏幕。当它们通过接收器时,信号强到足以振动振膜,使人听到声音。如果信号仍然不够大,可以用第二个电子管进一步放大。

电子管可以用来放大留声机晶体发出的信号。即使电流的变化增加到足以振动留声机扬声器的振膜。扬声器的结构与电话听筒的结构非常相似。它有一个线圈。当电流通过时,电流强度发生变化,导致磁场发生变化,使振膜运动(振动),从而产生声音。