“爱迪生效应”问题,把人类引入电子时代的开端

当今的信息社会，瞬息万变，人们身居斗室，却能一览天下大事，窥见全球风云的变幻。这正是依靠了现代化的通讯手段，最基本、最主要、最普遍的是利用无线电波来传递信息，即无线电通讯。其中，电子管的发明则成为关键。那么，电子管的发明起源于什么科学问题呢？这就是科技史上所说的“爱迪生效应”。

1883年，“发明大王”爱迪生（T.A.Edison  1847-1931）发现他发明的白炽灯有一个伤脑筋的问题，就是碳丝灯泡中碳丝的内壁上有一层薄薄的积碳使洒炮变黑，同时发生的灯炮中碳丝的烧坏，好像碳丝很快就蒸发到灯泡壁上了。爱迪生决心找出原因，寻找高熔点的金属做灯丝。爱迪生在灯泡内封进了一个与电路中正极相连接的金属片，当灯丝达到白热后，与灯丝相对的金属片表面发出淡蓝色的光亮，他还惊奇地发现，与金属片相联的电流计的指针发生了偏转，这说明灯丝与金属片之间虽无接触，却有电流通过。可是如果给金属片加负电压，则没有电流。这是为什么呢？当时爱迪生只是在笔记本上记下了这一发现，并没有把这个现象作为他继续发明的线索。这个现象就是“爱迪生效应”。

“爱迪生效应”作为一个科学问题，成为后来人们科学探索的起点，并引起了一系列的发明。首先，1897年，汤姆逊（J.J.Thomom,1856-1940）发现了电子，并测量了“爱迪生效应”中炽热灯丝所发出的带电粒子的荷质比，证实那就是是电子。这样，人们可以很好地解释“爱迪生效应”了：由于灯丝被电流加热，便向阳极发射电子，所以这种现象又被称为“热电子发射”。

热电子发射引起了学者们的注意。人们不禁要问：热电子发射有什么用呢？英国电气工程师弗莱明（J.A.Fleming,1849-1945）对它产生了浓厚的兴趣，从1889年开始，他用直流电和交流电多次重复过这个实验，想发掘它的实用价值。后来他从事过无线电发射与接收等方面的工作，比如曾帮助马可尼设计了1901年横跨大西洋的无线电报试验中所用的发射器。我们知道，本世纪初无线电报刚刚出现的时候，从发射台产生的高频无线电波，必须先经整流才能在收报台收到。而当时使用的是金属粉末检波器，它的结构复杂、功率很差，要进一步增大能信距离就非革新这个原始的检波器不可。在多年的实验工作中，弗莱明心中确立了一个明确的技术目标：发明一种新式检波器。

1904年，弗莱明带着这个目标又回到有关“爱迪生效应”的研究工作上来。经过一系列的实验研究和构思，终于从“爱迪生效应”中提炼出了新式检波器的技术原理。他在真空白炽灯的灯丝外面装上一个圆形金属片作为“板极”。灯丝在炽热后可发发射电子。这时，如果给灯丝加上负电压，给板极加上正电压，在电场的作用下灯丝发射出的热电子就会流向板极，从而使灯丝板极之间的电路导通。反之，如果给灯丝加正电压，给板极加负电压，在这个倒置的电场的作用下灯丝电将被抑制而停止向板极发射，从而灯丝板极间形成断路。这种装有板极的灯泡只允许电流向一个方向流动，也就是可以把交变电流转变成直流电，起到整流作用。因为这种灯炮里只有灯丝（阴极）和板极两个电极，所以叫做二极真空管或二极电子管，简称二极管。二极管可用来整流和检波。弗莱明把他研制的第一支二极管与电报接收机的天线回路接通，阳极接收的高频电流经过整流后果然使电报机工作起来，实验成功了。弗莱明在英国取得了这项发明的专利权。

二极管检波器的输出信号是很微弱的，表示它的检波效率还很低。改进二极管的性能，自然而然地成为当时的一个技术问题。美国从事无线电信号检波工作的德福雷斯特（L.deforest,1873-1961）试验在二极管的负极附近加一个电极，观察它的效果如何。1906年，他在二极管中加进一个金属丝网，装在板极和阴极之间，这样就有了三个电极，金属丝网后来被称作栅极。德福雷斯特发现这种装置的检波效果最佳。这就是三极管。

三极管出现之后好几年，人们一直把它作为灵敏的探测器和检波器使用，因为它可以取得比当时的二极管更好的检波效果。弗莱明曾提出二极管不过是对他发明的二极管的一点修改，德福雷斯特则坚持说这是他的独立发明，为此还发生过诉讼上的纠纷。

的确，三极管比起二极管来，只是多了一片不大的金属丝网，然而当时的人们还不知道，正是这样一个不起眼的小电极，才改变了无线电世界的面貌，才使得电子管具有真正革命性的意义。

由于德福雷斯特的实验探索，也由于其他物理学家的理论研究，在1912年，人们终于明白了三极管的物理原理：加在栅极上的电压可以非常敏感地影响从灯丝流向板极的电流——当栅极带正电时，它能够吸引灯丝发射电子通过栅极孔隙射向板极；反之，当栅极带负电时，又能抑制电子从灯丝向板极流动。栅极的电压只要有微弱的变化，就可以使板极电流发生很大的变化——这样，若将信号加在栅极上，就可以在灯丝和板极之间得到一个被放大了的电流，这个被放大了的电流的变化波形又与栅极上电压信号的波形相同。栅极就象一个非常敏感的控制闸，按照施加信号的变化有规律地改变着阳极电流的大小。微弱的电信号通过三极管就放大了许多倍，正象杠杆扩大了机械作用，透镜扩大了物像一样。比起二极管来，三极管的放大作用是一个质的飞跃。

三极管的放大作用正是发明家们梦寐以求的目标。不论是赫兹的电磁波发生器还是电子二极管，都不能把电波和电流加以放大，也不能把交变的无线电波变为易显示的直流信号，而没有放大作用的无线电接收器是能力微薄的。有了三极管，收音机的灵敏度可大大提高，无线电通信的范围比以前扩大了许多，长途电话信号微弱而且失真的问题也迎刃而解了。因此，三极管成为一种对无线电技术来说是最基本、最重要的电真空器件，它的出现是无线电技术史上一个划时代的标志。

为了进一步增强放大能力，德福雷斯特还把一个三极管的输出与另一个三极管的输入相连接，获得了比单个三极管大得多的放大能力，制成了第一个信号放大器。德福雷斯特还为美国海军制造了一台大功率无线电台，并于1916年第一次播放了新闻节目，德福雷斯因此被誉为“著名发明家”。

继三极管之后，四极管、五极管以及复合管、磁控管、光电管、摄像管、数码管等各种各样的电子管相继问世，从20世纪初到40年代末这段时间，在电子技术史上称为电子管时期。电子管的应用，不仅改善了无线电设备的性能和效域，并奠定了近代电子工业的基础。世界上第一台电子计算机就是电子管时代的产物。现在，人们早已进入晶体管时代，集成电路的出现又为人们展现了一个新的天地。然而即使使在今天，电子管也还在许多领域保持着它的生命力。就这样，从“爱迪生效应”问题，一步一步地引导了电子技术的发展，充分说明科学问题在技术发展中的方法论作用。

主编：解恩泽   刘永振   赵树智     责任编辑：曾平安  罗盛祖  张玉纲

出版发行：湖南科学技术出版社 社址：长沙市展馆路66号   1998年11月第1版第2次

书号：INBN 7—5357—2247—4/N.39  第135页至138页