電燈泡里的奧秘,，揭開了電子世界的大門

twq19810302 · 發(fā)表于 2023-5-30 10:16:18

電燈泡是人類文明的重要象征,，它為我們的生活帶來了光明和便利,。但是你知道嗎,？在電燈泡的背后,，隱藏著一個關(guān)于熱電子發(fā)射和真空管的精彩故事,，它們不僅揭示了電子的奧秘,，還開啟了電子時代的大門。

愛迪生效應(yīng)：一個偶然的發(fā)現(xiàn)

我們知道,，燈泡上的球形玻璃燈罩是為了保護燈絲不被氧化,。但是愛迪生發(fā)現(xiàn)，燈泡用久之后玻璃球殼上會有一層黑色的東西,。他很好奇這是什么東西,？想了想之后覺得可能是燈絲上的一些雜質(zhì)被電流加熱后蒸發(fā)出來，然后沉積在玻璃球殼上,。

為了驗證他的猜想,，他在燈泡中加入了一個不與碳絲接觸的金屬片，希望它能吸收一些碳絲蒸發(fā)出來的物質(zhì),。然而,，他意外地發(fā)現(xiàn)，在加熱燈絲時,，在金屬片和碳絲之間接上電流表,，竟然能檢測到微弱的電流。

這在當時是一件不可思議的事情,，難道電流能從空中飛渡嗎,？事實上,，愛迪生發(fā)現(xiàn)了熱電子發(fā)射的現(xiàn)象,，但他當時并不明白它的原理，沒有深入地研究它,。他只是把它作為一個副產(chǎn)品,，用來測量燈泡的功率。他把這個現(xiàn)象叫做“愛迪生效應(yīng)”，并且申請了專利,。

湯姆孫效應(yīng)：電子的誕生

在愛迪生發(fā)現(xiàn)這個效應(yīng)之后的十幾年里,，人們并沒有對它進行深入的研究和利用。直到1897年,，英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆孫做了一個歷史性的實驗,，揭示了愛迪生效應(yīng)背后的秘密。

湯姆孫在一個真空管中放置了一個加熱的陰極和一個陽極,，并在兩者之間施加一個高壓電場,。他觀察到從陰極射出一束帶負電荷的粒子流（后來被稱為陰極射線），并且這些粒子可以被外加的電場或磁場偏轉(zhuǎn),。通過測量粒子流的偏轉(zhuǎn)角度和強度,，湯姆孫計算出了這些粒子的質(zhì)量和電荷比，并得出了一個驚人的結(jié)論：這些粒子比氫原子還要輕得多,，而且都帶有相同數(shù)量的負電荷,。

湯姆孫認為，這些粒子就是構(gòu)成原子的基本單位,，也就是我們今天所說的電子,。他把這個發(fā)現(xiàn)稱為“湯姆孫效應(yīng)”，并因此獲得了1906年諾貝爾物理學獎,。湯姆遜效應(yīng)不僅證明了原子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu),，而且揭開了物質(zhì)微觀性質(zhì)和宏觀性質(zhì)之間聯(lián)系的新視角。

弗萊明效應(yīng)：真空管的誕生

湯姆孫效應(yīng)讓人們對愛迪生效應(yīng)有了新的認識：原來從加熱陰極表面釋放出來的就是電子,！那么,，能不能利用這些電子來實現(xiàn)一些有用的功能呢？1904年,，英國物理學家約翰·安布羅斯·弗萊明給出了肯定的答案,。

弗萊明曾經(jīng)是愛迪生公司在英國分部的首席工程師，并參與過改進碳絲燈泡和無線電通信設(shè)備等項目,。他注意到,，在無線電接收器中使用普通二極管整流器（由兩個相反方向連接在一起的二極管組成）會產(chǎn)生很大的信號損失，于是他想到了利用愛迪生效應(yīng)來改進整流器的性能,。

他在一個真空玻璃管內(nèi)封裝了兩個金屬片,，一個作為陰極，另一個作為陽極,。他給陰極加上直流電壓,，使其加熱并發(fā)射電子；給陽極加上高頻交流電壓,，使其在正負半周分別吸引和排斥電子,。這樣,，當交流電通過這個裝置時，就被變成了直流電,。

弗萊明把這種裝有兩個電極的管子叫作真空二極管,，它具有整流和檢波兩種作用，這是人類歷史上第一只電子器件,。弗萊明將此項發(fā)明用于無線電檢波,，并于1904年11月16日在英國取得專利。

電子三極管：放大器的誕生

弗萊明的真空二極管雖然具有整流和檢波的功能,，但是它不能放大信號,，因為它只有兩個電極，無法控制電子流的大小,。為了實現(xiàn)信號的放大,，人們開始嘗試在真空管中增加一個電極，從而改變電子流的路徑和強度,。這就是電子三極管的由來,。

電子三極管是由美國物理學家李·德富雷斯特于1906年發(fā)明的，他在弗萊明的真空二極管中加入了一個金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，作為第三個電極,，稱為柵極。柵極位于發(fā)射極和集電極之間,，可以對發(fā)射極發(fā)射出的電子流進行調(diào)制和控制,。當柵極加上負電壓時，它會阻礙或減少電子流到達集電極,；當柵極加上正電壓時,，它會促進或增加電子流到達集電極。這樣,，通過改變柵極的電壓,，就可以控制集電極的電流。

德富雷斯特把他的發(fā)明稱為Audion,，并將其用于無線電接收和放大,。他發(fā)現(xiàn)，當柵極接收到一個微弱的交流信號時,，集電極就會輸出一個幅度更大的交流信號,，而且兩者之間的相位和波形保持一致。這就是信號放大的原理,。德富雷斯特將此項發(fā)明用于無線電話,、無線報和廣播等領(lǐng)域，并于1907年1月29日在美國取得專利,。

德富雷斯特的Audion雖然具有放大功能,，但是它還存在一些缺陷,，比如輸出功率低,、失真高,、噪聲大等。為了改進Audion的性能,，人們開始對其結(jié)構(gòu)和材料進行優(yōu)化和創(chuàng)新,。例如，在1913年,，美國工程師歐文·朗繆爾在Audion中加入了一個水冷系統(tǒng),，使得真空管能夠承受更高的溫度和壓力，并提高了輸出功率,；在1915年,，英國工程師羅伯特·馮·里博夫斯基在Audion中使用了氧化物陰極，使得發(fā)射效率更高,，并減少了熱噪聲,；在1916年，美國工程師埃德溫·阿姆斯壯在Audion中使用了負反饋回路,，使得失真更低,，并提高了穩(wěn)定性。

經(jīng)過這些改進后,，電子三極管成為了一種性能優(yōu)良,、應(yīng)用廣泛的放大器。它不僅用于無線通信,、廣播和電話等領(lǐng)域,，還用于音響、儀器,、計算機和雷達等領(lǐng)域,。它也催生了一系列新型的真空管器件，如四極管,、五極管,、六極管等。直到20世紀50年代后期,，隨著晶體管等半導體器件的出現(xiàn)和發(fā)展,，電子三極管才逐漸被替代。

晶體管：半導體的革命

電子三極管雖然具有很多優(yōu)點,，但是它也有一些缺點,，比如體積大、功耗高,、壽命短,、工作頻率低等,。為了克服這些缺點，人們開始尋找一種新的放大器,，能夠更小,、更省電、更耐用,、更快速,。

晶體管是由美國貝爾實驗室的約翰·巴丁、威廉·肖克利和沃爾特·布拉頓于1947年發(fā)明的,，他們利用了半導體材料的特性,，將兩個或三個不同摻雜的半導體區(qū)域連接在一起，形成了一種新型的放大器,。晶體管有兩種基本類型,，分別是雙極型晶體管和場效應(yīng)晶體管。雙極型晶體管有兩種結(jié)構(gòu),，分別是NPN型和PNP型,。場效應(yīng)晶體管也有兩種結(jié)構(gòu)，分別是結(jié)型場效應(yīng)晶體管和金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管,。

晶體管的工作原理與電子三極管類似,，都是利用一個小信號控制一個大信號。不同的是,，電子三極管是利用柵極上的電壓控制發(fā)射極到集電極之間的電子流,，而晶體管是利用基極上的電流控制發(fā)射極到集電極之間的電流（雙極型晶體管），或者利用柵極上的電壓控制源極到漏極之間的電流（場效應(yīng)晶體管）,。晶體管相比電子三極管有很多優(yōu)勢,，比如體積小、功耗低,、壽命長,、工作頻率高等。

晶體管的發(fā)明引發(fā)了一場半導體技術(shù)的革命,，它不僅取代了電子三極管在無線通信,、廣播和電話等領(lǐng)域的應(yīng)用，還開拓了計算機,、微波通信和衛(wèi)星導航等新領(lǐng)域,。它也催生了一系列新型的半導體器件，如二極管,、光電二極管,、激光二極管、太陽能電池等。直到現(xiàn)在,，晶體管仍然是最重要和最廣泛使用的半導體器件之一,。

江東老歌 · 發(fā)表于 2023-5-30 10:45:02

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