劃時代意義的發明：電子管

• 2020 年 2 月 14 日
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1906年，一位窮困潦倒的美國發明家德弗雷斯特，在嘗試研製一種用於無線電檢波的電管時，突發奇想，在管中加了一根金屬絲。

就是這根小小的金屬絲，竟影響到20世紀電子技術的發展進程，因為德福雷特斯發現了電子管的放大作用，從而有了真空三極體的發明。

真空三極體使人類第一次實現了電訊號的放大，為無線電話通訊奠定了基礎。當年，德福雷特斯曾自豪地宣稱：“我發明了空中帝國的王冠。”

德弗雷斯特所說的“空中國”指的是無線電，而王冠就是真空三極體。它的出現，也真正標誌著人類科技史進入了一個新的時代——電子時代。

小時候，德弗雷斯特的理想是長大後做一名機械技師，但很快，他就被19世紀末的科技的飛速發展所激勵。

1893年，德弗雷斯特獲得了耶魯大學謝菲爾德理學院的獎學金，進入大學學習。在學校里，班上的同學都把它看成是“學校里最平庸、最神經質的學生”。

由於獎學金很少，他不得不經常打工賺錢。就在這一年，他參觀了芝加哥世界博覽會。

當時，在大名鼎鼎的愛迪生和初出茅廬的青年電學工程師特斯拉之間，爆發了一場關於交流電和直流電優劣之爭的論戰。在這界博覽會上，特斯拉只用了12台交流發電機，就使會場上9萬隻五顏六色的電燈大放異彩。

這場競賽最後以交流電的勝利而告終，它也給德弗雷斯特留下了深刻的印象，使他對電學產生了超乎尋常的興趣，決心把電學作為自己的終生奮鬥目標。

1899年，德弗雷斯特獲得了物理學博士學位。

電子管

一次改變人生的會面也發生在1899年的秋天。德弗雷斯特在一本雜誌上曾讀到介紹無線電收發報機的發明人馬可尼的文章，對他非常欽佩。

就在這一年，馬可尼應邀來到美國紐約參加一年一度的國際快艇比賽，用他的無線電裝置報道快艇比賽的實況。在5個小時的比賽中，馬可尼向報社發去四千多字的新聞報道。

為了滿足觀眾的好奇，馬可尼又在港口為公眾做了一次現場表演。對馬可尼的無線電裝置十分著迷的德弗雷斯特，自然也在圍觀的人群中。

等馬可尼表演結束，德弗雷斯特還戀戀不捨，盯著收報機要看個究意。馬可尼對德弗雷斯特的一舉一動很感興趣，主動地問起他是不是也在從事無線電研究。

德弗雷斯特談起自己很想在這方面做出成績，苦於沒有結果，還向馬可尼請教了無線電技術中的一些難題，馬可尼都一一作了解答。

他還告訴德弗雷斯特，要提高接收機的靈敏度，關鍵是革新現在用的金屬屑檢波器。但究竟應該怎樣改，他自己也沒有想出好辦法。

與馬可尼的會面，給德弗福斯特留下了深刻的印象，他興奮極了，相信只要付出努力，很可能新的檢波器就會在他的手中誕生。

他很快辭去了芝加哥西方電器公司研究所的工作， 在紐約泰晤士街租了一間破舊的小屋，開始他的改進檢波器的研究。

沒有了正常的經濟收入， 就去飯店打工，給人家當家庭教師，來維持自己的生活。為了做檢波試驗，他節衣縮食，省下錢來購買無線電器材。儘管艱辛，但都沒能動搖他的信心和決心。

到了1900年底，在一個嚴冬的夜晚，在簡陋的屋內攤放著實驗器材，德弗福斯特將兩個自製的電瓶，與一個線圈、電鍵聯成發射機。只要按動電鍵，線圈就接通電源，發出火花，輻射出電磁訊號。在桌子另一頭，放著一個接收機，就是將金屬屑檢波器連到一個電流計上 構成的。但是，他一次次地更換金屬屑，總見不到電流計指針有明顯的變化。

這天，當他一面按著電鍵，一面觀察檢波器的反應時，他突然發現頭頂上的燈光一明一暗地在閃爍。開始， 他認為是窗外颳風引起的，但再仔細觀察，發現燈光明暗變化很有規律，似乎同電鍵的按動有關。

德弗福斯特反覆按動著電鍵，煤氣燈的火焰不停地閃爍著，他突然閃過一個念頭：能不能利用這個現象來搞無線電檢波呢？

電子管

經過3 年的反覆試驗，他研製成功一種“氣體檢波器”，並在船隻的無線電通訊中取得成功。

由於檢波效率不高，使用起來也不方便，德弗福斯特並沒有滿足。他進而從火焰檢波中得到啟示：既然熾熱的火焰能受電磁波的影響，那麼，燈泡中熾熱的燈絲也應當會有這種影響。

於是，他到了用“燈泡”來檢測無線電波，開始了真空電子管的研製。

可就在德弗福斯特的研究步步深入時，1904年的一天，卻傳來了弗萊明已經發明真空二極體的消息。

對他來說，這彷彿是一個晴天霹靂，經過短暫的猶豫和思想鬥爭，他決定繼續沿著這一方向探索下去。他找來介紹弗萊明發明真空二極體的報刊和文章，一遍遍研讀，終於找到了突破口。

他發現，弗萊明的二極體雖比金屬屑檢波器前進了一步，但它只能用於整波和檢波，還不能放大電訊號。於是，德弗雷斯特決心通過改進弗萊明的真空二極體，做出新的發明。

他請燈泡廠的技師幫忙，製作了幾個真空管，用白金絲作燈絲，再在燈絲附近裝了一小塊金屬屏。德弗雷斯特把它裝在無線電接收機上代替老式的金屬屑檢波器，果然效果很好。接著，他又在真空管里封進一片錫箔，把它安置在燈絲與金屬屏之間，成為第三個電極。

再一試，奇蹟出現了：只要在這第三極上加個不大的訊號，金屬屏上的電流就起變化，而且變化的規律同所加的訊號一致。

他馬上意識到，這是一個不尋常的電極，它能控制屏極的電流，只要屏極的電流變化比訊號的變化大，就說明這訊號被放大了。

德弗雷斯特不急於公布他的發現，而是繼續他的試驗，用改變這小錫箔的形狀和在兩極之間的位置作試驗，提高控制的靈敏度。最後發現，用金屬絲代替小錫箱，效果最好。

於是他用一根白金絲繞成網狀，封裝在燈絲與金屬屏之間。由於三極體的控制極像一個網柵，德弗雷斯特把它叫做“柵極”。於是，他的電子管就有了三個“極”——絲極（陰極）、屏極（陽極）和柵極。

其中，柵極像一個非常靈敏的控制閘，按照施加訊號的變化，有規律地改變著屏極電流的大小。真空三極體的屏極電流比柵極電流大多，因此微小的電訊號經過真空三極體就放大了許多倍。

一種具有劃時代意義的電子管——世界上第一個真空三極體，就這樣誕生了。

1906年6月26日，德弗雷斯特向美國專利局申報了真空三極體的發明專利。後人把這一天當作真空三極體的誕生日。