真空管的出現(xiàn)

上期所介紹的ENIAC電子計算器使用了18800個真空管（Vacuum Tube，又名電子管），導致它的體積十分龐大，可見用真空管構成的機器是何等笨重。不過話雖如此，真空管對機械人、甚至整個人類文明的發(fā)展有著舉足輕重 的影響。畢竟沒有真空管，電子計算器的概念便不能實現(xiàn)。為此今期筆者會回顧有關真空管的發(fā)展歷程。

要研究真空管的歷史，便要追溯到一位著名的美國發(fā)明家──愛迪生（T. Edison）的一項發(fā)現(xiàn)。1883年，他在真空電燈泡內(nèi)部的碳絲附近安裝一小截銅絲，希望銅絲能阻止碳絲蒸發(fā)。實驗結果雖令愛迪生大失所望，但他無意中 發(fā)現(xiàn)，沒有連接在電路里的銅絲，卻因為接收到碳絲發(fā)射的電子而產(chǎn)生了微弱的電流。不過愛迪生并不重視這個現(xiàn)象，只是把它稱之為「愛迪生效應」，申報為一項 未找到用途的專利。

世事往往很奇妙，被愛迪生棄之不理的發(fā)現(xiàn)，卻啟發(fā)了在大西洋另一端的一位年青物理學家及電氣工程師──弗萊明（J. Fleming）。當時他在位于倫敦的愛迪生事務所當顧問，又跟無線電的發(fā)明者、意大利無線電發(fā)明家馬可尼（Guglielmo Marconi）合作進行遠距離無線電通信研究。在研究過程中他們發(fā)現(xiàn)必須要有一具靈敏可靠的無線電檢波器（Detector），才可以準確接收從遠處傳 送來的無線電訊號。當時不少科學家為了尋找一個高效率檢波器，做過許多實驗，但效果均并不理想。

當弗萊明接觸到「愛迪生效應」之后，他靈機一觸，想到利用「愛迪生效應」將交流電（A.C.）轉(zhuǎn)化成直流電（D.C.）。于是，他采用了一個金屬圓 筒來代替愛迪生所用的金屬絲，套在燈絲外面，和燈絲一起封在玻璃泡里。這樣接收電子的面積便大大增加了。經(jīng)過實驗后亦發(fā)現(xiàn)檢波效果十分理想。這個被弗萊明 稱為「熱離子閥」（Thermionic valve）的組件便是世界上第一個真空二極管了，不過在這個階段，真空管的應用還是很有限，大多只被應用在無線電報的接收機上。

而令真空管更進一步影響人類生活的，便得要歸功于美國工程師福雷斯特（D. Forest）。一次偶然的機會，福雷斯特因邂逅了馬可尼，而激發(fā)他革新無線電檢波裝置的夢想。1906年，為了提高真空二極管的檢波靈敏度，福雷斯特在 弗萊明的玻璃管內(nèi)添加了柵欄式的金屬網(wǎng)，形成第三個極，稱為「柵極」。它就像百葉窗一樣，能控制陰極與屏極之間的電流。只要柵極有微弱的電流通過，就可在 屏極上獲得較大幅的電流，而且屏極的波形與柵極的完全一致，其作用跟現(xiàn)在的晶體管（Transistor）一樣。1907年，福雷斯特向美國專利局申報了 真空三極管的發(fā)明專利。到了1912年，福雷斯特把幾個真空管與電話機話筒、耳機連接起來，再把手表放在話筒前方，成功將真空三極管以級聯(lián) （Cascading）的方式將音量倍大。據(jù)說手表的「滴噠」聲還幾乎把他的耳朵震聾了呢！后來人們更在他的故居矗立起一塊上面寫了「福雷斯特在此發(fā)現(xiàn)了 電子管放大作用。」的紀念碑來紀念他的偉大發(fā)明。

真空管的運作方式──微弱的電流通過柵極導致屏極有數(shù)倍幅度的電流輸出，令它能充當開關組件，而且其開關速度要比繼電器（relay）快成千上萬 倍，最終為電子計算器的出現(xiàn)奠下基礎。雖然今時今日，真空管已不常見于日常生活，但它仍在其他領域上使用，例如音響設備（俗稱的「膽機」）、高輸出功率的 電臺及電視發(fā)射器、軍事設備等。不得不說，真空管的面世，確實加快了通訊技術的普及程度和發(fā)展。從這段歷史可以看到，其實機械人的發(fā)展往往建基于多位已故 科學家一直為不同技術范疇所作出的努力；直到二次大戰(zhàn)后便開始將各種科技結合和應用，研發(fā)出具實用性的機械人。筆者日后除了繼續(xù)介紹機械人的歷史外，亦會 將相關技術的發(fā)展歷程向大家分享。

福雷斯特于 1907 年為真空三極管所申請的專利

弗林明所發(fā)明的真空二極管