電子管的誕生
19世紀下半葉,先後有幾位科學家發現了通電的金屬導體在加熱後會出現電量損失的現象。1983年,正在改進燈泡的托馬斯·阿爾瓦·愛迪生(Thomas Alva Edison)也發現了這一現象,爲了減緩燈絲在高溫下過快“蒸發”,他在燈泡中加入了不與燈絲接觸的金屬片,雖然並沒有解決燈絲的“蒸發”問題,卻意外地用電流表檢測出了金屬片中的微弱電流。這在當時是匪夷所思的,難不成電流從空中飛渡了嗎?
他進一步實驗,發現只有當金屬片與電源的正極相連時纔會產生電流,反之則不會。愛迪生不明白這是什麼原理,也沒想過可以怎樣應用,但依然申請了專利,這種現象因而被稱爲愛迪生效應(Edison effect)。愛迪生並沒有料到,自己的無意之舉打開了電子學的大門。
1897年,英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆生(Joseph John Thomson)發現了電子,人們才明白愛迪生效應是電子從加熱的燈絲表面逃逸,被金屬片捕獲的結果,當金屬片連接電源負極,同極相斥,也便不會接收來自燈絲的電子。愛迪生效應因此有了一個更專業的名字——熱電子發射(Thermionic emission)。
1904年,英國物理學家約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)利用愛迪生效應發明了電子管(或真空管),結構和愛迪生的燈泡類似,因爲有兩個電極(涌出電子的燈絲爲陰極,接收電子的金屬片爲陽極)而被稱爲電子二極管(或真空二極管)。當陰極與電源負極相連、陽極與電源正極相連時,二極管導通,表現爲沒有電阻的導線;反之,二極管不通,表現爲一個沒有合上的開關。由於這樣單向導通的特性,電子二極管主要用作交流電整流器和收音機裏的檢波器。
二極管中,與電源正負極的相連本質上造就了陰極與陽極之間的電壓差,與電源正極相連總能獲得更高的電壓。水往低處流,電流也一樣,從高壓的地方流向低壓,可電子卻不是,它總愛從低壓的地方挪向高壓,因爲它帶負電荷,所以要跟我們的常識反着來。那麼,有麼有可能通過增加電源和電極,以產生更多不同的電壓差,從而實現更復雜的功能呢?還真有。
1906年,美國發明家李·德福雷斯特(Lee de Forest)通過在二極管的燈絲和金屬片陰陽兩極之間增加一個電極——一根波浪形的金屬絲,發明了電子三極管。後來金屬絲被改成金屬網,故稱柵極。
柵極的表現與陽極十分類似,其作用取決於它和陰極之間的電壓差。當施加在柵極上的電壓比陰極低時,從陰極發射的部分電子將受到阻礙而無法到達陽極,柵極上的電壓比陰極低得越多,這種阻礙效應就越大,直至完全阻隔;反之,當柵極上的電壓比陰極高時,它反而開始吸引電子,助陰極一臂之力將更多電子傳到陽極。結果是,稍微改變一下柵極上的電壓,就可以對陽極上的電壓產生很大影響,因而三極管常用作無線電通信中的信號放大器。
電子管邏輯門
具有通斷兩種狀態的電子管令人不禁和電磁繼電器聯繫到一起,繼電器中銜鐵的擺動是機械的,而電子管的通斷幾近光速,如果使用電子管組成開關電路,進而實現邏輯門,以此爲基礎元件建造的計算機不就可以擁有空前的運算速度了嗎?
下圖給出了一種用電子二極管和三極管構建的與、或、非門電路,讓我們一起來看看,如果用相對的高電壓表示1、相對的低電壓表示0,它們會如何完成邏輯運算。
- 與門由兩個二極管組成,輸入端X和Y與兩者陰極相連,輸出端Z與兩者陽極相連並施以高電壓。給X和Y任意一者施加低電壓時,對應的二極管導通,Z也便處於低壓;給X和Y同時施加高電壓時,兩個二極管都不通,Z便保留了高壓。
- 或門也由兩個二極管組成,輸入端X和Y與兩者陽極相連,輸出端Z與兩者陰極相連並施以低電壓。給X和Y任意一者施加高電壓時,對應的二極管導通,Z也便處於高壓;給X和Y同時施加低電壓時,兩個二極管都不通,Z便保留了低壓。
- 非門由單個三極管實現,輸入端X與其柵極相連,輸出端Z與其陽極相連並施以高電壓。給X施加高電壓時,三極管導通,Z便獲得了陰極的低電壓;給X施加比陰極更低的低電壓時,三極管不通,Z便保留了高壓。
顯然,用電子管建造計算機在理論上是完全可行的。不過這樣的想法在早期被多數人視爲天方夜譚,因爲那時的電子管不但體積大、能耗高、價格昂貴,可靠性還差,常以極少的數量應用在無線電設備中,用成千上萬的電子管建造計算機幾乎是不可能完成的任務。然而,還是有一批不懼困難的極客在歷史的關鍵時刻接下了這個任務,用一根根燈絲的微弱之光,點亮了電子計算的前途。
參考文獻
- Wikipedia. Vacuum tube[EB/OL].
- Edison T A. Electrical Indicator: US307031[P]. 1884-10-21.