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真空管問世|科學史上的今天:11/16

現在除了所謂「發燒級」音響,日常生活中已經很難看見真空管了。是的,自從1950年代以後,耗電發熱又容易損壞的真空管就迅速被電晶體取代。不過早在電晶體出現之前,收音機、電視、電腦、雷達、……等等電子產品可都是在二十世紀上半葉就已發明,而這都拜真空管問世所賜。

弗萊明於1904年第一次研發的真空管原型。圖片來源:wikipedia

第一支真空管是弗萊明(John A. Fleming, 1849-1945)所發明,1904年11月16日這一天,他正式取得專利,標誌了電子產業的誕生。

弗萊明學業成績一直名列前茅,卻直到31歲才取得博士學位,這是因為他念完大學與碩士後,先後工作一年多與教了三年書,以賺取下個階段的學費與生活費。當他於1880年取得博士學位後,繼續擔任教職,並於1885年在大學母校創立英國第一個電機系;為了幫助學生記住電流方向、磁場方向、導體的運動方向三者之間的關係,他還提出了「左手法則」與「右手法則」流傳至今。

約翰·弗萊明。圖片來源:wikipedia

弗萊明擔任教職四十餘年直到退休,因為如此他才可以有餘裕時間從事研究,但他並未躲在象牙塔中,反而常從外部企業了解實際應用。他自1881年起擔任愛迪生英國分公司的顧問長達十年,1899年起又受聘於馬可尼,幫忙解決無線電的技術問題。

當時一直無法穩定有效地偵測高頻的無線電信號,弗萊明在思考解決方式時,想起愛迪生曾在1883年發現的「愛迪生效應」。那是愛迪生為了查明燈泡的燈絲為什麼老是在正極端燒斷,而在燈泡中多加一片獨立的金屬片,接上電表。結果發現當金屬片是正極時,點亮燈泡竟會使得電表的指針移動。但金屬片與燈泡完全沒有接觸,電流從何而來?愛迪生無法理解,也未再深究。這也難怪,畢竟電子直到1897年才被湯姆森發現。

如今弗萊明已經知道熾熱的燈絲會使電子游離,「跳躍」到正極的金屬片,才產生電流。因此他利用此原理,提高燈泡的真空程度,用金屬片包圍住燈絲,並施予金屬片較高的正極電壓。當天線先接上這個真空管,接收高頻無線電波而產生的感應電流就都只會流向同一方向,解決了無線電的高頻問題。

弗萊明閥於美國申請的產品專利圖示。圖片來源:wikipedia

1906年,美國的德佛瑞斯特(Lee De Forest, 1873-1961)改良弗萊明的二極管,發明三極管。他在燈絲與金屬片之間多加一個網狀的柵極,接上負電壓,就可調整電流的大小,成為電子產品最基本的元件。之後又出現四極管、五極管,從此揭開了電子時代的序幕。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。