小小真空管，开启人类电子纪元

应琛

世界上第一个电子管——真空二极管。

你还记得小时候，家里的电视机、收音机、放大器等电子设备里的玻璃管内，有一些金属丝和板，发出微弱的红光，看起来很神秘。

这些玻璃管就是真空管，又名电子管。由于逐渐被其他一些元器件取代，真空管已经成为古董般的存在，很难再见到。

但作为最早发明的电信号放大器件，真空管的出现开启了人类进入电子世界的大门。1904年11月16日，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明发明了世界上第一个电子管——真空二极管，并获得了这项发明的专利权，也被视作开启电子时代的鼻祖。

真空管的发明事实上与我们熟知的发明家托马斯·爱迪生有关。

1883年，为了寻找电灯炮的最佳灯丝材料，爱迪生做了一个实验。他在真空灯泡内的碳丝附近放置了一块金属铜薄片，希望它能阻止碳丝的蒸发。实验结果使愛迪生大失所望。但在实验过程中，爱迪生无意中发现了一个奇特的现象：当电流通过碳丝时，没有连接在电路里的金属薄片中也有电流通过。可惜的是，爱迪生并没有重视这个现象，只是把它记录在案，申报了一个未找到任何用途的专利。后来，人们将这一发现命名为“爱迪生效应”。

1884年，彼时还是爱迪生电光公司的技术顾问的弗莱明访问美国，与爱迪生进行会面。爱迪生向弗莱明展示了自己发现的“爱迪生效应”，给弗莱明留下了深刻的印象。

时间来到1888年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，在科学界引起了轰动。意大利的马可尼大受启发，他用银粉末和镍粉末制成了金属屑检波器，经过数月的实验，成功发明了无线电接收机，接收到了140米之外发出的无线电信号。此后，马可尼又陆续对无线电接收机进行了改进，扩展了电磁波的传送距离。1901年，马可尼成功地进行了横跨大西洋的无线电通信实验，振奋了全世界，而无线电通信公司也纷纷在各国成立，开始了商业应用。

马可尼的无线电接收设备虽然取得了巨大的成功，但在实际应用中，却发现了一个很大的问题，就是金属屑检波器的故障频率很高，性能也不稳定。因此，如何改进金属屑检波器，提高其接收电信号的能力，就成了摆在科学家面前的一道难题。

这时，弗莱明想到了当年的“爱迪生效应”。经过反复试验，1904年，弗莱明发明了一个他称之为“热离子阀”的装置，即一个特殊的灯泡，灯泡中放置了一块金属片，如果给金属片加上高频的交变电压，交流电在通过这个装置后就会变成直流电。这个能够充当交流电整流和无线电检波的装置，就是世界上第一个电子管——真空二极管。当时，这个二极管也叫做“弗莱明阀”。

1906年，美国工程师李·德·福雷斯特在弗莱明二极管的基础上又多加入了一个栅极，发明出新型的真空三极管，使得真空管在检波和整流功能之外，还具有了放大和震荡功能。福雷斯特于两年后拿到了这项专利。

1911年，加入联邦电报公司的福雷斯特，再次改进了真空三极管的排列方式，发明了20世纪最重要的一个电子器件——电子放大器，可以大幅改进电报信号的输出质量。也正是基于这些功能，真空三极管被人们认为是电子工业诞生的起点。

吊诡的是，两位发明人并未首先从这项发明中获益。由于弗莱明声称他拥有真空管的优先发明权，因此他所就职的英国马可尼公司就大张旗鼓地生产起真空三极管来。对此，福雷斯特当然十分不满，便将其告上法庭。

直到1916年，经历十年的诉讼，法庭最后判决福雷斯特的三极管触犯了二极管的专利权，而马可尼生产的三极管也侵害了福雷斯特公司注册的三极管专利权。最终结果可谓两败俱伤，两家公司都不准许再继续生产三极管。

然而，此后三十多年，真空管技术和工艺得到多次改良，真空三极管技术也成为欧美几个大国重点争夺的“核心技术”。除了在无线电通信、广播领域的应用外，真空电子管带来了全新的电子技术和最早的电子计算机。

1946年，宾夕法尼亚大学的工程师埃克特和物理学家毛希利等人共同研制出了真正意义上的第一台通用型电子计算机——埃尼阿克（ENIAC）。这台使用了18000多只真空管，重130多吨，占地面积170多平方米，每秒钟可作5000多次加法运算。之前的计算机需要2小时完成的40点弹道计算，ENIAC只需要3秒钟，在当时堪称“奇迹”。

直到20世纪50年代后期，随着晶体管等半导体器件的出现和发展，真空三极管才逐渐被替代。

第一台通用型电子计算机——埃尼阿克（ENIAC）。

可以说，晶体管的发明引发了一场半导体技术的革命。使用半导体材料而制成的晶体三极管，既具有了真空管的功率放大和开关作用，又避免了真空管高耗能、低寿命、低效率的致命缺陷。另外，利用晶体管可以不断缩小的工艺特点，为电子设备的微型化提供了可能。更小的体积、更快的速度、更可靠的稳定性，让晶体管真正成为现代信息技术革命的基石。

1954到1956年，全美国共销售了1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管，价值约5500万美元，而同期的真空管销售了13亿个，市场份额超过10亿美元。但这几乎是真空管落幕前最后的“荣光”了。

此后，晶体管将一骑绝尘，它不仅取代了真空三极管在无线通信、广播和电话等领域的应用，还带来电子计算机指数级的发展，以及开拓了微波通信和卫星导航等新领域。同时，它还催生了一系列新型的半导体器件，如二极管、光电二极管、激光二极管、太阳能电池等。

直到现在，晶体管仍然是最重要和最广泛使用的半导体器件之一。但回顾历史，谁也无法抹杀真空管在21世纪电子科技发展史中的重大作用。

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