電子管的誕生

19世紀(jì)下半葉雹有，先后有幾位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了通電的金屬導(dǎo)體在加熱后會出現(xiàn)電量損失的現(xiàn)象。1883年垒迂，正在改進燈泡的托馬斯·阿爾瓦·愛迪生（Thomas Alva Edison）也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象局待，為了減緩燈絲在高溫下過快“蒸發(fā)”绰姻，他在燈泡中加入了不與燈絲接觸的金屬片亡问，雖然并沒有解決燈絲的“蒸發(fā)”問題官紫，卻意外地用電流表檢測出了金屬片中的微弱電流。這在當(dāng)時是匪夷所思的州藕，難不成電流從空中飛渡了嗎束世？

托馬斯·阿爾瓦·愛迪生肖像及其發(fā)現(xiàn)愛迪生效應(yīng)的燈泡（圖片來自維基百科）

他進一步實驗，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)金屬片與電源的正極相連時才會產(chǎn)生電流床玻，反之則不會毁涉。愛迪生不明白這是什么原理，也沒想過可以怎樣應(yīng)用笨枯，但依然申請了專利薪丁，這種現(xiàn)象因而被稱為愛迪生效應(yīng)（Edison effect）。愛迪生并沒有料到馅精，自己的無意之舉打開了電子學(xué)的大門。

愛迪生的實驗電路（箭頭表示電子流向粱檀，為方便示意洲敢，代表金屬片的粗橫線畫在了燈泡頂部，真實的金屬片位于燈絲環(huán)成的弧形之內(nèi)茄蚯。）

1897年压彭，英國物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆生（Joseph John Thomson）發(fā)現(xiàn)了電子，人們才明白愛迪生效應(yīng)是電子從加熱的燈絲表面逃逸渗常，被金屬片捕獲的結(jié)果壮不，當(dāng)金屬片連接電源負極，同極相斥皱碘，也便不會接收來自燈絲的電子询一。愛迪生效應(yīng)因此有了一個更專業(yè)的名字——熱電子發(fā)射（Thermionic emission）。

1904年癌椿，英國物理學(xué)家約翰·安布羅斯·弗萊明（John Ambrose Fleming）利用愛迪生效應(yīng)發(fā)明了電子管（或真空管）健蕊，結(jié)構(gòu)和愛迪生的燈泡類似，因為有兩個電極（涌出電子的燈絲為陰極踢俄，接收電子的金屬片為陽極）而被稱為電子二極管（或真空二極管）缩功。當(dāng)陰極與電源負極相連、陽極與電源正極相連時都办，二極管導(dǎo)通嫡锌，表現(xiàn)為沒有電阻的導(dǎo)線虑稼；反之，二極管不通势木，表現(xiàn)為一個沒有合上的開關(guān)蛛倦。由于這樣單向?qū)ǖ奶匦裕娮佣O管主要用作交流電整流器和收音機里的檢波器跟压。

約翰·安布羅斯·弗萊明肖像及其電子二極管（圖片來自維基百科）

二極管中胰蝠，與電源正負極的相連本質(zhì)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震蒋。水往低處流茸塞，電流也一樣，從高壓的地方流向低壓查剖，可電子卻不是钾虐，它總愛從低壓的地方挪向高壓，因為它帶負電荷笋庄，所以要跟我們的常識反著來效扫。那么，有么有可能通過增加電源和電極直砂，以產(chǎn)生更多不同的電壓差菌仁，從而實現(xiàn)更復(fù)雜的功能呢？還真有静暂。

1906年济丘，美國發(fā)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(fā)明了電子三極管洽蛀。后來金屬絲被改成金屬網(wǎng)摹迷，故稱柵極。

李·德福雷斯特肖像及其三極管（圖片來自維基百科）

柵極的表現(xiàn)與陽極十分類似郊供，其作用取決于它和陰極之間的電壓差峡碉。當(dāng)施加在柵極上的電壓比陰極低時，從陰極發(fā)射的部分電子將受到阻礙而無法到達陽極驮审，柵極上的電壓比陰極低得越多鲫寄，這種阻礙效應(yīng)就越大，直至完全阻隔头岔；反之塔拳，當(dāng)柵極上的電壓比陰極高時玻粪，它反而開始吸引電子陌兑，助陰極一臂之力將更多電子傳到陽極。結(jié)果是霹肝，稍微改變一下柵極上的電壓适掰，就可以對陽極上的電壓產(chǎn)生很大影響颂碧，因而三極管常用作無線電通信中的信號放大器荠列。

三極管阻斷（左）和導(dǎo)通（右）原理電路（為示意清晰，略去了陰極（燈絲）的加熱電路载城。）

電子管邏輯門

具有通斷兩種狀態(tài)的電子管令人不禁和電磁繼電器聯(lián)系到一起肌似，繼電器中銜鐵的擺動是機械的，而電子管的通斷幾近光速诉瓦，如果使用電子管組成開關(guān)電路川队，進而實現(xiàn)邏輯門，以此為基礎(chǔ)元件建造的計算機不就可以擁有空前的運算速度了嗎睬澡？

下圖給出了一種用電子二極管和三極管構(gòu)建的與固额、或、非門電路煞聪，為了便于分析斗躏，這里引入一個專業(yè)術(shù)語——電平，它用來表示電壓的相對高低昔脯，我們把相對的高壓稱為高電平啄糙，相對的低壓稱為低電平，通常對應(yīng)到二進制中云稚，高電平代表1隧饼，低電平代表0。

電子管邏輯門（在實際使用中静陈，電子管的電極并不一定與電源直接相連桑李，在圖中省略電源也更有助于我們將注意力集中在它們的邏輯關(guān)系上。）

• 與門由兩個二極管組成窿给，兩者的陰極作為輸入端X和Y，陽極作為輸出端Z率拒，對Z施加高電平崩泡。當(dāng)給X和Y任意一者施加低電平時，對應(yīng)的二極管導(dǎo)通猬膨，Z處的電平便被拉低角撞；給X和Y同時施加高電平時，兩個二極管都不通勃痴，Z便保留高電平谒所。
• 或門也由兩個二極管組成，兩者的陽極作為輸入端X和Y沛申，陰極作為輸出端Z劣领，對Z施加低電平。當(dāng)給X和Y任意一者施加高電平時铁材，對應(yīng)的二極管導(dǎo)通尖淘，Z處的電平便被拉高奕锌；給X和Y同時施加低電平時，兩個二極管都不通村生，Z便保留低電平惊暴。
• 非門由單個三極管實現(xiàn)，柵極作為輸入端X趁桃，陽極作為輸入端Z辽话，對Z施加高電平。當(dāng)給X施加高電平時卫病，三極管導(dǎo)通油啤，Z處的電平便被拉低；給X施加低電平時忽肛，三極管不通村砂，Z便保留高電平。

顯然屹逛，用電子管建造計算機在理論上是完全可行的础废。不過這樣的想法在早期被多數(shù)人視為天方夜譚，因為那時的電子管不但體積大罕模、能耗高评腺、價格昂貴，可靠性還差淑掌，常以極少的數(shù)量應(yīng)用在無線電設(shè)備中蒿讥，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(wù)。然而抛腕，還是有一批不懼困難的極客在歷史的關(guān)鍵時刻接下了這個任務(wù)芋绸，用一根根燈絲的微弱之光，點亮了電子計算的前途担敌。

參考文獻

• Wikipedia. Vacuum tube[EB/OL].
• Edison T A. Electrical Indicator: US307031[P]. 1884-10-21.