Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия

Николай Яковлевич Надеждин

Кто подарил нам компьютеры, маленькие транзисторные приёмники и фломастеры? Как и когда были сделаны эти изобретения? Как устроен проигрыватель дисков DVD и что такое цифровое телевидение? На множество подобных вопросов ответы можно найти в этой книге.

Глава 5

Электронная лампа — начало электроники

История великих изобретений — это, прежде всего, история жизни, поиска и упорства талантливых людей. Иногда на поиски истины уходят десятилетия, иногда — целая жизнь… На изобретение первого электронного прибора, вакуумного диода, английскому физику Джону Амброзу Флемингу (годы жизни 1949—1945) потребовалось двадцать лет. Два десятка лет труда, исследований, экспериментов и ошибок.

Изобретение электронной лампы связано с изобретением обычной осветительной лампы накаливания и именем одного из величайших изобретателей в истории Томаса Эдисона. Дело было в Англии, в лондонской компании Эдисона, где Флеминг работал «советником по электричеству». Сотрудники компании экспериментировали с различными материалами, пытаясь добиться приемлемой продолжительности работы ламп накаливания. В 1882 году Флеминг обратил внимание на то, что лампы, легко перегоравшие от малейшего сотрясения, меняют цвет стеклянной колбы. Когда лампа перегорала, колба покрывалась изнутри лёгким налётом материала нити. И только узкая U-образная полоска напротив перегоревшей нити оставалась чистой. Полоска эта в точности повторяла форму нити накаливания. Флеминг предположил, что в момент наибольшего накала нить испускала молекулы углерода или металла, в зависимости от того, из какого материала была изготовлена нить (эксперименты проводились с самыми разными материалами — конструкторы искали самый долговечный). В конце 1882 и начале 1883 годов учёный провёл ряд экспериментов, подтвердивших его гипотезу. В том же 1883 году этот феномен заметил и сам Эдисон, который работал в Америке. В результате этот процесс получил название «эффекта Эдисона», хотя мастер так и не смог найти ему внятного объяснения. В октябре 1884 года за «эффект Эдисона» взялся другой учёный — Вильям Прис. Он пришёл к тому же выводу, что и Флеминг — стекло колбы подвергалось бомбардировке молекулами углерода нити накаливания. Но констатацией факта дело и закончилось.

Спустя четыре года, в 1888 году, Флеминг работает со специальными лампами накаливания, в колбы которых вмонтирована металлическая пластинка. Эта пластинка должна была работать в качестве отражателя. Но Флеминг подключил к ней гальванометр и… заметил, что, при подключении к нити накаливания положительного электрода батареи питания на пластинке появляется электрический ток, то есть стрелка гальванометра отклоняется. Флеминг изменил полярность — подключил к нити накаливания отрицательный электрод батареи. Тока на пластинке нет. Учёный повторяет опыты и убеждается, что ток в лампе идёт только в одном направлении. Флеминг даёт название электродам лампы. Нить, к которой подключен отрицательный вывод батареи питания, он называет катодом, а принимающую заряды пластинку — анодом.

Прошло ещё несколько лет. Наступил ХХ век. Флеминг продолжал свои исследования в области электротехники, но из его головы не шла одна мысль — как, каким образом можно использовать удивительный «эффект Эдисона» на практике. Должно же быть ему хоть какое-то применение? И тут Флеминг, который был, как и многие учёные того времени, увлечён изобретением Маркони, подумал, что вакуумная лампа может использоваться как выпрямитель переменных токов, в том числе и применяемых в радио высокочастотных. Он решил попробовать лампу в качестве детектора волн в радиоприемнике Маркони, заменив ею капризный когерер (пробирку с металлическими опилками). Флеминг собрал две схемы — первая представляла собой колебательный контур с двумя лейденскими банками (источниками постоянного тока) в деревянных корпусах и с индукционной катушкой, вторая схема включала электронную лампу и гальванометр. Обе схемы были настроены на одинаковую частоту.

Здесь мы процитируем мемуары самого Джона Флеминга. «Было приблизительно 5 часов вечера, когда аппарат был закончен. Мне, конечно, очень хотелось проверить его в действии. В лаборатории мы установили две эти схемы на некотором расстоянии друг от друга, и я запустил колебания в основной цепи. К моему восхищению я увидел, что стрелка гальванометра показала стабильный постоянный ток. Я понял, что мы получили в этом специфическом виде электрической лампы решение проблемы выпрямления высокочастотных токов. „Недостающая деталь“ в радио была найдена и это была электрическая лампа! Я сразу понял, что металлическая пластина должна быть заменена металлическим цилиндром, закрывающим всю нить, чтобы „собрать“ все испускаемые электроны. У меня в наличии имелось множество угольных ламп накаливания с металлическими цилиндрами, и я начал использовать их в качестве высокочастотных выпрямителей для радиотелеграфной связи. Этот прибор я назвал колебательной лампой. Ей было сразу же найдено применение. Гальванометр заменили обычным телефоном. Замена, которая могла быть сделана в то время с учетом развития технологии, когда повсеместно использовались искровые системы связи. В таком виде моя лампа широко использовалась компанией Маркони в качестве датчика волн. 16 ноября 1904 года я подал заявку на патент в Великобритании».

Это был первый в мире электронный радиоприёмник. Свою лампу Флеминг назвал «аудионом», но общепринятое название — «диод», то есть лампа, состоящая из двух электродов — пришло позже, в 1907 году, когда американский изобретатель Ли де Форест (годы жизни 1873—1961) усовершенствовал прибор Флеминга. Он дополнил электронную лампу ещё одним электродом, расположив его между катодом и анодом. Этот третий электрод был управляющим. При подаче на него положительного напряжения, эмиссия электронов резко увеличивалась, а ток на аноде возрастал. Таким образом, новая лампа, названная по числу электродов «триодом», могла служить не только как детектор радиоволн, но и как усилитель электрических сигналов. Универсальный детектор-усилитель получил название «аудион Фореста», но позже это название было забыто.

Изобретение триода подстегнуло других конструкторов. В 1911 году трое немецких инженеров, Либен, Рейкс и Штраус, сконструировали триод с промежуточным электродом в виде сетки из перфорированного листа алюминия. Сетка увеличивала площадь управляющего электрода и усиливала эмиссию. А в 1913 году немец А. Мейснер (годы жизни 1883—1958) открыл способность триода генерировать и усиливать электромагнитные колебания. Он построил на основе триода первый ламповый радиопередатчик, который использовал для передачи телеграфных и телефонных сигналов.

У электронных вакуумных ламп было множество недостатков. Стеклянная лампа хрупка и плохо переносит вибрации. Поэтому электронные приборы того времени быстро выходили из строя. Для промышленных и военных применений приходилось выпускать лампы особой конструкции с повышенной прочностью деталей. Катод, выполненный в виде нити накала, потреблял большое количество электроэнергии. Даже самые небольшие радиостанции и радиоприёмники приходилось оснащать либо сетевыми понижающими трансформаторами, либо громоздкими и ёмкими батареями постоянного тока. Поэтому портативной в полном смысле электронной техники на вакуумных лампах создано так и не было (кроме, конечно, специальных «шпионских» моделей радиостанций, приёмников, а потом и магнитофонов). Наконец, сам процесс термоэлектронной эмиссии, переноса вещества электрода, истощает катод. Лампа не может служить долгое время, это не заложено в её конструкцию.

Но обратимся к практике. В наше «цифровое время» остаётся достаточно энтузиастов, которые старинный и безнадёжно аналоговый немецкий радиоприёмник не променяют ни на какой суперсовременный полупроводниковый Hi-end. Эти люди не без основания утверждают (и мы об этом обязательно ещё поговорим), что звук старого лампового приёмника, выпущенного в Германии в 30-е годы, не может сравниться со звучанием самой современной акустической системы — настолько он хорош, глубок, мягок. В приёмниках этих любителей хорошего «лампового» звука работают триоды (диоды, пентоды), выпущенные 50, 60 и даже 70 лет назад! Эти старинные лампы работают и будут работать ещё очень долго. Более того, существует целый рынок старых радиоламп — исправных, конечно. Лампы выпуска 30-40-х годов пользуются особым спросом, хотя большинство предложений относятся к 50-60-м годам прошлого века.

Качественно выполненная вакуумная лампа — прибор очень долговечный и надёжный. Электронные лампы выпускаются и сегодня, правда, в небольших количествах. Они применяются в высококачественной (так называемой «аудиофильской») аппаратуре звуковоспроизведения, как, скажем, проигрыватели виниловых грампластинок. Кроме того, специальные электронные лампы выдерживают очень большие токи и обладают впечатляющим коэффициентом усиления. Эти лампы применяются в выходных контурах радиопередатчиков высокой мощности, например, в усилителях широковещательных радиостанций и, к слову, в любительской радиопередающей аппаратуре.

Электронная лампа давно уступила место полупроводниковым приборам. Но в некоторых областях она успешно применяется до сих пор. Другое дело, что такого широкого распространения, как в первой половине минувшего века, «ламповая электроника» уже никогда не получит. Это замечательная технология, но эпоха её безраздельного господства осталась в далёком прошлом.