Изобретение электровакуумного диода

Изобретение электровакуумного диода

Опубликовано в номере:
PDF версия
Электроника берет свое начало от вентиля Флеминга, созданного на заре ХХ в. Его смогли реализовать благодаря открытиям электрона и явления термоэлектронной эмиссии.

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Опыт Гейтеля и Эльстера

Рис. 1. Опыт Гейтеля и Эльстера

Открытие электрона было сделано в результате изучения катодных лучей, т. е. явления эмиссии электронов с твердого металлического катода при приложении электрического поля высокого потенциала [1]. Однако первыми электронными приборами, нашедшими практическое применение, были ртутно-дуговые выпрямители Купера-Хьюитта с жидким (ртутным) катодом [2]. Эти газонаполненные приборы положили начало современной силовой электронике на базе тиристоров. Почти одновременно возникло и другое направление — информационная электроника на базе электровакуумных приборов с термоэлектронной эмиссией. Явление термоэлектронной эмиссии было открыто в 1873 г. британским ученым и основателем Лондонского физического общества Фредериком Гатри (Frederick Guthrie), который обнаружил, что соединенная с электроскопом пластина, помещенная вблизи раскаленного докрасна металлического шара, заряжалась отрицательно [3]. Более подробно этот эффект исследовали в 1880 г. немецкие ученые Ганс Гейтель (Hans Geitel) и Юлиус Эльстер (Julius Elster), известные также тем, что все детство, годы учебы и исследовательской работы они провели вместе. В их опытах платиновый провод, нагреваемый электрическим током, помещался в колбу с откачанным воздухом либо c газом (рис. 1).

Эффект Эдисона

Рис. 2. Эффект Эдисона

Аналогичные опыты проводил в 1883 г. и Эдисон при отработке конструкции своей знаменитой вакуумной лампы накаливания с угольной нитью, внутренняя поверхность которой, однако, со временем темнела [3–5]. Помощник Эдисона Уильям Хаммер (William Hammer), впоследствии видный организатор электрического освещения, обнаружил на стекле светлую полоску, которую можно было бы объяснить экранирующим действием нити, испускающей частицы углерода. Предположив, что эти частицы несут электрический заряд, Эдисон ввел внутрь баллона лампы (1) с нитью накала (2) дополнительный электрод (3), надеясь притянуть эти частицы и тем самым уменьшить потемнение (рис. 2). И действительно — гальванометр (4), подключенный к положительному электроду накала, показывал наличие тока. Однако уменьшить потемнение лампы таким путем не удалось, и Эдисон эти эксперименты забросил. Полученное явление, названное эффектом Эдисона, — как и другие подобные наблюдения, описанные выше, — утвердило ученых в мысли, что накаленные тела излучают молекулы или атомы, переносящие каким-то образом и отрицательные заряды [3].

Джон Амброз Флеминг (John Ambrose Fleming) (1849–1945)

Рис. 3. Джон Флеминг (1849–1945)

Научное объяснение этому феномену было найдено только в 1902 г. английским ученым Оуэном Ричардсоном (Owen Richardson) после открытия электрона Томсоном в 1897 г. [4, 5]. Ричардсон создал теорию термоэлектронной эмиссии (thermionic emission), за что получил в 1928 г. Нобелевскую премию [6]. Однако ни он, ни другие ученые и изобретатели не смогли предложить никакого практического приложения обнаруженному эффекту. Было очевидно, что энергетическое преобразование напряжения накала в ток электрода было совсем невыгодным, например, по сравнению с ртутно-дуговыми лампами. Только Эдисон, запатентовавший в 1884 г. свой эффект, указал на возможность его использования для обнаружения нестабильности напряжения в сети [4].

Человеком, который открыл широкие возможности применения двухэлектродного вакуумного прибора для детектирования высокочастотных электромагнитных волн и тем самым сделал радио доступным миллионам жителей планеты, стал великий английский ученый и инженер Джон Амброз Флеминг (John Ambrose Fleming, рис. 3), 170-летие которого мы отмечаем в этом году.

Среди выдающихся создателей радио Флеминг отличается долголетием. Многие ученые, заложившие фундамент наших знаний об электромагнетизме и радио, прожили очень мало: творец электромагнитной теории Максвелл — 48 лет; создатель первого радиоприемника Попов — 47 лет; Лебедев, измеривший давление электромагнитной волны, — 46 лет; а Герц, открывший электромагнитные волны Максвелла, всего 37 [5]. Изобретатель первой электронной радиолампы профессор сэр Флеминг прожил долгую творческую жизнь до 95 лет. О первой своей научной работе он доложил Лондонскому физическому обществу в 25 лет, а о последней — в 90 [7, 8, 9].

Флеминг был старшим из семи детей священника, не имевшего средств, чтобы дать сыну хорошее инженерное образование, к которому тот стремился. Поэтому юноше пришлось совмещать обучение в Университетском колледже Лондона, а затем и в университете Кембриджа с работой в различных конторах и учителем в школе [810]. В Кембридже он посещал лекции самого Максвелла и работал в его знаменитой Кавендишской лаборатории. Его наставником был также профессор Гатри. После получения докторской степени Флеминг преподавал в нескольких университетах, пока в 1885 г. не был приглашен стать профессором и заведующим первой в Англии кафедрой электротехники Университетского колледжа Лондона, где он успешно проработал 42 года, создав прекрасную лабораторию [8, 9]. Одновременно Флеминг консультировал различные предприятия, одним из которых была английская компания Эдисона, внедрявшая его систему освещения. Имея доступ к документам компании и встречаясь с ее главой, Флеминг обратил внимание на эффект Эдисона и в 1883–1886 гг. изготовил несколько двухэлектродных ламп. Детально их изучив, он установил, в частности, что гальванометр показывал протекание постоянного тока и при питании накала переменным током [3, 4, 11]. Но тогда он оставил эти опыты, не видя в них практического смысла.

В 1897 г. Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi), имея амбициозные планы по развитию запатентованного им в том же году радио, основал в Англии компанию Wireless Telegraph & Signal Company, в которую пригласил Флеминга в качестве консультанта [9, 11]. Ему было поручено сконструировать мощный радио­передатчик на 25 кВт для радиостанции в Польдху (Англия), с помощью которой предполагалось установить первую в мире трансатлантическою беспроволочную связь с Ньюфаундлендом (Канада), находящимся на расстоянии около 3500 км от того места [4, 5]. Когда это фантастическое событие, предвещавшее наступление века радио, свершилось в 1901 г., вся слава досталась лично Маркони [3, 9, 11]. Флеминг открыто выражал свое недовольство, и его контракт с компанией Маркони в конце 1903 г. был разорван [11]. Масла в огонь подлила неудачная публичная лекция Флеминга в том же году, которая должна была продемонстрировать преимущества «синтонической» системы Маркони. Данная система содержала резонансные контуры настройки на передающую радиостанцию, предотвращающую помехи от других источников. Однако в конце лекции приемник зафиксировал оскорбительное для Маркони сообщение неизвестной радиостанции. Это была одна из первых в истории хакерских атак, организованная конкурентом Маркони — изобретателем и фокусником Невилом Маскелайном (Nevil Maskelyne), стремившимся опорочить систему Маркони [11]. И хотя Флеминг в печати назвал это «научным хулиганством», сам Маркони скорее был склонен винить во всем несовершенство демонстрационной аппаратуры Флеминга.

Установка Флеминга

Рис. 4. Установка Флеминга

Желая вернуть расположение шефа, Флеминг попытался улучшить радиоаппаратуру — в частности, найти более эффективный детектор радиосигнала взамен применявшихся тогда когерера или магнитного детектора [11]. Поскольку все измерительные приборы переменного тока для этого явно не подходили, он искал способ преобразования (выпрямления) высокочастотных колебаний в постоянный ток для использования самого чувствительного прибора — зеркального гальванометра. Помимо указанных выше детекторов, тогда также были известны электролитические выпрямители, например предложенный французским инженером Альбертом Нодоном (Albert Nodon) и названный им электролитическим вентилем [3, 11]. Этот прибор представлял собой электролитическую ванночку с двумя погруженными в нее алюминиевыми электродами. Испытав ее, Флеминг с сожалением убедился, что электролитический вентиль не обладает достаточным быстродействием. Тогда он попытался использовать, как показано на рис. 4, свою забытую двухэлектродную лампу (1), включив ее в цепь приемной антенны (2) с гальванометром (3) и батареей питания (4) [3, 4, 11]. Передатчиком служил вибратор Герца (справа) с катушкой Румкорфа (5), искровым разрядником (6), лейденскими банками (конденсаторами) (7), излучающий радиоволну с помощью антенны (8) [5].

Вентиль Флеминга

Рис. 5. Вентиль Флеминга

По аналогии с изобретением Нодона Флеминг назвал свою лампу термоэлектронным, или частотным вентилем, известным впоследствии как вентиль Флеминга, вакуумный вентиль, или лампа, кенотрон и т. д. (рис. 5 и 6) [3, 4, 6, 11, 12]. В России сначала употреблялся термин «пустотная лампа». С 1920-х гг. за ним закрепилось название «диод», образованное от греческих слов δύο (два) и ὁδός (путь) [13].

Подобно лампе Эдисона (рис. 2), вентиль содержал баллон (1) с нитью накала (катод) (2), питаемой батареей, однако отличался формой цилиндрического дополнительного электрода (анода) (3), подключаемого к гальванометру (4) через антенну радиоприемника (5) c трансформатором (6). Поскольку гальванометр был соединен с отрицательным выводом батареи, анодный ток наблюдался только при положительном полупериоде принимаемого антенной сигнала. К этому времени Флеминг, опираясь на электронную теорию, уже правильно объяснил эффект Эдисона потоком электронов между катодом и анодом [3, 11].

Первые вентили Флеминга

Рис. 6. Первые вентили Флеминга

Убедившись в работоспособности своего устройства и оформив в 1904 г. английский патент [12] (а в 1905 г. и патент США), Флеминг сразу сообщил о своем изобретении Маркони, который с энтузиазмом его воспринял, попросил образец вентиля и провел собственные исследования, заменив гальванометр телефоном [11]. Причина, по которой сам Флеминг использовал в качестве индикатора гальванометр, состояла в том, что он был глуховат и не мог воспринимать принимаемый сигнал на слух [3, 4, 11]. С другой стороны, он хотел применять эту установку в метрологических целях, например для измерения мощности, излучаемой антеннами радиостанций, что и отражается в названии его английского патента.

Маркони удостоверился в преимуществах детектора Флеминга, ввел его в свою радиоаппаратуру и с 1905 г. возобновил контракт с Флемингом на условиях передачи компании всех его патентных прав, которые пришлось неоднократно защищать в суде. Их плодотворное сотрудничество продолжалось до 1914 г. [9, 11]. Однако в 1943 г. Верховный суд США признал патент Флеминга на диод недействительным по причине расширительной формулировки областей применения.

В дальнейшем вакуумный диод в радиотелеграфии и телефонии был вытеснен кристаллическим детектором и триодом Ли де Фореста, о котором пойдет речь в следующей статье. Однако до изобретения полупроводниковых приборов электровакуумные диоды широко применялись для силовых выпрямителей с напряжением до 100 кВ и выходной мощностью до 10 кВт, что, конечно, гораздо ниже, чем у ртутно-дуговых выпрямителей [2, 3].

Правило правой руки

Рис. 7. Правило правой руки

Флеминг был непревзойденным лектором и демонстратором научных опытов [9]. Он тщательно готовился к каждому занятию, использовал световые проекционные слайды и проводил репетиции. Когда в 1895 г. Рентген открыл свои знаменитые Х-лучи, Флеминг приготовил специальную лекцию, к которой привлек ассистента с пулевым ранением руки. В начале лекции его рука просвечивалась портативным рентгеновским аппаратом, пластина проявлялась и в конце лекции пуля в руке демонстрировалась проектором. Флеминг также известен своими работами по трансформаторам и измерительной технике, он написал девятнадцать известных книг и учебников по электромагнетизму и электротехнике [8, 9]. До сих пор инженеры и студенты используют правило Флеминга для определения направлений механической силы (движения), тока в проводнике и действующего магнитного поля в генераторах и электродвигателях. На рис. 7 приведено изображение для правой руки (1), созданное самим Флемингом для генератора с направлениями: 2 — движения проводника, 3 — магнитного поля, 4 — индуцированного в проводнике тока [14].

В СССР, правда, эти правила широко применялись в измененном виде без упоминания имени автора.

Флеминг был удостоен многих научных медалей и наград, в 1929 г. получил рыцарское звание и титул сэра [4, 8–10]. Будучи человеком религиозным, он активно занимался благотворительностью и участвовал в движении протеста против эволюционной теории Дарвина. Последнее, чем удивил сэр Джон Флеминг современников, была его вторичная женитьба в 84-летнем возрасте на молодой популярной певице [7, 9, 14]. 


  • Изобретение электровакуумных приборов явилось результатом обнаружения Готье в 1873 г. явления испускания раскаленными металлическими телами отрицательных зарядов.

  • В 1883 г. Эдисон продемонстрировал в замкнутой цепи с двухэлектродной лампой электрический ток, названный эффектом Эдисона, который был объяснен только после открытия электрона и создания Ричардсоном в 1902 г. теории термоэлектронной эмиссии.

  • Возможности практического применения двухэлектродных приборов для радиосвязи, СВЧ-измерения и выпрямления были открыты Флемингом в 1904 г.

  • Флеминг также остался в памяти современников как умелый педагог и замечательный популяризатор электромагнетизма, электротехники и связи.
Литература
  1. Микеров А. Г. Начало электроники – открытие электрона // Control Engineering Россия. 2018. № 5(77).
  2. Микеров А. Г. Газооразрядные лампы – первые электронные приборы // Control Engineering Россия. 2018. № 6 (78).
  3. Fleming J. A. The thermionic valve and its developments in radiotelegraphy and telephony. London, New York: The Wireless press. 1919.
  4. Пестриков В. М. История первой радиолампы // IT news. 2004. №22.
  5. Микеров А. Г., Вейнмейстер А. В. История науки и техники в области управления и технических систем. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2016.
  6. Guarnieri M. The Age of Vacuum Tubes: Early Devices and the Rise of Radio Communications // IEEE Industrial Electronics Magazine. March 2012.
  7. Fleming John Ambrose. Complete dictionary of scientific biography. Detroit: Charles Scribner’s Sons. 2008. V.5.
  8. https://en.wikipedia.org/wiki/John_Ambrose_Fleming.
  9. Eccles W. H. John Ambrose Fleming. 1849-1945. Obituary Notices of Fellows of the Royal Society. 1945. N5 (14).
  10. https://interestingengineering.com/who-was-sir-john-ambrose-fleming-all-about-the-father-of-electronics.
  11. Sungook Hong. Inventing the history of invention: Fleming’s Route to the valve // Exposing electronics. NMSI Trading Ltd. 2003.
  12. Fleming J. A. Improvements in Instruments for Detecting and Measuring Alternating Electric Currents. Patent GB190424850(A). Nov. 16. 1904.
  13. https://ru.wiktionary.org/wiki/диод.
  14. famousscientists.org/john-ambrose-fleming/.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *