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? ?1946年2月建成的世界上第一臺計算機ENIAC，那時候半導(dǎo)體芯片還沒出現(xiàn)，晶體管也還沒有被發(fā)明出來，ENIAC這個龐然大物，使用了超過1.7萬個真空管實現(xiàn)二進制和邏輯運算。真空管，也叫電子管，它在20世紀(jì)上半葉對無線電、電視、雷達、錄音、計算機等領(lǐng)域的發(fā)展起了關(guān)鍵作用。

? ? ?真空管的歷史可溯自改良燈泡的商人托馬斯·愛迪生。1880年的一天，愛迪生好奇地在燈泡中多放了一個電極，且灑了點箔片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了奇特的現(xiàn)象：第三極通正電時，箔片毫無反應(yīng)；但通負電時，箔片隨即翻騰漂浮。

????當(dāng)時愛迪生不知道此現(xiàn)象的起由，但由于他不經(jīng)意的發(fā)現(xiàn)，這個現(xiàn)象后來被稱為愛迪生效應(yīng)，可惜愛迪生并沒有深入研究它的用途。

一直到1901年，歐文·瑞查德森提出 以他名字命名的定律：“瑞查森定律”，明確了在高溫下，金屬中的自由電子獲得足夠的動能，逃逸出金屬表面，形成電子流的過程，并給出了金屬表面單位面積的電子發(fā)射電流密度和金屬的溫度之間的關(guān)系。該定律說明了電子的激發(fā)態(tài)引起箔片漂浮的原因，以此拿到1928年的諾貝爾物理獎。

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? ? 德國物理學(xué)家普朗克，作為量子力學(xué)的奠基人在1900年提出了量子假說，認為光是由一些能量量子（后來稱為光子）組成的。這個理論引起了很多人的興趣和質(zhì)疑，其中一個人就是發(fā)明過物理學(xué)電磁學(xué)中使用的右手法則的英國工程師約翰·安布羅斯·弗萊明。弗萊明想要用實驗來驗證量子理論，他想到了用一個克魯克斯管（一種早期的陰極射線管）來檢測光的能量。

? ? 克魯克斯管是1878年由英國化學(xué)家威廉·克魯克斯發(fā)明的，它是一種在高真空中放置兩個電極（陰極和陽極）的玻璃管，當(dāng)通電時，陰極會發(fā)射出一束電子，形成一種看不見的射線，稱為陰極射線。

????然而，弗萊明發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的現(xiàn)象，那就是當(dāng)陽極和板極之間有正向電壓時，檢流計會顯示有電流通過；而當(dāng)陽極和板極之間有反向電壓時，檢流計則顯示沒有電流通過。這意味著這個裝置可以把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，也就是說，它是一個整流器。? ? 弗萊明意識到這個裝置的重要性，他把它命名為“弗萊明閥門”（Fleming valve），并在1904年申請了專利。這就是世界上第一個真空管二極管。弗萊明雖然發(fā)明了真空管二極管，但他并沒有深入研究它的原理和應(yīng)用。他只是把它作為一個整流器來使用，主要用于無線電接收器中。

? ? 真正把真空管推向新高度的人是美國物理學(xué)家李·德·福雷斯特。德·福雷斯特在1906年對弗萊明閥門進行了改進，他在陽極和板極之間加入了一個細絲網(wǎng)狀的第四個電極，稱為柵極或控制極。他發(fā)現(xiàn)，通過改變柵極的電壓，可以控制從陰極到板極的電流的大小，從而實現(xiàn)了信號的放大。德·福雷斯特把這種新型的真空管稱為“三極管”（triode）。他在1906年申請了專利，并在1907年開始商業(yè)化生產(chǎn)。三極管是第一個能夠放大信號的電子器件，它開啟了電子學(xué)的新時代。

他們的原理究竟是什么呢？

????真空二極管具有發(fā)射電子的陰極和工作時通常加上高壓的陽極。燈絲是一種極細的金屬絲，而電流通過其中使金屬絲產(chǎn)生光和熱，從而去激發(fā)陰極來放射電子。

? ? 在真空二極管的基礎(chǔ)上，真空三極管在陰極和陽極之間添加了一個柵極。通過在柵極和陽極間加上柵極電壓，可以使柵極帶上負電荷。由于電荷同性相斥，通過改變柵極的電場強度，就可以改變電子通過柵極的流量，從而起到放大作用。所以三極管不僅是電流開關(guān)控制器，還是電路功率的放大器。

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????三極管的發(fā)明引起了很多科學(xué)家和工程師的興趣，他們紛紛對它進行了改進和創(chuàng)新，發(fā)明了更多種類和功能的真空管。例如，1913年，美國物理學(xué)家威廉·庫立奇發(fā)明了第一個實用的X射線管，稱為“庫立奇管”（Coolidge tube），它可以產(chǎn)生穩(wěn)定和強烈的X射線，用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)方面。

? ? ?1921年，美國物理學(xué)家阿爾伯特·赫爾發(fā)明了一種能夠產(chǎn)生高頻微波的真空管，稱為“磁控管”，它是雷達和微波爐的核心部件。

? ? ?1926年，美國物理學(xué)家阿爾伯特·赫爾和威廉姆斯共同發(fā)明了一種在三極管的基礎(chǔ)上增加了一個屏蔽極的真空管，稱為“四極管”，它可以提高放大效率和穩(wěn)定性。

? ? ?1938年，美國物理學(xué)家拉塞爾·瓦里安和西格德·瓦里安兄弟共同發(fā)明了一種利用電子在諧振腔中振蕩來產(chǎn)生高頻微波的真空管，稱為“速調(diào)管”，它是現(xiàn)代通信和加速器的重要組成部分。

? ?除了上述幾種代表性的真空管外，還有許多其他類型和用途的真空管，如五極管、六極管、七極管、八極管、擺動器、振蕩器、調(diào)制器、檢波器、混頻器、倍增器、壓縮器、擴展器、限幅器、比較器、反饋器、邏輯門等等。真空管在20世紀(jì)上半葉占據(jù)了電子學(xué)的主導(dǎo)地位，它們被廣泛應(yīng)用于無線電廣播、電視機、電話交換機、計算機、雷達等領(lǐng)域。

????然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，特別是晶體管和集成電路的出現(xiàn)，真空管逐漸被取代，因為半導(dǎo)體器件比真空管更小、更便宜、更耐用、更節(jié)能、更可靠。

? ? 今天，真空管已經(jīng)不再是主流的電子器件，但它們?nèi)匀挥幸恍┨厥獾膽?yīng)用領(lǐng)域，如高功率放大器、高頻振蕩器、高壓整流器等。例如，在音樂界，許多吉他手和音響愛好者仍然喜歡使用真空管放大器來制造出一種溫暖而富有個性的聲音。

? ? 真空管也有一些新的發(fā)展方向，如納米真空管、量子真空管等。這些新型的真空管，利用了納米技術(shù)和量子效應(yīng)，來提高真空管的性能和功能。?

????例如，納米真空管是一種結(jié)合了真空管和硅晶體管的器件，它是通過在摻磷的硅片上刻蝕出微小的空腔，然后在空腔周圍加上電極，形成柵極、源極和漏極。 它們實際上是真空管的微型化版本，具有場發(fā)射電子源、集電極和柵極。1 空腔的尺寸非常小，大約150納米，所以電子和空氣之間的相互作用很小，不需要真空泵來抽真空，降低了制造難度和成本。2 “真空管”這個名詞有些不準(zhǔn)確，因為這些器件并沒有真正的真空。1 納米真空管的開關(guān)速度高達0.46太赫茲，比最好的硅晶體管快10倍，有望應(yīng)用于太赫茲通信領(lǐng)域。

? ? ?量子真空管是一種利用量子隧穿效應(yīng)來產(chǎn)生和控制電流的器件，它是由兩個金屬電極之間夾著一個絕緣層組成的。 當(dāng)兩個電極之間有一定的電壓時，由于量子隧穿效應(yīng)，一些電子可以穿過絕緣層，形成一個很小但可測量的電流。這個電流可以通過改變絕緣層的厚度或者在絕緣層上加上一個柵極來調(diào)節(jié)。 量子真空管不需要加熱陰極來發(fā)射電子，因此可以節(jié)省能源和延長壽命。 量子真空管也可以實現(xiàn)信號的放大和開關(guān)功能，有望應(yīng)用于高頻、低功耗、高密度的電子系統(tǒng)中。

? ?總之，真空管是一種具有悠久歷史和重要意義的電子器件，它見證了電子學(xué)的發(fā)展和變革，也為人類文明帶來了巨大的影響。雖然真空管已經(jīng)不再是主流技術(shù)，但它仍然有一些獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域，也有一些新的發(fā)展方向和可能性，我們應(yīng)該對真空管保持敬畏和好奇，也許它還會給我們帶來更多驚喜。