通信工程师给儿子的信6：真空三极管

作者： John Mills

亲爱的儿子：

在我上一封信中，我讲述了电子如何被“煮沸“然后离开热灯丝。灯丝越热，每秒钟辐射的电子就越多。如果灯丝的温度不变，或者说保持稳定，那么每秒钟辐射的电子数量保持不变。当灯丝被封闭在一个容器或者玻璃管里面时，这些摆脱了灯丝束缚的电子没法走得太远。因此，有些电子不得不又回到灯丝里面，并且每秒钟返回灯丝的电子数量等于每秒钟离开灯丝的电子数量。你明白这就是当一个普通电灯泡里面的灯丝变热时，会发生的事情。

然而，一个普通的电灯泡不是真空三极管，尽管就灯丝会向外辐射电子这一点来说，两者很相似。这让我想起昨天晚上，我在等火车的时候顺手拿起的一份无线电副刊——现在很多报纸都在经营这种副刊。副刊上有一个读者咨询专栏。有一封信的作者讲述了其如何试图用一个普通的电灯泡来接收无线电信号。

这位作者的确在普通电灯泡里得到了很多电子，但是他没办法控制它们，让它们以有用的方式运动。在真空三极管里，除了灯丝以外，还有两样其它东西。一个是小金属片或小金属板，连着一根通到玻璃管壁外的金属线；另一个是形状像栅格烤架的小金属线网，因此也被叫做“栅格“。”栅格“也连了一根金属线通到玻璃外面。图4就是一个实际的真空三极管。但是，用图5来表示一个真空三极管会更加方便。在图5中，你能清楚地看到有两个接线端出现在管外的灯丝F，金属板P，和在两者之间的栅格G。

管子里的这些部件有时候被称为“零件elements”。但是，通常它们被称为“电极”，而这就是“真空管”的另一个名字是“真空三极管”的原因。所谓电极，就是任何一片金属或者金属线，通过适当的放置，使得我们可以得到电子（或者质子）并且控制它们的运动。让我们看看它是如果做到的。

首先，让我们忘记栅格，认为管子里面只有一个灯丝和一个金属板。我们用图6来代表这个管子，并且在A的位置用特殊的线条显示了用于加热灯丝的电池。在电池的这种表示法中，每个电池单元用一条短粗线和一条长细线表示。粗线代表负极，而长细线代表正极。我们称加热灯丝的电池为“灯丝电池”，或者有时候为“A电池”。就像你看到的那样，电池由几个电池单元串行连接而成。

过段时间我可能会告诉你怎样把电池单元连起来，以及为什么这么做。现在你只需要记住，如果一个电池的正极连接另一个电池的负极，那么这两个电池就是串联的。如果这两个电池相同，那么它们对电子的牵引力将是单独一个电池的两倍。

加热三极管中的灯丝，就像你在无线电台中可能会用到的那样，需要三节串联的、我在第四封信中提到过的存储电池。我们一般使用的存储电池的尺寸和在汽车中用到的差不多。如果你能看到汽车用的电池，你会发现它由三节电池单元串联而成。这种电池足以胜任为灯丝回路（circuit）供电的任务。

顺便说一下，你知道什么是回路（circuit）吗？这个词起源于拉丁语circus（英语里也同样是这个单词）。古罗马人非常喜欢在竞技场（circuses）举行马拉战车比赛，并且在建造了环形赛道供赛车奔驰。因此，电路（circuit）就是一个环形通道或者环形赛道，供某些事物在上面奔驰；而电回路（electrical circuit）就是供电子奔驰的环形通道。图6中灯丝、A电池和连接金属线构成了一个回路。

让我们设想另外有个由若干个电池单元串联而成的电池来连接真空管（如图7所示）。所有电池单元的正极和负极都两两连接，一个单元的正极连接另一个单元的负极，除了一个正极和一个负极。这个留下来的正极就是我们用这种串联方式制造的电池的正极。然后我们像图7显示的那样，将正极端连到金属板，将负极端连到灯丝。我们把这个新的电池称为“金属板电池”或者“B电池”。

现在会发生什么呢？B电池将会希望在其正极端获得电子，并且在其负极端将电子送出去。正极端连接了图中的真空管的金属板，并且因此吸引了金属板上的一些电子离开金属板。这些电子是从哪里来的？它们原本属于金属板的金属原子，但是已经跑出来在金属原子之间的空间里玩耍，因此当电池召唤它们的时候，它们就顺势过去了。这让金属板上的电子数量少于常态；也就是说，让金属板带上了正电。因此，金属板就立刻把那些在它附近的真空里闪躲移动的电子吸引了过来。

你还记得在真空管里发生过的事情吗？灯丝一直在稳定地辐射电子，尽管在真空管里已经有足够多的电子，以至于从灯丝中辐射出来的电子数量和从真空被挤回灯丝的电子数量一样多。灯丝既不会增加电子，也不会减少电子，尽管它忙着向外辐射电子，同时迎接电子回家。

当B电池开始工作时，一切都改变了。B电池把电子吸引到金属板，并且减少了真空管里的拥挤程度。于是，被挤回灯丝的电子数量就没有以前这么多，因此灯丝失去的电子就比得到的电子多。

假设，在B电池连接金属板之前，每一小段灯丝每秒钟辐射1000个电子，但同时每秒钟收回1000个电子。灯丝上的电子的数量没有变化。现在，假设B电池每秒钟拿走了100个电子。于是，每秒钟就只有900个电子回到灯丝，也即意味着灯丝每秒钟净减少100个电子。这一小段灯丝每秒钟向真空送出了100个最终会在金属板被排泄掉的电子。每一小段灯丝都会有一个电子流通往金属板。也就是说，灯丝和金属板之间产生了电流，且只要A电池和B电池还在工作，这电流就会一直存在。

B电池的负极端与灯丝相连。每次B电池从金属板那里拖来一个电池，它的负极端就会把这电子推出去给灯丝。你从我的第三和第四封信已经知道，在电池里面，电子是从负极被运送到正极。于是你可以看到，同样方式的电子流通过了B电池，同时灯丝和金属板之间的真空中也有电流。同样的电子流也流过将B电池和真空管连起来的金属线。这样。电子流流经的路径包括金属线、真空和串联起来的电池。我们把这个路径称为“金属板电路”。

我们能够连上一个电话接收器，或者一个电流测量仪器，或者任何我们希望能让电子流流过的东西，以便让前面产生的电子流也流过它。我们要做的只是将这个仪器与“金属板电路”上的其它器件串行连接。我能很快向你演示怎么接这个仪器，但是此刻我希望你注意的是我们获得了一个电子流，因为我想告诉你怎样去控制这个电子流。

假设我们使用另一个电池，并且将它连在栅格和灯丝之间，以便让栅格带正电。这将意味着将电池的正极连接栅格，而将负极连接灯丝，就像图8所示的电池C。这张图中还在“板电路中画了一个电流测量仪器。

C电池或者栅格电池会对板电路上的电流产生什么影响呢？使栅格带正电让其需要电子。因此，栅格就会像我们前面看到的金属板一样，牵引电子经过真空，到自己这里来。

要发生的事情有些像这样：电子在灯丝处被释放；金属板和栅格都在召唤它们，而它们就急急忙忙地出发了。有些电子被栅格的金属线拦截，但是大部分还是穿过栅格到了金属板。你知道，栅格上大部分是空隙，而电子的移动速度和光一样快。在基本上朝向栅格的方向上，这些电子的行进速度太快，以至于几乎不会停下来观看栅格上又小又少的金属线。

当栅格带正电时，栅格会帮助金属板吸引电子离开灯丝。因此，让栅格带正电增加了灯丝和金属板之间的电子流；也就是说，让金属板电路上的电流增加。

我们可以通过在金属板电路上串联更多的电池，以便获得更大的吸引力，来达到同样的、我们关心的增加金属板电路电流的效果。但是栅格离灯丝如此之近，以至于栅格电路中的一节电池单元产生的吸引电子的效果，就和金属板电路中几节电池单元产生的效果一样。

如果我们像图9一样将栅格电池反过来安装，即让栅格带负电，于是栅格就会排斥电子，而不是吸引它们。当栅格说，“不，回去“时，流向金属板的电子就远没有那么多了。栅格处于一个战略性的位置，它说的话有很大的影响。

当没有电池连接栅格时，栅格就没有影响被金属板吸引过去的电子的潜在可能性。于是我们说，栅格不带电，或者说它的“潜势为零（no potential）“，即潜在可能性为零或者没有。但是当栅格带电时，不管带的电多小，它就会改变金属板电流。当栅格说”过来“，即便十分温柔，它对电子也有着很大的影响力，效果和金属板在对电子大声喊叫一样，而许多电子就会快速地奔向金属板。但是，当栅格轻轻地说了句”回去“时，那许多本来会奔向金属板的电子会转而挤回灯丝。这就是真空三极管的工作原理。里面有一个电子流，和一个控制电子流的极其灵敏的方法。