Электроника

Вместе с открытием электрона родилась и электроника как особая отрасль науки и техники. Электроника ассоциируется в нашем представлении, прежде всего, с электронными лампами, составляющими непременную часть радиопередатчика, радиоприемника или телевизора. Действие этих ламп основано на явлении, открытом Эдисоном. В декабрьском номере журнала "Engineiring" за 1884 г. появилось сообщение о демонстрации Эдисона на Филадельфийской выставке тока в лампе накаливания с угольной нитью, в которую был внесен дополнительный электрод. Английский инженер Прис, принимавший впоследствии активное участие в опытах Маркони по беспроволочной телеграфии, посетивший Эдисона осенью 1884 г., ознакомившись с открытым им явлением, провел исследование этого эффекта. Эффект испускания электричества накаленными телами изучали Эльстер и Гейтель в серии опытов 1882-1889 гг., Дж. А. Флеминг - в 90-х годах. С 1901 г. исследованием этого явления в лаборатории Кавендиша в Кембридже занялся Оуэн Виланс Ричардсон. В работе 1901 г. "Об отрицательном излучении от нагретой платины" Ричардсон описывает первую электронную лампу, представляющую собой платиновую нить, натянутую на оси окружающего ее металлического цилиндра. Проволока и цилиндр помещались в сосуд, воздух из которого откачивался, и соединялись с полюсами батареи аккумуляторов. Ричардсон обнаружил, что ток в лампе получается только тогда, когда нагретая нить является катодом и зависит от напряжения не по закону Ома. При некотором напряжении достигается ток насыщения. В работе 1903 г. "Электрическая проводимость, сообщаемая вакууму нагретыми проводниками" Ричардсон исследует теоретически зависимость тока насыщения от температуры катода. Опираясь на представления электронной теории и выводы кинетической теории газов, Ричардсон выводит свою замечательную формулу:

Постоянные а и b имеют следующие значения:

где n - число электронов в кубическом сантиметре металла, ε и μ - заряд и масса электрона, R - газовая постоянная, Ф - работа выхода электрона из металла.

Позднее (1914) Ричардсон из термодинамических соображений, уподобляя процесс испускания электронов процессу испарения, вывел вторую формулу

В 1904 г. Флеминг построил электронную лампу - диод (аудион Флеминга). Описание этого прибора было дано им в 1905 г. Благодаря своему выпрямляющему действию аудион Флеминга использовался в качестве детектора электрических колебаний. В 1906 г. Ф. Браун обнаружил одностороннюю проводимость некоторых полупроводников (сернистого цинка, колчедана, карборунда, перекиси свинца и др.) и эти вещества получили широкое распространение в качестве детекторов электрических колебаний. Однако незадолго до мировой войны (1911-1915) диоды тщательно изучались и с успехом использовались в качестве выпрямителей.

Схема Байера

Существенный вклад в изучение процессов в электронных лампах внесли Чайльд (Child) (1911), Ирвинг Лэнгмюр (1913), Шоттки (1915), Дэшмен (1915).

Заметим, что закон Лэнгмюра I = AV^3/₂, полученный для термоионного тока, при учете объемного заряда был выведен им для цилиндрических электродов. Этот закон в 1924 г. вывел С. А. Богуславский другим методом. В 1915 г. Мейкл в лаборатории "Дженерал электрик компани", где работал и Лэнгмюр, построил газотронный выпрямитель - тунгар. Влияние объемного заряда уменьшается и даже нейтрализуется действием ионизованного газа (аргона). Этот выпрямитель был рассчитан на сравнительно низкое напряжение (приблизительно 15 в) и большой ток (65 а и даже 20-60 а).

Осциллограф Брауна

В 1907 г. американский инженер Ли де Форест взял патент на лампу с тремя электродами, введя управляющую сетку (патент США № 841387 г. 1907 и № 879 532 г. 1908).

Собственно говоря, управляющая сетка впервые была применена Ленардом в 1902 г. в его исследованиях по фотоэффекту. 3 февраля 1908г. О. Байер представил Немецкому физическому обществу доклад "О медленных катодных лучах", в котором он, отправляясь от исследований Ленарда, исследовал поведение электронов в трехэлектродной лампе накаливания. Нить накаливания D окружалась медной сеткой С, представляющей собой цилиндр диаметром в 1 см, толщина проволоки была 0,1 мм, ширина петли 0,3 мм. Анодом служил сплошной медный цилиндр диаметром 2 см. Эта лампа служила ему для чисто исследовательских целей.

Но применение сетки открыло возможность усиления слабых сигналов. В 1910 г. Либен использовал сетку для усиления. Особенно эффективным оказался метод регенеративного усиления сигналов предложенный американским радиотехником Э. Армстронгом в 1913г. При этом методе часть энергии из анодной цепи попадает обратно в цепь сетки, вызывая новое усиление мощности и т. д. В 1918 г. Армстронг ввел в практику супергетеродинный прием. Изучение действия сетки проводилось ван дер Бийлем (1913), Лэнгмюром (1915), Гундом (1915-1919), Валлуари (1917) и др. Ван дер Бейль дал формулу зависимости анодного тока от анодного и сеточного напряжения в виде

Лэнгмюр в виде I_а = А (E_a + kE_g)^3/₂, Валлуари -

В 1913 г. появились первые генераторы электрических незатухающих колебаний с электронными лампами (Мейсснер, Армстронг, Раунд). Уже в 1915 г. с помощью таких генераторов была осуществлена радиосвязь на 8000 км между Парижем и Гонолулу. Первая мировая война в сильной степени способствовала развитию электронной радиотехники, в результате чего в радиотехнике произошел революционный скачок. Впрочем, вопросы развития радиофизики и радиотехники будут нами рассмотрены в другом месте.

Остановимся еще на одном электронном приборе - электроннолучевой трубке. Эта трубка, построенная Ф. Брауном в 1897 г., представляла собой катодную трубку, движение электронов в которой управлялось магнитным полем. Катодный пучок падал на люминесцирующий экран, создавая на нем светящееся пятно. В дальнейшем электроннолучевые трубки разделились на трубки с холодным катодом и магнитным управлением (Браун, Ценнек, Гизель и др.) и трубки с горячим катодом и электрическим управлением ("Дженерал электрик компани", Д. А. Рожанский, 1911). Появились трубки и смешанного рода с магнитным и электрическим управлением. Трубки получили название осциллографов, так как сразу получили широкое распространение в анализе электромагнитных колебаний.

Электронные приборы внесли новое качество в экспериментальную технику и в последующем произвели полную революцию в физическом эксперименте. К ним прибавились и новые приборы в атомной физике: ионизационные камеры, счетчик Гейгера, камера Вильсона.