電子管的工作原理

　　電子管的工作原理是什么？

　　燈絲對陰極加熱產(chǎn)生電子云，電子云在屏極高壓下向屏極運動，在陰極與屏極間還有柵極，柵極電壓的高低就控制了流向屏極電子量的多少。

　　電子管的發(fā)明與盤尼西林以及輪胎的發(fā)現(xiàn)一樣具有戲劇性：在實驗室中靠近窗戶幾個未清洗的實驗皿，不經(jīng)意從窗外飄來一些霉菌落在實驗皿上，科學(xué)家驚訝的發(fā)現(xiàn)某些落入實驗皿中的霉菌，可以抑制壞菌的擴散與成長，加以實驗分析之後這種霉菌就成為了有效且使用廣泛的抗生素之一；同樣的情景也發(fā)生在研究橡膠的實驗中，偶然打破裝在玻璃杯里的硫黃，倒入融化的橡膠液體中，凝固後橡膠變成了堅硬且頗富韌性的材質(zhì)。電子管當(dāng)然不是無緣無故做幾片金屬板封裝在抽真空的玻璃瓶里進(jìn)行實驗的，它與發(fā)明大王愛迪生有著一段故事。當(dāng)初愛迪生發(fā)明燈泡之後，發(fā)現(xiàn)他生產(chǎn)的燈泡燈絲老是從正極端燒斷，于是進(jìn)一步實驗在燈泡中加入一塊小金屬板，點燈之後將金屬板連接電表，分別施以正電壓以及負(fù)電壓，觀察電流的情形。對于當(dāng)時的科學(xué)而言，位于真空狀態(tài)下且不連接的金屬板，不論如何連接是不可能產(chǎn)生電流的，但怪事發(fā)生了，愛迪生發(fā)現(xiàn)某種物質(zhì)（其實就是電子）會透過金屬板，會從電池的負(fù)極騰空「跳」到正極，此發(fā)現(xiàn)當(dāng)然激起更大的實驗動機，此現(xiàn)象便稱為「愛迪生效應(yīng)」。這也是科學(xué)家首次質(zhì)疑電流流動的方向，以及自由電子在空間中流動的現(xiàn)象。

　　金屬之所以能導(dǎo)電，就是因為金屬的自由電子較多，便于電子的相互流動，因此電子材料必須由導(dǎo)電性佳的材質(zhì)制成。電子還有個特性，帶負(fù)電的電子容易受到正電壓的吸引，所謂同性相斥、異性相吸。又從愛迪生效應(yīng)中得知，當(dāng)加熱金屬物質(zhì)時，活躍于質(zhì)子外圍的自由電子容易產(chǎn)生游離現(xiàn)象，溫度高導(dǎo)致電子活性增強，此時若空間中有一正電壓強力吸引，游離的電子就會在空間中流動?；哆@幾個當(dāng)時已被了解的知識，弗來明（J．A. Fleming）于1904年制造出第一支二極電子管，李德科士（De Forest Lee）將二極管加以改良，于1907年制造出第一支三極管，既然成功研發(fā)了二極管，電子管的應(yīng)用開始實現(xiàn)，電子管的發(fā)展從此一日千里。（詳見圖1）

　　三極管是最基本的電子管

　　電子管又稱「真空管」 （Vacuum Tube），代表玻璃瓶內(nèi)部抽真空，以利于游離電子的流動，也可有效降低燈絲的氧化損耗。二極管、三極管、五極管，從字面意義代表電子管內(nèi)部基本「極」的數(shù)量。電子管擁有三個最基本的極，第一是「陰極」（Cathode，以K代表）：陰極當(dāng)然是陰性的，它是釋放出電子流的地方，它可以是一塊金屬板或是燈絲本身，當(dāng)燈絲加熱金屬板時，電子就會游離而出，散布在小小的真空玻璃瓶里。第二個極是「屏極」（Plate，以P代表），基本上它是電子管最外圍的金屬板，眼睛見到電子管最外層深灰色或黑色的金屬板，通常就是屏極。屏極連接正電壓，它負(fù)責(zé)吸引從陰極散發(fā)出來的電子（利用異性相吸的原理），作為電子游離旅行的終點。第三個極為「柵極」（Gird，以G代表），從構(gòu)造看來，它猶如一圈圈的細(xì)線圈，就如同柵欄一般，固定在陰極與屏極之間，電子流必須通過柵極而到屏極，在柵極之間通電壓，可以控制電子的流量，它的作用就如同一個水龍頭一般，具有流通與阻擋的功能。

　　最早的電子管由于構(gòu)造原理簡單，直接將燈絲充當(dāng)陰極使用，換句話說，當(dāng)燈絲點亮?xí)r，由于燈絲溫度提高，電子就從燈絲釋放出來，經(jīng)過柵極直奔屏極。這種電子管就叫“直熱式電子管”。 300B，就是屬于這種類型的電子管，相較於其他現(xiàn)代化的五極電子管， 300B 的構(gòu)造簡單，輸出功率也低。 直熱式電子管當(dāng)然有它天生的優(yōu)點，但卻有一個致命的缺點，那就是陰極容易因燈絲的溫度變化而改變特性。當(dāng)燈絲電壓變動時，或以交流電供應(yīng)燈絲時，陰極呈現(xiàn)在不穩(wěn)定的狀態(tài)下。因此有人主張直熱式電子管應(yīng)采用直流供電，也有人強調(diào)必須以交流供電以免損傷陰極，這種爭論過去在音響界早已成為一個爭論不休的話題。

　　旁熱式電子管的穩(wěn)定度較高

　　為了解決直熱式電子管的燈絲問題，電子管設(shè)計者決定讓燈絲與陰極分家獨立，在燈絲的旁邊套上一圈金屬套筒，讓燈絲直接對金屬板加熱，電子從金屬板散發(fā)出來，這種加熱方式就稱為「旁熱式電子管」。

　　電子管的工作原理

　　現(xiàn)在，我們更進(jìn)一步來看看最簡單的電子管工作原理。

　　將一支電子管拆開之後，繪於附圖之中，從圖可知，當(dāng)點亮燈絲，燈絲溫度逐漸升高，雖然是真空狀態(tài)，但燈絲溫度以輻射熱的方式傳導(dǎo)至陰極金屬板上，等到陰極金屬板溫度達(dá)到電子游離的溫度時，電子就會從金屬板飛奔而出。此時在電子是帶負(fù)電的，在屏極加上正電壓，電子就會受到吸引而朝屏極金屬板飛過去，穿過柵極而形成一電子流。柵極猶如一個開關(guān)，當(dāng)柵極不帶電時，電子流會穩(wěn)定的穿過柵極到達(dá)屏極，當(dāng)在柵極上加入正電壓，對于電子是吸引作用，可以增強電子流動的速度與動力；反之在柵極上加入負(fù)電壓，同性相斥的原理電子必須繞道才能到達(dá)屏極，若柵極的結(jié)構(gòu)龐大，則電子流有可能全數(shù)被阻隔。

　　利用柵極可以輕易控制電子流的流量，將輸入訊號連接在柵極上，并且加入適當(dāng)?shù)钠珘?，并且在屏極串上一個電阻，藉此即可達(dá)到訊號放大的目的。電子管也與晶體管一樣，具有多種放大形式（事實上，晶體管的放大形式是從電子管延伸過來的應(yīng)用），結(jié)合不同的電子材料如電阻、電感、變壓器以及電容等，就可以創(chuàng)造出千變?nèi)f化的電子產(chǎn)品。

　　觀察電子管的管壁內(nèi)部可以看到一塊類似水銀的薄膜黏附在玻璃壁上，這是延長電子管壽命的設(shè)計。除了極少部份低壓電子管外（并非指工作電壓低，而是指電子管內(nèi)部存在低壓氣體），大部分的電子管必須抽真空才能正常工作。電子管的接腳為金屬腳，雖然以玻璃封裝，但玻璃與金屬接腳之間仍然有漏氣的機會。玻璃管內(nèi)的金屬蒸鍍物（即消氣劑），會與氣體進(jìn)行作用，它存在的目的就在于吸收氣體，以維持電子管內(nèi)部的真空度。這一層薄薄的金屬物氧化之後，會變成白色，表示電子管已經(jīng)漏氣不行了，所以若打破電子管時，這一層蒸鍍物質(zhì)也會變成白色，因此購買老電子管時，也要注意蒸鍍物的情況，像水銀一樣的為佳，若開始蒼白、剝落時，就表示這支電子管已經(jīng)邁入老年了。