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        什么是真空管?

        來源: 時間:2016-06-20 14:29:31 瀏覽次數:

        一切由電子開始談起 。三極管工作原理 電子元件本來就是一項專精的電子物理學,利用材質以及結構上的特性,對電形成不同的反應。例如,利用兩片緊貼但不接觸的金屬 薄板,就可以形成電容;利用以硅為主的材質,經過適當的制程,就可以變成半導體如二極體、電晶體以及IC等;將銅線以絕緣漆封裝形成漆包線,將漆包線卷起來就形成電感、加入鐵芯則成為變壓器、并接在一起就是李玆線。還有其他諸多電子元件,其實都是架構在基礎物理現象上的精巧設計。
         一切由電子開始談起 。三極管工作原理 電子元件本來就是一項專精的電子物理學,利用材質以及結構上的特性,對電形成不同的反應。例如,利用兩片緊貼但不接觸的金屬 薄板,就可以形成電容;利用以硅為主的材質,經過適當的制程,就可以變成半導體如二極體、電晶體以及IC等;將銅線以絕緣漆封裝形成漆包線,將漆包線卷起來就形成電感、加入鐵芯則成為變壓器、并接在一起就是李玆線。還有其他諸多電子元件,其實都是架構在基礎物理現象上的精巧設計。
        電流與電子流動
        真空管當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行實驗的,它的發展與發明大王愛迪生有著一段故事。
        電流與電子流動的方向恰巧相反
        在此之前試問一個小問題:電路分析上“電流”的方向與實際上“電子”流動的方向是否相同?答案是否定的,電流與電子流的方向是恰巧相反的。過去的科學家無法觀察電子流動的方向,于是統一說法,將電池的某一極設定為正極,其電壓為正電壓,電流由正極流至負極而形成一個封閉的回路。由于大家統一說法與作法,因此多年來并沒有發生任何沖突之事,直到了近代科學家有了更精良的設備,觀察之后遂推翻了之前的說法:“原來電子是由電池的負端流出來的”?。〒Q言之,電子是從擴大機的喇叭負端流出,而從喇叭正端回流的)

        真空管愛迪生效應
        身為使用者并不需要在意何者為真,只要按照科學家的結論行事就可以了。說這一段就是因為當初愛迪生發明燈泡之后,發現他生產的燈泡燈絲老是從正極端燒斷,于是進一步實驗在燈泡中加入一塊小金屬板,點燈之后將金屬板連接電表,分別施以正電壓以及負電壓,觀察電流的情形。
        對于當時的科學而言,位于真空狀態下且不連接的金屬板,不論如何連接是不可能產生電流的,但怪事發生了,愛迪生發現某種物質(其實就是電子)會透過金屬板,會從電池的負極騰空“跳”到正極,此發現當然激起更大的實驗動機,此現象便稱為“愛迪生效應”。這也是科學家首次質疑電流流動的方向,以及自由電子在空間中流動的現象。
        真空管真空管的誕生
        金屬之所以能導電,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電性佳的材質制成。電子還有個特性,帶負電的電子容易受到正電
        真空管壓的吸引,所謂同性相斥、異性相吸。又從愛迪生效應中得知,當加熱金屬物質時,活躍于質子外圍的自由電子容易產生游離現象,溫度高導致電子活性增強,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?;谶@幾個當時已被了解的知識,佛來明(J.A. Fleming)于1904年制造出第一支二極真空管,德福雷斯特(De Forest Lee)將二極管加以改良,于1907年制造出第一支三極管,既然成功研發了三極管,真空管的應用開始實現,真空管的發展從此一日千里。
        真空管真空管編輯
        三極管是最基本的真空管
        二極管、三極管、五極管,從字面意義代表真空管內部基本“極”的數量。真空管擁有三個最基本的極,第一是“陰極”(Cathode,以K代表):陰極當然是陰性的,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),基本上它是真空管最外圍的金屬板,眼睛見到真空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,它負責吸引從陰極散發出來的電子(還記得嗎?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”(Grid,以G代表),從構造看來,它猶如一圈圈的細線圈,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。
        真空管光有三個極當然還不算完美,也因此后來的真空管不斷改進,在結構上也有了許多的改進之道,以配合不同的放大方式(如超線性接法等),但該部份的內容已經脫離本文,暫不詳述。
        真空管發展史編輯
        引擎運轉必須要有燃料,真空管的動作動力為電能。真空管的電極當中,最重要的應屬陰極,它負責將電子釋放出來,作為一切動作的基本。最早的真空管由于構造及理論簡單,直接將燈絲充當陰極使用,換句話說,當燈絲點亮時,由于燈絲溫度提高,電子就從燈絲釋放出來,經過柵極直奔屏極。這種真空管就叫做“直熱式真空管”,這次專題的主角300B,就是屬于這類型的真空管,相較于其他現代化的五極真空管,300B的構造簡單,性能好,輸出功率也低。
        真空管直熱式
        燈絲(Filament)可以使用不同的材質制成,由于直熱式三極管直接將燈絲當作陰極,因此燈絲的特性直接影響著直熱式真空管的性能?;旧?,真空管的燈絲主要可分成三種材質構成,第一
        直熱式真空管種當然是耐高溫的鎢絲。將純度高的鎢絲抽成細絲,卷繞成狀在真空管的最內層,通電之后即可發出溫度。但鎢絲必須加溫到兩千余度時,電子才能發散,因此以鎢絲制成燈絲的真空管點燃時,會發出光輝耀眼的亮度,同時溫度高得嚇人。別意外,不是真空管要燒掉了,而是它本如此!但將鎢絲點亮需要消耗較大的電力,唯一的優點是鎢絲甚為耐用,普遍運用于較大功率或長壽命的真空管上。筆者經常聽到人說:“那支真空管點起來那么亮,一定兩三下就掛點了”。其實并不然,在某些情況下這種真空管的壽命可達數萬小時,拿來當作家里的燈泡,既耐用又有裝飾的作用,一舉數得!
        另一種燈絲采用釷鎢合金,它只需將燈絲加溫至千余度即可工作,相較之下較省電力。最常使用的應為氧化堿土燈絲,它的作法是在燈絲外,涂上一層厚厚的氧化堿土,看起來接近白灰色的物質,它只需要加溫至約700度(看起來約暗紅色),即可獲得足量的電子,因此工作溫度最低、也最節省電力,一般而言只須供應6.3V左右的直流,就可以正常工作。
        直熱式真空管當然有它天生的優點,但卻有一個致命的缺點,那就是陰極容易受到燈絲的溫度而改變特性。當燈絲電壓變動時,或以交流電供應燈絲時,陰極呈現在不穩定的狀態下。因此有人主張直熱式真空管應采用直流供電,也有人強調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。筆者無意在此引起話題,反正各方堅持各有道理,只要聽起來沒問題,管子耐用好聽就行了。如果您有研究上的心得,筆者相當樂于接受。
        真空管傍熱式
        傍熱式真空管的穩定度較高
        為了解決直熱式真空管的燈絲問題,真空管設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,電子從金屬板散發出來,這種加熱方式就稱為“傍熱式真空管”。
        真空管進一步發展
        如此,真空管似乎就穩定許多了,由于金屬套筒的體積與儲熱量遠大于傳統的燈絲,因此即使燈絲暫時的溫度變動,甚至暫時幾秒鐘的停止加熱,金屬板的溫度變化也有限,這也就是為什么某些擴大機關機之后,它還能唱個十幾秒鐘的主要原因。既然陰極與燈絲獨立,陰極板必須由燈絲間接加熱,于是燈絲再度改成鎢絲材質,以求耐久性,并在鎢絲外層涂上一層白磁,一方面絕緣,另一方面也有定型的效果。由于間接加熱效果較差,陰極金屬板上會涂上釷、鋇或其他有利于電子發散的物質。也因此,真空管的金屬極板看起來總是灰黑色,不像正常的金屬板,也由于制作組裝時必須仰賴手工,因此金屬板上總會留下許多細小的
        真空管工作原理刮痕,用家購買真空管時不必意外擔心。

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