发明真空三极管

1906 年春天，美国纽约地方法院正在开庭审判一件离奇的案子。

被告人是一个面容憔悴的青年，名字叫福雷斯特。法官戴着庄严的黑礼帽，用手高高举起一个里面有金属网的玻璃泡，他宣称有人控告被告人用这种“莫名其妙的玩意儿”四处行骗。而这个青年竭力辩解说，这个玻璃泡是他的新发明，它可以把远在大西洋彼岸传来的微弱的电磁波加以放大。

这场官司持续的时间不长，却闹得满城风雨。无知的法官、好事的记者，谁都不会想到这个“莫名其妙的玩意儿”竟是本世纪的伟大发明之一，那个被告的青年后来竟会成为闻名世界的电子管发明家。

福雷斯特于 1873 年 8 月出生在美国的伊利诺斯州。他的父亲是位教师，曾经是一所黑人学校的校长。由于当时美国的种族歧视还很严重，人们看不起黑人，也看不起接近黑人的白人。福雷斯特一家常受人家冷遇与白眼，其父生性刚直，不让他与其他白人孩子一起玩。因此，福雷斯特的童年是在狭窄的天地里度过的，这使他的性格有些孤独和怪僻。他回忆起自己的童年时代曾说：“我上学的时候老被人当做‘蠢孩子’看待。那时，我虽然读了不少书，但对于实际的事情，一点也不懂。”

到了中学时代，他也没有显露出多少才华。用他自己的话说，是“学识既不丰富，也不善交际，而且文笔和口才又都那么笨拙。”总之，他是一个平平常常的少年。他的唯一爱好，是喜欢摆弄各种机器。他那时梦寐以求的，是当个机械技师。

1896 年，福雷斯特大学毕业。正在这时，马可尼在英国成功地进行无线电表演的消息传到了欧美大陆。有一天，福雷斯特从杂志上读到一篇介绍马可尼的文章，并附有马可尼的照片。照片上，马可尼端正地坐在实验台前，神情严肃，他的左边放着电磁波发射机，右边放着接收机。这篇文章给了福雷斯特很大的启发，他决定改变方向，研究无线电。

1899 年深秋，在美国举行盛大的国际快艇比赛。马可尼应邀来到美国，用他的无线电装置报道比赛实况。他在一艘船上，5 小时内向海岸无线电站拍发了 4000 多字的消息，消息再从陆上电台用电报线传给《纽约先驱论坛报》，能这样迅速及时的报道，尚属首次，令美国的新闻记者们惊叹不止。

马可尼在纽约期间，为了满足观众的好奇，又在岸上作了一次表演。福雷斯特早就盼望能亲眼看看马可尼的表演，所以闻讯后，天不亮就跑到码头上来等候了。等马可尼表演结束，福雷斯特拼命挤到前面，在收报机前面停下来，看了又看。他的不同寻常的神态引起了马可尼的注意，使福雷斯特有幸与马可尼相识。他就向马可尼请教无线电技术中的一些难题，马可尼都向他作了解答。他还谈起自己研究了几年都一无所获的苦恼，马可尼鼓励他说，也许是没有找到适当的研究课题。可马尼介绍自己的工作，正在努力提高接收机的灵敏度，其关键是革新现在用的金属屑检波器。但究竟应该怎么改，马可尼也没有成熟的意见。

总之，马可尼的这一席话给福雷斯特留下了非常深刻的印象，原来改进金属屑检波器，就是当时无线电研究中一个急待解决的重大课题。在回家的路上，福雷斯特兴奋地想着：说不定我能够完成这个使命。

这次观摩与谈话，对他后来的发明产生了深远的影响。

就在马可尼离开美国不到两个月，福雷斯特辞去研究所的工作，在纽约泰晤士街租了一间破旧的小屋，全心全意地研究改进检波器。由于辞去了工作，没有了正常的收入来源，他的生活很困难，他只好节衣缩食，买一些最简陋的器材做检测电波的试验。为了维持生活，他白天常常去给富家子弟补习功课，有时到饭店去洗碗、扫地。一到夜里，他就沉浸在发明创造的乐趣之中。

福雷斯特在坎坷的道路上探索了 1 年，但收获甚微，他的各种试验都失败了。可是，他并不灰心，继续进行试验。

1900 年一个隆冬的寒夜，福雷斯特又在灯下进行新的实验，屋里点的是煤气灯，实验装置也很粗糙。一个从旧货摊上买来的电键，两个自制的电瓶，再加上一个粗线圈，就构成了他的发射机。当他按动电键时，线圈就接通电源，发出火花，辐射出电磁波信号。在靠近他的另一端，有一个同电流计相连的金属屑检波器，就成了接收机。检波器里的金属屑，他已经换过好几种，但效果都不理想。

此时福雷斯特一面接着电键，一面观察检波器的反应，他突然注意到头顶上的灯光一明一暗地在闪烁。开始，他以为是窗外刮风引起的。但再仔细观察，发现灯光明暗变化却很有节奏，而且与电键开关有关，按动电键，线圈发出火花，煤气灯的火焰马上变暗；相反，松开电键，火焰立即变亮。

福雷斯特两眼盯着煤气灯，反复按着电键，观察火焰的变化，突然一个念头闪过：能不能利用这个现象来搞无线电检波呢？

经过 3 年的不断试验，他终于发明了一种“气体检波器”，并于 1903 年在舰船无线电通信中试用，获得了相当的成功。但是，用火焰来检测无线电波的方法虽然新奇，却并非上策，因为要在每台接收机里装上火焰装置，用起来显然很不方便，而且检测效率也不高。后来，福雷斯特放弃了这个方法。

虽然火焰检波的方法被放弃，但却成了福雷斯特通向成功的桥梁。他从火焰检波中得到启发，由此联想到：既然炽热的火焰能受电磁波影响，那么，炽热的灯丝是否也会有影响呢？因此他想到用“灯泡”来检测电磁波，由此找到了打开通向真理大门的金钥匙。

正当福雷斯特研究用真空管检波的时候，有个朋友带给他意外的消息：英国的弗莱明博士发明了真空二极管！他急不可待地把刊登发明真空二极管消息的杂志找来阅读，这使他十分激动与羡慕。弗莱明的二极管同金属屑检波器比起来，确实前进了一大步，但只能做检波用，不能放大。福雷斯特看到了这点，他想试一试，打算再改进一下。

于是他找到了一个灯泡厂技师帮忙，制作了几个真空管。其灯丝用白金丝，在灯丝附近又装了块金属屏。他把真空管装在无线电接收机上，代替老式的金属屑检波器，果然效果很好。然后他又在电子管里封进了第三个电极，这是一片不大的锡箔，位置在灯丝与屏极之间，初看起来，并无特殊之处，但是，正是这个不显眼的小电极，改变了无线电世界的面貌。他惊异地发现：在第三极上施加一个不大的信号，就可改变屏极电流的大小，而且变化规律

同所加的信号一致。他马上意识到，这表明第三个电极对屏极电流有控制作用。这个发现非同寻常，因为只要屏极电流的变化比信号的变化大，就意味着信号被放大了，而这正是许多发明家梦寐以求的目标。

但他并不急于公开他的发明，而是沉住气，毫不声张地继续进行试验。为了提高控制的灵敏度，他多次改变小锡箔在两极之间的位置，最后，他发现用金属丝代替小锡箔，效果最好，于是就用一根白金丝扭成网状，封装在灯丝和屏极之间，就这样世界上第一个真空三极管诞生了！由于控制极的形状像网栅，福雷斯特就把它称为“栅极”。它像一个非常非常灵敏的控制闸，按照施加信号的变化，有规律地改变着屏极电流的大小。由于屏极电流比栅极电流大得多，因此，微小电信号经过真空三极管就大了许多倍。

像科技史上的许多发明一样，真空三极管获得社会承认，也经历了许多曲折。

福雷斯特发明三极管后，因没有钱进一步做试验，就只好带着自己的发明去找几家大公司，想说服那些老板给他资助。由于他不修边幅，穿得破破烂烂，连走两家公司，结果连大门都不让他进，因为门卫怀疑他是个行为不轨的人。

当他来到第三家公司时，也把他当做流浪汉，不准他进去。任凭他怎么解释，也无济于事。门卫甚至怀疑他是个江湖骗子，就去报告了经理。这个经理也是一个势利小人，不容分说，竟叫来了几个彪形大汉把他扭送到警察局。

几天后，法院就开庭审判，这就出现了本文开头所叙述的那个场面。福雷斯特开始被控告是“公开行骗”，接着又告他“私设电台”。但他并不畏惧，相反，他机智地利用法庭这个公开的讲坛，大力宣传自己的发明。他充满信心地说：“历史必将证明，我发明了空中帝国的王冠。”福雷斯特说的“空中帝国”就是指无线电；“王冠”指的是真空三极管。

经过他的申辩与斗争，他终于胜利了，法院无证据定他罪，最后宣判他无罪释放。这场官司倒使他出了名。1906 年 6 月 26 日，他发明的真空三极管获得了美国专利，后人把这一天当作真空三极管的诞生日。

福雷斯特首先把三极管用在无线电接收屏极检波电路中，使通信距离大大增加。不久，三极管又被用在电话增音机上，解决了贝尔电话公司当时正在设计的美国长途电话的关键问题。开始时由于真空度不够，管子寿命不长。到了 1910 年，德国科学家发明了分子泵，可以把三极管的真空度抽得很

高，使用寿命大大提高，因此三极管很快大批量生产，广泛应用。到 1918 年，各种类型的无线电收发报机和电子设备都普遍采用了三极管。

总之，三极管使无线电发生了根本的变革，日本的一位科技传记作家指出：“真空三极管的发明，像升起了一颗信号弹，使全世界科学家都争先恐后地朝这个方向去研究。因此，在一个不长的时期里，电子器件获得了惊人的发展。”从三极管发展到四极管、五极管、七极管、大功率发射管等，形成了一个庞大的电子器件家族。

真空电子管的出现是电子科学技术史上一件划时代的大事，它不仅推动了无线电技术的迅猛发展，并奠定了近代电子工业的基础。正是有了电子管，在短短的 20 年里，远程无线电通信、无线电话、收音机、广播、电视、高频加热炉等才像雨后春笋般涌现出来，世界上第一台电子计算机也才能够制造出来。