第八章 探索电子的奥秘
爱迪生由于从事研究活动并把发明用于实际工作，所以时常观察到一些从属的、然而在科技上都很重要的现象和作用，被称作“爱迪生效应”的热电子发射现象，就是属于这些从属的发现之列。爱迪生一碰到这些现象后，就不再是作为一个普通的观察者开始研究它，而是力求查明它产生的条件，和可以用之于实际的某些途径。爱迪生是第一个观察到了热电子发射现象的人，确切地说，他是在科学上连电子这一概念还没有产生的时候就观察到了这种现象的人。后来各国的科学家和学者，则需要花费30年时间去弄清楚爱迪生效应的物理性质，开始对爱迪生效应进行运用。以后紧接着的才是深入探索电子现象的奥秘，并寻求在科技方面能加以广泛利用的可能性。在爱迪生观察到这种现象之前，任何人都还没有想像出，电会脱离奴隶般地依附于导体的状态而独立存在。爱迪生的试验表明，在一定的条件下即使没有导线，电也能以近似光速的速度运动。
一
电子管是对爱迪生效应进行研究工作的直接结果，它的应用极为广泛。现在，即在20世纪的后50年，可以更正确和充分地评价爱迪生效应的重要性。现代科学的得力的手段——无线电，是以电子仪器为基础的。如果没有电子管的广泛的应用，大量自动装置和遥控自动装置、电视装置、计算机、各种控制仪器是不可想像的。电子管是对发展人类社会生产力具有革命影响的主要技术因素之一。电子管得到广泛应用，是因为它有着非常良好的性能。我们要指出的是，电流本身通过电子管会发生很大的变化：电子管的作用不取决于电流的频率特性，因为电子管能准确地控制电流并不断地使电流的特性发生变化；虽然绝大多数用来使电流发生变化的其他仪器也在逐步地实现着这一功能。电子运动本身及其速度，能够通过改变电子管内各电极上的电势加以调整。电子管可以是电流放大器和电流检波器，而在一定的条件下可以成为高频振荡器。但所有这一切，在上一世纪80年代头5年甚至没有人设想过，气体放电的物理学知识很少。但爱迪生当时已制造出了世界上第一个仪器（他叫作“电气指示器”），该仪器的作用是以电子发射效应为基础的。
是什么东西使爱迪生有这一发现的呢？
爱迪生在1879年末，基本上结束了制造强阻抗炭丝真空白炽灯的研究工作。这种白炽灯在实验室的条件下进行了全面试验，并已准备生产一批白炽灯进行试用，这是为了查出它在使用时出现的缺点并加以克服，以保障在大范围内推广电照明。组织大规模生产白炽灯的问题提到日程上来了。需要最后完成对整个电照明系统的深入研究，创造出最简单而又最适用的条件，保证电照明装置能正常地工作。对门罗园工厂最初生产的几批供试验用的白炽灯，通过试验表明，白炽灯的缺点并没有都被发现而加以克服。在对白炽灯整个使用期限内进行观察的结果有一个缺点引起了爱迪生的特别注意即灯泡玻璃表面变黑的现象。变黑现象在所有的白炽灯中，都毫无例外地出现，而且白炽灯使用时间愈长，变黑的程度就愈明显。当时生产的是光度小的10～16支烛光的白炽灯。灯泡变黑就损失了将近百分之五十的光通量，这些白炽灯的光线变得很暗淡。把消耗的能量变换成光能的经济效益降低了，因此电照明的价格提高了。白炽灯的有效寿命缩短了。无论是爱迪生，还是其他炭丝白炽灯设计家，都没有消除玻璃灯泡变黑的问题。对白炽灯生产工艺进行改进和提高炭丝质量，也都只能减缓而不能消除这种现象。直到改用钨丝和充气（1908年—1913年），才几乎完全消除了这一缺点。
二
爱迪生多次觉察到，在抽去灯泡里的气体时，如果电流通过灯丝，真空灯泡里就产生出淡蓝色的辉光。这种效应以前彼得罗夫、法拉第就曾经观察过。这是一种在极稀薄的空气中放电的现象。这种辉光在以前研究静电时就曾注意到。爱迪生正确地解决了真空灯泡中产生放电的现象。但当时还不清楚的是，是否可以把灯泡变黑和放电作用联系起来。其实，在当时某些有关电的书籍中，已经提到过一些想法，一看就能帮助确定灯泡发黑原因。例如，法国电学研究家杜费，几乎在爱迪生进行观察的两个世纪前就已弄清了下列事实：与烧红的金属相接触的空气，就具有散发电荷的特殊性能。18世纪的其他科学家也曾指出过类似的事实。所有这一切，都使爱迪生作了如下推测：灯泡内壁的沉积物，是脱离了炽热灯丝的炭尘的带电粒子散发的结果。必须更深入地研究这种现象。在比较细心的考察中发现，粒子并不是均匀地沉积在灯泡壁上的；经常可以看到有一个窄狭的小带状区，它比灯泡的其他变黑的部分轻得多。这一仿佛是一种“白影子”的东西，通常都和弯曲成U形的灯丝的两根支路在灯泡的同一个平面上。结果仿佛一根灯丝支路屏蔽了另一根支路。在所有的情况下，总是造成光带区的那一根灯丝支路与直流电源的正极连在一起。
由这种观察可以作出下列结论：炭粒子不是散发，而是直线式地从灯丝的负极支路那里脱开。这样一种假设是完全合乎情理的，即从带电体表面脱离开来的最小微粒，其本身就带有电荷。认为只要往灯泡里引入一个附加电极，即一个带正电荷的或与直流电路的正极连接在一起的电极，这些带电的炭粒子就要离开直线路径而被附加电极所吸引，这也是合乎逻辑的。爱迪生也开始了这样的试验。已公布的爱迪生在实验室的记录中可以看出，早在1880年初就已开始准备进行这些试验，并设计出了有附加电极的灯泡。1961年出版的柳易斯的著作中，就引用了从实验室记事簿中复印下来的一页，这一页上有注着1880年2月13日的“第一次试验”的草图；根据这一任务，应当由实验室的一名叫奇·巴切勒的助手制造出必需的灯泡。因为爱迪生实验室和工厂总是不打折扣地并且在最短期限内制出那些试验用的灯泡的，所以怀疑这样的灯泡是否已经制造了出来是没有根据的。根据爱迪生亲手写的这个定做单，必须制造出有小马蹄形炭质灯丝的灯，在这种灯丝上空应当接入一根穿过灯泡玻璃的金属线（显然是铂丝）；这一金属线的外端能被连接到直流电源的正极上。实际上这个灯泡是二极电子管的雏形。所以就有理由认为，早在1880年爱迪生就已很接近于制造电子管了。当时爱迪生是否已开始自己的试验，我们还不能确切知道。但可以推知，这时爱迪生有着大量的刻不容缓的工作要做，所以他就不能对被称之为“爱迪生效应”的研究予以必要的注意。当时要筹备参加预定1881年夏季开幕的巴黎电气博览会，应当安排好灯泡的大批生产。需要把珍珠街总电站建造成，并为总电站制造机器和其他的电气设备。此外，爱迪生在1880年还在深入研究矿石磁选法。他在门罗园铺设第一条试验性客运电气化铁路，在纽约建立一些生产电气产品的工厂。爱迪生在这些年提出了大量要求颁发专利特许证的申请书。爱迪生单是在1882年一年就在美国获得了141份专利特许证，也就是说大约每两天半就获得一份专利特许证！
因此，1879年至1882年，是爱迪生工作特别积极的时期。有些研究工作不得不暂时拖下来。与爱迪生效应有关的一些试验就被放到了次要地位。不久，他就转而研究白炽灯变黑的问题。美国电子学专家乌·怀特由于获得能参阅爱迪生实验室技术档案的某些材料的机会，于1943年发表了有关爱迪生效应发现的技术史略。他所利用的材料和文献表明，爱迪生在1882年年中，才得以重新回到这一研究工作上来。1882年6月5日，爱迪生恢复按照他绘制的草图制出的灯泡的试验，这些草图是他为研究灯泡变黑现象的特点而绘制的。这种灯应有一个附加电极，该电极的安装要能阻止带电粒子的转移。这个电极被焊在灯泡圆顶里弯曲的灯丝的上空。可以肯定，爱迪生曾对根据这一草图制造的灯泡进行了一系列的试验。爱迪生所签署的、1883年3月8日所进行多次试验的灯泡草图被保存了下来。草图上写的应是制造这些灯泡的那些助手（约翰·弗·奥特和马尔京·恩·福尔斯）的姓名的缩写字母。草图上是一个这样的灯泡，它的附加电极，是一个安装在灯丝两个支路间的平面上呈椭圆形的极板。1883年3月10日随之又有了新的定做单：用各种导电材料（炭、铝、锌、锡、铅、镁、铂、铜、银、磷青铜、巴氏合金、镍、金）制造引入灯泡里供试验用的极板。在定做单原本上面的一些十字记号证明，都已完成了。
三
那些有机会能接触爱迪生实验室文献的人，还没有确定爱迪生第一次发现电流经过真空由灯丝给附加电极的确切日期。但可以认定，此事发生在1883年上半年。灯泡变黑没有因为有了附加电极而减轻，但在把附加电极接到直流电路的正极上的时候，发现了电流经过真空由灯丝传给附加电极的现象。乌·怀特在上述的论文中援引了未发表的涉及到后期试验的爱迪生的记录。
“供演示直流电穿过高度真空空间的传导性能的仪器”。这是我的新发现。仪器是由通常的白炽灯组成，而这只灯在其真空空间有一根不与灯丝接触的铂丝穿过了灯泡的玻璃。在这根铂丝的一端焊有一根铜线，而这根铜线正好是为了从外面与电源连接在一起而焊到灯丝的两个支路上的那一根。如果把这根电线接到电流计的一个端子上，而把另一个端子与正极支路联连起来，当灯泡灯丝的发光度没有达到相应于10支烛光的强度前电流计指针就不会偏转，而在达到13支烛光时就会出现轻微的和缓慢的偏转，而如果热度继续提高，指针的偏转就会增长得非常快。在使用25支烛光的条件下就有很大的电流流经电流计，这种电流足以供给200英里长的电报线路的用电（在把灯泡里的空气抽到一个大气压的百万分之一的条件下），在这种情况下电流在真空中应当能通过至少有半英寸的断线处。
电流在某些条件下，能在真空空中通过电路中的断线处的事实本身，对于所有的人来说是出乎意外的和无法解释的。所以，在真空空间中，电流是能够从带有负电的灯丝传给带有正电荷的附加电极，而灯丝和电极中间并没有直接接触。其实，爱迪生没有进行更多的试验，也未能科学地论证这一现象。诚然，许多年以后，即在1922年，爱迪生曾叙述了他是怎样想像效应实质的：我的理论是，当残余气体与灯丝发生接触后，残余的气体和部分灯丝本身都带了电，为玻璃所吸引并放出电来。因为极性仍不变，所以我就认为，由此就应得到直流电，然后再把附加电极引入里面来放大电流，这种作法正是在我用一块贴在灯泡外壁的锡箔进行第一次试验时所采用的。这就使电流计产生相当大的误差。指针甚至跑到刻度外了。当极板和金属线被引入灯泡内，作用就剧烈增长，所以在费拉德尔菲亚博览会上我就把非常好使的电报发声器接到电路上。当时我为推广使用我的电照明系统做了过多的工作，所以我也没有时间来继续进行我的试验。1883年以后，爱迪生没有再继续进行这方面的试验，而着手研究怎样把这种现象加以实际应用。爱迪生在试验过程中，发现装有附加电极的灯泡有一个非常重要的特性：在灯丝用来工作的电压发生变化的条件下，电流计电路中的电流强度就发生很大的波动，即用现代术语来说，电子发射在明显地发生变化。爱迪生已打算把这种仪器，当作高灵敏度的电压变化指示器来用。1883年11月15日，爱迪生递交了登记“电气指示器”专利申请。1884年10月21日给他颁发了专利特许证，号码是第307031号（见插图）。这个仪器的用途，是调整发电机的转速。这个仪器没有得到推广，但也并没有被人们彻底忘掉：在第一次世界大战期间，爱迪生所提出的原理被用来调整飞机上无线电设备中的发电机电压。
四
在爱迪生获得第307031号专利特许证前不久，世界电工技术博览会（1884年9月2日）在费拉德尔菲亚开幕了。爱迪生在这次博览会上不仅展览了电气指示器，并且演示了它的作用。爱迪生也演示了有附加电极的灯泡。他把非常好使的电报发声器接入电流计电路。所有这一切都证明，虽然爱迪生没有继续研究他所发现的效应，但他还是使它具有了非常重要的作用。英国邮电部总工程师威廉·普里斯参观了博览会后，对电气指示器给予极大的注意。根据他的请求，爱迪生实验室制造了几个这样的灯泡，用它们在伦敦进行一些试验。1885年初，在皇家学会会议上报告了这些试验的结果，并进行了登记。普里斯对爱迪生的“这种现象不仅从科学的观点来看令人感兴趣，而且从实践的观点来看也令人感兴趣”的设想深表怀疑。
稍微早一些时候，即1884年10月，埃德文·胡斯顿教授在美国电气工程师学会上作了关于爱迪生效应的报告，报告随即就发表了。这是世界技术书籍中第一篇论述爱迪生效应的论文，换言之，是整个电子学方面的第一篇论文。胡斯顿所持的观点与普里斯不同，并从这一现象中看到了新思想的起源。在1885年至1903年期间，对爱迪生效应的研究暂时处于沉寂状态。爱迪生本人由于忙于研究其他问题而对热电子发射的研究兴趣显著减低了。只有约翰·阿布罗乌兹·弗莱明在这时对爱迪生效应进行了试验，试验结果发表于1896年。在这个时期，发现了电子的存在，1891年使用了“电子”这个术语。当时已经弄明白，爱迪生效应不是别的，而是一种从炽热灯丝上发射出电子的现象。1903年奥·理查森发表了自己对电流通过真空的研究结果。这一研究有助于扩大爱迪生效应方面的知识，并引起了各国科学家的很大兴趣。它成了弗莱明以后在气体放电的物理学和技术方面进行研究的出发点。
1904年弗莱明发现，有附加电极的爱迪生灯泡里的电流只能朝一个方向流动。弗莱明当时是马尔科尼公司的研究员，研究电波的显现问题。在此以前金属屑检波器和其他灵敏度比较差的仪器，被当作检波器来用。弗莱明的头脑中产生了一个难能可贵的想法，这就是要把有附加电极的爱迪生灯泡，当作高频振荡整流器（检波器）来用。他使用的灯泡的形状与爱迪生灯泡的形状略有不同，灯泡叫做“弗莱明二极管”或“弗莱明整流管”。弗莱明二极电子管是在1905年登记的，但最初没有得到广泛采用。20世纪的头10年的特点，是对无线电报学的兴趣有很大的增长。弗莱明把二极管用于检波的想法，被美国工程师利·德福雷斯特加以发展（1906年）。利·德福雷斯特在弗莱明的整流管上增加了第三个电极（即栅极）。获得“三极管”这一名称的三极管就这样诞生了。三极管不仅对高频振荡进行检波，而且也成了弱小振荡的放大器。不久就弄清了，三极管也能作为等幅振荡发生器来用。无线电技术发展新阶段开始了，而这个新阶段是与以爱迪生效应为渊源的电子学有着密切关系。
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