Джон Амброуз Флеминг создает вакуумный диод

Задача

К 1904 году беспроволочный телеграф существовал уже десятилетие. Маркони передал сигнал через Атлантику в декабре 1901 года, флоты обзаводились радиостанциями, шли первые коммерческие передачи.

Слабым местом оставался прием.

Передатчик того времени представлял собой искровой разрядник: разряд создавал затухающий цуг высокочастотных колебаний, который излучался антенной. На приемной стороне эти колебания наводили в антенне переменный ток частотой в сотни тысяч колебаний в секунду. Ни телефон, ни гальванометр, ни телеграфный аппарат такой ток воспринять не могли: стрелка не успевала двигаться, мембрана не колебалась. Требовалось преобразовать переменный ток в постоянный - то есть выпрямить его.

Существовавшие средства были негодными.

Когерер, разработанный Эдуаром Бранли и усовершенствованный Оливером Лоджем, представлял собой трубку с металлическими опилками, которые под действием радиоволны слипались и резко снижали сопротивление. Прибор работал, но после каждого сигнала опилки приходилось встряхивать особым молоточком, чтобы вернуть их в исходное состояние. Чувствительность зависела от влажности, наклона трубки и множества случайностей; скорость приема была ничтожной.

Магнитный детектор Маркони 1902 года был надежнее, но громоздок и также механичен.

Кристаллические детекторы - прикосновение тонкой проволочки к кристаллу галенита или карборунда - появлялись в те же годы и выпрямляли ток хорошо, но точку контакта приходилось искать вручную и она постоянно сбивалась.

Нужен был прибор без движущихся частей, работающий устойчиво и непрерывно.

Флеминг

Джон Амброуз Флеминг родился 29 ноября 1849 года в Ланкастере, старшим из семи детей священника конгрегационалистской церкви. Семья была небогатой, и образование давалось ему урывками: он работал и учился попеременно.

В 1870 году он получил степень в Университетском колледже Лондона, преподавал в школах, а в 1877 году поступил в Кембридж, где занимался в Кавендишской лаборатории под руководством Джеймса Клерка Максвелла. Флеминг относился к последним ученикам Максвелла и впоследствии вспоминал, что на лекциях великого физика сидело по два-три человека: читал тот неясно и слушателей не привлекал.

В 1885 году Флеминг занял кафедру электротехники в Университетском колледже - первую такую кафедру в Англии - и оставался на ней сорок один год.

Он был в равной мере ученым и инженером-консультантом. С 1882 года он работал на лондонское отделение компании Эдисона, с 1899 года - на компанию Маркони. Именно Флеминг спроектировал передатчик станции в Полду, с которой в декабре 1901 года был послан сигнал через Атлантику; в позднейших изложениях его участие часто опускали, что его задевало.

Студентам он известен другим: правила левой и правой руки, связывающие направления тока, поля и движения в электродвигателе и генераторе, придуманы им как мнемонический прием для лекций.

Эффект Эдисона

Все необходимое для изобретения существовало задолго до 1904 года и лежало без применения.

В 1880-1883 годах сотрудники Эдисона, разбираясь с неприятным свойством ламп накаливания - потемнением колбы изнутри, - ввели в лампу дополнительный металлический электрод, не соединенный с нитью. Обнаружилось, что между раскаленной нитью и этой пластиной течет ток, причем только в одну сторону: когда пластина заряжена положительно.

Явление назвали эффектом Эдисона. Объяснить его не могли: электрон еще не был открыт, и никто не понимал, что переносит заряд через пустоту. Эдисон запатентовал в 1884 году применение эффекта для измерения напряжения и потерял к нему интерес.

Флеминг, работавший консультантом эдисоновской компании, занимался этим эффектом на протяжении 1880-х годов, поставил серию опытов и опубликовал о них работы. Он установил закономерности - в частности, что ток зависит от температуры нити и что обратного тока не возникает, - но практического применения тогда не видел.

В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон, и в течение нескольких лет механизм прояснился: раскаленный металл испускает электроны, положительно заряженная пластина их притягивает и ток идет; при обратной полярности испускать электроны холодной пластине нечем, и ток не идет. Явление получило название термоэлектронной эмиссии.

Таким образом к 1904 году существовали: прибор с односторонней проводимостью, объяснение его работы и практическая задача, требовавшая ровно такого прибора. Не хватало человека, который сопоставил бы три эти вещи.

16 ноября 1904 года

Флеминг сам описывал момент как внезапный. Размышляя над задачей выпрямления, он вспомнил о собственных опытах двадцатилетней давности и сообразил, что лампа с добавочным электродом пропускает ток только в одну сторону независимо от частоты - значит, она выпрямит и высокочастотные колебания.

Он поручил лаборанту достать из шкафа старые экспериментальные лампы и собрал схему: лампа включалась между антенной и телефоном или гальванометром.

Опыт, поставленный 16 ноября 1904 года, подтвердил расчет. Прибор выпрямлял принятые колебания устойчиво, без встряхивания, без подбора точки контакта, без каких-либо механических действий вообще.

В тот же день была подана британская патентная заявка.

Клапан

Название Флеминг выбрал по аналогии: прибор пропускает ток в одну сторону и не пропускает в другую подобно обратному клапану в водопроводе.

Слово прижилось настолько, что в британском английском электронные лампы называются клапанами - valves - по сей день, тогда как в американском употреблении закрепилось слово tube.

Устройство было простым: стеклянный баллон с откачанным воздухом, внутри нить накала, служащая катодом, и охватывающий ее металлический цилиндр или пластина - анод.

Преимущества перед когерером были очевидны: отсутствие движущихся частей и, следовательно, износа и сбоев, работа на любых частотах, устойчивость, возможность непрерывного приема на слух.

Недостаток был один, но существенный: прибор ничего не усиливал. Он преобразовывал сигнал, но не делал его сильнее, и слабые сигналы оставались слабыми.

Триод

Недостающее добавил через два года американец Ли де Форест.

В 1906-1907 годах он поместил между нитью и анодом третий электрод - проволочную сетку. Небольшое изменение напряжения на сетке сильно меняло поток электронов от катода к аноду, и слабый сигнал, поданный на сетку, воспроизводился на выходе в многократно усиленном виде.

Прибор получил название аудион, а затем триод. Сам де Форест поначалу не понимал, как он работает, и считал, что дело в остатках газа в колбе; правильное объяснение дали позже другие.

Именно триод превратил открытие Флеминга в основу отрасли. Усилитель позволил принимать слабые сигналы, а введение обратной связи - генерировать незатухающие колебания, то есть строить передатчики без искрового разряда. Отсюда выросли радиовещание, междугородная телефония, звукозапись, телевидение, радиолокация.

Тяжбы

Патентная история оказалась долгой и запутанной.

Компания Маркони, которой принадлежали права на патент Флеминга, судилась с де Форестом, доказывая, что аудион представляет собой клапан Флеминга с добавленной деталью. Де Форест возражал, что его прибор основан на ином принципе.

Американские суды приходили к неудобному для обеих сторон выводу: аудион нарушал патент Флеминга, а усовершенствования Флеминга нарушали патент де Фореста. В результате ни одна сторона не могла выпускать полноценные лампы без разрешения другой, и отрасль оказалась заблокирована - положение разрешилось только под давлением военных нужд в годы Первой мировой войны.

В дальнейшем патент Флеминга был признан американскими судами недействительным - по процессуальным основаниям, связанным с формулировками притязаний и запоздалым внесением уточнений. Окончательное решение по связанному кругу дел вынес Верховный суд США в 1943 году, за два года до смерти изобретателя.

Историки техники обычно отмечают, что судебные решения касались юридической стороны, а не научного приоритета: Флеминг действительно первым применил термоэлектронную эмиссию для выпрямления радиосигнала.

Что из этого выросло

Электронная лампа определила технику на пятьдесят лет.

В 1915 году усилители на лампах позволили провести первый трансконтинентальный телефонный разговор через территорию США - без них сигнал затухал бы на тысяче километров. В 1920-е годы началось радиовещание. В 1930-е появились телевидение и радиолокация; британская система радарного обнаружения, сыгравшая решающую роль в воздушной битве за Британию, строилась на лампах.

Первые электронные вычислительные машины были ламповыми: американский ENIAC, введенный в строй в 1945 году, содержал около 17,5 тысячи ламп, потреблял мощность небольшого завода и требовал постоянной замены перегоравших элементов.

Смена эпох произошла в декабре 1947 года, когда Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли в лабораториях Белла получили усиление на точечном полупроводниковом приборе - транзисторе. За полтора десятилетия он вытеснил лампу почти отовсюду.

Любопытно, что полупроводниковое выпрямление было известно раньше ламп: Фердинанд Браун описал одностороннюю проводимость контакта металла с кристаллом еще в 1874 году, а детекторные приемники с кристаллом и проволочкой работали параллельно с ламповыми и были дешевле. Но управлять током в кристалле тогда не умели, и путь пошел через вакуум.

Лампы полностью не исчезли: они сохранились в мощных радиопередатчиках, в магнетронах микроволновых печей и в звукоусилительной аппаратуре, где их характер искажений ценится музыкантами.

Флеминг после

Флеминг преподавал до 1926 года, был возведен в рыцарское достоинство в 1929 году и получил ряд высших научных наград, включая медаль Фарадея.

Была у него и сторона, о которой в технических изложениях обычно не упоминают. Человек глубоко религиозный, сын священника, он выступал с лекциями и статьями против теории эволюции и в 1932 году стал одним из основателей и первым президентом Движения протеста против эволюции - организации, отстаивавшей буквальное понимание библейского рассказа о творении. Сочетание передового инженера и убежденного противника дарвинизма в одном лице было и тогда редкостью.

Он был дважды женат: первая жена умерла в 1917 году, вторым браком в 1928 году, будучи семидесяти восьми лет, он женился на певице, бывшей моложе его на сорок четыре года. Детей у него не было. К старости он почти полностью потерял слух.

Джон Амброуз Флеминг умер 18 апреля 1945 года в Сидмуте в графстве Девон, в возрасте 95 лет - не дожив двух с половиной лет до появления транзистора, положившего конец эпохе, которую он открыл.