Category Archives: 電的旅程

「第八章：收音機」

        ＜1904年聖誕夜 ( 2 )＞……續上

        在1904年，費生登得到了一個匹茲堡財團的投資，設立了一家新的無線電報公司，和馬可尼公司競爭。除了平常的電報業務之外，費生登把大部分精力放在有聲無線電的研究上。他向GE訂購了一部特別設計的超高速交流發電機，可發出5萬瓦特功率的無線電波，而且頻率可達9萬赫茲，雖然嫌低，但勉強可作載波之用。他再用改良的碳紐麥克風，把聲波訊號用來調變載波的強度，並用鎮流管製造了專門的接收器（收音機），安置在海軍船艦及往返中美洲的運水果貨船上。

        在1904年的聖誕前夕，費生登做出了歷史上第一次無線電廣播。他預祝大家聖誕平安，然後用留聲機播放了韓德爾（Handel）的聖樂《最緩板》（Largo），最後自己拉奏小提琴，表演了一曲《Oh Holy Night》。他的廣播在320公里外的維吉尼亞州海域也可收到。可惜費生登不懂促銷之道，這個消息沒有受到新聞界或大眾的注意，他仍是沒沒無聞。費生登示範了無線電廣播概念的可行性，可惜需要的元件技術還沒有成熟，用來產生載波的高速交流發電機是一個龐然巨物，後來只有海軍買了幾台，裝在軍艦上供長距離通訊之用。真正實用的持續性載波技術，仍是一個沒有解決的難題。費生登來得太早了。……(完)

「第八章：收音機」

        ＜1904年聖誕夜 ( 1 )＞

        先來講一講費生登（Reginald Fessenden）。他是加拿大人，出生於1866年，從小就喜愛電磁學，大學畢業後加入了愛迪生公司，深受愛迪生賞識。他一直醉心於用無線電波來傳送聲音的技術，但愛迪生對於這個想法並不支持，覺得技術上行不通。後來費生登離開了愛迪生，他曾幫西屋電氣繼續改良交流電技術，又先後加入兩間大學，過著教授生涯，後來還去國家氣象局負責訊息發佈的部門工作了幾年。不過無論人在那裡，他的心一直在思考用無線電波傳播聲音的辦法。

        費生登瞭解到，要把聲音用無線電傳播，技術上最重要的是需要一個持續而穩定的無線電波源，用來做「載波」（carrier wave），而這載波必須有高而純的頻率。有了載波，他可以把聲波訊號搭在高頻的載波上（稱為「調變」）。接收器收到載波訊號的強弱變化，就代表了聲音。為了長距離傳播的需要，載波必須有很高的功率，同時接收器必須有高度的靈敏度。費生登雖有準確的全套系統概念，但當時二極管及三極管都還沒有發明，人們所用的還是馬可尼的「火花間隙」電磁波源，無法承擔載波的要求。

        憑著對交流電的心得，費生登想到了用超高速轉動的「交流發電機」（alternator）做為載波的電源。交流發電機的電流是持續性的，功率高且頻率純。唯一的弱點是頻率不夠高，因為用機械旋轉方法產生的電磁振盪，速度是有限的。在接收方面，費生登研發了一個比當時普遍應用的金屬屑檢波器更靈敏的接收器，名為「鎮流管」（barreter），原理是測量吸收無線電波能量後，元件溫度的微量增高而導致的電阻變化。…… (待續)

「第八章：收音機」

        馬克士威在1873年預測無線電波的存在，1888年赫茲成功的產生及測示了無線電波。俄國的波波夫、印度的波賽、英國的洛奇、美國的特斯拉等人都步赫茲後塵，紛紛介入了無線電的研究及應用。意大利的馬可尼利用赫茲的基本技術，再加上他的魄力及生意天才，發展了無線電報工業，覆蓋全球。馬可尼無線電報的技術很簡單粗糙，基本上只能收發脈衝式的無線電波來代表摩斯密碼，只是一團混雜不純的電磁波能量而已。怎樣才能像電話一樣把聲音用無線電波傳送呢？要解決這個難題，歷史上有四個人貢獻最大，就是費生登、德福雷斯特、阿姆斯壯與沙諾夫。上一章已經講過德福雷斯特發明三極管的歷程，現在來述說一下另外三人的事蹟。

「第七章：控制電子的基本工具」

＜三極管與長途電話 ( 2 )＞……續上

在技術發展上，費爾重組並擴充了西電的技術部門，成為貝爾實驗室（Bell Laboratories）的前身。當時首先要研究將電話訊號傳播的距離延長，1900年（費爾返職之前）AT&T花了50萬美元的天價，買下哥倫比亞大學教授浦品（Mihajlo Idvorski Pupin）的發明，這個技術名為「加感線圈」（loading coil），原理是用法拉第的電磁感應效果來增加訊號強度。有了加感線圈，AT&T勉強把長途電話線從紐約一直延伸到了丹佛市，可是再向西就不行了，電磁感應技術基本上已到了盡頭。

費爾的策略是建設一條從美國東岸一直到西岸的長途電話線，然後讓獨立公司也可用此線路，不過在使用的條款上，各獨立公司慢慢多變成「不獨立」了。所以在技術上解決橫跨北美大陸電話線的需求，是費爾策略的重中之重。在找尋新技術的過程中，西電技術人員留意到了德福雷斯特的三極管，有潛力可解決長途電話訊號放大的技術瓶頸。在1912年德福雷斯特因經費不足，再沒有能力發展三極管，結果他以5萬美金把專利權轉讓給了AT&T。在往後的一年多，AT&T放入了巨額投資，建立了最好的技術團隊，在很短時間內提升了三極管技術，使功能及可靠度都達到了實用階段。

有了三極管技術，AT&T發展了適用於電話通訊的高效率、低噪音放大器，性能遠遠超過了加感線圈。在1914年，AT&T用這技術建成了從紐約到舊金山橫貫北美大陸的長途電話線。在通話儀式上，費爾請來了年邁的貝爾及他的老搭檔華生。貝爾在紐約、而華生在舊金山，在過了三十八年後兩人再度通話，不過這次兩人間的距離分隔東西兩岸。通話儀式上冠蓋雲集，出席者包括當時美國最有權勢的投資者摩根與洛克菲勒。

有了AT&T的投資及技術開發，三極管技術快速成熟。1913年，大規模生產的三極管在市場上已可以買到。很多人開始研究把三極管應用在新的電路設計中，在這方面最傑出的人才叫阿姆斯壯（Edwin Armstrong），他的貢獻把我們帶進了一個新的應用領域。……(完)

「第七章：控制電子的基本工具」

＜三極管與長途電話 ( 1 )＞

1876年貝爾取得了電話專利權後，次年胡伯特即決定自己組織公司來發展電話事業。他聘請了當時只有三十二歲的年輕創業家及管理奇才費爾來當總經理。憑著費爾的能力，貝爾電話公司生意蒸蒸日上，很快成為美國工業界的新星。到了1889年，AT&T電話公司及附屬的區域性貝爾電話公司，營業總額已躋身一流企業，但費爾在公司中受波士頓幫大股東們的排擠，他決定辭去職務，離開公司。

費爾走後，AT&T專圖短利，經營不善，加上貝爾的電話專利權到1894年期滿後，開了很多獨立的電話公司，最高峰時期達到24,000家。他們都充滿活力，富於創新，發明了不少重要的技術，包括電話自動轉換器，不停蠶食著AT&T的生意。從1905年開始，AT&T已出現虧損，同時國會又啟動聽證程序，要將AT&T國有化。

這時，以摩根為首的紐約財團在1907年取得了董事會控制權。摩根第一件做的事，就是請回已離開AT&T十八年的費爾。費爾回來後決定了兩個方向：一是大力發展AT&T的技術優勢及提高顧客服務品質，來抵抗獨立電話公司的挑戰；其次是說服國會，為了保障電話的服務品質，全國需要有統一的標準及管理，所以讓AT&T有「良性的壟斷」並非壞事。他也接受政府的各種規範。這兩個基本策略，再次奠定了AT&T往後七十年對電話業的壟斷。…… (待續)

「第七章：控制電子的基本工具」

＜神奇的第三極 ( 2 )＞……(續上)

當時德福雷斯特並不懂三極管的原理，他以為這個現象是真空管中殘餘氣體離子化的結果（audion裡的字尾-ion就是「離子」的意思）。事後他也無法解釋，自己為什麼會想到在二極管中去加第三個電極。這是一個突破性的神來之筆，在眾多技術員及傑出科學家當中，從來沒有人動過這個腦筋。在歷史上這是個劃時代的大發明，發明人應是一位家喻戶曉的大人物，可是造化弄人，上天把這樣一個偉大的創造漫不經意的交給了一個平庸而不受人尊敬的人手上！

三極管有兩個控制電子的重要功能：訊號放大和電流開關。當把一個微弱的訊號輸入到柵極時，在陰極與陽極之間會產生一個同樣的、但能量放大了的電流訊號。另外，當陽極與陰極間有正常電流流動時，在柵極加上負電壓，可即時關閉電流。做一個比喻，三極管的原理可用電燈明暗調節開關來解釋：輕微旋轉開關，可改變燈光的明暗；按一下開關，可以快速開燈或熄燈。訊號放大是處理「類比式」訊號時最重要的需求，而高速的開關則是處理「數位式」訊號最基本的運作。三極管對控制電子流動的功能，滿足了類比與數位技術上最重要的需求，重要性無與倫比。

德福雷斯特發明了三極管後，一方面不懂原理，另一方面也沒有想到怎麼來用它，所以從1907年他申請專利到1912年之間，三極管的技術沒有進步，也沒有實際的應用。發展的轉捩點來自長途電話的需求。……(完)

「第七章：控制電子的基本工具」

＜神奇的第三極 ( 1 )＞

德福雷斯特（Lee De Forest）在1873年出生於美國南部一個牧師家庭，從小對電有濃厚的興趣。他在耶魯大學一直讀到博士，專門研究赫玆的電磁波。畢業後做了幾年事，然後開了一間開無線電報公司，跟馬可尼競爭。但德福雷斯特不擅長做生意，加上他的作風也很有問題，無論在工業界或學術界，他的名聲都不佳，其間幾乎因商業詐騙而坐牢。在1904年夫萊明發明了二極管後，德福雷斯特也開始對二極管做起研究來，希望在接收無線電訊號時，可把靈敏度再提高。

1906年，德福雷斯特請一個玻璃匠在二極管的陰極和陽極之間，安裝了第三個電極。他發現當電流在陽極和陰極間正常流動時，電流的強弱會受到第三極上所加的電壓影響。他把第三極從最初的一根銅線，改成來回扭曲的木柵形狀，結果第三極上施加的電壓對電流影響更大。他即時申請了專利，並命名這個元件叫「三極管」（audion，或triode），又把第三極稱作「柵極」（grid）。德福雷斯特無意中發明了電子技術中最重要的元件。…… (待續)

「第七章：控制電子的基本工具」

＜愛迪生效應 ( 2 )＞……(續上)

1900年馬可尼進行跨大西洋無線電波實驗時，高薪聘請了夫萊明來做他的技術顧問，幫他設計在英國的超高功率發射站，在1901年成功完成了電磁波橫跨大西洋的壯舉。自此以後，夫萊明就一直幫著馬可尼改良無線電波的接收技術。馬可尼的收發系統中技術上最弱的一環，是機械性質的金屬屑檢波器靈敏度很低，反應速度也很慢，1904年夫萊明突然想起愛迪生在二十二年前發現的單向電流現象，可用來做無線電波整流和檢測之用，效能應遠超過金屬屑檢波器。

從1882年到1904年，科學界對真空電子原理的認識已有了極大進展，愛迪生效應已能解釋。原來，愛迪生電燈的碳質燈絲熱到高溫時，碳中的電子很容易像水汽一樣蒸發到真空中去，然後給銅片上的正電場吸引過去，導致電流由銅片流到燈絲（因電子帶負電荷，電流與電子流方向相反）。當銅片上的電壓低於燈絲時，銅片會排斥從燈絲散發出來的電子，所以沒有電流通過。

夫萊明充分理解這個原理，設計了一個專為接收無線電應用的「夫萊明管」（Fleming valve），又名「二極管」（diode），和愛迪生原來的設計相當接近。愛迪生專利的十七年有效期早已過去，所以夫萊明名正言順成為二極管發明人。二極管大幅提高了接收無線電波的靈敏度，很快就被大規模應用，除了用在無線電上外，更廣泛的用在把交流電整流成直流電的市場上。

夫萊明名利雙收，在學術界及工業界都舉足輕重。1909年他運用影響力，使馬可尼獲得了諾貝爾物理獎。謠傳在1912年，夫萊明又想促成老東家愛迪生及特斯拉兩人同獲諾貝爾物理獎，但因兩位冤家不甘同台領獎而作罷。是否真是如此，沒有人知道了。夫萊明是電子界的長青樹，一直活了九十三歲，晚年還封了爵。夫萊明的二極管把人類帶進了電子時代，不過這還只是一個開始，更重要的發明即將來臨。……(完)

「第七章：控制電子的基本工具」

＜愛迪生效應 ( 1 )＞

在1882年，當克魯克斯在英國做「馬爾他十字架」實驗時，愛迪生正在曼哈頓的珍珠街建立第一座中央發電站，同時還在改良白熾燈泡的設計。當時的燈泡用竹子的碳纖維做燈絲，雖然壽命已可達幾百小時，但這些燈絲在熾熱時會蒸發一些黑色的碳粉，貯留在燈泡玻璃的內壁。時間長了，玻璃漸漸變得不透明，燈光也就愈來愈暗。愛迪生為了解決這個問題，做了一個實驗。他在電燈內燈絲的上方裝置了一塊銅片，連接一根銅線直接通出玻璃，看看這塊銅片可否擋住一部分碳粉，不讓其貯存在玻璃上。還有，如果加不同電壓在銅片上時，會不會影響碳粉的分布？

這個實驗式燈泡有三根電線通入，其中二根是碳纖維的兩端，用來通電使碳絲變成熾熱而發光，第三根電線直接連到銅片上。愛迪生測試的時候，發現這塊新增的銅片一點也沒有擋住碳粉，玻璃照樣會變黑。他再在銅片上施加不同的電壓，作用也不大。但在實驗過程中，他發現了一個沒有想到的現象：當銅片的電壓比燈絲更高時，有電流在銅片及燈絲間流動；但當他把銅片的電壓降到低於燈絲時，則沒有電流可流通。所以在銅片與燈絲之間，電流只允許向一個方向流動。

愛迪生把實驗結果做了筆記及申請了一個專利。不過他覺得這個實驗是失敗的，因為燈中的銅片無論用什麼方法，都不能阻擋碳粉在玻璃上沉積，因而對延長電燈泡的壽命無效。愛迪生當時有很多事要做，所以對這個單向電流的現象沒有再去研究。

愛迪生對於這個發現，他從不發表學術論文，祇是放在專利檔案中，所以學術界對這個發現所知有限。但當時愛廸生在英國的分公司有一位技術顧問叫夫萊明，他對愛迪生這個實驗是很熟悉的，也一直存在心中。…… (待續)

「第七章：控制電子的基本工具」

        真空電子的發展，使人類認識到電子是物質導電最基本的單元。但在發展電子工業的過程中，最重要的電子元件二極管及三極管，卻不是由葛斯勒和克魯克斯這條研究道路上來的，他們的起點可以追溯回我們所熟悉的愛迪生！