标志着现时代的一种技术科学——电子学 [复制链接]

第7版()
专栏：

标志着现时代的一种技术科学——电子学
中国科学院技术科学学部委员　孟昭英
这里要讲的电子学是广义的，它包括无线电技术、电子物理学和通信技术。由于它的范围是比较多方面的，这里只能谈一谈电子学的内容和特性。
无线电技术和电子物理学是十九世纪末叶新开辟的两个科学园地。最初它们独立地发展着。在二十世纪初年，它们结合在一起，以后这两门学科的关系愈来愈密切。现代的无线电技术和电信技术不可能不使用各式各样的电子器件，而在电子物理学的工作和研究里，如果不用无线电技术也不可能得到成就。特别是在各种应用里，无线电技术和电子学永远是结合在一起的，因此我们可以把它们看作一个学科。它促进了文化、教育、国防和整个国民经济各方面的技术革新。在原子能的研究和应用里，电子学也占很重要的地位。因此我们才称现时代为原子能和电子学时代。
物理学家麦克士韦从理论上证明了电磁波的性质，赫兹用实验方法证明了它的存在，而波波夫第一次用电磁波进行了通信。这便是无线电的起源。在这最原始的无线电接收机里使用的是金属粉末检波器。它既不灵敏，又很不可靠。假如不应用电子学，无线电绝不可能有今天这样的发展。
我们可以把十九世纪八十年代关于稀薄气体里的导电现象的研究，特别是把九十年代汤姆孙关于电子的研究工作看成电子物理学的起始时期。在一个电灯泡里再装上一个电极就形成所谓二极管。在二极管里只能从这电极向灯丝通电，不能反向通电。这是在十九世纪末就知道的了。可是一直到1904年夫累铭才第一次建议把它用在无线电接收机里代替金属粉末检波器。这就是电子物理学和无线电结合的开始。1907年德福雷斯在上述两极之间又加了一个栅状电极（现称栅极），就形成了三极管。三极管的出现对于无线电的影响就更大了。它不仅可以用作检波器，代替那简单的二极管，更重要的是能用它来放大和作许多其他的功用。到1914年三极管就大量用在长途电话里，而在1915年用三极管的无线电话就通到八千公里以外了。这以后的发展更是一日千里，而应用也是无穷无尽的。
电子学是什么？下一个定义是很难的。因此我们这里只谈一谈在电子学里主要是研究一些什么问题。
在电子物理学里要研究电子发射、电子运动、气体导电、半导体电子器件和各种的电子管等问题。
当电子在自由空间存在时，情形最简单，控制也最容易。一般的电子管都要首先得到自由电子。这就是电子发射的问题。可以把金属或其他物质加热使它放出电子，也可以靠光的照射、电子或离子的轰击或外加的电场发生自由电子。实际上，电子发射是十九世纪末叶电子物理学起始就研究的问题，近年来又有相当大的发展。
得到自由电子以后当然还要研究它在静的或变化的电场和磁场里的运动。在运动的过程中，电子既可以从场里得到能量，也可以把它已得的能量给与场。例如核子物理研究里的各种加速器就都是使电子或离子在交变磁场和电场里得到能量的装置。电子运动的一个特殊情形是使电子成束。人们发现电子在场里的运动同先在各种媒质里的运动很相似，因此电子学的一部分就叫电子和离子光学。它的用途很多，电子显微镜是其中的一个。
气体放电也是电子学最早就研究的。由于它的复杂性，我们对它的了解还远少于我们所希望的。看来实现从轻质量原子得到原子能很可能要利用等离子区放电。所以这是近来大力研究的一个问题。气体放电的研究也是各种离子管的基础。
半导体物理学中要研究电子在固体里的运动。这一部分也属于电子物理学的研究范围。近来半导体物理发展得很快，已经另外形成了一个单独的学科。不过用半导体做的电子器件，又叫晶体管，特别是同其他元件合在一起组成的半导体电子线路仍要在电子学里研究。半导体电子器件将有很大的发展，并且代替某些电子管。虽然目前它能使用的频率还低，功率也小。
以上已经提到了二极管和三极管。三极管之所以重要和它促使无线电发生了革命性的飞跃性的前进，是因为它具有放大的性能，它的响应极其敏捷，失真很小而灵敏度非常高。机械的、光的和任何其他形式的放大器都不能同电子管的放大相比。这以后为不同的用途又发展了四极管、五极管和许多其他种的电子管，有的小于一节小手指，有的大得比人还高，有的很省电，有的可以发生兆瓦的功率。离子管是充气的电子管。它是很好的无动件的电的开关。它的动作非常敏捷，有时快到几百万分之一秒。它能控制的电流也可以大到几千安培。电子束管在构造上和普通电子管很不相同。它利用电子光学的原理使电子成束，并使这束受到偏转然后打在萤光幕使后者发光。电视、雷达和示波器里都要用它。此外如爱克司光管、各种照明灯、光电管、摄电视用的析像管、计算机里用的记忆管、各种高速开关管，等等，也都是电子物理学里要研究的。
把电子管和一些元件，如电阻、电容器、线圈、变压器等，组合在一起就形成电子线路。很显然，这种组合的可能是非常多的。我们可以按照功用把电子线路分为以下的几种：放大器、振荡器、调制器、键控器、计数器等。电子管放大器既可以把微小的直流电流（千万亿分之一安培）放大到用普通电表读出来，也可以放大频率高到每秒几千万次，功率高到几万瓦的电波。电子管振荡器可以发生各种各样的波形，如矩形、锯齿形、脉冲形、正弦形等，和低到近于直流和高到每秒交变几千亿次的频率。使一个电波按照另外一个波发生变化叫调制。例如广播发送机的电波要随着广播的音乐发生变化，所以广播机里要用调制器。键控是电开关的意思。用电子线路作的开关的特点是快，可达每秒几万次。计数器在原子能和计算机里用的很多。
在非常高的频率，一般的电容器和线路等就不适用了。这时可以用谐振腔（中空的金属盒）、同轴传输线等代替。这样高频率电波的传输也不能用一般的传输线，必须用同轴线或波导（中空的金属管）。发生这样高频率的电波（相当于波长为厘米和毫米）和用波导、谐振腔等形成的各种电子线路和电波经过波导的长距离传输正是现代电子学研究的重点。
此外，在电子学里还要研究如何有效地和按照一定的方向性把电磁波发射出去。这就是关于各种天线的研究。我们还要研究电磁波如何沿着地面和在大气里传播，天空的电离层或对流层如何对各种波长的电波发生衰减、反射或散射等问题。
用功用不同的各种基本线路可以组合为千变万化、功效奇妙的各种设备和系统。这些系统可以用于国民经济、文化和国防的许多方面，如各种无线通信、多路接力电信、长途波导多路电信、广播、电传、电视、雷达、定向、导航、自动控制、火箭控制、电子计算机、高频加热、各种电子仪器等。由于新波段（主要是向毫米波）的开发，新材料、新元件和新制造工艺的进展，这些应用还正在迅速地扩大。
电子学用途这样广泛和奇妙，是由于电子学本身的特征造成的。我们将看出这些特征是任何其他方法所望尘莫及的。第一，它的作用特别敏捷。电磁波的传播速度是每秒三十万公里。电子在电子管里可以在十亿分之一秒里加速到每秒一万公里。第二，电磁波可以超越空间。因此收发站之间不需要实体物质的联系。例如只有利用无线电才能控制火箭。第三，特别灵敏。上面举的放大就是一例。第四，非常精确。例如原子钟可以精确到一千亿分之一。按这精确度计算，要三千年才差一秒。又如用电子学的方法测量，可以把被测的量出相距几十公里的两点间的距离，误差不会超过几十厘米。第五，电子学测量方法是万能的。只需要把待量的物理量用一个变换器变成电的信号后，以下的过程就和测电量相同了。传声器能把声音变成电，光电管可以把光的强度或颜色变成电，压电晶片可以把压强变成电；此外如温度、张力、湿度、酸度以及任何量都可以变换成电，然后放大、观测、量度或再用这放大了的信息反向去进行自动控制。
从以上的几个主要特点看来，可以知道电子学的应用是无穷无尽的。我们可以进一步说，任何一个研究实验室里或任何一种生产过程里如果还没有采用电子学的方法，它必定是落后的。
电子学的全部历史不过六十多年，可是它对于现代通信、工业、人民文化生活、国防和科学研究到处成为不能缺少的东西，它仍在迅速地发展而它的应用也是与日俱增。世界各国对它都十分重视和大力加以研究。但是，这却是我们的非常薄弱的一个学科。因此必须急起直追，培养人才，发展无线电电子学工业和加强对电子学的研究。