科普2：电子管（真空管）的工作原理（一）

我在“科普1：电流不是电流”一文里说了，导体里的自由电子并不是从头跑到尾，而是像接力赛跑那样的。所以我说：把电流看作是自由电子流动是不确切的。那有没有电子从头跑到脚形成电流呢？有。在电子管（因为管子里必须抽成真空，所以也叫真空管）里就是这样的。

电子管是从白炽灯（过去俗称电灯泡，是最早的电照明器件，后来是日光灯、节能灯、LED灯）发展而来的。发明电灯泡的是爱迪生。白炽灯是靠电流通过电阻值较高的灯丝，产生高温而发光的，金属灯丝因高温而蒸发，很快就变细断掉，寿命很短。爱迪生动了很多脑筋，都不解决问题。有一天，他想，能不能借助电场来阻止金属蒸发？他就在灯泡里放入一个金属板，并用导线连接到灯泡外。结果发现，在灯丝与金属板之间连一个电流表，表指针竟然动了！不过电流极其微弱。他在电路里串入一组电池，正极连金属板，负极连灯丝，发现电流大增。再把电池反接，电流没有了，连原来的微弱电流有没有了。原来这个东西有单向导电性，这可是人类从未拥有过的器件！爱迪生发明了灯泡，进而发明了电子管。这个发明非同小可，爱迪生让人类从电学时代一脚迈进电子学时代。

现在我们可以来说说电子管的基本原理了。“科普1：电流不是电流”一文里说了，在导体里有大量自由电子。温度越高，自由电子越多。电灯泡灯丝达到了两千度，灯丝里的自由电子多到爆棚。有一部分能量特别大的就从灯丝里逸出，跑到真空里，在灯丝的附近形成电子云（说明一下，这个电子云与量子力学里的电子云不是一回事。前者是在真空中的，后者是在原子中的。）。一部分电子跑出去了，灯丝就带了正电荷，要把逸出的电子拉回来，有出去的，有回来的。因此，与导体里的自由电子一样，电子云也是动态平衡的。

各种灯丝材料有各自的逸出功，只要电子的能量大于逸出功，电子就会跑出来。灯丝一般是用钨丝制作的，钨的逸出功比较高，电子很难逸出。后来就在灯丝外面套一个阴极，主要材料是氧化钡。

在真空二极管里，灯丝叫阴极，是用来发射电子的；金属板叫屏极，用来收集阴极发射的电子。

如果没有外加电压，逸出电子要跑到屏极去是相当困难的。因此，爱迪生在没加电池组时，只看见微弱的电流。如果在屏极加上正电压，一个很小的正电压就能抵消阴极对电子云的吸引，就会有大量逸出电子奔向屏极，形成很大的电流。如果屏极接负电压呢？那就把逸出电子统统打回老家（阴极）去了。从电子云的角度来说，电子云是阻碍阴极里的电子跑出来的，因为它们都是电子，都带负电荷，同性相斥。屏极相对于阴极带正电压，会减薄电子云，也就是阴极里的电子容易逸出，如果屏极带负电，就会加厚电子云。这就是真空二极管的单向导电性。

在电子管（真空管）里，每个电子确实是从阴极一路跑到屏极的，这才是名副其实的电流。

真空二极管的基本原理说完了，以后再说说三极管、五极管的原理。