Wynalazki, które stworzyły elektronikę

Bogactwo poszczególnych ludzi, firm i całych krajów jest w dużej mierze wynikiem pracy wynalazców, a efekty ich dorobku twórczego są głównym źródłem zamożności najbogatszych państw świata. Wystarczy spojrzeć dookoła – na to, jakich przedmiotów używamy, jak podróżujemy, jak się komunikujemy z innymi ludźmi, jak wykonujemy różne prace, wreszcie nawet na to, jak się bawimy – by stwierdzić ponad wszelką wątpliwość, że to właśnie dokonania wynalazców stworzyły i nadal tworzą zręby współczesnej cywilizacji.

A jednak o tych, których dziełem są te dokonania, w istocie nikt nic nie wie, i co więcej – wcale się tego nie wstydzi! Proponuję szanownemu czytelnikowi, żeby spróbował przeprowadzić prosty test. Wystarczy na jakimś spotkaniu towarzyskim zadać pytanie: Kim był John Bardeen? Czy ktokolwiek potrafił odpowiedzieć na to pytanie, nie zaglądając do encyklopedii albo do internetu (zresztą też będącego dziełem techników)? Jestem pewny, że nie! Jednak czy ktoś z państwa zapłonił się w tej chwili z zażenowania? Zapewne nie.

Natomiast gdyby ktoś nie potrafił odpowiedzieć na pytanie, kim był Pablo Picasso, to musiałby się wstydzić w każdym kulturalnym towarzystwie. Tymczasem Picasso i Bardeen żyli i tworzyli mniej więcej w tym samym czasie, tyle tylko że Picasso malował obrazy, a Bardeen wynalazł tranzystor (i kilka innych doniosłych rzeczy na dokładkę, za co jako jedyny dwukrotnie dostał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki).

Zastanówmy się, jak wyglądałby świat, gdyby nie było na nim dzieł Picassa? Zapewne byłby w jakimś sensie uboższy, bo każde dzieło sztuki wzbogaca świat i czyni go piękniejszym, ale na nasze życie nie miałoby to zasadniczego wpływu. Tymczasem bez wynalezienia tranzystora nie byłoby dziś radia, telewizji, telefonów komórkowych, GPS-u, internetu, komputerów, elektronicznych zegarków i elektronicznych kamer – w ogóle niczego, co ma jakikolwiek związek z elektroniką. Dzięki wynalazkowi tranzystora ludzkość wkroczyła w zupełnie nowy okres swoich dziejów, całkowicie niepodobny do wszystkiego, co przeżywała przez tysiące lat wcześniejszych epok! A jednak wynalazca tego epokowego urządzenia jest dziś dla większości ludzi całkowicie anonimowy. I w dodatku absolutnie nikt się tego nie wstydzi!

Przypadkowe odkrycie Edisona

Skoro zacząłem od przywołania nazwiska fizyka, który stworzył podstawy współczesnej elektroniki, to może przyjrzyjmy się temu, jak ta dziedzina powstała i jak się rozwinęła, stając się wszechobecna i nieodzowna. Jak wiele ważnych odkryć w historii – wynalazek, który był kluczem do elektroniki, został dokonany przypadkiem. Wybitny wynalazca amerykański Thomas Alva Edison, autor ponad tysiąca patentów, zajmował się w 1883 r. doskonaleniem żarówki, której wynalazek także był przypisany do niego, chociaż – co postaram się wykazać w jednym z przyszłych felietonów – nie całkiem słusznie. Zmartwienie Edisona wynikało z faktu, że żarzące się pod wpływem przepływu prądu włókno węglowe, które w pierwszych żarówkach było źródłem światła, niestety parowało pod wpływem wysokiej temperatury. Odparowane drobiny węgla osadzały się wewnątrz szklanej bańki żarówki, powodując stopniową utratę jej przejrzystości.

Próbując usunąć ten efekt, Edison wtopił w szklaną bańkę żarówki dodatkową elektrodę (daleko od żarzącego się włókna) i przykładał do tej elektrody różne napięcia, starając się zahamować efekt osadzania się ciemnego nalotu wewnątrz bańki. Z pełnym zaskoczeniem zaobserwował, że gdy do tej dodatkowej elektrody przykładał dodatnie napięcie, to pojawiał się przepływ prądu między żarzącym się włóknem a tą dodatkową elektrodą. To było zdumiewające, bo którędy ten prąd płynął? W szkle bańki na pewno nie, bo szkło jest dobrym izolatorem. Może więc w próżni wypełniającej wnętrze żarówki?

Rzeczywiście, obserwowany prąd spowodowany był swobodnym ruchem elektronów wyrzucanych z żarzącego się włókna żarówki i przyciąganych przez dodatnio naładowaną elektrodę zatopioną w jej bańce. Edison na wszelki wypadek opatentował zauważony efekt, ale go nie badał ani nie próbował wykorzystać. Nawet jemu nie udało się zrozumieć znaczenia tego odkrycia!

Pierwsze lampy elektronowe

Człowiekiem, który docenił znaczenie odkrycia Edisona, był John Ambrose Fleming, Anglik, który pracował w londyńskim oddziale Edison Electric Light Company. Zaczął badać zjawisko odkryte przez Edisona i zwrócił uwagę, że efekt przepływu elektronów w próżni uzyskiwano jedynie wtedy, gdy do dodatkowej elektrody wtopionej w ścianę bańki przykładano napięcie dodatnie, natomiast przy przyłożeniu napięcia ujemnego przepływu prądu nie było. Dzisiaj każdy rozumie, że ujemnie naładowane elektrony były przyciągane przez dodatnio naładowaną elektrodę, natomiast od ujemnej elektrody elektrony były odpychane. Fleming też to zrozumiał, dlatego 16 listopada 1904 r. zgłosił patent na lampę, która przewodzi prąd tylko w jedną stronę.

To był początek elektroniki. Lampa wynaleziona przez Fleminga, nazywana diodą (bo miała dwa elementy – żarzące się włókno i tę dodatkową elektrodę), okazała się bardzo przydatna przy rozwoju pierwszych odbiorników radiowych (Fleming współpracował z Marconim, wynalazcą radia), a potem znalazła także zastosowanie przy prostowaniu prądu zmiennego. Fleminga doceniono: został członkiem Royal Society, a w 1928 r. uzyskał tytuł szlachecki.

Elektronami w próżni można sterować

Doniosłym skutkiem wynalazku Fleminga było uświadomienie faktu, że na elektrony przelatujące między elektrodami (które zaczęto nazywać anodą i katodą) można oddziaływać dodatkowym polem elektrycznym. Skorzystał z tego amerykański wynalazca Lee De Forest. Dodał do lampy Fleminga trzecią elektrodę (ze względu na kształt nazywaną siatką) i w ten sposób stał się wynalazcą triody. Opatentował ją w 1906 r. Miała ona cechę, która radykalnie przyczyniła się do rozwoju elektroniki: nawet bardzo słabe sygnały elektryczne przyłożone do siatki były przez lampę zamieniane na duże zmiany prądu płynącego między anodą i katodą. Ten efekt otworzył drogę do budowy elektronicznych wzmacniaczy różnych sygnałów. Sam De Forest wykorzystał taki wzmacniacz do przeprowadzenia pierwszej transmisji radiowej z Metropolitan Opera w Nowym Jorku, nie odniósł jednak sukcesu finansowego. Trioda mogła służyć także do budowy generatorów, które pozwalały wytwarzać sygnały potrzebne w nadajnikach radiowych, zabiegano więc o to, by dostał Nagrodę Nobla jako twórca radia. Nie dostał, a należała mu się jak mało komu!

Skoro do lampy Fleminga można było dodać jedną siatkę, to zaczęto eksperymentować z dodatkowymi siatkami. W ten sposób w 1919 r. Walter Schottky dołożył czwartą elektrodę, budując lampę nazywaną tetrodą, natomiast w 1927 r. Bernard D.H. Tellegen wynalazł lampę z trzema siatkami – pentodę.