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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Lampada elettrica. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Un tubo elettronico o tubo radio è un dispositivo elettrico a vuoto (più precisamente, un dispositivo elettronico a vuoto) che funziona controllando l'intensità del flusso di elettroni che si muovono nel vuoto o in un gas rarefatto tra gli elettrodi. I tubi radio furono ampiamente utilizzati nel XX secolo come elementi attivi di apparecchiature elettroniche (amplificatori, generatori, rilevatori, interruttori, ecc.). Attualmente sono quasi completamente sostituiti da dispositivi a semiconduttore. A volte vengono utilizzati anche in potenti trasmettitori ad alta frequenza e apparecchiature audio.
L'invenzione della lampada elettronica è direttamente correlata allo sviluppo della tecnologia di illuminazione. Nei primi anni '80 del XIX secolo, il famoso inventore americano Edison stava migliorando la lampada a incandescenza. Uno dei suoi svantaggi era la graduale diminuzione dell'emissione luminosa dovuta all'appannamento del bulbo dovuto alla comparsa di una macchia scura all'interno del vetro. Indagando sulle cause di questo effetto nel 1883, Edison notò che spesso sul vetro ossidato del cilindro nel piano del passante del filo c'era una striscia chiara, quasi non oscurata, e questa striscia risultava sempre essere sul lato della lampada dove si trovava l'ingresso positivo del circuito del filamento. Sembrava che la parte del filamento di carbonio adiacente all'ingresso negativo stesse emettendo le particelle di materiale più piccole da se stessa. Volando oltre il lato positivo del filamento, coprirono l'interno del contenitore di vetro dappertutto, tranne quella linea sulla superficie del vetro, che, per così dire, era oscurata dal lato positivo del filamento. Il quadro di questo fenomeno è diventato più evidente quando Edison ha introdotto una piccola lastra di metallo all'interno del contenitore di vetro, posizionandola tra gli ingressi del filamento. Collegando questa piastra tramite un galvanometro con l'elettrodo positivo del filo, è stato possibile osservare la corrente elettrica che scorre attraverso lo spazio all'interno del palloncino.
Edison ha suggerito che il flusso di particelle di carbonio emesso dal lato negativo del filamento fa parte del percorso tra il filamento e la piastra che ha introdotto conduttivo, e ha scoperto che questo flusso è proporzionale al grado di incandescenza del filamento, o, in in altre parole, la potenza luminosa della lampada stessa. Questo, infatti, chiude lo studio di Edison. L'inventore americano non poteva quindi immaginare quale grande scoperta scientifica fosse sull'orlo. Passarono quasi 20 anni prima che il fenomeno osservato da Edison ricevesse la sua corretta e completa spiegazione. Si è scoperto che quando il filamento di una lampada posto nel vuoto viene fortemente riscaldato, inizia a emettere elettroni nello spazio circostante. Questo processo è chiamato emissione termoionica e può essere considerato come l'evaporazione degli elettroni dal materiale del filamento. L'idea della possibilità di un uso pratico dell '"effetto Edison" è venuta per la prima volta allo scienziato inglese Fleming, che nel 1904 ha creato un rivelatore basato su questo principio, chiamato "tubo a due elettrodi", o "diodo" di Fleming. La lampada di Fleming era una normale bottiglia di vetro riempita di gas rarefatto. Un filamento è stato posizionato all'interno del palloncino insieme a un cilindro di metallo che lo racchiudeva. L'elettrodo riscaldato della lampada emetteva continuamente elettroni, che formavano una "nuvola di elettroni" attorno ad esso. Maggiore è la temperatura dell'elettrodo, maggiore è la densità della nuvola di elettroni. Quando gli elettrodi della lampada erano collegati a una fonte di corrente, si creava un campo elettrico tra di loro. Se il polo positivo della sorgente era collegato a un elettrodo freddo (anodo) e il polo negativo a uno riscaldato (catodo), quindi sotto l'azione di un campo elettrico, gli elettroni lasciavano parzialmente la nuvola di elettroni e si precipitavano al freddo elettrodo. Pertanto, è stata stabilita una corrente elettrica tra il catodo e l'anodo. Quando la sorgente viene accesa nella direzione opposta, l'anodo caricato negativamente respinge gli elettroni da se stesso e il catodo caricato positivamente li attrae. In questo caso non c'era corrente elettrica. Cioè, il diodo Fleming aveva una pronunciata conduttività unilaterale.
Essendo inclusa nel circuito di ricezione, la lampada ha agito come un raddrizzatore, facendo passare la corrente in una direzione e non nella direzione opposta, e potrebbe quindi fungere da guida d'onda - rivelatore. Per aumentare leggermente la sensibilità della lampada, è stato applicato un potenziale positivo opportunamente selezionato. In linea di principio, il circuito di ricezione con una lampada Fleming non era quasi diverso dagli altri circuiti radio dell'epoca. Aveva una sensibilità inferiore allo schema con un rilevatore di tipo magnetico, ma aveva un'affidabilità incomparabilmente maggiore. Un ulteriore eccezionale risultato nel campo del miglioramento e dell'applicazione tecnica del tubo a vuoto fu l'invenzione nel 1907 da parte dell'ingegnere americano De Forest di una lampada contenente un terzo elettrodo aggiuntivo. Questo terzo elettrodo è stato chiamato dall'inventore "griglia" e la lampada stessa - "audin", ma in pratica gli è stato assegnato un altro nome: "triodo". Il terzo elettrodo, come si evince dal nome, non era continuo e poteva far passare gli elettroni che volavano dal catodo all'anodo. Quando una sorgente di tensione è stata attivata tra la griglia e il catodo, si è creato un campo elettrico tra questi elettrodi, che ha fortemente influenzato il numero di elettroni che raggiungono l'anodo, cioè la forza della corrente che scorre attraverso la lampada (la forza del corrente anodica). Con una diminuzione della tensione applicata alla rete, la forza della corrente anodica è diminuita, con un aumento è aumentata. Se è stata applicata una tensione negativa alla rete, la corrente anodica si è interrotta del tutto: la lampada si è rivelata "bloccata". Una proprietà notevole del triodo era che la corrente di controllo poteva essere molte volte inferiore a quella principale: variazioni di tensione insignificanti tra la griglia e il catodo causavano variazioni piuttosto significative nella corrente anodica. Quest'ultima circostanza ha permesso di utilizzare la lampada per amplificare piccole tensioni alternate e ha aperto possibilità insolitamente ampie per la sua applicazione pratica. La comparsa di una lampada a tre elettrodi ha portato alla rapida evoluzione dei circuiti di ricezione radio, poiché è diventato possibile amplificare il segnale ricevuto di decine e centinaia di volte. La sensibilità dei ricevitori è aumentata molte volte. Uno dei primi circuiti ricevitori a valvole fu proposto già nel 1907 dallo stesso De Forest.
Un circuito LC è collegato qui tra l'antenna e la terra, ai cui terminali si verifica una tensione alternata ad alta frequenza, formata sotto l'azione dell'energia ricevuta dall'antenna. Questa tensione è stata applicata alla griglia della lampada e ha controllato le fluttuazioni della corrente anodica. Si ottengono così, nel circuito anodico, oscillazioni amplificate del segnale ricevuto, che potrebbero mettere in moto la membrana di un telefono compreso nello stesso circuito. La prima lampada Audin a tre elettrodi di De Forest presentava molti inconvenienti. La posizione degli elettrodi al suo interno era tale che la maggior parte del flusso di elettroni non cadeva sull'anodo, ma su un contenitore di vetro. L'effetto di controllo della rete si è rivelato insufficiente. La lampada è stata evacuata male e conteneva un numero significativo di molecole di gas. Hanno ionizzato e bombardato continuamente il filamento, avendo un effetto devastante su di esso. Nel 1910, l'ingegnere tedesco Lieben creò un tubo a vuoto a triodo migliorato, in cui la griglia era realizzata sotto forma di un foglio di alluminio perforato e posta al centro del cilindro, dividendolo in due parti. Nella parte inferiore della lampada c'era il filamento, in alto - l'anodo. Tale disposizione della griglia ha permesso di potenziarne l'azione di controllo, poiché l'intero flusso di elettroni lo attraversava. L'anodo di questa lampada aveva la forma di un ramoscello o di una spirale di filo di alluminio e un filamento di platino fungeva da catodo. Lieben ha prestato particolare attenzione all'aumento delle proprietà di emissione della lampada. A tale scopo, è stato inizialmente proposto di rivestire il filamento con un sottile strato di ossido di calcio o bario. Inoltre, nel pallone è stato introdotto vapore di mercurio, che ha creato ulteriore ionizzazione e quindi aumentato la corrente del catodo.
Quindi, il tubo a vuoto è entrato in uso prima come rivelatore, poi come amplificatore. Ma ha conquistato il posto di primo piano nell'ingegneria radio solo dopo che è stata scoperta la possibilità di utilizzarlo per generare oscillazioni elettriche non smorzate. Il primo vero generatore di valvole fu creato nel 1913 dal notevole ingegnere radiofonico tedesco Meissner. Basandosi sul triodo Lieben, costruì anche il primo trasmettitore radiotelefonico al mondo e nel giugno 1913 realizzò un collegamento radiotelefonico tra Nauen e Berlino a una distanza di 36 km.
Il generatore a tubi conteneva un circuito oscillatorio costituito da un induttore L e un condensatore C. Se tale condensatore viene caricato, nel circuito si verificano oscillazioni smorzate. Per evitare che le oscillazioni si estinguano è necessario compensare le perdite di energia per ciascun periodo. Pertanto, l'energia da una fonte di tensione costante deve entrare periodicamente nel circuito. A tale scopo, nel circuito elettrico del circuito oscillatorio è stato inserito un triodo a tubi, in modo che le oscillazioni del circuito fossero alimentate alla sua griglia. Il circuito anodico della lampada comprendeva una bobina Lc, accoppiata induttivamente alla bobina L del circuito oscillatorio. Nel momento in cui il circuito è acceso, la corrente della batteria, aumentando gradualmente, si muove attraverso il triodo e la bobina Lc. In questo caso, secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, ci sarà una corrente elettrica nella bobina L, che carica il condensatore C. La tensione dalle piastre del condensatore, come si può vedere dal diagramma, viene fornita al catodo e la griglia. Quando è accesa, la piastra del condensatore caricata positivamente è collegata alla rete, cioè la carica positivamente, il che contribuisce ad aumentare la corrente che passa attraverso la bobina Lc. Ciò continuerà fino a quando la corrente anodica raggiunge il suo massimo (dopotutto, la corrente nella lampada è determinata dal numero di elettroni evaporati dal catodo e il loro numero non può essere illimitato - aumentando a un certo massimo, questa corrente non aumenta più con un aumento della tensione di rete). Quando ciò accade, una corrente costante scorrerà attraverso la bobina Lc. Poiché l'accoppiamento induttivo avviene solo con corrente alternata, non ci sarà corrente nella bobina L. Di conseguenza, il condensatore inizierà a scaricarsi. La carica positiva della griglia, quindi, diminuirà e ciò influenzerà immediatamente l'entità della corrente anodica - diminuirà anche. Di conseguenza, anche la corrente attraverso la bobina Lc diminuirà, creando una corrente nella direzione opposta nella bobina L. Pertanto, quando il condensatore C è scarico, la corrente decrescente attraverso Lc indurrà ancora una corrente nella bobina L, per cui le piastre del condensatore verranno caricate, ma in direzione opposta, in modo che una carica negativa si accumulerà sulla piastra connesso alla rete. Ciò alla fine causerà una completa cessazione della corrente anodica: il flusso di corrente attraverso la bobina L si fermerà di nuovo e il condensatore inizierà a scaricarsi. Di conseguenza, la carica negativa sulla griglia sarà sempre minore, apparirà di nuovo la corrente anodica, che aumenterà. Quindi l'intero processo verrà ripetuto dall'inizio. Da questa descrizione si può vedere che una corrente alternata scorrerà attraverso la griglia della lampada, la cui frequenza è uguale alla frequenza naturale del circuito oscillante LC. Ma queste oscillazioni non saranno smorzate, ma costanti, poiché sono mantenute dall'aggiunta costante di energia dalla batteria attraverso la bobina Lc accoppiata induttivamente alla bobina L. L'invenzione del generatore di tubi ha permesso di compiere un passo importante nella tecnologia della comunicazione radio - oltre alla trasmissione di segnali telegrafici costituiti da impulsi brevi e più lunghi, è diventata possibile una comunicazione radiotelefonica affidabile e di alta qualità - ovvero la trasmissione di linguaggio umano e musica tramite onde elettromagnetiche. Può sembrare che la comunicazione radiotelefonica non abbia nulla di complicato. Infatti, le vibrazioni sonore vengono facilmente convertite in vibrazioni elettriche con l'ausilio di un microfono. Perché, amplificandoli e immettendoli nell'antenna, non trasmettere voce e musica a distanza nello stesso modo in cui si trasmetteva prima il codice Morse? Tuttavia, in realtà, questo metodo di trasmissione non è fattibile, poiché solo potenti oscillazioni ad alta frequenza sono ben irradiate attraverso l'antenna. E le lente vibrazioni della frequenza del suono eccitano onde elettromagnetiche nello spazio così deboli che non c'è modo di riceverle. Pertanto, prima della creazione di generatori di tubi che producono oscillazioni ad alta frequenza, le comunicazioni radiotelefoniche sembravano essere un compito estremamente difficile. Per trasmettere il suono, queste vibrazioni vengono modificate o, come si suol dire, modulate con vibrazioni a bassa frequenza (suona). L'essenza della modulazione sta nel fatto che le oscillazioni ad alta frequenza del generatore e le oscillazioni a bassa frequenza del microfono sono sovrapposte l'una all'altra e quindi alimentate nell'antenna.
La modulazione può avvenire in vari modi. Ad esempio, un microfono è incluso nel circuito dell'antenna. Poiché l'impedenza di un microfono cambia con le onde sonore, la corrente nell'antenna cambierà a sua volta; in altre parole, invece di oscillazioni con un'ampiezza costante, avremo oscillazioni con un'ampiezza variabile - una corrente modulata ad alta frequenza. Il segnale modulato ad alta frequenza ricevuto dal ricevitore, anche dopo l'amplificazione, non è in grado di provocare oscillazioni della membrana telefonica o della tromba dell'altoparlante con una frequenza audio. Può causare solo vibrazioni ad alta frequenza che non vengono percepite dal nostro orecchio. Pertanto, è necessario eseguire il processo inverso nel ricevitore - per selezionare un segnale di frequenza audio dalle oscillazioni modulate ad alta frequenza - o, in altre parole, per rilevare il segnale. Il rilevamento è stato effettuato utilizzando un diodo a vuoto. Il diodo, come già accennato, faceva passare la corrente in una sola direzione, trasformando la corrente alternata in una pulsante. Questa corrente pulsante è stata attenuata con un filtro. Il filtro più semplice potrebbe essere un condensatore collegato in parallelo al telefono.
Il filtro ha funzionato così. In quel momento, quando il diodo passava la corrente, parte di esso si ramificava in un condensatore e lo caricava. Negli intervalli tra gli impulsi, quando il diodo era bloccato, il condensatore veniva scaricato sul tubo. Pertanto, nell'intervallo tra gli impulsi, la corrente scorreva attraverso il tubo nella stessa direzione dell'impulso stesso. Ogni impulso successivo ricaricava il condensatore. A causa di ciò, una corrente di frequenza audio scorreva attraverso il tubo, la cui forma riproduceva quasi completamente la forma del segnale a bassa frequenza nella stazione trasmittente. Dopo l'amplificazione, le vibrazioni elettriche a bassa frequenza si sono trasformate in suono; Il ricevitore rivelatore più semplice è costituito da un circuito oscillatorio collegato a un'antenna e da un circuito collegato al circuito, costituito da un rivelatore e un telefono. Le prime valvole a vuoto erano ancora molto imperfette. Ma nel 1915, Langmuir e Guede proposero un modo efficiente per pompare le lampade a pressioni molto basse, grazie alle quali le lampade a vuoto sostituirono le lampade a ioni. Ciò ha portato la tecnologia elettronica a un livello molto più alto. Autore: Ryzhov KV
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