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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Lámpara eléctrica. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Lámpara electrónica, tubo de radio: un dispositivo de vacío eléctrico (más precisamente, un dispositivo electrónico de vacío) que funciona controlando la intensidad del flujo de electrones que se mueven en el vacío o gas enrarecido entre los electrodos. Los tubos de radio fueron ampliamente utilizados en el siglo XX como elementos activos de equipos electrónicos (amplificadores, generadores, detectores, interruptores, etc.). En la actualidad, son reemplazados casi por completo por dispositivos semiconductores. A veces también se utilizan en potentes transmisores de alta frecuencia y equipos de audio.
La invención de la lámpara de electrones está directamente relacionada con el desarrollo de la tecnología de iluminación. A principios de los años 80 del siglo XIX, el famoso inventor estadounidense Edison estaba mejorando la lámpara incandescente. Una de sus desventajas era la disminución gradual de la salida de luz debido al empañamiento de la bombilla debido a la aparición de una mancha oscura en el interior del vidrio. Al investigar las causas de este efecto en 1883, Edison notó que a menudo en el vidrio empañado del cilindro en el plano del bucle de hilo había una tira clara, casi sin oscurecer, y esta tira siempre resultó estar en el lado de la lámpara. donde se ubicaba la entrada positiva del circuito del filamento. Parecía como si la parte del filamento de carbono adyacente a la entrada negativa estuviera emitiendo las partículas de material más pequeñas de sí misma. Volando más allá del lado positivo del filamento, cubrieron el interior del recipiente de vidrio por todas partes, excepto por esa línea en la superficie del vidrio, que, por así decirlo, estaba oscurecida por el lado positivo del filamento. La imagen de este fenómeno se hizo más obvia cuando Edison insertó una pequeña placa de metal dentro del recipiente de vidrio, colocándola entre las entradas de los filamentos. Al conectar esta placa a través de un galvanómetro con el electrodo positivo del hilo, era posible observar la corriente eléctrica que circulaba por el espacio interior del globo.
Edison sugirió que el flujo de partículas de carbono emitidas por el lado negativo del filamento hace que parte del camino entre el filamento y la placa que introdujo sea conductivo, y descubrió que este flujo es proporcional al grado de incandescencia del filamento o, en otras palabras, el poder de la luz de la propia lámpara. Esto, de hecho, pone fin al estudio de Edison. El inventor estadounidense no podía imaginar entonces el gran descubrimiento científico que estaba a punto de realizar. Pasaron casi 20 años antes de que el fenómeno observado por Edison recibiera su correcta explicación integral. Resultó que cuando el filamento de una lámpara colocado en el vacío se calienta fuertemente, comienza a emitir electrones en el espacio circundante. Este proceso se denomina emisión termoiónica y puede considerarse como la evaporación de electrones del material del filamento. La idea de la posibilidad de un uso práctico del "efecto Edison" se le ocurrió por primera vez al científico inglés Fleming, quien en 1904 creó un detector basado en este principio, llamado "tubo de dos electrodos" o "diodo" de Fleming. La lámpara de Fleming era una botella de vidrio ordinaria llena de gas enrarecido. Se colocó un filamento dentro del globo junto con un cilindro de metal que lo encerraba. El electrodo calentado de la lámpara emitía continuamente electrones, que formaban una "nube de electrones" a su alrededor. Cuanto mayor sea la temperatura del electrodo, mayor será la densidad de la nube de electrones. Cuando los electrodos de la lámpara se conectaron a una fuente de corriente, surgió un campo eléctrico entre ellos. Si el polo positivo de la fuente estaba conectado a un electrodo frío (ánodo) y el polo negativo a uno calentado (cátodo), entonces, bajo la acción de un campo eléctrico, los electrones abandonaron parcialmente la nube de electrones y se precipitaron hacia el frío. electrodo. Así, se estableció una corriente eléctrica entre el cátodo y el ánodo. Cuando la fuente se enciende en la dirección opuesta, el ánodo con carga negativa repele los electrones de sí mismo y el cátodo con carga positiva los atrae. En este caso, no había corriente eléctrica. Es decir, el diodo Fleming tenía una conductividad unilateral pronunciada.
Al estar incluida en el circuito receptor, la lámpara actuaba como un rectificador, pasando corriente en una dirección y no haciéndola pasar en la dirección opuesta, y así podía servir como guía de ondas - detector. Para aumentar ligeramente la sensibilidad de la lámpara, se aplicó un potencial positivo adecuadamente seleccionado. En principio, el circuito de recepción con una lámpara Fleming casi no era diferente de otros circuitos de radio de esa época. Era inferior en sensibilidad al esquema con un detector de tipo magnético, pero tenía una confiabilidad incomparablemente mayor. Otro logro destacado en el campo de la mejora y la aplicación técnica del tubo de vacío fue la invención en 1907 por el ingeniero estadounidense De Forest de una lámpara que contenía un tercer electrodo adicional. Este tercer electrodo fue llamado por el inventor "rejilla", y la lámpara misma - "audin", pero en la práctica se le asignó otro nombre: "triodo". El tercer electrodo, como se puede ver por su nombre, no era continuo y podía pasar electrones volando del cátodo al ánodo. Cuando se encendió una fuente de voltaje entre la rejilla y el cátodo, surgió un campo eléctrico entre estos electrodos, lo que influyó fuertemente en la cantidad de electrones que llegaban al ánodo, es decir, la fuerza de la corriente que fluía a través de la lámpara (la fuerza de la corriente de ánodo). Con una disminución en el voltaje aplicado a la red, la fuerza de la corriente del ánodo disminuyó, con un aumento aumentó. Si se aplicó un voltaje negativo a la red, la corriente del ánodo se detuvo por completo: la lámpara resultó estar "bloqueada". Una propiedad notable del triodo era que la corriente de control podía ser muchas veces menor que la principal: los cambios de voltaje insignificantes entre la rejilla y el cátodo provocaban cambios bastante significativos en la corriente del ánodo. Esta última circunstancia hizo posible utilizar la lámpara para amplificar pequeños voltajes alternos y abrió posibilidades inusualmente amplias para su aplicación práctica. La aparición de una lámpara de tres electrodos condujo a la rápida evolución de los circuitos receptores de radio, ya que fue posible amplificar la señal recibida por decenas y cientos de veces. La sensibilidad de los receptores ha aumentado muchas veces. Uno de los primeros circuitos receptores de válvulas fue propuesto ya en 1907 por el mismo De Forest.
Aquí se conecta un circuito LC entre la antena y tierra, en cuyos terminales se produce un voltaje alterno de alta frecuencia, formado bajo la acción de la energía recibida de la antena. Este voltaje se aplicó a la rejilla de la lámpara y controló las fluctuaciones de la corriente del ánodo. Así, se obtenían oscilaciones amplificadas de la señal recibida en el circuito del ánodo, lo que podía poner en movimiento la membrana del teléfono incluida en el mismo circuito. La primera lámpara Audin de tres electrodos de De Forest tenía muchos inconvenientes. La ubicación de los electrodos en él era tal que la mayor parte del flujo de electrones no caía sobre el ánodo, sino sobre un recipiente de vidrio. El efecto de control de la red resultó ser insuficiente. La lámpara estaba mal evacuada y contenía una cantidad significativa de moléculas de gas. Ionizaron y bombardearon continuamente el filamento, teniendo un efecto devastador sobre él. En 1910, el ingeniero alemán Lieben creó un tubo de vacío de triodo mejorado, en el que la rejilla se hizo en forma de lámina perforada de aluminio y se colocó en el centro del cilindro, dividiéndolo en dos partes. En la parte inferior de la lámpara estaba el filamento, en la parte superior, el ánodo. Tal disposición de la rejilla permitió mejorar su acción de control, ya que todo el flujo de electrones pasaba a través de ella. El ánodo de esta lámpara tenía la forma de una ramita o espiral de alambre de aluminio, y un filamento de platino servía de cátodo. Lieben prestó especial atención al aumento de las propiedades de emisión de la lámpara. Para ello, se propuso en primer lugar recubrir el filamento con una fina capa de óxido de calcio o de bario. Además, se introdujo vapor de mercurio en el globo, lo que creó una ionización adicional y, por lo tanto, aumentó la corriente del cátodo.
Entonces, el tubo de vacío se utilizó primero como detector, luego como amplificador. Pero ganó un lugar de liderazgo en la ingeniería de radio solo después de que se descubrió la posibilidad de usarlo para generar oscilaciones eléctricas no amortiguadas. El primer generador de válvulas fue creado en 1913 por el notable ingeniero de radio alemán Meissner. Basado en el triodo de Lieben, también construyó el primer transmisor radiotelefónico del mundo y en junio de 1913 realizó una conexión radiotelefónica entre Nauen y Berlín a una distancia de 36 km.
El oscilador de tubo contenía un circuito oscilatorio que constaba de un inductor L y un condensador C. Si dicho condensador está cargado, aparecen oscilaciones amortiguadas en el circuito. Para que las oscilaciones no desaparezcan, es necesario compensar las pérdidas de energía para cada período. Por lo tanto, la energía de una fuente de voltaje constante debe ingresar periódicamente al circuito. Para ello, se incluyó un triodo de tubo en el circuito eléctrico del circuito oscilatorio, de forma que las oscilaciones del circuito fueran alimentadas a su rejilla. El circuito de ánodo de la lámpara incluía una bobina Lc, acoplada inductivamente con la bobina L del circuito oscilatorio. En el momento en que se enciende el circuito, la corriente de la batería, aumentando gradualmente, se mueve a través del triodo y la bobina Lc. En este caso, de acuerdo con la ley de inducción electromagnética, habrá una corriente eléctrica en la bobina L, que carga el capacitor C. El voltaje de las placas del capacitor, como se puede ver en el diagrama, se suministra al cátodo y la cuadrícula. Cuando se enciende, la placa del condensador cargada positivamente se conecta a la red, es decir, la carga positivamente, lo que contribuye a aumentar la corriente que pasa por la bobina Lc. Esto continuará hasta que la corriente del ánodo alcance su máximo (después de todo, la corriente en la lámpara está determinada por la cantidad de electrones evaporados del cátodo, y su número no puede ser ilimitado; al aumentar hasta un máximo, esta corriente ya no aumenta con un aumento de la tensión de la red). Cuando esto sucede, una corriente constante fluirá a través de la bobina Lc. Dado que el acoplamiento inductivo ocurre solo con corriente alterna, no habrá corriente en la bobina L. Como resultado, el capacitor comenzará a descargarse. La carga positiva de la red, por lo tanto, disminuirá y esto afectará inmediatamente la magnitud de la corriente del ánodo; también disminuirá. En consecuencia, la corriente a través de la bobina Lc también disminuirá, lo que creará una corriente en dirección opuesta en la bobina L. Por lo tanto, cuando el condensador C se descarga, la corriente decreciente a través de Lc seguirá induciendo una corriente en la bobina L, por lo que las placas del condensador se cargarán, pero en la dirección opuesta, de modo que se acumulará una carga negativa en la placa. conectado a la red. Esto eventualmente causará un cese completo de la corriente del ánodo: el flujo de corriente a través de la bobina L se detendrá nuevamente y el capacitor comenzará a descargarse. Como resultado, la carga negativa en la red será cada vez menor, aparecerá nuevamente la corriente del ánodo, que aumentará. Así que todo el proceso se repetirá desde el principio. De esta descripción se puede ver que una corriente alterna fluirá a través de la rejilla de la lámpara, cuya frecuencia es igual a la frecuencia natural del circuito oscilante LC. Pero estas oscilaciones no serán amortiguadas, sino constantes, ya que se mantienen por la adición constante de energía de la batería a través de la bobina Lc acoplada inductivamente a la bobina L. La invención del generador de tubo hizo posible dar un paso importante en la tecnología de la comunicación por radio - además de la transmisión de señales telegráficas que consisten en pulsos cortos y más largos, se hizo posible la comunicación radiotelefónica confiable y de alta calidad - es decir, la transmisión de el habla humana y la música usando ondas electromagnéticas. Puede parecer que la comunicación por radioteléfono no tiene nada de complicado. De hecho, las vibraciones sonoras se convierten fácilmente en vibraciones eléctricas con la ayuda de un micrófono. ¿Por qué, amplificándolos y alimentándolos en la antena, no transmitir voz y música a distancia de la misma manera que se transmitía antes el código Morse? Sin embargo, en realidad, este método de transmisión no es factible, ya que solo las oscilaciones potentes de alta frecuencia se irradian bien a través de la antena. Y las vibraciones lentas de la frecuencia del sonido excitan ondas electromagnéticas en el espacio tan débiles que no hay forma de recibirlas. Por tanto, antes de la creación de los generadores de tubo que producen oscilaciones de alta frecuencia, las comunicaciones por radioteléfono parecían una tarea extremadamente difícil. Para transmitir el sonido, estas vibraciones se modifican o, como se suele decir, se modulan con vibraciones de baja frecuencia (sonora). La esencia de la modulación radica en el hecho de que las oscilaciones de alta frecuencia del generador y las oscilaciones de baja frecuencia del micrófono se superponen y, por lo tanto, se alimentan a la antena.
La modulación puede ocurrir en una variedad de formas. Por ejemplo, se incluye un micrófono en el circuito de la antena. Dado que la impedancia del micrófono cambia bajo la acción de las ondas sonoras, la corriente en la antena a su vez cambiará; en otras palabras, en lugar de oscilaciones con una amplitud constante, tendremos oscilaciones con una amplitud cambiante, una corriente modulada de alta frecuencia. La señal de alta frecuencia modulada que recibe el receptor, incluso después de la amplificación, no es capaz de provocar oscilaciones de la membrana del teléfono o de la bocina del altavoz con una audiofrecuencia. Solo puede provocar vibraciones de alta frecuencia que no son percibidas por nuestro oído. Por lo tanto, es necesario realizar el proceso inverso en el receptor - seleccionar una señal de audiofrecuencia a partir de oscilaciones moduladas en alta frecuencia - o, en otras palabras, detectar la señal. La detección se llevó a cabo utilizando un diodo de vacío. El diodo, como ya se mencionó, pasaba corriente en una sola dirección, convirtiendo la corriente alterna en pulsante. Esta corriente pulsante se suavizó con un filtro. El filtro más simple podría ser un condensador conectado en paralelo con el teléfono.
El filtro funcionó así. En ese momento, cuando el diodo pasó corriente, parte de ella se ramificó en un capacitor y lo cargó. En los intervalos entre pulsos, cuando el diodo estaba bloqueado, el capacitor se descargaba en el tubo. Por lo tanto, en el intervalo entre pulsos, la corriente fluyó a través del tubo en la misma dirección que el pulso mismo. Cada pulso subsiguiente recargaba el condensador. Debido a esto, una corriente de audiofrecuencia fluyó a través del tubo, cuya forma reproducía casi por completo la forma de la señal de baja frecuencia en la estación de transmisión. Después de la amplificación, las vibraciones eléctricas de baja frecuencia se convirtieron en sonido; El receptor detector más simple consta de un circuito oscilatorio conectado a una antena y un circuito conectado al circuito, que consta de un detector y un teléfono. Los primeros tubos de vacío eran todavía muy imperfectos. Pero en 1915, Langmuir y Guede propusieron una forma eficiente de bombear lámparas a presiones muy bajas, por lo que las lámparas de vacío reemplazaron a las lámparas de iones. Esto llevó la tecnología electrónica a un nivel mucho más alto. Autor: Ryzhov K.V.
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