Czy wiemy komu zawdzięczamy elektronikę? – zapytał prof. dr hab. inż. Ryszard Tadeusiewicz w swoim drugim już felietonie na portalu Mikrokontroler.pl. Zapraszamy do lektury:

Emocjonujemy się polityką. Za sprawą mediów wydaje się nam, że wszystko zależy od tego, kto ma takie czy inne stanowisko. To oczywiście także jest ważne, ale bogactwo poszczególnych ludzi, firm i całych krajów jest w dużej mierze wynikiem pracy wynalazców. Mniej ważne jest to, kto rządzi. Ważne jest, czym dysponuje. A zasoby są efektem dorobku twórczego wynalazców. To ten dorobek jest głównym źródłem zamożności najbogatszych krajów 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 z nie potrafił odpowiedzieć na pytania Kim był Pablo Picasso? – to musiałby się wstydzić w każdym kulturalnym towarzystwie.

John Bardeen. Źródło: IEEE Spectrum

Tymczasem Picasso i Bardeen żyli i tworzyli mniej więcej w tym samym okresie czasu, 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 by wyglądał 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, 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 tego też absolutnie nikt się nie wstydzi!

Poznajmy historię elektroniki – 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 wynalazków 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 roku 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.

Thomas Alva Edison. Źródło: UMSU Fakultas Teknik

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. Więc może 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 znaczenie 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 on badać zjawisko odkryte przez Edisona i zwrócił uwagę na to, 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, więc 16.11.1904 zgłosił patent na lampę, która przewodzi prąd tylko w jedną stronę.

John Ambrose Fleming. Praca Fleminga odegrała kluczową rolę w przełomowych odkryciach Marconiego. Źródło: Smithsonian Institution/Wikimedia commons

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. Sam Fleming był doceniony: został członkiem Royal Society, a w 1928 roku 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 on do lampy Fleminga trzecią elektrodę (ze względu na kształt nazywaną siatką) i w ten sposób stał się wynalazcą triody. Opatentował ją w 1906 roku. 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.

Lee de Forest. Źródło: Yale Alumni Magazine

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 ona jak mało komu!

Walter Schottky. Źródło: nordbayern

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

Pierwsze masowe zastosowanie elektroniki – radiofonia

Dzięki wynalazkowi lampy elektronowej zaczęła się rozwijać radiofonia. Początkowo radio wykorzystywano głównie w komunikacji morskiej (słynny sygnał SOS z tonącego Titanica był nadany z jednego z najwcześniejszych okrętowych nadajników radiowych), a potem (zwłaszcza w okresie I wojny światowej) do celów łączności wojskowej. Jednak po wojnie radio „przeszło do cywila”. Amerykanie szczycą się że to oni mieli pierwszą stację radiową nadającą od 17.10.1919 roku wiadomości i muzykę dla cywilnych odbiorców.

Wczesna transmisja radiowa w pokoju kontrolnym BBC 5NG Nottingham w 1928 r. Źródło: BBC

W Europie pierwszą rozgłośnią radiową była BBC (British Broadcasting Company), która zaczęła nadawać 18.10.1922 roku. Anglicy w krótkim czasie bardzo spopularyzowali radio do tego stopnia, że w 1938 roku osiągnęli wskaźnik 176 abonentów na 1000 mieszkańców. W Polsce w tym czasie było 25 abonentów na 1000 mieszkańców. Bardzo silnie rozwijały swoją przedwojenną radiofonię Niemcy. W 1939 roku działało na terenie Niemiec 36 stacji nadawczych i było zarejestrowanych 12,5 mln. odbiorników radiowych. Francja w tym czasie miała niespełna 5 mln abonentów radiowych.

Nie tylko słyszeć, ale także widzieć

Pierwsze systemy transmisji radiowej opartej na użyciu lamp elektronowych w nadajnikach i w odbiornikach służyły do przesyłania dźwięków. Przemówień, raportów, koncertów. Potem jednak sięgnięto ambitnie dalej i zaczęto dążyć do przekazywania także obrazów. Zaczęły powstawać systemy telewizyjne, które też opierały się głównie na lampach elektronowych: w kamerach pracowały tak zwane lampy analizujące (ikonoskopy, ortikony i widikony), zaś w odbiornikach telewizyjnych (a znacznie później także w monitorach komputerowych) przez całe dziesięciolecia używane kineskopy, będące w istocie bardzo dużymi lampami elektronowymi. Rozwój telewizji też będzie jednak tematem oddzielnego felietonu, więc tu tylko sygnalizuję ten temat.

Elektronika na wojnie

W czasie II wojny światowej urządzenia elektroniczne oparte na technice lampowej odgrywały ogromną rolę, zwłaszcza w systemach łączności, a także jako kluczowy element radarów. Lampowe były też układy automatyki prowadzące na cel pierwsze rakiety balistyczne V2. Warto w tym miejscu wspomnieć o sukcesie polskiej Armii Krajowej, która nie tylko zdołała przechwycić jedną z niecelnie wystrzelonych rakiet tego typu (20 maja 1944 roku), ale w dodatku prof. Janusz Groszkowski (elektronik) zdołał rozszyfrować budowę i przeznaczenie układu sterującego rakiety, co było dużym osiągnięciem naukowym i technicznym. Wyniki tych ekspertyz przesłano do Wielkiej Brytanii w ramach operacji Most III.

Janusz Groszkowski. Źródło: Niedziela

Lampy elektronowe na usługach rodzącej się informatyki

W tym miejscu dodam, że pierwsze elektroniczne komputery też były budowane z wykorzystaniem lamp elektronowych. Na przykład pierwszy elektroniczny komputer ENIAC był zbudowany przy użyciu 18 tysięcy lamp elektronowych. Ale o historii rozwoju komputerów także planuję oddzielne felietony.

Wracając do głównego wątku trzeba stwierdzić, że roczna produkcja lamp elektronowych w połowie XX wieku przekraczała sto milionów sztuk – gdy u szczytu popularności tej techniki pojawił się maleńki ale groźny konkurent: tranzystor. To właśnie przy wynalezieniu tranzystora ujawnił się geniusz badacza, od którego nazwiska rozpocząłem ten artykuł: Johna Bardeena. Ale o historii wynalezienia, a potem upowszechnienia tranzystora opowiem w następnym odcinku cyklu.