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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Lâmpada elétrica. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Lâmpada eletrônica, tubo de rádio - um dispositivo elétrico de vácuo (mais precisamente, um dispositivo eletrônico de vácuo) que funciona controlando a intensidade do fluxo de elétrons que se movem no vácuo ou gás rarefeito entre os eletrodos. Os tubos de rádio foram amplamente utilizados no século XX como elementos ativos de equipamentos eletrônicos (amplificadores, geradores, detectores, interruptores, etc.). Atualmente, eles são quase totalmente substituídos por dispositivos semicondutores. Às vezes, eles também são usados em poderosos transmissores de alta frequência e equipamentos de áudio.
A invenção da lâmpada de elétrons está diretamente relacionada ao desenvolvimento da tecnologia de iluminação. No início dos anos 80 do século XIX, o famoso inventor americano Edison estava aprimorando a lâmpada incandescente. Uma de suas desvantagens foi a diminuição gradual da saída de luz devido ao embaçamento da lâmpada devido ao aparecimento de uma mancha escura na parte interna do vidro. Investigando as causas desse efeito em 1883, Edison notou que muitas vezes no vidro manchado do cilindro no plano do laço da linha havia uma tira leve, quase não escurecida, e essa tira sempre ficava na lateral da lâmpada onde estava localizada a entrada positiva do circuito do filamento. Parecia que a parte do filamento de carbono adjacente à entrada negativa estava emitindo as menores partículas de material de si mesma. Passando voando pelo lado positivo do filamento, eles cobriram o interior do recipiente de vidro por toda parte, exceto por aquela linha na superfície do vidro, que, por assim dizer, estava obscurecida pelo lado positivo do filamento. A imagem desse fenômeno ficou mais evidente quando Edison inseriu uma pequena placa de metal dentro do recipiente de vidro, colocando-a entre as entradas do filamento. Ao conectar esta placa através de um galvanômetro com o eletrodo positivo do fio, foi possível observar a corrente elétrica fluindo pelo espaço dentro do balão.
Edison sugeriu que o fluxo de partículas de carbono emitidas pelo lado negativo do filamento faz parte do caminho entre o filamento e a placa que ele introduziu condutiva, e descobriu que esse fluxo é proporcional ao grau de incandescência do filamento, ou, em outras palavras, o poder de luz da própria lâmpada. Isso, de fato, encerra o estudo de Edison. O inventor americano não podia imaginar a grande descoberta científica de que estava à beira. Quase 20 anos se passaram antes que o fenômeno observado por Edison recebesse sua explicação abrangente e correta. Descobriu-se que quando um filamento de lâmpada colocado no vácuo é fortemente aquecido, ele começa a emitir elétrons para o espaço circundante. Esse processo é chamado de emissão termiônica, e pode ser considerado como a evaporação de elétrons do material do filamento. A ideia da possibilidade de uso prático do "efeito Edison" ocorreu pela primeira vez ao cientista inglês Fleming, que em 1904 criou um detector baseado nesse princípio, chamado de "tubo de dois eletrodos", ou "diodo" de Fleming. A lâmpada de Fleming era uma garrafa de vidro comum cheia de gás rarefeito. Um filamento foi colocado dentro do balão junto com um cilindro de metal envolvendo-o. O eletrodo aquecido da lâmpada emitia continuamente elétrons, que formavam uma "nuvem de elétrons" ao seu redor. Quanto maior a temperatura do eletrodo, maior a densidade da nuvem de elétrons. Quando os eletrodos da lâmpada foram conectados a uma fonte de corrente, um campo elétrico surgiu entre eles. Se o pólo positivo da fonte foi conectado a um eletrodo frio (ânodo) e o pólo negativo a um aquecido (cátodo), então sob a ação de um campo elétrico, os elétrons deixaram parcialmente a nuvem de elétrons e correram para o frio eletrodo. Assim, uma corrente elétrica foi estabelecida entre o cátodo e o ânodo. Quando a fonte é ligada na direção oposta, o ânodo carregado negativamente repele os elétrons de si mesmo e o cátodo carregado positivamente os atrai. Neste caso, não havia corrente elétrica. Ou seja, o diodo Fleming tinha uma condutividade unilateral pronunciada.
Estando incluída no circuito receptor, a lâmpada agia como um retificador, passando a corrente em uma direção e não a passando na direção oposta, podendo assim servir como guia de ondas - detector. Para aumentar ligeiramente a sensibilidade da lâmpada, foi aplicado um potencial positivo adequadamente selecionado. Em princípio, o circuito receptor com uma lâmpada Fleming quase não era diferente de outros circuitos de rádio da época. Foi inferior em sensibilidade ao esquema com detector do tipo magnético, mas teve confiabilidade incomparavelmente maior. Outra conquista notável no campo da melhoria e aplicação técnica do tubo de vácuo foi a invenção em 1907 pelo engenheiro americano De Forest de uma lâmpada contendo um terceiro eletrodo adicional. Este terceiro eletrodo foi chamado pelo inventor de "grade" e a própria lâmpada - "audin", mas na prática outro nome foi atribuído a ele - "triode". O terceiro eletrodo, como pode ser visto pelo nome, não era contínuo e podia passar elétrons voando do cátodo para o ânodo. Quando uma fonte de tensão era ligada entre a grade e o cátodo, um campo elétrico surgia entre esses eletrodos, o que influenciava fortemente o número de elétrons que chegavam ao ânodo, ou seja, a força da corrente que flui através da lâmpada (a força do corrente anódica). Com uma diminuição na tensão aplicada à rede, a força da corrente do ânodo diminuiu, com um aumento aumentou. Se uma tensão negativa fosse aplicada à rede, a corrente do ânodo parava completamente - a lâmpada estava "bloqueada". Uma propriedade notável do triodo era que a corrente de controle poderia ser muitas vezes menor que a principal - mudanças insignificantes de tensão entre a grade e o cátodo causavam mudanças bastante significativas na corrente do ânodo. Esta última circunstância tornou possível usar a lâmpada para amplificar pequenas tensões alternadas e abriu possibilidades extraordinariamente amplas para sua aplicação prática. O aparecimento de uma lâmpada de três eletrodos levou à rápida evolução dos circuitos de recepção de rádio, pois tornou-se possível amplificar o sinal recebido em dezenas e centenas de vezes. A sensibilidade dos receptores aumentou muitas vezes. Um dos primeiros circuitos receptores de tubo foi proposto já em 1907 pelo mesmo De Forest.
Um loop LC é conectado aqui entre a antena e o terra, nos terminais dos quais ocorre uma tensão alternada de alta frequência, formada sob a ação da energia recebida da antena. Esta tensão foi aplicada à grade da lâmpada e controlou as flutuações da corrente do ânodo. Assim, oscilações amplificadas do sinal recebido foram obtidas no circuito anódico, o que poderia acionar a membrana do telefone incluída no mesmo circuito. A primeira lâmpada Audin de três eletrodos de De Forest tinha muitas desvantagens. A localização dos eletrodos era tal que a maior parte do fluxo de elétrons não caía no ânodo, mas em um recipiente de vidro. O efeito de controle da grade acabou sendo insuficiente. A lâmpada foi mal evacuada e continha um número significativo de moléculas de gás. Eles ionizaram e bombardearam continuamente o filamento, tendo um efeito devastador sobre ele. Em 1910, o engenheiro alemão Lieben criou um tubo de vácuo triodo aprimorado, no qual a grade era feita na forma de uma folha de alumínio perfurada e colocada no centro do balão, dividindo-o em duas partes. Na parte inferior da lâmpada estava o filamento, na parte superior - o ânodo. Tal disposição da grade possibilitou potencializar sua ação de controle, uma vez que todo o fluxo de elétrons passou por ela. O ânodo desta lâmpada tinha a forma de um galho ou espiral de fio de alumínio, e um filamento de platina servia como cátodo. Lieben prestou atenção especial ao aumento das propriedades de emissão da lâmpada. Para isso, foi proposto inicialmente revestir o filamento com uma fina camada de óxido de cálcio ou bário. Além disso, o vapor de mercúrio foi introduzido no balão, o que criou ionização adicional e, assim, aumentou a corrente catódica.
Assim, o tubo de vácuo começou a ser usado como detector, depois como amplificador. Mas ganhou um lugar de liderança na engenharia de rádio somente depois que a possibilidade de usá-lo para gerar oscilações elétricas não amortecidas foi descoberta. O primeiro gerador de tubo foi criado em 1913 pelo notável engenheiro de rádio alemão Meissner. Com base no triodo de Lieben, ele também construiu o primeiro transmissor de radiotelefone do mundo e em junho de 1913 fez uma conexão de radiotelefone entre Nauen e Berlim a uma distância de 36 km.
O gerador valvulado continha um circuito oscilatório composto por um indutor L e um capacitor C. Se esse capacitor estiver carregado, oscilações amortecidas aparecerão no circuito. Para que as oscilações não desapareçam, é necessário compensar as perdas de energia de cada período. Portanto, a energia de uma fonte de tensão constante deve entrar periodicamente no circuito. Para isso, um triodo de tubo foi incluído no circuito elétrico do circuito oscilatório, para que as oscilações do circuito fossem alimentadas à sua rede. O circuito anódico da lâmpada incluía uma bobina Lc, acoplada indutivamente à bobina L do circuito oscilatório. No momento em que o circuito é ligado, a corrente da bateria, aumentando gradativamente, passa pelo triodo e pela bobina Lc. Neste caso, de acordo com a lei da indução eletromagnética, haverá uma corrente elétrica na bobina L, que carrega o capacitor C. A tensão das placas do capacitor, como pode ser visto no diagrama, é fornecida ao cátodo e a grade. Quando ligada, a placa do capacitor carregado positivamente é conectada à rede, ou seja, carrega-a positivamente, o que contribui para um aumento da corrente que passa pela bobina Lc. Isso continuará até que a corrente do ânodo atinja seu máximo (afinal, a corrente na lâmpada é determinada pelo número de elétrons evaporados do cátodo, e seu número não pode ser ilimitado - aumentando até um máximo, essa corrente não aumenta mais com um aumento da tensão da rede). Quando isso acontece, uma corrente constante fluirá através da bobina Lc. Como o acoplamento indutivo ocorre apenas com corrente alternada, não haverá corrente na bobina L. Como resultado, o capacitor começará a descarregar. A carga positiva da rede, portanto, diminuirá e isso afetará imediatamente a magnitude da corrente do ânodo - também diminuirá. Consequentemente, a corrente através da bobina Lc também diminuirá, o que criará uma corrente na direção oposta na bobina L. Portanto, quando o capacitor C é descarregado, a corrente decrescente através de Lc ainda induzirá uma corrente na bobina L, pelo que as placas do capacitor serão carregadas, mas na direção oposta, de modo que uma carga negativa se acumulará na placa conectado à rede. Isso eventualmente causará uma interrupção completa da corrente do ânodo - o fluxo de corrente através da bobina L parará novamente e o capacitor começará a descarregar. Como resultado, a carga negativa na rede será cada vez menor, a corrente do ânodo aparecerá novamente, o que aumentará. Assim, todo o processo será repetido desde o início. A partir desta descrição, pode-se ver que uma corrente alternada fluirá através da grade da lâmpada, cuja frequência é igual à frequência natural do circuito oscilante LC. Mas essas oscilações não serão amortecidas, e sim constantes, pois são mantidas pela constante adição de energia da bateria através da bobina Lc, que está indutivamente ligada à bobina L. A invenção do gerador de tubos possibilitou um passo importante na tecnologia de radiocomunicação - além da transmissão de sinais telegráficos compostos por pulsos curtos e longos, tornou-se possível a comunicação radiotelefônica confiável e de alta qualidade - ou seja, a transmissão de fala humana e música usando ondas eletromagnéticas. Pode parecer que a comunicação radiotelefônica não tem nada de complicado. De fato, as vibrações sonoras são facilmente convertidas em vibrações elétricas com a ajuda de um microfone. Por que, amplificando-os e alimentando-os na antena, não transmitir fala e música à distância da mesma forma que o código Morse era transmitido antes? No entanto, na realidade, esse método de transmissão não é viável, pois apenas oscilações poderosas de alta frequência são bem irradiadas pela antena. E vibrações lentas de frequência sonora excitam ondas eletromagnéticas no espaço tão fracas que não há como recebê-las. Portanto, antes da criação de geradores de tubos que produzem oscilações de alta frequência, a comunicação radiotelefônica parecia ser uma questão extremamente difícil. Para transmitir o som, essas vibrações são alteradas ou, como se costuma dizer, moduladas com vibrações de baixa frequência (som). A essência da modulação reside no fato de que as oscilações de alta frequência do gerador e as oscilações de baixa frequência do microfone são sobrepostas umas às outras e, assim, alimentadas na antena.
A modulação pode ocorrer de várias maneiras. Por exemplo, um microfone está incluído no circuito da antena. Como a impedância de um microfone muda com as ondas sonoras, a corrente na antena também muda; ou seja, em vez de oscilações com amplitude constante, teremos oscilações com amplitude variável - uma corrente modulada de alta frequência. O sinal de alta frequência modulado recebido pelo receptor, mesmo após amplificação, não é capaz de causar oscilações da membrana do telefone ou da buzina do alto-falante com uma frequência de áudio. Só pode causar vibrações de alta frequência que não são percebidas pelo nosso ouvido. Portanto, é necessário realizar o processo inverso no receptor - selecionar um sinal de frequência de áudio a partir de oscilações moduladas de alta frequência - ou, em outras palavras, detectar o sinal. A detecção foi realizada usando um diodo de vácuo. O diodo, como já mencionado, passava corrente em apenas uma direção, transformando a corrente alternada em pulsante. Esta corrente pulsante foi suavizada com um filtro. O filtro mais simples pode ser um capacitor conectado em paralelo com o aparelho.
O filtro funcionou assim. Naquele momento, quando o diodo passou corrente, parte dele se ramificou em um capacitor e o carregou. Nos intervalos entre os pulsos, quando o diodo estava bloqueado, o capacitor era descarregado no tubo. Portanto, no intervalo entre os pulsos, a corrente fluiu através do tubo na mesma direção que o próprio pulso. Cada pulso subsequente recarregava o capacitor. Devido a isso, uma corrente de áudio-frequência fluiu através do tubo, cuja forma reproduziu quase completamente a forma do sinal de baixa frequência na estação transmissora. Após a amplificação, as vibrações elétricas de baixa frequência se transformaram em som; O receptor detector mais simples consiste em um circuito oscilatório conectado a uma antena e um circuito conectado ao circuito, composto por um detector e um telefone. Os primeiros tubos de vácuo ainda eram muito imperfeitos. Mas em 1915, Langmuir e Guede propuseram uma maneira eficiente de bombear lâmpadas a pressões muito baixas, devido à qual as lâmpadas de vácuo substituíram as lâmpadas de íons. Isso levou a tecnologia eletrônica a um nível muito mais alto. Autor: Ryzhov K.V.
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