电子管的诞生

19世纪下半叶，先后有几位科学家发现了通电的金属导体在加热后会出现电量损失的现象。1883年，正在改进灯泡的托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison）也发现了这一现象，为了减缓灯丝在高温下过快“蒸发”，他在灯泡中加入了不与灯丝接触的金属片，虽然并没有解决灯丝的“蒸发”问题，却意外地用电流表检测出了金属片中的微弱电流。这在当时是匪夷所思的，难不成电流从空中飞渡了吗？

托马斯·阿尔瓦·爱迪生肖像及其发现爱迪生效应的灯泡（图片来自维基百科）

他进一步实验，发现只有当金属片与电源的正极相连时才会产生电流，反之则不会。爱迪生不明白这是什么原理，也没想过可以怎样应用，但依然申请了专利，这种现象因而被称为爱迪生效应（Edison effect）。爱迪生并没有料到，自己的无意之举打开了电子学的大门。

爱迪生的实验电路（箭头表示电子流向，为方便示意，代表金属片的粗横线画在了灯泡顶部，真实的金属片位于灯丝环成的弧形之内。）

1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生（Joseph John Thomson）发现了电子，人们才明白爱迪生效应是电子从加热的灯丝表面逃逸，被金属片捕获的结果，当金属片连接电源负极，同极相斥，也便不会接收来自灯丝的电子。爱迪生效应因此有了一个更专业的名字——热电子发射（Thermionic emission）。

1904年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）利用爱迪生效应发明了电子管（或真空管），结构和爱迪生的灯泡类似，因为有两个电极（涌出电子的灯丝为阴极，接收电子的金属片为阳极）而被称为电子二极管（或真空二极管）。当阴极与电源负极相连、阳极与电源正极相连时，二极管导通，表现为没有电阻的导线；反之，二极管不通，表现为一个没有合上的开关。由于这样单向导通的特性，电子二极管主要用作交流电整流器和收音机里的检波器。

约翰·安布罗斯·弗莱明肖像及其电子二极管（图片来自维基百科）

二极管中，与电源正负极的相连本质上造就了阴极与阳极之间的电压差，与电源正极相连总能获得更高的电压。水往低处流，电流也一样，从高压的地方流向低压，可电子却不是，它总爱从低压的地方挪向高压，因为它带负电荷，所以要跟我们的常识反着来。那么，有么有可能通过增加电源和电极，以产生更多不同的电压差，从而实现更复杂的功能呢？还真有。

1906年，美国发明家李·德福雷斯特（Lee de Forest）通过在二极管的灯丝和金属片阴阳两极之间增加一个电极——一根波浪形的金属丝，发明了电子三极管。后来金属丝被改成金属网，故称栅极。

李·德福雷斯特肖像及其三极管（图片来自维基百科）

栅极的表现与阳极十分类似，其作用取决于它和阴极之间的电压差。当施加在栅极上的电压比阴极低时，从阴极发射的部分电子将受到阻碍而无法到达阳极，栅极上的电压比阴极低得越多，这种阻碍效应就越大，直至完全阻隔；反之，当栅极上的电压比阴极高时，它反而开始吸引电子，助阴极一臂之力将更多电子传到阳极。结果是，稍微改变一下栅极上的电压，就可以对阳极上的电压产生很大影响，因而三极管常用作无线电通信中的信号放大器。

三极管阻断（左）和导通（右）原理电路（为示意清晰，略去了阴极（灯丝）的加热电路。）

电子管逻辑门

具有通断两种状态的电子管令人不禁和电磁继电器联系到一起，继电器中衔铁的摆动是机械的，而电子管的通断几近光速，如果使用电子管组成开关电路，进而实现逻辑门，以此为基础元件建造的计算机不就可以拥有空前的运算速度了吗？

下图给出了一种用电子二极管和三极管构建的与、或、非门电路，为了便于分析，这里引入一个专业术语——电平，它用来表示电压的相对高低，我们把相对的高压称为高电平，相对的低压称为低电平，通常对应到二进制中，高电平代表1，低电平代表0。

电子管逻辑门（在实际使用中，电子管的电极并不一定与电源直接相连，在图中省略电源也更有助于我们将注意力集中在它们的逻辑关系上。）

与门由两个二极管组成，两者的阴极作为输入端X和Y，阳极作为输出端Z，对Z施加高电平。当给X和Y任意一者施加低电平时，对应的二极管导通，Z处的电平便被拉低；给X和Y同时施加高电平时，两个二极管都不通，Z便保留高电平。
或门也由两个二极管组成，两者的阳极作为输入端X和Y，阴极作为输出端Z，对Z施加低电平。当给X和Y任意一者施加高电平时，对应的二极管导通，Z处的电平便被拉高；给X和Y同时施加低电平时，两个二极管都不通，Z便保留低电平。
非门由单个三极管实现，栅极作为输入端X，阳极作为输入端Z，对Z施加高电平。当给X施加高电平时，三极管导通，Z处的电平便被拉低；给X施加低电平时，三极管不通，Z便保留高电平。

显然，用电子管建造计算机在理论上是完全可行的。不过这样的想法在早期被多数人视为天方夜谭，因为那时的电子管不但体积大、能耗高、价格昂贵，可靠性还差，常以极少的数量应用在无线电设备中，用成千上万的电子管建造计算机几乎是不可能完成的任务。然而，还是有一批不惧困难的极客在历史的关键时刻接下了这个任务，用一根根灯丝的微弱之光，点亮了电子计算的前途。