斯特拉斯堡高中

卡尔·费迪南德·布劳恩(1850年6月6日—1918年4月20日),德国物理学家,诺贝尔物理学奖获得者,阴极射线管发明人。

早期经验

1850年6月6日,博朗出生在德国,父亲是公务员。1868年开始在德国马尔堡大学学习数学和自然科学。1869年转到柏林大学学习天线,1872年获得物理学博士学位。

1873年,他通过了全国中学教师考试,在莱比锡的一所中学教授数学和自然科学,在那里他还进行了振荡电流的科学研究。1874年,他发现某些金属硫化物具有使电流单向通过的特性,并利用半导体的这一特性制成了无线通信技术中不可或缺的探测器,开创了人类研究半导体的先河。

布劳恩先后在马尔堡大学(1876)、斯特拉斯堡大学(1880)和卡尔斯鲁厄大学(1883)担任物理系副教授和教授,并于1887年应图宾根大学邀请负责建立物理研究所。

发明阴极射线管

博朗制造了第一台阴极射线管(CRT,俗称显像管)示波器。目前,CRT广泛应用于电视机和电脑显示器。在德语国家,CRT仍然被称为“Braunsche R”(德语:Braunscher?hre).

19世纪下半叶,电力达到顶峰。1858年,德国物理学家Pluckel [2]观察到一种阴极荧光现象,1876年,德国物理学家Goldstein [3]证实了这种阴极射线。在追踪阴极射线的过程中,1895年,德国物理学家伦琴意外发现了X射线。1897年,英国物理学家汤姆逊对阴极射线进行了精确的实验研究,并将其命名为“电子”。正是在这样的背景下,当布劳恩得知人们在65438-09年的90年代研究阴极射线时,他立即投身于这一新领域。

第一根阴极射线管于1897年在德国卡尔斯鲁厄诞生。布劳恩在真空管的一端安装了一个电极(右图中的5)。当阴极发射的电子经过通电的电极时,聚集成一条窄束,即电子束,称为阴极射线(右图6)。一对水平和垂直的金属平行板电极(右图中的3个)分别放置在管的侧壁上。水平电极使电子束上下垂直偏转,垂直电极使电子束左右水平偏转。管子的另一端均匀涂上一层硫化锌或其他矿物细粉,制成荧光屏(右图8),电子束在荧光屏上能产生明亮的黄绿色斑点。随着放置在侧壁上的平行板电极电压的变化,电子束的偏转也发生变化,从而在荧光屏上形成不同的亮点,称为“扫描”。荧光屏上光斑的变化,显示了控制电子束偏转的平行板电极电压的变化,即所研究电波的波像,是示波器的原型和基础,使直观地观察电波成为可能。

布劳恩最初的阴极射线管并不完美。它只有一个冷阴极,并且该管不是完全真空的。而且需要10万伏的高电压来加速电子束,才能在屏幕上识别偏转后的轨迹。另外,电磁偏转只有一个方向。但是业界很快对布劳恩的发明产生了兴趣,使得阴极射线管发展良好。1889年,布劳恩的助手Zenneck在阴极射线管上增加了另一个方向的电磁偏转,随后又相继发明了热阴极和高真空。这使得阴极射线管不仅用于示波器,而且从1930开始成为显示器的重要组成部分,为后来的电视、雷达、电子显微镜的发明奠定了重要基础,至今仍广泛应用于电脑、电视、示波器的成像器中。

在发明阴极射线管的同时,布劳恩也开始了他对无线电报的研究。

无线电接收器

当时电报技术有一个致命的问题,就是缺乏可靠的电报接收器。物理学家布劳恩的实验风格严谨,实验条件具有可重复性。他改用晶体探测器,大大提高了接收器的灵敏度。直到电子管的发明,布劳恩的晶体探测器才被淘汰。即便如此,晶体探测器仍然在很长一段时间内用于简单的接收器。最初的超高频雷达设备也使用晶体探测器。

无线电广播发射机

布劳恩也为发射机做出了巨大贡献。马可尼主要靠经验和探索发明了发射机。在马可尼发明的基础上,布劳恩研究了发射机的物理背景,对马可尼的发射机进行了根本性的改造。例如,他发现了一种产生高功率低阻尼无线电波的方法。马可尼发射机原来的振荡电路和天线合二为一,这个电路产生的功率很低。布劳恩将两者分开,发明了磁耦合天线。初级线圈由一个电容器和一个火花隙组成,并耦合到一个电感天线。电容电路的振荡在辐射天线中产生了很大的电流,大大增加了整个系统的发射功率,增加了通信距离,以及无线电接收机和天线。如今,磁耦合天线仍在收音机、电视机、广播电台和雷达中使用。

1899年,发射机可传输20公里,完成了跨越英吉利海峡的无线电通信,真正实现了“远距离电报通信”,这是人类第一次利用电磁波传输信息。信息是:“您的电话已被正确清晰地接收”[4]。这个传输距离每个月都在被打破。1901年,马可尼用布劳恩的发报机成功地从英国科尔努发出了一封电报,跨越大西洋到达加拿大纽芬兰,建立了英国到北美的通信线路。

布劳恩还发明了定向天线。方向性也是电报技术的难点。发射机需要定向发射,接收机需要定向接收。布劳恩是最早实现定向传输的人之一。他发明的定向天线只向指定方向发射无线电波,减少了不必要的能量消耗。他还把发射机的频段调得很窄,从而减少了不同发射机之间的干扰。

诺贝尔物理学奖

因为无线电报的改进,布劳恩与发明无线电报的马可尼分享了1909诺贝尔物理学奖。马可尼的发明多次借用了博朗的专利。

停止

第一次世界大战爆发后,英国控制的马可尼无线电公司企图关闭纽约的无线电发射台,切断美国与德国的通讯,并起诉长岛塞维利亚无线电发射台的专利权。当时,美国参战前,64岁的布劳恩冲破英国封锁,前往美国帮助维护德国在纽约的广播电台,并在纽约为自己的实验作证。其间,美国介入第一次世界大战,布劳恩成为“敌国公民”[5]。美国不允许他回到斯特拉斯堡,只让他住在布鲁克林,直到1918年第一次世界大战结束,布劳恩在家中去世。