1.3 貓胡子偵測器

貓的胡子很重要，很敏感。貓靠著胡子感知周圍的物體，估計和測量老鼠洞的大小，所以胡子是貓的探測計量儀器。

圖1.3.1 貓胡子偵測器

很多現在60歲以上的人，在少年時代都玩過礦石收音機（圖1.3.1）。在那個極其簡單的、不用電就能收到音樂的，當時看起來像奇跡一般的“機器”里，就有一個叫做貓胡子偵測器的關鍵組件。人們用它來偵探什么呢？與貓胡子的功能大同小異，貓用胡子偵測周圍的物體，貓胡子偵測器則被用在像礦石收音機這種電磁波接收器中，用來偵測電磁波！

電磁波，在現代科技中這個耳熟能詳的名詞，最早是于1865年由英國理論物理學家麥克斯韋提出的。1831年，40歲的法拉第提出電磁感應定理的時候，麥克斯韋才剛剛在愛丁堡呱呱墜地。人們怎么也想象不到，二三十年之后，年輕的麥克斯韋和老邁的法拉第結成了忘年之交。

麥克斯韋和法拉第，他們的友誼及合作可算是物理學史上的奇跡。兩人的年齡、學歷、性格趣味、人生經歷完全不同。一個老，一個少；一個出自寒門，一個身為貴族；一個小學水平，一個畢業于名牌大學；一個是數學天才，一個是實驗高手。然而，上帝讓這兩個迥然不同的物理學家相遇、合作、互補，共同打造出了完全不同于牛頓力學的經典電磁理論的宏偉體系。

因為法拉第沒有系統學習過高深的數學，世俗的偏見使得他天才而深奧的場論思想不為物理理論界所接受。但是，這些想法卻深深地影響了麥克斯韋，并且借著麥克斯韋的天才建模能力而融合進了美妙的數學方程中。之后，麥克斯韋又從他自己歸納總結的麥克斯韋方程中預言了電磁波的存在，為法拉第多年前有關“光和電磁振動有關”的大膽推測找到了理論根據。只可惜當時的法拉第已經太老了，沒能用實驗證實電磁波的存在。

因此，電磁波理論是理論和實驗結合而創造的奇跡。遺憾的是，在麥克斯韋預言電磁波的兩年之后，法拉第就去世了。而麥克斯韋自己呢，也只活了48歲，沒能等到電磁波的實驗證實。

第一次用實驗觀察到電磁波的人，是發現光電效應的海因里希·赫茲，時間則是在1887年，麥克斯韋逝世8年之后。

赫茲通過兩個加上高壓交流電的金屬小球進行高壓放電，作為電磁波發射器。在實驗室的另一端，他安置了兩個用導線連在一起的金屬小球，作為電磁波的接收器（圖1.3.2）。實驗開始了，“噼噼啪啪、噼噼啪啪……”，發射器發出嘈雜的聲響，那兩個加上了高壓電的小球之間不斷地跳過明亮耀眼的火花。這些電火花應該伴隨著電磁波的發射，當電磁波傳播到房間另一端的接收器時，接收器的兩個小球之間也應該跳過電火花。赫茲不停地調整、變換他的簡單接收器，目不轉睛地看著上面的金屬小球，等待著預料應該發生的事情。也不知道他度過了多少個如此焦急難熬的日日夜夜，才期盼到了那第一個閃爍的火花？

圖1.3.2 赫茲發現電磁波的簡單設備

總之，功夫不負有心人。赫茲最后成功地觀察到了接收器收到電磁波后引發的電火花，電磁波就此誕生了！并且，他還正確地算出了它的傳播速度，剛好與光速一致，和麥克斯韋、法拉第預言的一樣。

赫茲的實驗引起了轟動，這個世界從此變得熱鬧起來。科學家和工程師們趨之若鶩，各種頻率的電磁波漫天飛舞，人類可能早就在等待著這一天的到來。從此，科學技術的詞典上多了一個名詞：無線電！

緊接著，意大利的馬可尼和俄國的波波夫分別實現了無線電通信傳輸。隨之而來的各種無線電技術蓬勃發展，如日中天。貓胡子偵測器也作為世界上的第一個無線電通信半導體器件，在20世紀初閃亮登場。

不過，貓胡子偵測器的原理是基于早一些時候的物理研究，具體地說，是基于半導體的第三個敏感特點：整流性。

什么叫整流？就是將具有正反兩個方向的交流電變成只在一個方向流過的單向電流。

繼法拉第和貝克勒爾之后，1874年，德國物理學家卡爾·布勞恩（Karl Braun,1850—1918）在研究方鉛礦——一種硫化鉛化合物的導電性質時，發現此類物質的導電性與所加電壓的方向有關。也就是說，此類的物質敏感于所加電壓的方向。如果在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電了。換言之，無論它兩端的電壓是正還是負，電流只能往一個方向流。這種單向導電性，就是半導體所特有的整流性［4］。

布勞恩剛發現這個半導體特性時，并不知道它有什么用處。直到25年之后，印度物理學家玻色（Jagadish Chandra Bose）第一次將方鉛礦晶體的整流性質用來探測電磁波［5］。后來，收音機發明后，美國電機發明家皮卡（G.W.Pickard）實驗了成千上萬種材料，篩選出幾十種整流性特別好的，用硅晶體造出了貓胡子偵測器（cat's whisker）。皮卡使用硅晶體的整流功能用于檢波，來探測和解調接收到的無線電信號（圖1.3.3）。如此，歷史上的第一個半導體器件，也就是后來的點接觸二極管，揭開了半導體器件登上歷史舞臺的第一幕［6］。

布勞恩也是陰極射線管的發明者，于1909年與馬可尼同獲諾貝爾物理學獎。

實際上，從圖1.3.1中可以看到，偵測器中的“貓胡子”是一根細細的金屬線，通過一個把手則可改變貓胡子的方向，以及與半導體表面的接觸點的位置、壓力、接觸面積等，猶如貓用胡子探來探去，尋找具有最佳整流功能的點，使接收電磁波也達到最好的效果。

圖1.3.3 整流和檢波

半導體整流特性的發現，早于真空管整流特性的發現。但是，真空管很快就主宰了電子通信時代。發現真空管整流特性，則歸功于大發明家托馬斯·愛迪生。

1880年2月的一天，美國東部的新澤西州仍然春寒料峭，愛迪生正在實驗室里研究如何延長他的碳絲白熾燈的壽命。他試驗過各種方法。有一次，他在燈泡中多放了一個電極，在玩來玩去的過程中，卻意外地發現了一個奇怪的現象［7］，見圖1.3.4。

圖1.3.4 愛迪生效應

愛迪生發現，如果在燈泡新加的電極上加上正電壓，電極和碳絲之間便有電流通過，如果加上負電壓，便沒有電流，這和幾年前布勞恩在半導體上發現的整流性類似，這個現象后來被稱為愛迪生效應。再后來，約翰·弗萊明于1904年在此基礎上制造出真空二極管，美國另一個發明家德·福雷斯特（Lee De Forest）則進一步發明了第一個真空三極管，揭開了真空電子管無線電通信的新篇章。

第二次世界大戰加速了電子工業的發展，盡管大多數通信器件都是使用真空管，但戰爭中雙方的競爭也促進了各類半導體器件的開發。除了檢波器和整流器應用了半導體的整流性之外，利用半導體的光敏性制成了各種光電池。根據半導體的熱敏性，則發明了各種紅外探測器，被雙方用于偵探飛機和船艦。

從1833年法拉第第一次發現半導體的特殊性能，到第二次世界大戰結束，經過了一百多年，沉睡的硅美人終于睜開了她美麗的雙眼。在半導體慢慢蘇醒、被人所識的這段長長歲月里，人類社會也發生了翻天覆地的變化。以電力系統的多項發明和廣泛應用為主線的第二次工業革命正在世界各國迅速蔓延。眾多風云人物不斷涌現，發明專利層出不窮：愛迪生的燈泡、貝爾的電話、萊特兄弟的飛機、卡爾·本茨的汽車，還有與電磁應用有關的諸如西門子的發電機、馬可尼的越洋通信，等等。當初法拉第在實驗室里玩弄的電磁現象已經遍布全球，不斷向人類展示它們的無窮魅力和絕代風采。繼法拉第之后，在電力世界中叱咤風云的大師級人物也許不止一個，但被人譽為“閃電大師”的特斯拉，以其傳奇性的一生，近年來吸引了公眾的注意。

因此，讓我們講講特斯拉鮮為人知的故事。