本页使用了标题或全文手工转换

卡尔·布劳恩

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
Karl Ferdinand Braun
卡尔·費迪南德·布劳恩
Ferdinand Braun.jpg
出生 1850年6月6日
德国富尔达
逝世 1918年4月20日
美国纽约
居住地 Flag of Germany.svg德国
国籍 Flag of Germany.svg德国
研究領域 发明家物理学家
任职於 斯特拉斯堡大学
母校 马尔堡大学
柏林大学
博士導師 en:August Kundt
博士學生 列昂尼德·曼德尔施塔姆 (en:Leonid Mandelstam)
著名成就 阴极射线管
獲獎 Nobel prize medal.svg 诺贝尔物理学奖(1909年)

卡尔·費迪南德·布劳恩Karl Ferdinand Braun,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,阴极射线管的发明者。

早年经历[编辑]

1850年6月6日,布劳恩出生在富爾達,父亲是个公务员。1868年开始在德国马尔堡大学学习数学自然科学,1869年转去柏林大学研究天线,1872年获得物理学博士学位。

1873年,他通过国家中学教师考试,在莱比锡的一家中学教数学和自然科学,在那里他同时进行对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方向通过的特性,并利用半导体的这个特性制成了无线通信技术中不可或缺的检波器,开创了人类研究半导体的先例[1]

布劳恩先后在马尔堡大学(1876年)、斯特拉斯堡大学(1880年)和卡尔斯鲁厄大学(1883年)任物理学副教授和教授,1887年又应蒂宾根大学的邀请负责建立物理学研究所,1895年他回到斯特拉斯堡大学任物理研究所主任和教授,把主要精力用于进行电学研究。

发明阴极射线管(布劳恩管)[编辑]

阴极射线管示意图:
1. 极板网栅;2. 阳极;3. 偏转线圈;4. 加热器;
5. 阴极;6. 电子束;7. 聚集线圈;8. 荧光屏

布劳恩制造了第一个阴极射线管(缩写CRT,俗称显像管)示波器。现在CRT被广泛应用在电视机计算机显示器上,在德语国家,CRT仍被称为“布劳恩管”(德语:Braunsche Röhre)。

19世纪后半叶,电学发展到了鼎盛时期[1]。1858年,德国物理学家尤利烏斯·普呂克观察到一种阴极荧光现象,1876年,德国物理学家哥尔茨坦[2]确认这一种阴极射线。在追踪阴极射线的过程中,1895年,德国物理学家伦琴意外地发现了X光。1897年,英国物理学家汤姆孙,对阴极射线进行了精确的实验研究,并将其命名为“电子”。就是在这个背景下,19世纪90年代,当布劳恩得知人们正在研究阴极射线时,立即投身于这一新领域。

第一个阴极射线管诞生在1897年的德国卡尔斯鲁厄。布劳恩在抽成真空的管子一端装上电极(右图中5),从阴极发射出来的电子在穿过通电电极时,因为受到静电力影响聚成一束狭窄的射线,即电子束,称为阴极射线(右图中6),管子侧壁分别摆放一对水平的和一对垂直的金属平行板电极(右图中3),水平的电极使得电子束上下垂直偏转运动,垂直的电极使得电子束左右水平偏转运动。管子的另一端均匀地涂上一层硫化锌或其他矿物质细粉,做成荧光屏(右图中8),电子束打在上面可以产生黄绿色的明亮光斑。随着侧壁上摆放的平行板电极电压的变化,电子束的偏转也随之变化,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,呈现了控制电子束偏转的平行板电极电压的变化,也就是所研究电波的波动图象,这是示波器的雏形和基础,它使得对电波的直观观察成为可能。

布劳恩最初设计的阴极射线管还不十分完美,它只有一个冷阴极,管子也不是完全真空,而且要求十万伏特的高压来加速电子束,才能在荧光屏上够辨认出受偏转影响后的运动轨迹,此外,电磁偏转也只有一个方向。但是工业界很快对布劳恩的这个发明产生了兴趣,这使得阴极射线管得到了很好的继续发展。1889年,布劳恩的助手泽纳克(Zenneck)为阴极射线管增加了另一个方向的电磁偏转,此后又相继发明了热阴极和高真空。这使得阴极射线管不仅可以用在示波器上,1930年起成为了显示器的重要部件,为后来电视雷达电子显微镜的发明奠定了重要基础,如今仍被广泛应用于计算机、电视机和示波器等的显像器上。

改进无线电通讯[编辑]

在发明阴极射线管的同时,布劳恩还开始了他在无线电报方面的研究。

无线电接收机[编辑]

当时的电报技术存在一个致命的问题,就是缺少可靠的电报接收机。布劳恩是物理学家出身,有着严谨的实验作风,他所做的实验条件都是可重复再现的。他改用晶体探测器,使接收机的敏感度提高了很多。直到发明了电子管,布劳恩的晶体探测器才被淘汰了,即便如此,晶体探测器仍在简易接收机中使用了很长一段时间。最初的超高频雷达设备也使用了晶体探测器。

无线电发射机[编辑]

在发射机方面,布劳恩同样贡献很大,马可尼主要是凭借经验和试探发明了发报机,而布劳恩在马可尼发明的基础上,对发报机进行了物理学背景研究,并对马可尼的发报机做了根本性的改造。比如,他发现了产生高功率阻尼电波的方法,原本马可尼发报机的振荡线路和天线是合在一起的,这种线路产生的功率很低,布劳恩把两者分开,发明了磁耦合天线初级线圈电容器和火花隙构成,耦合上一个感性的天线,电容电路的振荡在辐射天线中产生了极大的电流,这使得整个系统的发射功率大大增加,增大了通信距离,而且无线电接收机和发射机不需要直接与天线相连,减少了受到雷击的危险。如今,磁耦合天线仍应用在收音机、电视机、电台和雷达上。

1899年时候的发射机可以传输20千米,完成了横跨英吉利海峡之间的无线电通讯,真正实现了“远距离电报通信”,是人类第一次用电磁波传送信息,电文是:“你的来电收妥无误,而且很清楚”[3]。这个传输距离每个月都在被打破,1901年马可尼又用布劳恩的发射机成功地从英国科尔努埃尔发出电报,跨越大西洋上空到达加拿大纽芬兰,建立了从英国到北美的通信线路。

布劳恩还发明了定向天线。定向性也是电报技术的一个难点,发射机需要定向发射,接收机也需要定向接收,布劳恩是最先实现定向发报的人之一,他发明的定向天线只在一个指定的方向上发射电波,从而减少了能量的无谓消耗。他还把发射机的频带调得很窄,从而减小了不同发射机之间的干扰。

诺贝尔物理学奖[编辑]

因为对无线电报的改进,布劳恩同发明无线电报的马可尼分享了1909年的诺贝尔物理学奖。马可尼的发明曾多次借用到布劳恩的专利

逝世[编辑]

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站,切断美国德国的通信,并对位于长岛的塞维尔无线电发射站的专利权提出起诉。当时美国尚未加入战争,64岁的布劳恩抱病冲破英国的封锁前往美国,帮助维护德国设在纽约的无线电站,并在纽约出庭为他曾做过的实验作证。其间,美国介入第一次世界大战,布劳恩成为了“敌对国公民”[4],美国不允许他回到斯特拉斯堡,只能生活在布鲁克林,直到1918年第一次世界大战结束前,布劳恩逝世于家中。

脚注[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 张开逊: 回望人类发明之路:驾驭电子
  2. ^ 哥尔茨坦(E.Goldstein,1850—1930年),德国物理学家
  3. ^ 中国科学院高能物理研究所: 诺贝尔物理学奖历史回顾
  4. ^ 奇迹文库: 布劳恩

参考文献[编辑]

  • K.F. Braun: On the current conduction in metal sulphides (title tranlated from German into English). Ann. Phys. Chem., 153 (1874), 556. (In German)
  • Keller, P.A.: The 100th Anniversary of the Cathode-Ray Tube. Vol. 13, No. 10, 1997, pp. 28-32.
  • 张开逊: 回望人类发明之路:驾驭电子

外部链接[编辑]