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卡尔·布劳恩

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Karl Ferdinand Braun
卡尔·費迪南德·布劳恩1909年諾貝爾物理學獎得主
Ferdinand Braun.jpg
出生 1850年6月6日
黑森富尔达(今德國黑森邦
逝世 1918年4月20日
美国纽约
居住地 Flag of Hesse.svg黑森選侯國
国籍 Flag of Hesse.svg黑森選侯國
母校 马尔堡大学
柏林大学
知名于 阴极射线管
奖项 Nobel prize medal.svg 诺贝尔物理学奖(1909年)
科学生涯
研究領域 发明家物理学家
机构 斯特拉斯堡大学
博士導師 en:August Kundt
博士生 列昂尼德·曼德尔施塔姆 (en:Leonid Mandelstam)
Nobel prize medal.svg 阿爾伯特·史懷哲

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 互联网档案馆存檔,存档日期2007-08-28.
  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]