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半導體的誕生(三)——電磁波與無線電報

半導體的誕生(三)——電磁波與無線電報

半導體的誕生(三)——電磁波與無線電報

上一篇〈半導體的誕生(二)——法拉第與布勞恩的無意發現〉提到:德國物理學家布勞恩於 1874 年發現硫化鉛礦石具有單向導電性,但這奇特的現象並未引發後續研究,直到赫茲發現電磁波後,半導體礦石才出現出妙用……。

改良赫茲的電磁波實驗

1888 年,赫茲發表他過去兩年一連串的實驗結果,從最初讓環型天線因感應到幾公尺外的高壓放電,而產生電火花;到進一步證明隔空傳遞能量的就是馬克士威 (James Clerk Maxwell) 所預測的電磁波,速度與光一樣,也同樣會被反射、折射與偏振。

赫茲的論文震驚了物理學界,不過學者們探討的重點在於電磁波與光、熱輻射的性質,直到赫茲過世後,電磁波的應用潛力才浮現出來。

赫茲於 1894 年過世後,英國物理學家洛奇 (Oliver Lodge) 在紀念會中回顧赫茲的貢獻,並重新演示電磁波實驗。洛奇將接收天線接上「金屬屑檢波器」 (coherer) 與專測微小電流的「反射鏡電流計」,成功在五十公尺外的另一棟建築物內偵測到電磁波。

英國物理學家洛奇 (Oliver Lodge)

這項演示具有重大意義,首先它破除了包括特斯拉在內的許多科學家的迷思,他們一直以為既然光就是電磁波,那麼電磁波應該和光一樣無法穿透牆壁。如今電磁波不僅能穿牆,還傳得更遠,而且從電流計的指針便能判斷是否有電磁波,不用在黑暗中盯著微小的火花,讓許多人開始設想電磁波的用途。

無線電報

特斯拉和俄國物理學家波波夫 (Alexander Popov) 都隨即研發收發訊息的裝置,但沒想到捷足先登,率先架設無線電報系統並申請專利的,竟是年僅 21 歲的義大利青年馬可尼 (Guglielmo Marconi)。馬可尼的確在商業化上獲得成功,不過究竟誰才是「無線電報發明人」?拿這個問題去問義大利人、英國人、俄國人或特斯拉的粉絲,所得到的答案可能都不一樣。

其實除了上述這幾位,英屬印度有位孟加拉科學家博斯 (Jagadish Chandra Bose)同時也在進行實驗,而且他另闢蹊徑,不用金屬屑檢波器,而是用半導體礦石。

原來博斯之前做實驗時,發現 IV 族元素的礦石不但有單向導電性,而且不遵守歐姆定律,也就是電流與電壓並不是成正比。當施予礦石的電壓小於某個臨界值時,電流微乎其微;一旦超過臨界電壓,電流便突然大幅增加。博斯想到若將接收天線接到半導體礦石,便能利用這個特性偵測無線電波。

博斯與他的無線電收發裝置

礦石接收器

首先對接收裝置施以恰好未達臨界值的適當電壓,當天線接收到無線電波而產生的感應電壓再加上來後,恰好超過臨界電壓,電流計就會出現明顯變化,如此便可以在更遠的距離接收到變得相當微弱的無線電波。1895 年,博斯將金屬天線的一端與硫化鉛礦石的表面接觸,成功接收到一英哩之外的無線電波,這中間還隔了三道磚牆。

博斯將論文寄給英國皇家學會,並於第二年受邀前往倫敦演講。當時馬可尼正在倫敦向英國政府展示他的無線電報系統,兩人應該有機會交換意見,不過顯然馬可尼並未改用博斯的方案,而是試圖增加天線的高度來提昇傳送距離。

1901年,馬可尼自英國發送電報至加拿大,完成史上第一次跨大西洋的無線通訊。這項歷史性的里程碑可不是馬可尼一人的功勞,還得感謝布勞恩於 1899 年改良了無線電收發裝置;他發明不會產生火花的發射器,並將檢波器改良為只接收特定頻率。因此他與馬可尼兩人共同獲頒 1909年的諾貝爾物理學獎。

是的,這位就是最早發現硫化鉛具有單向導電性的布勞恩,但他也沒有回頭用半導體礦石。畢竟礦石檢波器的確不太靈光,由於礦石中的雜質分布並不均勻,不是每次將天線接觸硫化鉛表面都能形成迴路,往往得嘗試很多次才能找到「熱點」,接觸力道還得恰到好處才行。

博斯自己也放棄了半導體礦石,因為他不再研究無線電,轉而研究植物的電生理學。於是半導體又被擱置一旁,但很快地,當無線電波也能用來傳遞聲音後,半導體礦石又將再次站上舞台,展現前所未有的功能……。

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