لعبت الأنابيب المفرغة، التي كانت في طليعة التكنولوجيا، دورًا محوريًا في تطوير الإلكترونيات المبكرة، بما في ذلك أجهزة الراديو والتلفزيون وبداية عصر الكمبيوتر. إن فهم مبادئ الأنابيب المفرغة لا يعطينا لمحة عن التكنولوجيا التاريخية فحسب، بل يلقي الضوء أيضًا على أساسيات الإلكترونيات والفيزياء الحديثة، وخاصة مفهوم الفراغ وتدفق الإلكترون.
الأنبوب المفرغ، المعروف أيضًا باسم الصمام الحراري، هو جهاز يتحكم في تدفق التيار الكهربائي في فراغ عالٍ بين الأقطاب الكهربائية التي تم تطبيق فرق الجهد الكهربائي عليها. أبسط شكل من أشكال الأنبوب المفرغ يتكون من قطبين كهربائيين: الكاثود والأنود (أو اللوحة)، محاطين بعلبة زجاجية أو معدنية مفرغة.
الكاثود: الكاثود هو قطب كهربائي ساخن. عند تسخينه إلى درجة حرارة عالية، فإنه يطلق إلكترونات من خلال عملية تعرف باسم الانبعاث الحراري. وذلك لأن تسخين الكاثود يزود الإلكترونات بالطاقة الكافية للتغلب على دالة الشغل، وهي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون من سطح المعدن.
يمكن التعبير عن دالة الشغل ( \( \phi \) ) ) على النحو التالي: \( \phi = h \nu_0 \) حيث \(h\) هو ثابت بلانك و \(\nu_0\) هو تردد طرد الإلكترون.
الأنود (اللوحة): الأنود هو القطب الموجب الشحنة الذي يجذب الإلكترونات المنبعثة من الكاثود. عند تطبيق فرق جهد كهربائي بين الأنود والكاثود، تتدفق الإلكترونات عبر الفراغ من الكاثود إلى الأنود، مما يسمح للتيار بالتدفق عبر الأنبوب.
الفراغ: يضمن غياب الهواء أو أي مادة في العلبة إمكانية انتقال الإلكترونات من الكاثود إلى الأنود دون الاصطدام بجزيئات الهواء. حالة الفراغ هذه هي ما يعطي الأنبوب المفرغ اسمه وهو أمر بالغ الأهمية لتشغيله.
في حين أن الأنبوب المفرغ الأساسي يحتوي على قطبين كهربائيين، فقد تم تطوير أنابيب أكثر تعقيدًا لأداء وظائف مختلفة:
على الرغم من استبدالها إلى حد كبير بأجهزة الحالة الصلبة مثل الترانزستورات، إلا أن الأنابيب المفرغة لا تزال تجد تطبيقات في مجالات محددة بسبب خصائصها الفريدة:
لفهم عمل الأنابيب المفرغة بشكل أفضل، دعونا نتفحص الصمام الثلاثي، الذي يقدم مفهوم تضخيم الإشارة:
أحدثت قدرة الصمام الثلاثي على تضخيم الإشارات ثورة في الاتصالات الإلكترونية، مما سمح ببث إذاعي أكثر وضوحًا، وتطوير التلفزيون، وأجهزة الكمبيوتر المبكرة.
يتضمن تشغيل الأنابيب المفرغة عدة مبادئ أساسية في الفيزياء:
قد تبدو الأنابيب المفرغة وكأنها بقايا من الماضي، لكن مبادئ عملها تعتبر أساسية في مجال الإلكترونيات وتقدم رؤى مقنعة حول سلوكيات الإلكترونات في الفراغ. ومن خلال فهم الأنابيب المفرغة، نكتسب تقديرًا أعمق لتطور الأجهزة الإلكترونية والفيزياء الأساسية التي تحكم عملها. على الرغم من أن تكنولوجيا الحالة الصلبة قد حلت محل الأنابيب المفرغة إلى حد كبير في معظم التطبيقات، إلا أن الاستخدامات القديمة والمتخصصة للأنابيب المفرغة لا تزال تجعلها موضوعًا رائعًا للدراسة.
