图9-8 日光灯。由灯丝产生的电子激发灯管内的水银蒸气，引发紫外线，紫外线使磷发出荧光
一支40瓦的日光灯比一支150瓦的白炽灯亮得多，但是热量少得多。所以从第二次世界大战后，一般人都倾向于使用日光灯。早期的日光灯并不是使用磷，而是使用铍盐，可是吸进含有铍盐的灰尘，或是被破裂的灯管割伤，都会造成严重的中毒（铍毒症）。1949年以后，毒性小得多的磷才被使用。
新近最有希望的发展是使电直接转变成光，这种方法不需先产生紫外线。1936年，法国物理学家德斯特劳发现，强交流电可以使磷发出如同硫化锌般的亮光。现在，电气工程师们将磷分布在塑料或玻璃中，利用这种所谓电致发光现象来制造一种发光板。这样，荧光墙或荧光天花板就能照亮整个房间，使房间充满柔和而多彩的光辉。但是，电致发光效率太低，无法和其他电力照明方法竞争。
摄影术
有关光的各种发明中，或许没有一项能比摄影给人类带来更多欢快。它的起源是观察光线通过针孔射进一个暗室时，暗室外的景物在暗室内形成一幅上下颠倒的朦胧影像。这种装置大约是在1550年由一位意大利炼金术士波尔塔制造的，称为针孔照相机。
在针孔照相机里，通过针孔的光线非常稀少。但是，如果用一个透镜代替针孔，大量光能够会聚在焦点上，影像也就明亮许多。这个问题虽然解决，但仍须寻求光敏的化学反应。许多人在这方面做了研究，其中包括著名科学家法国人尼埃普斯和达盖尔以及英国人塔尔博特。尼埃普斯试着利用阳光以适当方式使氯化银变黑，他在1822年拍出了第一张原始照片，可是曝光时间整整花了8小时。
达盖尔是尼埃普斯生前的研究伙伴，尼埃普斯死后，他继续改进显像方法：当日光把银盐晒成黑色时，就用硫代硫酸钠来溶解那些未发生变化的盐类，这一方法是W.赫歇耳之子J.赫歇耳提出的。1839年，达盖尔提出了最初的实用照像法——银板照像法，曝光时间不超过20分钟。
塔尔博特进一步改进，制出了负片，负片上被光照的地方显黑暗，冲洗后黑暗处成为明亮，而明亮处成为黑暗。利用这种负片可以洗印出许多正片，正片上光线与负片正相反，明亮处与黑暗处都同于原景物。在1844年，塔尔博特出版了第一本附照片插图的书。
摄影继续证明了它对人类事件描述方面的价值。19世纪50年代，英国人拍下了克里米亚战争景象；19世纪60年代，美国摄影师布雷迪用难以想象的简陋摄影器材，拍下了当时美国进行南北战争的一些经典性照片。
20世纪50年代前，采用湿板摄影。湿板是涂有一层化学感光乳剂的玻璃板。拍摄必须在乳剂干燥前完成。长久以来都无法解决这种限制，只有技术熟练的摄影专业人员才能拍摄照片。
然而，1878年，美国发明家伊斯曼发现，可以将乳剂和凝胶混合，然后涂在底板上，使它干燥成稳定的胶膜，就能长时间保存。1884年，他先是将凝胶涂在纸上；1889年又改为涂在赛璐珞上面。他的这种摄影底片获得了专利权。1888年，他发明了柯达相机，这种相机只要一按按钮就可以拍下照片，然后再去冲洗感光的底片。如今，摄影已成为普遍的爱好。感光性能更好的感光乳剂开始使用后，只要闪光灯一闪就能拍下照片。不像过去那样，人们在镜头前必须长时间保持同样的姿势，不但呆滞无神，而且表情也不自然。
有人认为，摄影没有办法更简单化了，但是1947年，美国发明家兰德设计了一种双卷照相机，在胶卷和相纸之间有密封的化学试剂容器。化学试剂在适当时候释出，并自动显像印像。当你按下相机快门，几分钟之后就得到一张完好的照片。
19世纪期间，只有黑白照片，没有彩色照片。但是在20世纪初期，卢森堡出生的法国物理学家G.李普曼发明了彩色摄影术，这项发明使他获得了1908年的诺贝尔物理学奖。这种摄影术后来是被证明是一个虚假的开始，一直到1936年，实用的彩色摄影术才研究出来。这次尝试相当成功，它的原理是根据麦克斯韦和亥姆霍兹在1855年观察结果：红、蓝、绿三种颜色的光适当地组合，可以产生光谱中的任一种颜色。根据这个原理，彩色底片包括三层感光乳剂：一层对影像的红色敏感，一层对影像的绿色敏感，一层对影像的蓝色敏感。三层虽然分立，但形成叠加的图像，每一层以黑白浓淡形式再现其在光谱中的亮度。然后将底片分连续三步显影，分别用红色、蓝色和绿色染色液在底片上染上适当颜色。图像上每一个点都是一个红、蓝、绿的特定组合，眼睛看照片时，大脑会把这些组合重新组合成全色。
1959年，兰德提出了新的彩色视觉理论。他认为大脑并不要求三种原色的光的组合来重新组合成全色。实际需要两种不同波长的光或若干组不同波长的光，其中一种波长要比另一种波长短一定的最小值。例如，若干组波长中的一组可能是全谱，即白光。因为白光的平均波长处于黄色和绿色光的波长范围内，所以可将白色光当作“短”波长的光。那么，利用白色光和红色光（作为长波长的光）的组合，就能再现全色图象。兰德还利用经过滤色的绿色光和红色光的组合，以及利用适当的其他两种不同颜色的光的组合，拍出了全色照片。
电影的发明开始于1824年英国物理学家罗热的观察。他注意到，人的眼睛会产生持续几分之一秒的视觉暂留现象。自从发明摄影后，许多实验人员（特别是在法国）利用这个原理快速连续地放映一系列图像，使观看者对图像产生动作的幻视。我们迅速翻阅一系列画片时，看起来画片中的人好像在运动。如果我们把和前一张影像仅有轻微差别的影像依次排列，然后在荧光屏上以每1/16秒放映一张的速度放映，眼睛的视觉暂留影像就会使景物连在一起，并且产生连续动作的感觉。
爱迪生制作了第一部 电影。他把一系列景物拍摄在一长卷底片上，然后用放映机放映底片，把每一张底片用强光连续投影在屏幕上。1894年，第一部为大众娱乐的电影首次展示；1914年，戏院放映了长篇电影《一个国家的诞生》。
1927年，无声电影加上了一种声道。这种声道也是以光的形式录入的，乐声和演员谈话声的波形经由麦克风转换成强弱不同的电流，这个电流点亮一盏灯，使灯的亮暗程度和影像的动作一起拍摄下来。放映底片时，底片上的景物就投射在屏幕上，随着声波波形变化的亮暗光线借助一支光电管利用光电效应再转换成电流，而电流再转换成声音。
在第一部 有声电影《爵士歌手》问世后两年之内，无声电影便成为历史陈迹，甚至连歌舞杂耍表演几乎也无人问津了。20世纪30年代末期，彩色电影出现了。此外，20世纪50年代，发展了宽银幕电影和两卷底片同时投影到一个银幕上产生三维空间效果的立体电影。看立体电影的观众必须戴上偏振眼镜，使每只眼睛分别看到分离的影像，组合起来就产生立体视觉效果，然而立体电影只流行了一段短时间。
内燃机
在石油馏分煤油照明被电气照明取代的同时，一种石油轻馏分汽油对另一项技术发展起了十分重要的作用。这项技术使现代生活变化程度之深，就像电气设备进入生活一般。这项发展就是内燃机。顾名思义，内燃机是利用燃料在发动机汽缸中燃烧产生的气体直接推动活塞。一般的蒸汽机都是外燃机，燃料先在外部燃烧，然后将预先形成的蒸汽导入汽缸。
汽车
这种紧凑的装置可以利用汽缸内的小规模爆炸为小型车辆提供原动力，庞大的蒸汽机不适用于这种目的。事实上，早在1786年，不用马拉的蒸汽驱动的车辆已由默多克设计出来。一个世纪后，美国发明家F.E.斯坦利发明了著名的斯坦利蒸汽机，与配置内燃机的早期车辆进行了竞争。然而，后者有发展前途。
实际上，一些内燃机在19世纪初石油未广泛使用前就已建造。它们以松节油蒸气或氢作燃料。但是，惟有既易燃又可以大量得到的汽油，才使内燃机成为非希奇之物。
第一部 实用的内燃机是在1876年由法国发明家勒努瓦制造的。他用这部内燃机推动一辆小车，成为第一部以内燃机作动力的无马马车。1876年，德国技师奥托得知勒努瓦的发动机后，设计了一种四冲程发动机（见图9-9）。发动机运转时，首先由一个紧密装在汽缸内的活塞向外推，把汽油和空气混合物抽入真空的汽缸中，然后活塞再向内推，压缩汽缸内的气体。压力达到最大时，混合气体便燃烧爆炸，爆炸力向外推动活塞，以此使发动机发出动力，带动一个轮子，使活塞再向里推，把废气排出，这是第四步，也是最后一步。接着，轮子再向外推动活塞，冲程重新开始。
图9-9 奥托的四冲程发动机，建造于1876年
不久，一位名叫克拉克的苏格兰工程师改进了这种发动机。他接入第二个汽缸。这样，一个汽缸中的活塞复位时，另一个就开始工作。这种方法使动力输出更趋稳定。后来，接入的汽缸越来越多（现在一般是八缸），这种往复式发动机增加了稳定性和输出功率。
要想把汽车设计得更为实用，发动机是关键，但还要有一些辅助性发明。例如，油气混合气体如何在最恰当的时刻燃烧，便是一个问题。人们试用了各种方法，但都不能取得满意的效果；到1923年，利用电能成为普遍可行的方法。发动机所需的电能由蓄电池供。蓄电池同其他类型的电池一样，也是靠化学反应产生电能，不同之处只是可以反复充电，充电方法是按放电的逆反应方向通入电流，使放电的化学反应逆行，从而达到充电的效果。至于电流则是由发动机带动的一台小型发电机供给的。
最普通的蓄电池为交替置于适当的浓硫酸槽内的铅板和氧化铅板。这种电池是法国物理学家普朗泰在1859年发明的。后来，美国电力工程师布拉什在1881年把它改进成现在的样式。在此之后，更耐用、更小型的电池（如1905年爱迪生发明的镍-铁电池）陆续问世，但在经济效益上都比不上铅蓄电池。
蓄电池的供电储存在叫做感应线圈的变压器的磁场内，这个磁场消失时会升高电压，在火花塞的火花隙上点火。
内燃机一旦点燃，惯性便会使它在各动力冲程间保持运转，但是在这之前，发动机必须依靠外界能量来启动。启动方式最初是用手，例如老式汽车的曲柄。直到今天，外装马达和动力剪草机仍靠猛拉绳索启动。启动汽车需要用很大力量摇动曲柄。发动机开启转动后，曲柄往往会突然脱手而打伤手臂。1912年，美国发明家凯特林发明了自动启动机，最终取代了曲柄。这种启动机由蓄电池供给电能，启动发动机运转。
第一批实用汽车分别由德国工程师戴姆勒和本茨在1885年制造成功，然而真正使汽车成为大众化交通工具的却是大规模生产技术的发明。
首创大规模生产技术的是美国的惠特尼。而使惠特尼名声大噪的并不是由于他发明了大规模生产技术，而是由于他发明了轧棉机，两者相比，前者的贡献要大得多。1789年，惠特尼与联邦政府签订了一份为军队制造枪械的合同。在此之前，枪是一支一支地单独制成的，零件不能互换。因此，惠特尼开始设想如何把零件的规格统一起来，使之适用于任何枪支。这项简单的革新，即制造某种类型产品的可互换标准部件，也许就是现代工业大规模生产的起源之一。动力机床的问世，终于使大规模生产标准部件成为可能。
美国工程师福特是最先把惠特尼的设想充分发挥的人。他在1892年制造出他的第一辆双气缸汽车后，在1899年到底特律公司任总工程师。公司的希望是按客户的要求生产汽车，但福特有自己的构想。于是他在1902年辞职，转而从事自己的大规模造车事业。1909年，他开始制造标准T型车。1913年，他着手按惠特尼的构想进行大规模生产：汽车一辆接一辆出厂，每辆都一模一样，全部用相同规格的零件装配。
福特采取类似于使用机器的方法来利用人力，即让工人一成不变地反复从事相同的简单工作，从而加快生产速度。美国发明家科尔特（左轮手枪的发明人），在1847年朝着这一方向迈出了最初的步伐；汽车制造商R.E.奥尔兹在1900年第一次利用这个体系来制造汽车。后来，R.E.奥尔兹由于资金短缺而由福特接手进行，并最终取得了令人满意的成果。福特建立起装配线，由工人们在各自的固定岗位上把部件安装到传送带送来的汽车组合体上，从装配线末端驶下的就是组装完毕的汽车成品。从经济角度来看，这种生产系统有两大优点：一是可以提高工人工资；二是可以大幅度降低汽车售价。
到1913年，福特一天生产1000辆T型车，到1927年，生产线停止使用之前，已有14500万辆T型车出厂，价格降到290美元一辆。然而在这以后，消费者追求新型汽车占了上风，迫使福特顺应潮流，把设计重点集中在车型的变化和外观的新奇上，从而大幅度提高了汽车售价，使美国人失去了本应由大规模生产而带来的许多好处。
1892年，德国机械工程师狄塞耳研究出一种改进型内燃机，所采用的燃料简便而经济。他把油-气混合气体施以高压，再利用高压气体释出的热能引发自燃。狄塞耳发动机，即柴油机，使不会产生爆震的高沸石油分馏物也派上了用场。由于所用的压力更高，柴油机必须制造得更坚固，而比汽油机重许多。从20世纪20年代研制出优质的喷油系统之后，立即将柴油机用于卡车、拖拉机、公共汽车、船舶和列车机车等。如今，柴油机已无可争议地成为运输业之王。
同样，汽油本身的改进也提高了内燃机的效率。汽油是由碳和氢原子构成的复杂分子（烃）混合物，其中一些燃烧速度较快。但是，燃烧速度太快并不是人们所希望的，因为它会使油-气混合气体在多处同时爆炸，而使发动机爆震。反之，较慢的燃烧速度可以使气体均匀膨胀，平滑而高效率地推动活塞。
某种汽油的爆震程度通常由其辛烷值来计量。所谓辛烷值就是某种汽油的爆震程度与另一种混合气体爆震程度的比值，该混合气体是由高爆度的正庚烷和低爆度的异辛烷按比例混合而成的。精炼汽油的重要作用之一，就是生成高辛烷值的烃混合物。
另一方面，汽车发动机一直朝着高压缩比的方向发展，也就是说油气混合气体在燃烧前要压缩至更大的密度。压缩可使汽油产生更大的能量，但同时也会增加其爆震的程度。因此，继续提高汽油的辛烷值是需要开发的课题。
其实，我们可以往汽油中掺入少量化学物质来降低爆震。其中最有效的防爆震剂是四乙铅。这种铅化合物的特性是美国化学家米奇利发现的，从1925年开始，就用于抑制爆震。含有四乙铅的汽油通称为加铅汽油或乙基化汽油。如果只往汽油中掺入四乙铅，汽油燃烧时生成氧化铅会堵塞并损坏发动机。因此，还要加入溴化乙烯。四乙铅的铅原子与嗅化乙烯的溴原子结合成溴化铅，在汽油达到燃点时被汽化，并随着废气排出，从而延长发动机的寿命。
此外，柴油通常都要和一种叫十六烷的烃比较，进行压缩滞燃（滞燃值过高，不合要求）试验。十六烷的分子中含16个碳原子，而异辛烷只含8个。因此，人们用十六烷值评价柴油质量。
对汽车的改进仍在不断进行。1923年，低压轮胎问世，20世纪50年代，出现了无内胎轮胎，使爆胎事故大为减少。此外，在20世纪40年代，小卧车有了空调设备，自动排档投入使用，逐渐取代了变速器。20世纪50年代，动力转向和制动系统相继研制成功。如今，汽车已经成为美国生活方式不可缺少的一部分。除了汽油售价高涨与日益严重的污染外，似乎没有什么更大的意外能阻止汽车继续发展。
飞机
大型汽车是公共汽车和卡车，石油进一步取代煤而成为大轮船的燃料。然而，内燃机的最大成就却是来自空中。人类到了19世纪90年代，终于实现了一个比希腊神话中会飞的代达罗斯和伊卡罗斯还要古老的梦想——在空中翱翔。当时，滑翔成为冒险爱好者的时兴运动。第一架载人滑翔机由英国发明家凯莱在1853年制造成功，当时所谓载人只不过是载了一个小男孩。不幸的是，第一个致力于实现此梦想的德国工程师利林塔尔在1896年的一次滑翔飞行中失事。尽管如此，滑翔作为一项运动一直长盛不衰，然而也就是从那时起，人们开始了对动力飞行的迫切追求。
美国物理兼天文学家兰利在1902～1903年试用内燃机来推动一架滑翔机，差一点就取得了成功，若不是后来他经济拮据，也许再进行一次试验就真的飞上天了。众所周知，这个荣誉最后归于制造自行车、以驾驶滑翔机为业余爱好的莱特兄弟。
1903年12月17日，在美国北卡罗来纳州的基蒂霍克镇，莱特兄弟使一架螺旋推进的滑翔机在空中停留了59秒，飞行距离达260米（852英尺）。这是历史上的首次飞机飞行，但在当时并未受到广泛注意。
直到莱特兄弟能飞行40多公里，而法国工程师布莱里奥第一次驾驶飞机横越英吉利海峡之后，飞机才引起公众的极大关注。第一次世界大战的空战和飞机创下的功绩进一步激发了人们的想象力。机翼由不安全的木条和铁丝固定的昔日的双翼飞机，只有看战后的一批电影才会了解到。第一次世界大战结束不久，德国工程师容克成功地设汁出一架单翼飞机，这种飞机的机翼厚而坚固，不再用支架固定。没过多久，双翼飞机便完全被单翼飞机取代。1939年，俄国血统的美国工程师西科尔斯基制造出一架多引擎飞机，并设计出第一架螺旋桨在上面的、可垂直升降及盘旋的机种——直升飞机。
但是在20世纪20年代初期，飞机仍然是一种新奇之物——无非是一种更加可怕的战争工具或者是身怀绝技的飞行者和追求刺激的探索者手中的一种玩物。航空并没有真正开始。到1927年，林白从纽约到巴黎做首次不着陆飞行之后，全世界才为之疯狂。从那时起，人们开始研制更大型、更安全、性能更好的飞机。
自从飞机用作运输工具以来，飞机发动机取得了两个重要突破。第一个突破是采用了涡轮喷气发动机（图9-10）。在这种发动机中，高温膨胀的燃料蒸气在涡轮的叶片上施加压力而使轮子旋转，取代了汽缸中活塞的往返动作。这种发动机操作简单，耗油少，不易损坏，但却需要研究出可以承受气体高温的合金才能投入实际应用。1939年，这种合金终于问世。从此，涡轮螺旋桨飞机便越来越普遍了。
图9-10 涡轮喷气发动机。空气被吸入压缩后与燃料混合，导入燃烧室中燃烧，膨胀的气体推动涡轮机产生推力
但是没过多久，第二个重大突破——喷气式飞机便取代了涡轮螺旋桨飞机，至少在长途飞行上是如此。喷气式飞机的动力原理同于玩具气球开口泄气时喷出空气可将其猛然推进的道理。这便是作用与反作用，朝一个方向喷出的膨胀气体所产生的力，必然会在相反方向产生一个大小相同的力，如同子弹从枪筒射出时会产生后座力一样。在喷气式发动机中，燃料燃烧生成高温高压气体，气体从排气口喷出时便产生巨大的力，推动飞机前进。火箭也是用同样方法推进的，只是它必须本身携带供燃料燃烧的氧。
喷气推进的专利早在1913年就被法国工程师洛林所取得，但是当时的飞机还无法实际应用这种设计。喷气推进只有在时速645公里（400英里）以上时才有经济价值。1939年，英国人惠特尔终于首次驾驶一架道地的喷气式飞机飞行。到1944年1月，英国和美国将喷气式飞机投入战场，用来对抗德国的V-1飞弹，一种前部装有炸药的无人驾驶飞机。
图9-11 简单的液体燃料火箭
第二次世界大战以后，军用喷气式飞机已发展到接近音速。音速取决于空气分子的天然弹性，即空气分子的振动能力。当飞机接近音速时，空气分子无法再让路，于是飞机前面形成一道压力，使飞机变形。因此，所谓的音障在当时认为是无法解决的难题：要想接近它，就必定造成损坏。然而，风洞试验找到将飞机设计成更佳流线型的途径。1947年10月14日，耶格尔驾驶的一架美国产X-1火箭飞机终于突破了“音障”，成为历史上超过音速的第一人。1950年初，美国在朝鲜战争中使用了喷气式飞机。
物体在介质中的运行速度与音速（在0℃每小时1200公里）之比，称为马赫数。这是为纪念奥地利物理学家马赫而命名的，因为他率先在19世纪中叶从理论上研究物体在接近音速时的情况。20世纪60年代，飞机的速度已超过5马赫，这个速度是一架实验用的火箭飞机X-15达到的，火箭推进器把X-15送上万里高空，使飞行员当了一小会儿真正的宇航员。一般说来，军用飞机的速度比较低，而商用民航飞机的速度就更低了。
当飞机做超音速（马赫数大于1）飞行时，由于飞机的飞行速度比声波单独在空气中传播的速度快，所以它的前部总是携带其自身发出的声波。这时如果飞机开始飞得足够低，被压缩成锥状的声波会与地面相擦而产生响亮的声震（甩动皮鞭发出的爆裂声是一种微声震，只要控制得当，皮鞭的末端可以甩出超音速的速度）。
1970年，英法联合研制的协和式超音速喷气客机开始投入商业飞行。它的速度是音速的2倍，只需3小时便能横渡大西洋。美国的模式是超音速运输机，但由于人们担心这种飞机会在机场附近产生强烈噪音并造成环境污染，终于在1971年宣告流产。有人指出，一种尖端技术研究成功后，因不实用而被扼杀，这在历史上还是第一次，这也是人类首开“能为而不敢为”的先例。
总的来看，采取这种措施无可厚非，因为坚持下去似乎得不偿失。协和式飞机在经济效益上失败了，就连苏联也难逃厄运——它的超音速计划在1973年因一架飞机在巴黎航空展览会上作飞行表演失事而夭折。
电子学
无线电
1888年，赫兹进行了麦克斯韦早在20年前就曾提出的无线电波实验（见第八章 ）。他的做法是将两个金属球隔开少许，然后轮流向这两个金属球加瞬时高压交流电。每当电压在一个方向或另一个方向达到峰值时，金属球间就会打火花。据麦克斯韦方程预算，在这种情况下应当产生电磁辐射。赫兹用相隔狭窄空隙的金属线圈作为接收器来检测辐射能量。每当电流使一个线圈产生辐射时，应当能使第二个线圈感应出电流。这足以肯定，赫兹能检测出由置于房间一端的辐射线圈所产生的并透过空气间隙而传到房间另一端的接收线圈上的小火花，能量是穿过空间而进行传递的。
将他的检测线圈移到室内不同的地点，赫兹能得出波形。凡是火花极亮的地点，便是波的波峰或波谷；凡是无火花出现的地点，便是相邻波峰和波谷的中点。赫兹据此算出了辐射的波长，结果他发现这种波的波长远大于可见光的波长。
在这以后的10年中，许多人认为赫兹波能用来传递两地间的信息，因为它的波长足以越过地形障碍。1890年，法国物理学家布冉利改进了原有的接收器。他不使用金属线圈，代之以填充金属屑的玻璃管，用导线将该玻璃管与电池连接。金属屑并不传导电池的电流，除非受到高压交流电即赫兹波的感应。布冉利通过这种接收器可以在137米（150码）的距离外测出赫兹波的存在。随后，英国物理学家洛奇再次改进了接收装置，成功地接收到发自805米（半英里）以外的信号，并成功地传送了莫尔斯电码电报。
此外，意大利发明家马可尼发现，将发射器和接收器的一端接地，另一端用电线引出，能改善发报，这便是人们后来所说的触角天线——我想这名字是因为它的外形像昆虫的触角。1896年，借助于大功率发射机，马可尼已能将信号发送到14.5公里（9英里）之外；到1898年，信号已能越过英吉利海峡，而1901年，信号能跨过大西洋。至此，无线电报宣告诞生，简称无线电。
马可尼进而研制出一套系统，它能排除其他信号的静电干扰，只在发射器本身的特定波长下才产生调谐作用。由于此项发明，马可尼与德国物理学家K.F.布劳恩共同获得了1909年的诺贝尔物理学奖。K.F.布劳恩获奖是因为他发现某些晶体只能通过直流电，于是一般交流电被整流成无线电设备所需的直流电。尽管晶体的性能并不稳定，人们还是在20世纪最初的10年中研制出多种晶体接收机，用来接收信号。
另一方面，美国物理学家费森登废弃了以前那种透过空隙传递火花的装置，研制出一种特殊的高频交流发生器，并设计了一套能调制无线电波的系统，以载送声波模拟信号。由于受调制的是波幅（波高），所以称之为振幅调制，这就是我们熟悉的调幅无线电。1906年的圣诞之夜，人类第一次从无线电收音机中听到音乐和人讲话的声音。
早期的无线电爱好者必须头戴耳机或紧挨在收音机旁才能听到声音。显然，需要用某种方式加强或放大信号，而这个问题终于被爱迪生的发现解决了，这也是爱迪生在“纯”科学领域中的惟一发现。
1883年，爱迪生在一次改进电灯泡的实验中，将一根金属线封入灯泡中，使之靠近热灯丝，当点亮灯泡时，意外地发现，电流竟然从灯丝穿过空隙流到了金属线上。因为这种现象对爱迪生改进灯泡并无益处，而他又是个重视实效的人，于是他只在笔记本上记下这个效应，日后也就忘了。但是电子被发现后，爱迪生效应就变得相当重要了。它可以用来解释空隙中的电流就是一束流动的电子。英国物理学家理查孙在1900～1903年间进行的实验证明，电子会从真空中加热的灯丝上“跳出”。这一成果使他在1928年荣获诺贝尔物理学奖。
1904年，英国电气工程师夫累铭充分利用了爱迪生效应，取得了辉煌的成果。他在灯泡灯丝（称为丝极）的周围围上筒形金属板（称为板极）。板极有两种作用：当它处于正电位时，就吸引从热灯丝上跳出的电子，形成有电流流通的通路；当板极处于负电位时，会排斥电子而阻断电流流动。假设板极与一交流电源相接，电流朝一个方向流动时，板极带正电，则电流在灯管内通畅无阻；若电流方向改变，板极便带负电，则灯管内没有电流。因此，板极的功能是只允许单方向的电流通过，换句话说，它可以将交流电转变为直流电。由于此管很像一个电流阀，英国人自然而然地直接称之为“valve”，而美国人则称之为“tube”，中文对两者都译为“真空管”。因它有两个电极——丝极和板极，所以科学家称之为二极管（图9-12）
图9-12 真空二极管原理
真空管（亦称无线电真空管，因为最初是应用在无线电上）所控制的是真空管中的电子流，而不是通过电线的电流。由于电子比电流容易严密控制，所以真空管及其衍生出来的所有装置能起过去电路器件所不能起的作用，为电子装置开拓出一片全新的领域。一切有关真空管及其后代装置的研究和应用统称为电子学。
当时，人们用最简单形式的真空管取代晶体而作为新的整流器，因为它的可靠度比晶体高。1907年，美国发明家德福雷斯特进一步改进，将第三个电极置于真空管中，从此，三极管便诞生了（图9-13）。第三个电极（栅极）是一块布满小孔的金属板，位于丝极与板极之间，它能吸引电子，加快电子从丝极向板极流动（穿过栅极上的小孔）。因此，只要给栅极增加少量正电荷，从丝极流向板极的电子便大量增加。这样，即使是加上极弱的无线电信号，也同样会使电流大量增加，而这一电流可以完全反映加在栅极上的无线电波的各种变化。换言之，三极管就是一个放大器。事实上，三极管在经过更为复杂的改进后，不但可供收音机使用，而且成为所有电子仪器的主要器件。
图9-13 三极管原理
下一个目标便是使无线电收音机完全普及。在第一次世界大战期间，美国电气工程师E.H.阿姆斯特朗研制出一种可降低无线电波频率的装置。这种装置当时是用来侦察飞机行踪的，战后用到无线电接收机上。E.H.阿姆斯特朗的超外差式接收机只要拨动一个旋转盘就可以调谐到预设的频率，在过去，经过一连串复杂操作后只能在一个较广的可能的频率范围内调节接收。1921年，匹兹堡的一家电台第一次正式播出广播节目，之后，其他的电台如雨后春笋般地纷纷建立。由于音量控制和选台只旋转旋钮即可，收音机受到广泛欢迎。正因为无线电的应用已相当发达，1927年洲际电话开始投入使用，无线电话由幻想变成了现实。
待解决的问题是静电干扰问题。由马可尼及其后继者所研制的调谐系统最多只能降低诸如闪电和其他电源产生的噪声，并不能彻底消除噪声。后来，还是E.H.阿姆斯特朗想出了解决的办法。因为前述振幅调制往往也将噪声调制进来，使原来的信号受到干扰。于是，阿姆斯特朗在1935年用频率调制取代了振幅调制，也就是，他使无线电载波振幅保持不变，而将声音信号以载波频率的高低变化表现出来。声波波幅大，载波频率便低，反之亦然。事实上，频率调制消除了静电干扰现象。第二次世界大战以后，调频收音机逐渐受到大众欢迎，用来接收各种音乐节目。
电视
像无声电影必然会导致有声电影那样，电视机是收音机的必然后继产品。先有技术是使图像转换成电流信号，然后用电线将图像传送出去。利用一道细光束穿透一张胶片上的图像，将图像投射到胶片后面的光电管上。胶片相对较暗之处，由于透过的光较弱，光电管中产生的电流也较弱；而较亮之处，因透过的光较强，则产生较强的电流。光束由左至右逐行快速扫描，把整个图面的深浅明暗一一转换成连续变化的电流信号。电流信号由电线传至接收站，经相反的程序处理之后，便还原成原来的图像。早在1907年，伦敦和巴黎之间就有了这种有线电传真。
然而，电视传送的是动态画面而不是静止的照片，所以传送速度必须极快，也就是说每个动作都应很快地被扫描。因此，摄像机利用一薄层金属取代胶片，薄层金属受到光照射便发射出电子，从而把黑白图像转换成电脉冲。
苏格兰发明家贝尔德在1926年曾演示过一种电视。然而，第一台实用电视摄像机的光电摄像管则迟至1938年才由俄国出生的美籍发明家兹沃尔金获得专利。光电摄像管位于摄像机的后部，管子内部涂抹大量铯银细粉。每粒细粉受到光束扫描便随光束亮度强弱而发射电子。后来，超正析像管取代了原来的光电摄像管。这是一种经过改进的新产品，涂覆铯银粉的屏幕很薄，能够使发射出的电子继续向前撞击一块薄玻璃板，发射出更多的电子。这种放大作用可以提高摄像机镜头对光的灵敏度，因此不需要强光。
电视接收机是阴极射线管的一种。从电子枪发射出的电子束撞击涂抹了荧光物质的屏幕，屏幕便随电子束强度成比例地发出辉光。一对电极产生的电场，控制电子束的方向，使之从左到右连续对数百条横线进行扫描，每一行稍低于前一行，在1/30秒内以这种方式将画面完全“绘画”在屏幕上。电子束以每秒30次的速率不断地绘画着画面。在任一瞬间，屏幕上仅有一个点被扫描到（明、暗视电子束强度而定），但是借助视觉暂留现象，我们不仅能看到完整的画面，而且能看到连续不断的运动和动作。
20世纪20年代，电视还处于实验性播送阶段，到1947年，电视才有了商业实用价值。从那以后，电视便逐渐占领了几乎整个娱乐领域。
20世纪50年代中期，电视技术又有了两项突破性发展。其一是将三种不同性质的荧光材料涂在屏幕上，使发出的光束有红、蓝、绿三种颜色，彩色电视机便正式诞生。其二是开发出录像带，使得我们能将复制的节目或重要新闻，以比电影更好的质量呈现在观众眼前。
晶体管
20世纪80年代，整个世界可以说是处于卡式录音机和录像机的全盛时期。必要时装上电池，小小的录音机便能自动倒带、卷带，放出高保真音乐节目。这样，人们在散步或做家务时，只要戴上耳机就可以享受别人得不到的乐趣。而卡式录像机则可以录制电影和电视节目以后可以随时播放欣赏。
作为所有电子装置心脏的真空管终于成了一种限制因素。一般，随着时间的推移，一个电子装置的元件的功能总是不断改进的，也就是说，它们的功率会更大，适应性会更强，体积会更小（有时我们称这一过程为小型化）。然而，真空管逐渐变成了小型化道路上的障碍，因为它必须保持足够大的体积，以造成一定的真空，否则各元件间空隙太小就会漏电，使装置不能正常工作。
此外，真空管还有其他缺点。只要破裂或漏电就得报废。（早期的收音机和电视机内的真空管常要更换，电视机尤其如此。）不仅如此还必须将真空管的丝极加热到一定程度才能工作，所以需要相当大的电流，而且还需要预热时间。后来，在偶然之中意外地找到了解决办法。在40年代，贝尔实验室的几位科学家对如今称为半导体的物质逐渐发生了浓厚兴趣。这些物质（如硅和锗）的导电性介于良导体和绝缘体之间。问题是要搞清这些物质为什么会有这种特性。贝尔实验室的研究人员发现，往上述物质中掺入痕量杂质，便会增加它们的导电性。
我们以纯锗晶体为例。每个锗原子的最外层有4个电子，而在晶体内整齐排列的原子中，4个电子的每一个都与邻近原子所含的4个电子中的某一个成对地结合在一起，因此，所有的电子都是很稳定地联结成对的。由于这种排列方式与钻石的排列方式相似，所以锗、硅和其他类似这种结构的物质统称为金刚结构。
如果在这种体系完整的金刚结构内掺入一点砷原子，情况会变得更为复杂。砷的最外层有5个电子，其中4个电子将与其原子核整个取代锗原子的位置，与邻近的锗原子依照前述排列方式紧挨在一起，电子亦成对结合，惟独第五个电子因没有配对而自由流动。这时，如果往此晶体上加一电压，这个自由电子将向正极移动。但它终究无法像金属导体中的自由电子那样快速地移动。不过，这种晶体的导电性还是要比硫磺、玻璃等绝缘体好。
这种情况还不令人吃惊。我们再来看看另一种更为奇特的情况。假如我们不是向锗晶体加砷而加硼的话，由于硼原子的最外层只有3个电子，它们分别与3个邻近锗原子所属的电子配对，但余下1个锗的电子怎么办呢？它只好与空穴配对。空穴这个词用得恰如其分，因为就纯锗晶体而言，这个位置上的电子本来可以顺利地找到一个“伴侣”的，如今却遗留下一个空穴。如果向掺硼的晶体加一电压，邻近的电子受正电极的吸引向前递补，而在原来的位置留下一个空穴，于是下一个电子又来递补。表面上看来，虽是电子向正电极方向移动，但究其本质，我们也可以说是空穴向负极移动。简言之，空穴居然变成了电流的载体。
为使工作情况良好，晶体的纯度必须相当高，而且掺入的几种特定杂质（砷或硼）必须适量。于是，具有1个游离电子的锗-砷半导体就叫做n型半导体（n是“负”的意思），而锗-硼半导体由于它有游离的空穴，如同带正电一样，所以是p型（p是“正”的意思）。
半导体不同于一般导体之处，是它的电阻会随温度升高而下降，因为温度会减低原子对电子的束缚，使它们更为自由地游动。常温下，金属导体内的自由电子已经毫无束缚。升高温度，将使自由电子更加任意运动，阻止它们流动取决于电场。人们测定半导体的电阻，就能测出用其他方法无法测量的高温。这种可以测量温度的半导体叫做热敏电阻。
不仅如此，结合的半导体能发挥更大的作用。假设我们把1个锗晶体的一半做成n型，另一半做成p型。若n型侧接至负极，p型侧接至正极，则n型侧的电子会穿过晶体接触面到达正极，而p型侧的空穴也会同时游向负极，于是晶体中便有电流流通。这时，如果我们把正负极对调，也就是正极接n型，负极接p型，那么n型的电子便会直接游向正极，而p型侧的空穴也远离n型至负极。结果，晶体接触面附近既无电子，也无空穴，电流无法通过，电路便中断。
因此，我们有了一种新的整流器。若将交流电接至这种双重晶体，则电流只能向一个方向流动，交流就变成直流。这种晶体可用作二极管，起真空管的作用。
从某种角度来看，电子元件的发展经历了整整一个循环。当初，真空管取代了晶体，现在，它又被晶体取而代之，但这种新晶体远比K.F.布劳恩50年前开发的晶体精密、稳定得多。
新的晶体具有真空管所不能比拟的许多优点，不需要抽真空，因此体积可以做得很小；不易破裂或漏电，在常温工作只需要很小电流。此外，更不需要预热时间。若能降低成本，而且制造得更精密，简直可以说是完美的产品。
由于新的晶体都是由固态物质组成，它开拓了一个新的领域——固体电子学。根据贝尔实验室研究人员皮尔斯的建议，这种新器件被命名为晶体管，因为它是使信号通过电阻传送出去的（图9-14）。
图9-14 晶体管中接触面工作原理
1948年，贝尔实验室的肖克利、布喇顿和巴丁研制出有放大作用的晶体管。他们在两片n型锗中间夹一层极薄的p型锗，其作用相当于三极真空管中介于丝极和板极之间的棚极。只需控制中间那一薄层p型锗的正电荷，空穴便能越过结点控制电子流。此外，只要p型上的电流发生小变化，就能使整片晶体上的电流发生大变化。因此，它同三极真空管一样起放大器作用。肖克利和他的同事布喇顿及巴丁因此而共同荣获了1956年的诺贝尔物理学奖。
在理论上晶体管虽能良好地工作，但要将它们投入实际应用，还需要某些伴生的先进技术——应用科学的发展一向如此。晶体管的工作效率完全取决于晶体材料的纯度，所以必须严格控制待掺入的杂质的性质和浓度。
幸运的是，帕恩在1952年开发出名为区域溶炼法的新技术。假设有一根锗晶体棒，将它置于环形加热元件的圆孔中加热时，靠近热源的那部分锗棒便会逐渐熔融，若将此棒在圆孔中上下抽动，则熔区便随之移动，于是杂质留在熔区，最后完全沉积在锗棒的底端。上述步骤经过数次，锗棒的主体的纯度就相当高了。
到了1953年，晶体管已经可以用来制造助听器，因而缩小了助听器的体积，能够放入耳内使用。在短短的时间内，晶体管不断稳步发展，已经能够在高频段工作，能经受高温，而且体积越来越小，最后甚至小到不再作为单独元件使用的程度。取而代之的是，在小小的硅晶片上极微细地蚀刻出许多集成电路，一个晶片能承担千万个真空管所承担的工作。到了20世纪70年代，这些硅片已经小到可以称之为微晶片了。
像这种风行全球的微小固体元件，可说是掀起了人类历史上最浩大的科技革命。它们不仅能使收音机做成更小，而且能把许多功能浓缩在硅片上，用于人造卫星和探空火箭。最重要的是，在20世纪80年代，它们使得空前小型、空前便宜、功能更多的电脑以及机器人的开发成为可能。关于电脑和机器人，将在第十七章 中讨论。
