Science Collections, UCL

John Ambrose Fleming (1849–1945) est né à Lancaster, ville du nord-ouest de l’Angleterre. En 1885, il obtient la première Chaire de professeur d’ingénierie électrique du nouveau département de l’University College de Londres, poste qu’il occupera pendant plus de 40 ans. Il est anobli en 1929

De la diode à la triode, de Fleming à De Forest

Comment faire pour transmettre sur une longue distance un message radio qui puisse être audible à la réception? On peut soit émettre à très forte puissance, soit trouver le moyen d’amplifier un signal de faible niveau et de le séparer du bruit de fond. Aux tout premiers temps de la radio, seule s’offrait la première de ces deux solutions. Mais plus tard, on a pu mettre au point des techniques efficaces pour détecter et amplifier les signaux radio de façon fiable — en utilisant des composants qui devaient devenir fondamentaux avec la naissance de l’électronique.

Transmission de signaux sur de longues distances

En mars 1899, un scientifique britannique, John Ambrose Fleming, participe aux premiers essais de transmission radio effectués par Guglielmo Marconi d’une rive à l’autre de la Manche. Plus tard, il met au point le système beaucoup plus puissant dont Marconi a besoin pour ses expériences de transmission radio transatlantique. Il raconte qu’en 1900, «ayant acquis une certaine expérience des systèmes d’éclairage électrique de grande puissance à courant alternatif haute tension», il est recruté par la société Marconi qui le charge «d’établir les plans de l’installation électrique requise pour des transmissions hertziennes longue distance». Le site retenu pour la construction de cette station électrique est Poldhu, localité isolée du littoral de la Cornouaille britannique (extrême ouest de l’Angleterre)».

Le 12 décembre 1901, des collègues de Terre-Neuve (Canada) affirment avoir reçu un signal provenant de l’émetteur à éclateur de Poldhu — mais l’exactitude de cette affirmation est mise en doute car à l’époque il est difficile de distinguer les traits et les points du code Morse du bruit de fond. Certes, les «cohéreurs» utilisés pour détecter les signaux radio existent déjà, mais ces dispositifs ne sont pas encore suffisamment fiables. Trois ans plus tard, Fleming trouve une meilleure solution, avec le «tube thermionique», ancêtre de la lampe à vide qui sera le composant fondamental des systèmes de communication et des premiers systèmes informatiques.

Le tube thermionique

Le tube thermionique, breveté par Fleming en 1905, est en fait dérivé de la lampe à incandescence, d’invention récente. «En 1882, alors que j’étais conseiller technique chez Edison (Electric Light Company) à Londres, j’ai eu l’occasion de me familiariser avec les nombreux problèmes posés par les lampes à incandescence», devait écrire Fleming par la suite. «Comme tout le monde, j’avais remarqué que les filaments se rompaient facilement au moindre choc et que, lorsqu’une ampoule grillait, le verre se noircissait.» Il remarque aussi que, souvent, une étroite partie du verre n’est pas noircie, formant comme une raie claire. Son explication: «manifestement, la partie restante du filament fait écran, d’où la raie transparente sur le verre».

Fleming découvre que, comme dans une ampoule électrique, dans un tube à vide contenant une cathode constituée d’un filament porté à haute température et une anode métallique froide présentant un potentiel positif par rapport à la cathode, un flux électronique s’établit dans le sens cathode anode. Le tube produit un courant continu lorsqu’il est placé dans un circuit sous tension alternative. «J’ai découvert que ce type particulier de lampe électrique nous offrait une solution pour redresser un courant hertzien haute fréquence», écrit-il à l’époque. Le système permet aussi de détecter un signal télégraphique ou téléphonique en le différenciant par rapport à la porteuse radio modulée. Le composant est beaucoup plus stable et efficace que les dispositifs utilisés jusqu’alors.

Le tube inventé par Fleming comporte deux électrodes, d’où son appellation «diode thermionique». Il peut détecter un signal radio, mais non pas le produire, ni l’amplifier. Une lampe pouvant générer un signal sinusoïdal haute fréquence stable est inventée plus tard par l’Autrichien Robert von Lieben (1878–1914), qui ajoute une grille entre la cathode et l’anode: c’est l’invention, en 1906, de la triode. Mais von Lieben reste méconnu, et c’est la triode brevetée par un Américain que retiendra l’histoire.

L’audion

La triode audion, brevetée en 1908 — 100 ans déjà! — permet de détecter les signaux radio, de les amplifier, et de les émettre lorsqu’elle est utilisée comme oscillateur

Cet Américain, c’est Lee De Forest (1873–1961), né aux Etats-Unis à Council Bluffs (Iowa). Etudiant de premier cycle à la Yale University, De Forest provoque un black-out sur le campus universitaire en se raccordant au réseau à l’occasion d’une expérience. Inventeur prolifique, on l’accuse parfois de revendiquer la paternité des découvertes des autres, et il est impliqué dans plusieurs controverses persistantes suscitées par ses nombreux brevets. Et l’un des plus importants de ces brevets porte sur un tube à vide qu’il appelle «audion».

Le premier audion, mis au point en 1906, est une diode, mais De Forest fait breveter un audion de type triode en 1908. En appliquant un faible courant électrique à la grille, on obtient à l’anode une forte variation de tension: l’audion peut donc amplifier les signaux radioélectriques captés à l’antenne. On peut désormais détecter des signaux très faibles. L’audion permet d’amplifier les communications téléphoniques longue distance, et De Forest utilise plus tard ce composant dans des radiodiffusions expérimentales.

L’audion originel contient de petites quantités de gaz; ce seront d’autres scientifiques qui perfectionneront le système jusqu’à obtenir une véritable triode à vide. Mais l’audion marque un progrès décisif dans le développement de la radiodiffusion et, utilisé comme commutateur interrupteur électronique, cet ancêtre des tubes à vide restera le composant principal des ordinateurs jusqu’à l’invention du transistor en 1947 (voir Page des pionniers du numéro d’octobre 2007).