IV. NUEVOS MATERIALES, LA ELECTR�NICA
Y LAS COMPUTADORAS
1. NUEVOS MATERIALES, SUS OR�GENES
HEMOS visto c�mo el descubrimiento de un nuevo material o elemento, influ�a en el desarrollo de la civilizaci�n. As� la historia se divide en la Edad de la Piedra, Edad del Bronce y Edad del Hierro.
El estudio de diversos materiales se impulsa en Egipto en la b�squeda de sustancias para los procesos de momificaci�n. El egipcio Zozimus, alrededor del a�o 300, describe los desarrollos de la alquimia y de sus escritos se infiere que conoc�a el ars�nico y un modelo primitivo de alambique.
Abu Geber (721-815). Alquimista iraqu�. Al ocupar los �rabes Siria y Egipto hacia el a�o 640, asimilaron gran parte de la cultura griega que pose�an esos pa�ses. Los europeos hab�an olvidado la ciencia griega, y durante mil a�os los �rabes preservaron, desarrollaron y transmitieron la ciencia y el pensamiento de los pa�ses en los que hubo grandes civilizaciones.
Los alquimistas, por medio de alambiques, obten�an mercurio y azufre a partir del mineral de cinabrio (tambi�n lo hicieron los chinos). De ah�, pensaban transmutar el mercurio en oro, y tambi�n encontrar la piedra filosofal o el�xir (al-iksir) de la vida. En este vano intento de encontrar el el�xir, Geber publica una serie de valiosos experimentos qu�micos. �l describe el cloruro de amonio, prepara �cido n�trico diluido y destilando vinagre, prepara �cido ac�tico concentrado.
Geber trabaj� con pigmentos, barnices y perfumes. Tambi�n ide� m�todos para purificar metales.
La alquimia atrajo el inter�s de numerosas personas, aunque los resultados fueron muy pobres. Podemos mencionar que el alquimista Paracelso fue el primero en describir al metal cinc.
La transmutaci�n de los elementos, el sue�o de los alquimistas, se logr� en peque�a escala con el desarrollo de la moderna f�sica nuclear.
La teor�a at�mica de la materia
Hemos visto que los fil�sofos griegos Dem�crito y Epicuro consideraban que la materia estaba constituida por �tomos indivisibles. Seg�n Lucrecio, Epicuro consideraba que "la materia es eterna ... las cosas no pueden hacerse de la nada ni, una vez engendradas, regresar a la nada".
Antonio Lorenzo Lavoisier (1743-1794). Qu�mico franc�s. Se le considera el padre de la qu�mica moderna. Estudi� la combusti�n de las sustancias. Uno de sus primeros experimentos consisti� en poner un diamante dentro de un frasco con aire y calentarlo por medio de una lente que concentraba la luz solar. Observ� como el diamante desaparec�a y en el frasco quedaba bi�xido de carbono, de donde dedujo que el diamante estaba constituido por una forma de carb�n. Observ� que cuando en el frasco hab�a vac�o, o no hab�a aire, el diamante no pod�a quemarse.
Poniendo en combusti�n diversos materiales, observ� que el peso de los materiales que interven�an en ella (incluyendo al aire), era el mismo antes y despu�s. As� encontr� el principio de la conservaci�n de la masa —que en los cambios qu�micos no se gana ni pierde materia—. El cient�fico ruso Mikhail Lomonosov, 25 a�os antes, hab�a propuesto el mismo principio.
Lavoisier fue el primero en demostrar que el aire, considerado por los griegos como uno de los elementos fundamentales, estaba formado por dos elementos: uno que produce la combusti�n y que �l llam� ox�geno, y otro al que llam� �zoe. En griego �zoe quiere decir sin vida, esto es, que no soporta la vida o la combusti�n. Al �zoe se le dio posteriormente el nombre de nitr�geno.
Al gas inflamable que al arder en el aire produc�a agua le dio el nombre de hidr�geno que en griego significa "el que produce agua".
Lavoisier observ� que los animales ingieren alimentos ricos en carb�n e hidr�geno, respiran ox�geno y expelen al respirar bi�xido de carbono y agua. De ah� dedujo que la vida es una especie de combusti�n.
En colaboraci�n con otros qu�micos public�, en 1787, el libro M�todos de nomenclatura qu�mica, donde se establecen los principios para asignar nombres a los productos qu�micos.
En 1789 public� el primer libro de texto de la qu�mica moderna, titulado Tratado elemental de qu�mica, que incluye una lista de todos los elementos conocidos.
Por su posici�n social fue guillotinado durante la Revoluci�n francesa. Dos a�os despu�s de su muerte, los franceses iniciaron la construcci�n de monumentos en su memoria.
Juan Dalton (1766-1844). Qu�mico ingl�s. Estableci� bajo bases cient�ficas la teor�a at�mica del griego Dem�crito.
Sus postulados o supuestos fueron:
1) Cada elemento qu�mico se compone de �tomos indestructibles.
2) Todos los �tomos de un elemento tienen iguales propiedades, que son diferentes a la de otros elementos.
3) En los compuestos qu�micos, los �tomos de elementos diferentes est�n unidos entre s� en proporciones num�ricas simples; por ejemplo, un �tomo de A con uno de B, uno de A con dos de B, etc�tera.
En la sal com�n, por ejemplo, se une un �tomo de sodio con uno de cloro y en el agua dos �tomos de hidr�geno con uno de ox�geno.
Los grandes cazadores de elementos y materiales
Las investigaciones de Lavoisier, el descubrimiento de la pila de Volta (1800) y el descubrimiento de Kirchhoff (1859) de que cada elemento al quemarse emite l�neas espectrales caracter�sticas del elemento de que se trata, transformaron a los f�sicos y a los qu�micos en grandes cazadores de elementos.
Martin Enrique Klaproth (1743-1817). Qu�mico alem�n. Seguidor de las teor�as de Lavoisier, se transform� en uno de los grandes cazadores de elementos. Del negro y pesado mineral llamado pechblenda, obtuvo, en forma de �xido, un nuevo elemento al que llam� uranio, en honor al nuevo planeta Urano, que hab�a sido descubierto por Herschel ocho a�os antes. Tambi�n descubri� el titanio, el circonio, el cerio y, junto con Muller, el telurio. El uranio que descubri�, en manos de Enrico Fermi dio lugar al desarrollo de la energ�a nuclear.
Guillermo Nicholson (1753-1815). Qu�mico ingl�s. El mismo a�o en que Volta dio a conocer el descubrimiento de la pila el�ctrica (1800) construy� una en Inglaterra y su gran contribuci�n cient�fica fue el emplearla para producir la electr�lisis del agua. Los dos alambres que salen de la pila el�ctrica los introdujo en un tanque con agua y observ� que de ellos se desprend�an burbujas de gas. Hab�a descompuesto al agua en los elementos que la forman, el hidr�geno y el ox�geno.
Smithson Tennant (1761-1815). Qu�mico ingl�s. En 1803 descubri� dos metales de la familia del platino, el iridio, y el osmio.
Humphry Davy (1778-1829). Qu�mico ingl�s. En 1807 construy� la pila de Volta m�s grande de su tiempo conten�a 250 placas met�licas. Lo importante fue que la us� para hacer la electr�lisis de potasa fundida, encontrando que en uno los alambres que sal�an de la pila se hab�a despositado un elemento que �l llam� potasio. Una semana despu�s, empleando un recipiente que conten�a soda fundida, pudo producir el sodio. En 1808 pudo aislar el bario, el estroncio, el calcio y el magnesio.
Jos� Luis Gay-Lussac (1778-1850). F�sico y qu�mico franc�s. En 1802 descubri� que diferentes gases, a presi�n constante, sufren la misma expansi�n al darles el mismo aumento de temperatura. Diferentes s�lidos al calentarse se dilatan en forma diferente, mientras que diferentes gases se dilatan en la misma forma. Este sorprendente resultado condujo al f�sico italiano Avogadro a deducir que vol�menes iguales de gases diferentes, bajo las mismas condiciones de temperatura y presi�n, est�n constituidos por el mismo n�mero de part�culas o mol�culas. De este resultado se pudo obtener cu�ntas veces es m�s pesada una mol�cula de cualquier gas que la mol�cula del gas hidr�geno, dividiendo el peso de un volumen de gas entre el peso del mismo volumen de hidr�geno, si ambos se encuentran a la misma presi�n y temperatura.
En la lucha de prestigio entre Francia e Inglaterra, Napole�n suministr� fondos a Gay-Lussac para que construyera una bater�a el�ctrica mayor que la de Davy, y as� encontrar nuevos elementos.
La bater�a no fue necesaria, pues Gay-Lussac y Thenard empleando el potasio descubierto por Davy, aislaron el boro sin necesidad de la electricidad. Al tratar �xido de boro con potasio se produjo el elemento boro.
En 1811 el qu�mico franc�s Courtois, por medio de una reacci�n qu�mica produjo un gas violeta que Gay-Lussac identific� como un nuevo elemento y le dio el nombre de yodo, que en griego significa violeta.
Otros descubrimientos importantes de Gay-Lussac fueron que exactamente se requieren dos vol�menes de hidr�geno por uno de ox�geno para producir agua. Igualmente encontr� que al combinar un volumen de hidr�geno con uno de cloro se produce �cido clorh�drico y que tres partes de hidr�geno y una de nitr�geno forman una de amoniaco.
Estos descubrimientos permitieron determinar los llamados pesos moleculares de los compuestos qu�micos.
Amadeo Avogadro (1776-1856). F�sico italiano. Interpret� el descubrimiento de Gay-Lussac de que todos los gases se expanden lo mismo al sufrir el mismo aumento de temperatura, como que vol�menes iguales de gases, bajo las mismas condiciones de presi�n y temperatura, deb�an estar formados por el mismo n�mero de part�culas. Cada part�cula, que actualmente recibe el nombre de mol�cula, puede estar formada por uno o m�s �tomos. En muchos gases, las part�culas primarias son mol�culas formadas por varios �tomos unidos entre s�.
Este descubrimiento permite determinar el peso de diversos �tomos o mol�culas, relativos al peso de un �tomo de hidr�geno, que es el m�s ligero.
Por ejemplo, si tenemos dos vol�menes iguales, uno de hidr�geno y otro de ox�geno, bajo las mismas condiciones de temperatura y presi�n, de acuerdo con Avogadro tendr�n el mismo n�mero de mol�culas. Si ponemos esos gases en dos peque�os tanques iguales, que inicialmente estaban al vac�o (comprimi�ndolos); el aumento de peso del tanque con ox�geno entre el aumento de peso del tanque con hidr�geno, nos dar� el peso molecular del ox�geno en unidades del peso molecular del hidr�geno. El resultado obtenido es 16, o sea que la mol�cula de ox�geno pesa diecis�is veces m�s que la de hidr�geno.
Como las mol�culas de hidr�geno y ox�geno est�n formadas por dos �tomos, el �tomo de ox�geno tambi�n pesar� diecis�is veces m�s que el de hidr�geno.
El agua, de acuerdo con los descubrimientos de Gay-Lussac, se forma al combinar dos vol�menes de hidr�geno con uno de ox�geno; de acuerdo con Avogadro, su mol�cula estar� formada por dos �tomos de hidr�geno y uno de ox�geno (2H + O) y su peso molecular ser� de dieciocho veces la del �tomo de hidr�geno, dos que corresponden al hidr�geno y diecis�is al ox�geno.
Juan Jacobo Berzelius (1779-1848). Qu�mico sueco. Empleando el m�todo de vol�menes constantes de Gay-Lussac, fue el primero en publicar una lista de los pesos at�micos de los elementos conocidos, pero en ella hay errores, porque no tom� en cuenta los descubrimientos de Avogadro, que distinguen los �tomos de las mol�culas.
Descubri� el selenio en 1818, el silicio en 1824 y el torio en 1829. Berzelius fue el qu�mico m�s notable de su tiempo.
Gustavo Roberto Kirchhoff (1824-1887). F�sico alem�n. En el cap�tulo de �ptica vimos como Kirchhoff, empleando un espectroscopio (formado por una rendija, un prisma y un anteojo), al quemar un elemento en un mechero de Bunsen, observ� que emit�a l�neas de colores cuya posici�n en el espectro era caracter�stica del elemento, equivalente a sus "huellas digitales". As� pudo observar que el Sol estaba formado por los mismos elementos que hay en la Tierra.
Trabajando con Bunsen descubri� el cesio en 1860 y, un a�o despu�s, el rubidio.
Empleando esta tecnolog�a, Reich y Richter en Alemania descubrieron el elemento indio (1863), y Crooks en Inglaterra descubri� el talio (1861).
Dimitrio Ivanovich Mendeleiev (1834-1907). Qu�mico ruso. En 1869, cuando Mendeleiev public� su famosa Tabla Peri�dica de los Elementos, se hab�an descubierto 63 de ellos, a los que se les hab�a medido su peso at�mico, empleando el m�todo de Avogadro, o por medio de la electr�lisis. Tambi�n se conoc�an sus propiedades qu�micas, manifestadas por la llamada "valencia" (capacidad que posee cada �tomo para combinarse con otros). El hidr�geno, el litio, el sodio y el potasio, tienen una valencia de uno y sus propiedades qu�micas son similares; tienen la propiedad de combinarse con s�lo un �tomo de otro elemento de valencia uno. Un �tomo con valencia de dos se puede combinar simult�neamente con dos �tomos de valencia uno o con un solo �tomo de valencia dos.
Mendeleiev orden� los elementos conocidos por pesos at�micos a lo largo de renglones, de manera que en la misma columna coincidieran los que ten�an la misma valencia y propiedades qu�micas similares.
El primer rengl�n de la Tabla estaba ocupado por un solo elemento, el hidr�geno,
que es el m�s ligero, valencia uno, y peso at�mico uno. El segundo rengl�n por
el litio (valencia uno), berilio (valencia dos), boro (valencia tres), carb�n
(valencia cuatro), nitr�geno (valencia tres), ox�geno (valencia dos) y fl�or
(valencia uno). Los cuatro primeros renglones de la Tabla de Mendeleiev, con
sus pesos at�micos fueron:
|
H=1
|
|
|
|
|
|
|
|
Li=7;
|
Be=9;
|
B = 11;
|
C=12;
|
N = 14;
|
O=16;
|
F=19
|
|
Na=23;
|
Mg=24;
|
Al =27;
|
Si=28;
|
P=31;
|
S=32;
|
Cl=35.5
|
|
K=39;
|
Ca=40;
|
(?);
|
Ti=48;
|
V=51;
|
Cr=52;
|
...
|
Continuando la Tabla, Mendeleiev coloc� a los 63 elementos conocidos. De inmediato se dio cuenta de que exist�an huecos que pod�an referirse a elementos a�n no descubiertos. �l predijo la existencia de un elemento con peso at�mico entre 40 y 48 que tendr�a propiedades qu�micas similares al boro y lo llam� eka-boro. Tambi�n predijo la existencia de eka-silicio y del eka-aluminio. Estos elementos fueron descubiertos poco tiempo despu�s y se les llam� respectivamente, escandio, germanio y galio.
Mendeleiev se convirti� en el qu�mico m�s famoso del mundo. En su honor, un nuevo elemento descubierto en 1955, y producido artificialmente por medio de reacciones nucleares, se le dio el nombre de Mendelevio.
Guillermo Ramsay (1852-1916). Qu�mico escoc�s. Le correspondi� el honor de agregar una columna a la Tabla de Mendeleiev, la que corresponde a la valencia cero. A un cierto volumen de nitr�geno obtenido del aire, lo hizo reaccionar con magnesio y observ� que quedaba una burbuja de gas sin reaccionar. Al estudiar este gas con el espectroscopio (1894), encontr� que emit�a l�neas espectrales diferentes a las de los elementos conocidos. A este gas le llam� arg�n, que en griego quiere decir inerte.
Janssen y Lockyer apuntando su telescopio a la atm�sfera solar (fuera del disco del Sol) y analizar la luz con un espectroscopio descubrieron l�neas espectrales que no correspond�an a las de los elementos conocidos. Ellos llamaron helio a este elemento que en griego quiere decir Sol.
Ramsay, estudiando un gas producido por minerales radiactivos, encontr� que el helio existe en la Tierra (1895) y que corresponde a la familia de los gases inertes (valencia cero).
Por medio de la destilaci�n del aire l�quido, Ramsay pudo producir 15 litros de gas arg�n, que licu� y destil�, obteniendo tres fracciones. Al analizarlas con el espectroscopio, correspondieron a tres nuevos gases inertes que llam�: ne�n, kript�n y xen�n. El �nico gas inerte que no descubri� fue un gas radiactivo encontrado por Dorn en 1900: el rad�n.
Ramsay recibi� el premio Nobel en 1904.
La Revoluci�n francesa produjo grandes cambios econ�micos y sociales, que condujeron a la revoluci�n industrial que tuvo lugar en la primera mitad del siglo XIX. El desarrollo notable de la ciencia, la electricidad, la �ptica, el calor, la m�quina de vapor, las comunicaciones y la qu�mica, crearon la necesidad de transformar las peque�as m�quinas que los relojeros (principalmente franceses) hab�an dise�ado en grandes m�quinas para construir motores de vapor. Tambi�n se necesit� producir en mayor escala, hierro, acero, cobre y diversos metales y materiales descubiertos recientemente.
Inglaterra encabez� la revoluci�n industrial.
Por muchos siglos hab�a sido conocido el acero, siendo famoso el manufacturado por chinos, �rabes y espa�oles. Su costo era muy elevado, por lo que su producci�n era limitada.
En 1850 Inglaterra era el mayor productor del mundo y su producci�n llegaba a s�lo 60 000 toneladas de acero, mientras que su producci�n de hierro alcanzaba la cifra de dos y medio millones de toneladas.
Enrique Bessemer (1813-1898). Metalurgista ingl�s. El hierro que sal�a de los hornos (hierro fundido) conten�a grandes cantidades de carb�n. Era duro pero quebradizo. Para hacerlo maleable y poderlo forjar se necesitaba eliminar el carb�n para transformarlo en casi hierro puro (hierro forjable). A este material se le pod�a dar cualquier forma pero se gastaba f�cilmente. El acero, muy resistente al esfuerzo y al desgaste, tiene una cantidad de carb�n intermedia entre el hierro fundido y el hierro forjado.
Bessemer dise�ó (1856) un convertidor en el que se soplaba aire en una masa de hierro fundido para reducir su cantidad de carb�n y transformarlo directamente en acero, reduciendo notablemente el costo de producci�n (Figura 33).
Figura 33. Convertidor de Bessemer para producir acero.
Para que su m�todo funcionara se necesitaba que el hierro fundido no contuviera azufre ni f�sforo como contaminantes, por lo que tuvo que emplearse mineral de hierro de Suecia. Aun as�, con esta tecnolog�a se redujo el precio del acero a la d�cima parte de su precio anterior.
El problema del f�sforo como contaminante fue resuelto por el ingl�s Thomas, quien descubri� que agregando piedra caliza al mineral se combinaba con el f�sforo y lo eliminaba del metal. El alem�n Siemens (1861) y el franc�s Martin desarrollaron el proceso de hornos de coraz�n abierto, que permiti� el empleo de minerales de carb�n de baja calidad (como combustible).
En 1870, Lorena, regi�n que tiene importantes dep�sitos de mineral con azufre, qued� unida a la cuenca carbon�fera del Ruhr. Con el desarrollo de la nueva tecnolog�a, esta regi�n de Alemania se transform� en un emporio industrial que sobrepas� a la Gran Breta�a en la producci�n de acero.
El desarrollo de la tecnolog�a para producir acero a bajo costo permiti� el desarrollo en gran escala del ferrocarril.
En Rusia, Estados Unidos y en las colonias brit�nicas, los ferrocarriles se desarrollaron r�pidamente a partir de 1857.
Hasta 1872, Inglaterra fue el principal productor de acero y de rieles de ferrocarril, siendo entonces superado por Alemania. Desde 1889, los Estados Unidos se transformaron en el mayor productor mundial de acero.
El desarrollo de la metalurgia
La segunda mitad del siglo XIX se caracteriz� por un avance notable en los procesos metal�rgicos. La tabla siguiente nos muestra el aumento en la producci�n de algunos metales importantes.
|
Producción mundial en toneladas
|
|||
|
|
|||
|
|
1850
|
1875
|
1900
|
|
|
|||
| Cobre |
55 000
|
130 000
|
525 000
|
| Plomo |
130 000
|
320 000
|
850 000
|
| Cinc |
65 000
|
165 000
|
480 000
|
| Esta�o |
18 000
|
36 000
|
85 000
|
| N�quel |
20
|
500
|
8 000
|
| Aluminio |
0
|
2.5
|
7 300
|
|
|
|||
El desarrollo de la metalurgia implic� idear nuevos m�todos de concentraci�n de minerales y nuevos tipos de hornos para lograr su extracci�n.
El aumento notable en la producci�n del cobre se debi� al desarrollo de la industria el�ctrica.
El aluminio, aislado por el alem�n Wohler en 1827 al hacer reaccionar el potasio con compuestos de aluminio, era una curiosidad y por lo tanto muy costosa. El franc�s Saint-Claire Deville sustituy� al potasio por el sodio, y as�, en 1855, produjo un lingote de siete kilogramos. El precio del aluminio baj� de 30 000 francos el kilogramo a 300 francos en corto tiempo.
Desde hace miles de a�os el hombre comenz� a emplear y producir aleaciones de metales. Mezclando el oro con la plata y el cobre encontr� aleaciones que brillaban como el oro puro, pero que eran m�s resistentes al desgaste.
El bronce, que defini� una edad en la historia de la humanidad, es una aleaci�n de cobre y esta�o.
A principios de este siglo, el hombre dispon�a de diversos elementos que mezclar, y as� desarrollo combinaciones de metales con propiedades muy importantes.
Aleando hierro con silicio produjo la l�mina de acero al silicio, fundamental en el desarrollo de la industria el�ctrica, pues con ella se construyen los motores, los generadores y los transformadores.
Aleando fierro con cromo y n�quel se produjo una gran variedad de aceros inoxidable que resisten, como su nombre lo indica, la corrosi�n, o enormes esfuerzos de tensi�n.
Aleando al aluminio con cinc, magnesio, cobre y cromo, en proporciones adecuadas, se pueden producir superaluminios que resisten esfuerzos como el acero ordinario y pesan mucho menos.
La disponibilidad de otros elementos, como el tungsteno, el silicio y el germanio, permiti� desarrollar la electr�nica, o sea el mundo en que vivimos con los equipos de sonido, los radios, la televisi�n y las computadoras.
2. LA ELECTR�NICA. SUS INICIOS
Hemos visto al tratar la electricidad c�mo la teor�a electromagn�tica de Maxwell (1870) predijo la existencia de ondas electromagn�ticas. Hertz en Alemania demostr� su existencia y efectu� transmisiones a corta distancia (1888). El ruso Popov (1897) invent� la antena y efectu� transmisiones a cinco kil�metros, y el italiano Marconi (1901) hizo la primera transmisi�n transatl�ntica.
Otra contribuci�n notable fue la del alem�n Julius Plucker, quien hizo pasar una corriente el�ctrica entre dos puntas de alambre, colocadas dentro de un tubo al vac�o. Observ� que se produc�a una fluorescencia entre ambas y, lo m�s importante fue que en presencia de un campo magn�tico la fluorescencia cambiaba de posici�n, lo que de acuerdo con las leyes de Ampère significaba que se trataba de movimiento de cargas el�ctricas en el vac�o. A estas cargas que se mueven en el vac�o se les dio el nombre de electrones.
Jos� Juan Thomson (1856-1940). F�sico ingl�s. En 1876 entr� a la Universidad de Cambridge, como estudiante, y ah� permaneci� toda su vida. Continu� la investigaci�n del movimiento de cargas en el vac�o, iniciada por Plucker y Croockes, que hac�an suponer la existencia del electr�n. Thomson realiz� medidas cuantitativas respecto a la deflexi�n que las fuerzas de Amp�re deb�an producir sobre los electrones.
Suponiendo que estas part�culas tuvieran carga el�ctrica igual a la que se requiere para descomponer una mol�cula de agua (en un �tomo de ox�geno y una mol�cula de hidr�geno) por medio de la electr�lisis, encontr� (1897) que la masa del electr�n deb�a ser m�s peque�a que la mil�sima parte de la del �tomo m�s peque�o que es el del hidr�geno.
Los atomistas consideraban que una vez que se llenara la Tabla Peri�dica de los elementos de Mendeleiev, ya no habr�a m�s part�culas que descubrir, y ahora se encontraba una part�cula mucho m�s peque�a, que dar�a origen a que los �tomos a su vez estuvieran formados por otras part�culas.
Thomson tambi�n demostr� que los campos el�ctricos desv�an a los electrones de su trayectoria, cuando viajan del alambre con potencial negativo (c�todo) al de potencial positivo (�nodo).
Por este descubrimiento, Thomson recibi� el premio Nobel en 1906, pero lo m�s sorprendente fue el equipo de investigadores que form�, ya que siete de sus asistentes recibieron posteriormente el premio Nobel.
En 1912 realiz� otro descubrimiento sorprendente. Por m�todos el�ctricos le arranc� a los �tomos del gas ne�n uno (le sus electrones, transform�ndolo en part�cula positiva que pudo hacer que se moviera en el tubo al vac�o, entre el �nodo y el c�todo, como hab�a hecho con los electrones. Aplic�ndoles campos el�ctricos y magn�ticos, demostr� que exist�an dos diferentes gases ne�n, con las mismas propiedades qu�micas pero diferente peso. Hab�a descubierto los llamados is�topos de los elementos que tendr�an papel importante en la nueva f�sica nuclear que desarrollar�a uno de sus estudiantes, el gran f�sico Rutherford.
Juan Fleming (1849-1945). Ingeniero ingl�s. Trabaj� con Maxwell, fue consultor de Edison y colabor� con Marconi. Edison hab�a observado que si colocaba un alambre cerca del filamento caliente de uno de sus focos luminosos, pasaba algo de corriente el�ctrica.
Fleming estudi� este fen�meno tomando en cuenta el descubrimiento del electr�n por Thomson. En un bulbo o tubo al vac�o coloc� un filamento (c�todo) y enfrente una placa (�nodo). Al colocar el c�todo al extremo negativo de una bater�a y el �nodo al positivo, observ� que los electrones (negativos) que estaban en "ebullici�n" en el filamento caliente, al ser atra�dos por la placa positiva, pasaban a trav�s del vac�o, produciendo una corriente el�ctrica en el circuito.
Cuando el filamento se conectaba al polo positivo y la placa al negativo, los electrones (negativos) eran rechazados por la placa negativa y no pasaba corriente el�ctrica.
Si el bulbo se conecta a un generador de voltaje alterno (que cambia constantemente de filamento negativo y placa positiva a lo opuesto y contin�a cambiando sucesivamente), en este caso la corriente el�ctrica circula s�lo la mitad del tiempo, cuando el filamento es negativo y la placa positiva. En 1904, Fleming invent� este dispositivo que se llam� rectificador, y que transformaba una corriente el�ctrica alterna en una corriente directa.
Lee De Forest (1873-1961). Inventor norteamericano. Entre el filamento y la placa de un rectificador de Fleming coloc� una malla met�lica que llam� reja y cre� as� el tr�odo, que revolucion� la industria electr�nica y cambi� al mundo.
La corriente de electrones que se mueven del filamento a la placa puede controlarse con un voltaje o potencial que se aplique a la reja. Un potencial de la reja, variable y d�bil, puede transformarse en una variaci�n del flujo de electrones que lleve asociada mucho m�s energ�a, o sea que el triodo es un amplificador de la se�al aplicada a la reja. Si la reja la hacemos negativa respecto al c�todo, rechazar� a los electrones que salen del filamento caliente y no los dejar� pasar. Al ir aumentando el voltaje de la reja ir� aumentando la corriente de electrones. La evoluci�n del triodo, a partir del foco de Edison y del rectificador de Fleming, se muestra en la figura 34.
Figura 34. Evoluci�n del foco de Edison al triodo de Lee de Forest. (a) El filamento de Edison produce una nube de electrones. (b) El rectificador de Fleming permite el paso de los electrones del filamento a la placa. (c) Una se�al de poca energ�a, aplicada a la reja del triodo, permite el paso, como si fuera una llave, de una corriente variable de electrones similar a una se�al aplicada, pero con mucha energ�a.
Un s�mil de este amplificador podemos encontrarlo al girar la manivela de la llave de una manguera o de la compuerta de una presa. Casi sin esfuerzo podemos regular el tama�o del chorro de la manguera o del vertedor de la presa, que llevan asociados cambios muy grandes en la energ�a del chorro.
El triodo fue la base del desarrollo de la industria electr�nica moderna. Gracias a �l se desarroll� el radio, el cine sonoro, la televisi�n y las computadoras. Su reinado dur� hasta que en 1948 el ingl�s Shockley invent� el transistor que realiza las mismas funciones que el triodo, pero que al no usar filamento es mucho m�s durable y se puede producir a un costo mucho menor.
Gracias a los triodos, la d�bil se�al que se recibe en las antenas de los radios puede amplificarse y escucharse a trav�s de una bocina, en vez de escucharse d�bilmente por medio de aud�fonos, como se hac�a antiguamente.
Para aumentar su poder de control, a los bulbos se les aument� el n�mero de rejas, produci�ndose los tetrodos y los pentodos.
Vladimir Zworykin (1889- ). F�sico ruso, nacionalizado norteamericano. Desarroll� los tubos de rayos cat�dicos que Thomson emple� para encontrar los is�topos de ne�n, en tubos que pudieran producir im�genes de televisi�n. En 1928 patent� el tubo en que un haz de electrones barre, en una fracci�n de segundo y por medio de campos magn�ticos, toda la pantalla fluorescente de un tubo o bulbo de televisi�n, produciendo una imagen luminosa.
En 1938 patent� la c�mara de televisi�n, llamada iconoscopio, que permiti� por primera vez la transmisi�n de se�ales claras de televisi�n. As� elimin� los discos rotatorios (inventados por el alem�n Nipkow) para explorar la luminosidad de las diferentes partes de la imagen por transmitir, que se empleaban en los sistemas anteriores.
El iconoscopio consiste en una c�mara fotogr�fica que, en vez de pel�cula tiene una pantalla que contiene muchas c�lulas fotoel�ctricas microsc�picas, sobre la que se forma la imagen de la c�mara. Un rayo cat�dico que barre toda la pantalla descarga peri�dicamente las c�lulas y produce una se�al proporcional a la luz recibida por cada una de ellas. Esta se�al, amplificada, es la que transmite la estaci�n de televisi�n.
Perfeccion� el microscopio electr�nico, que hab�a sido descubierto por cient�ficos alemanes (Figura 35).
Figura 35. Microscopio electr�nico del Instituto de F�sica de la Universidad Nacional Aut�noma de M�xico.
Desarroll� la televisi�n de colores.
3. LAS COMPUTADORAS. SUS INICIOS
El hombre emple� desde tiempo inmemorial los dedos de sus manos y peque�as piedras para efectuar sus c�lculos.
Los pueblos civilizados desarrollaron m�todos para contar y llevar sus estad�sticas. La civilizaci�n maya fue la primera que invent� el cero para facilitar los c�lculos y poder representar grandes n�meros. La numeraci�n que usamos en la actualidad se deriva de la empleada por los �rabes, quienes a su vez se inspiraron en los n�meros desarrollados en la India.
El �baco, empleado por los griegos y los chinos, fue la primera computadora mec�nica.
Los astrolabios, inventados en Alejandr�a por Hiparco, fueron empleados por Tolomeo y por los �rabes para realizar c�lculos astron�micos.
Juan Neper (1450-1517). Matem�tico ingl�s. Invent� las tablas de logaritmos que permitieron realizar c�lculos matem�ticos con cierta rapidez y precisi�n. Dibujando escalas logar�tmicas sobre reglas, construy� las primeras reglas de c�lculo, que fueron las calculadoras port�tiles de los cient�ficos e ingenieros hasta la llegada de las calculadoras electr�nicas.
Blas Pascal (1623-1662). F�sico franc�s. A la edad de diecinueve a�os invent� la primera calculadora mec�nica, que suma y resta en forma autom�tica. Emple� en su construcci�n las series de engranes que �l mismo ide�. Esta calculadora fue considerada en su tiempo como algo notable. Una calculadora construida en 1652, y firmada por Pascal, se encuentra en el Conservatoire des Art et M�tiers en Par�s (Figura 36).
Figura 36. Calculadora mec�nica de Pascal que suma y resta en forma autom�tica. Se encuentra en el Conservatoire des Arts M�tiers de Par�s.
Pascal construy� su famosa m�quina para ayudar a su padre en los numerosos c�lculos que ten�a que realizar para calcular una curva que descubri� y que tiene la forma de un caracol.
Este descubrimiento condujo al gran matem�tico Leibniz a construir otra m�s compleja.
Godofredo Guillermo Leibniz (1646-1716). Matem�tico alem�n. Construy� una calculadora superior a la de Pascal, ya que adem�s de sumar y restar, multiplicaba y divid�a.
Al comparar su m�quina con la de Pascal, Leibniz dice: "En primer lugar, debe entenderse que la m�quina contiene dos partes, una destinada a la adici�n (resta), y otra a la multiplicaci�n (divisi�n) y que las dos se encuentran unidas. La m�quina de sumar (restar) coincide completamente con la caja de Pascal."
Refiri�ndose a las aplicaciones de su computadora, Leibniz dice: "Tampoco los astr�nomos tendr�n que continuar ejercitando la paciencia que se requiere para realizar computaciones. Esta m�quina los liberar� de los c�lculos necesarios para hacer o corregir tablas, al calcular las efem�rides, y al discutir las observaciones con otras personas. Porque es indigno que hombres excelentes pierdan horas, como si fueran esclavos, en trabajos de c�lculo que pueden ser ejecutados eficientemente por otras personas, si se emplean m�quinas computadoras."
En 1673 construy� la tercera m�quina para Pedro el Grande, quien la mand� al emperador de China para mostrarle los avances del arte y la industria de los europeos.
Una de sus m�quinas existe y se encuentra en la Biblioteca del Estado de Hannover.
Una de las ramas de las matem�ticas que desarroll� y que public� en forma de libro De arte combinatorica (1666) tuvo un papel fundamental en la gestaci�n de las computadoras modernas.
Su computadora se emple� ampliamente durante tres siglos, y s�lo desde hace unas d�cadas est� siendo sustituida por las computadoras electr�nicas.
Avances de la computadora mec�nica
Jos� Mar�a Jacquard (1752-1834). Tejedor de seda franc�s e inventor. Producto de la Revoluci�n francesa, dio el primer paso en la construcci�n de robots mec�nicos al idear y construir un telar en el que, por medio de tarjetas perforadas, controlaba el dise�o y los colores de un tejido. El m�todo de tarjetas perforadas se emplea actualmente en la operaci�n de las modernas computadoras.
Dio a conocer su invento en 1801 y para 1812 hab�a en Francia 11 000 telares Jacquard.
Un telar consiste en una serie de hilos paralelos de colores y de una o varias lanzaderas con hilos que se mueven perpendicularmente a los hilos. Para producir un dise�o, el operario debe saber qu� hilos deben quedar arriba y cu�les abajo, antes de que se mueva la lanzadera. Por medio de una serie de tarjetas de cart�n, perforadas adecuadamente, Jacquard permit�a que pasaran o no unas agujas que sub�an los hilos en forma autom�tica, seg�n el deseo del "programador" del dise�o. Cuando todos los cartones de la cadena hab�an pasado, el dise�o se repet�a (Figura 37).
Figura 37. Esquema del funcionamiento del telar de Jacquard en el que, para simplificar la figura, se muestran s�lo tres hilos. Las agujas que penetran en las perforaciones de las tarjetas son las que levantan los hilos.
Si se quería repetir el diseño con otros colores, debían cambiarse los colores de los hilos paralelos.
Este invento tuvo una enorme trascendencia en la creaci�n de las modernas computadoras.
Abraham Stern (1769-1842). Matem�tico polaco. Construy� una computadora que ejecutaba las cuatro operaciones aritm�ticas y adem�s encontraba la ra�z cuadrada de un n�mero con resultado de seis cifras. Su m�quina la describi� en una conferencia de la Societas Scientiarum Varsovienesis en 1817 y fue publicado en los Anales de la Sociedad.
L�on Boll�e (franc�s) en 1820 construy� una computadora que ten�a un dispositivo para almacenar la tabla de multiplicar, con lo que se evitaba tener que realizar sumas sucesivas para ejecutar una multiplicaci�n.
Carlos Babbage (1791-1871). Astr�nomo y matem�tico ingl�s. Aun con las calculadoras de Leibniz, los cient�ficos continuaban dedicando muchas horas al c�lculo de tablas de efem�rides y de logaritmos. Babbage ide� una calculadora que imprimiera directamente los resultados del c�lculo de polinomios y a esta m�quina se le llam� m�quina de diferencias.
Babbage ide� una moderna computadora, la m�quina anal�tica, en la que los datos y el programa se introduc�an por medio de tarjetas perforadas como las del telar de Jacquard.
Las m�quinas que trat� de construir Babbage no tuvieron �xito, porque antes de terminarlas se le ocurr�an mejoras, por lo que suspend�a su construcci�n e iniciaba la de una nueva m�quina. Sus ideas sirvieron para que otras personas construyeran computadoras m�s poderosas.
Pedro Jorge Scheutz (1785-1873). Inventor sueco. Dise�� y construy� la primera m�quina de diferencias que trabaj� satisfactoriamente. En 1854 fue mostrada en Londres y posteriormente en la Gran Exhibici�n de Par�s, donde fue comprada por el Observatorio de Dudley del Estado de Nueva York. Actualmente se encuentra en el Museo Smithsonian en Washington.
La m�quina de Scheutz calculaba polinomios de cuarto grado, trabajando con catorce cifras y pod�a imprimir sus propias tablas.
Vannevar Bush (1890-1974). Ingeniero norteamericano. En 1931 construy� una de las �ltimas computadoras mec�nicas, la llamada analizador diferencial en el Instituto Tecnol�gico de Massachusetts y se emple� para obtener la soluci�n de un problema de radiaci�n c�smica del mexicano Sandoval Vallarta y del belga Lemaitre.
La primera persona que construy� una computadora empleando los tubos electr�nicos de De Forest fue un profesor de f�sica del Colegio Estatal de Iowa, Juan Atanasoff.
Atanasoff se dio cuenta de que empleando bulbos electr�nicos se pod�an realizar multiplicaciones en fracciones de segundo, mientras que con las calculadoras mec�nicas se necesitaban varios segundos. Esto se debe a que el movimiento de engranes o relevadores electromec�nicos, por la materia o masa que tienen, requieren de un tiempo grande para moverse, mientras que los electrones que se mueven en un bulbo electr�nico lo hacen casi instant�neamente.
En 1941, Atanasoff y Clifford Berry construyeron una computadora electr�nica que empleaba 300 bulbos electr�nicos.
La primera gran computadora fue la ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) que entr� en operaci�n en 1945. Conten�a 18 000 bulbos, 70 000 resistencias, 10 000 condensadores y 6 000 interruptores. Med�a treinta metros de frente por tres metros de altura. Actualmente se encuentra en el Museo Smithsonian. Las computadoras electr�nicas emplean el sistema num�rico de base dos, o sea que al calcular, en vez de diez d�gitos (del 0 al 9), emplean dos, el cero y el uno. La tabla de equivalencias de los primeros n�meros es:
|
0
|
0
|
|
1
|
1
|
|
2
|
10
|
|
3
|
11
|
|
4
|
100
|
|
5
|
101
|
|
6
|
110
|
|
7
|
111
|
|
8
|
1 000
|
|
9
|
1001
|
|
10
|
1 010
|
|
11
|
1 011
|
La necesidad de emplear el sistema num�rico binario se debe a que en los circuitos electr�nicos empleados los bulbos electr�nicos, o conducen (uno), o no conducen (cero) y en los relevadores empleados como memoria, o estaban cerrados (uno), o estaban abiertos (cero).
Esta m�quina, que ten�a muchos defectos, era quinientas veces m�s r�pida que las m�quinas electromec�nicas existentes. Fue creada por un equipo de cient�ficos y t�cnicos bajo la direcci�n de John Ecker y John Mauchly.
La computadora ENIAC pod�a realizar en un segundo 5 000 sumas o 500 multiplicaciones y generaba tablas de senos y consenos.
Juan von Neumann (1903-1957). Matem�tico y f�sico h�ngaro, nacionalizado norteamericano. Dise�o la computadora llamada Von Neumann o lAS, en el Institute of Advanced Study de la Universidad de Princeton, EUA.
La computadora fue construida de 1946 a 1951 y en 1952 trabaj� satisfactoriamente. Las computadoras construidas posteriormente han seguido el dise�o de esta computadora, consistente en un procesador central �nico, ligado a un banco de memoria por canales de comunicaci�n, que a su vez controlan que las operaciones a realizar se efect�en una por una, en serie.
La computadora Von Neumann, por ser de bulbos, correspondi� a lo que hoy se llama la primera generaci�n.
Desarrollo de las computadoras
Las computadoras electromec�nicas casi no ten�an memoria y los datos se introduc�an con tarjetas perforadas. Pod�an hacer una o dos operaciones aritm�ticas en un segundo.
Computadoras electr�nicas de primera generaci�n. Usaban tubos electr�nicos. La entrada y salida de datos se realizaba por medio de tarjetas perforadas. Los datos se almacenaban en tambores magn�ticos. Pod�a realizar mil operaciones en un segundo. Se desarrollaron de 1946 a 1960.
Computadoras electr�nicas de segunda generaci�n. Con el descubrimiento del transistor, se dise�aron las computadoras de segunda generaci�n, que ten�an la gran ventaja de ser mucho m�s peque�as. Por no usar filamentos requer�an menor n�mero de reparaciones y su consumo de energ�a era mucho menor. Pod�an realizar un mill�n de operaciones en un segundo. Empleaban n�cleos de ferrita en la memoria principal. La memoria secundaria era de cinta magn�tica. Los datos entraban a la m�quina por medio de tarjetas perforadas o por medio de cintas magn�ticas. La salida era por medio de impresoras de l�neas.
Estas computadoras se desarrollaron de 1960 a 1964.
Computadoras electr�nicas de tercera y cuarta generaci�n. Pronto se produjeron circuitos integrados, con varios transistores en una sola pastilla, lo que dio origen a la tercera generaci�n de computadoras mucho m�s peque�as y confiables.
Emplearon en la memoria secundaria discos magn�ticos y una computadora ten�a varias terminales o sea que varias personas pod�an estar usando la computadora al mismo tiempo y a todos les proporcionaba resultados (tiempo compartido). Estas m�quinas realizaban mil millones de operaciones en un segundo y pod�an trabajar con diversos idiomas de computadora (Fortran, Cobol, Basic, etc).
En la actualidad, a�n siguiendo los lineamientos de Von Neumann, vivimos la
etapa de las computadoras de cuarta generaci�n, en las que una pastilla (chip),
Posee muchos circuitos, cada uno de los cuales contiene un n�mero enorme
de transistores y otras componentes electr�nicas. Calculadoras y una computadora
muy peque�a construida con estas pastillas se muestran en la figura 38.
Figura 38. Peque�a computadora y modernas calculadoras.
Una computadora actual del tama�o llamado libro book computer es mucho m�s poderosa que la gran computadora ENIAC o la que dise�o Von Neumann.
Una computadora moderna puede realizar un mill�n de millones de operaciones en un segundo y atender a cientos de terminales que operan a la vez con tiempo compartido.
El desarrollo de microcomputadoras con gran memoria y velocidad pueden hacer obsoleto el uso de muchas terminales con tiempo compartido, sobre todo porque el precio de estos equipos ha bajado notablemente.
El desarrollo de los robots para su uso en la industria ha sido notable. Existen en el comercio tornos y fresadoras mec�nicas en las que las tareas que van a realizar se programan y se ejecutan por medio de una computadora (Figura 39).
Figura 39. Fresadora mec�nica controlada por medio de una computadora perteneciente al Instituto de F�sica de la Universidad Nacional Aut�noma de M�xico.
No existe una l�nea clara que divida en el tiempo a la tercera generaci�n, que se inici� en 1964, y la cuarta generaci�n en la que vivimos.
Computadoras de la quinta generaci�n. Actualmente est�n en desarrollo las computadoras de la quinta generaci�n, que ser�n las primeras en diferir del modelo Von Neumann y que realizar�n los c�lculos en paralelo (muchos a la vez), en vez de uno por uno.
Por su capacidad de aprender a tomar decisiones, su gran velocidad y la enorme memoria de que dispondr�n en peque�os discos, se dice que estas computadoras del futuro dispondr�n de inteligencia artificial.
