IV. NUEVOS MATERIALES, LA ELECTRÓNICA
Y LAS COMPUTADORAS
1. NUEVOS MATERIALES, SUS ORÍGENES
HEMOS visto cómo el descubrimiento de un nuevo material o elemento, influía en el desarrollo de la civilización. Así 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 búsqueda de sustancias para los procesos de momificación. El egipcio Zozimus, alrededor del año 300, describe los desarrollos de la alquimia y de sus escritos se infiere que conocía el arsénico y un modelo primitivo de alambique.
Abu Geber (721-815). Alquimista iraquí. Al ocupar los árabes Siria y Egipto hacia el año 640, asimilaron gran parte de la cultura griega que poseían esos países. Los europeos habían olvidado la ciencia griega, y durante mil años los árabes preservaron, desarrollaron y transmitieron la ciencia y el pensamiento de los países en los que hubo grandes civilizaciones.
Los alquimistas, por medio de alambiques, obtenían mercurio y azufre a partir del mineral de cinabrio (también lo hicieron los chinos). De ahí, pensaban transmutar el mercurio en oro, y también encontrar la piedra filosofal o elíxir (al-iksir) de la vida. En este vano intento de encontrar el elíxir, Geber publica una serie de valiosos experimentos químicos. Él describe el cloruro de amonio, prepara ácido nítrico diluido y destilando vinagre, prepara ácido acético concentrado.
Geber trabajó con pigmentos, barnices y perfumes. También ideó métodos para purificar metales.
La alquimia atrajo el interés de numerosas personas, aunque los resultados fueron muy pobres. Podemos mencionar que el alquimista Paracelso fue el primero en describir al metal cinc.
La transmutación de los elementos, el sueño de los alquimistas, se logró en pequeña escala con el desarrollo de la moderna física nuclear.
La teoría atómica de la materia
Hemos visto que los filósofos griegos Demócrito y Epicuro consideraban que la materia estaba constituida por átomos indivisibles. Según 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). Químico francés. Se le considera el padre de la química moderna. Estudió la combustión de las sustancias. Uno de sus primeros experimentos consistió en poner un diamante dentro de un frasco con aire y calentarlo por medio de una lente que concentraba la luz solar. Observó como el diamante desaparecía y en el frasco quedaba bióxido de carbono, de donde dedujo que el diamante estaba constituido por una forma de carbón. Observó que cuando en el frasco había vacío, o no había aire, el diamante no podía quemarse.
Poniendo en combustión diversos materiales, observó que el peso de los materiales que intervenían en ella (incluyendo al aire), era el mismo antes y después. Así encontró el principio de la conservación de la masa —que en los cambios químicos no se gana ni pierde materia—. El científico ruso Mikhail Lomonosov, 25 años antes, había 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 combustión y que él llamó oxígeno, y otro al que llamó ázoe. En griego ázoe quiere decir sin vida, esto es, que no soporta la vida o la combustión. Al ázoe se le dio posteriormente el nombre de nitrógeno.
Al gas inflamable que al arder en el aire producía agua le dio el nombre de hidrógeno que en griego significa "el que produce agua".
Lavoisier observó que los animales ingieren alimentos ricos en carbón e hidrógeno, respiran oxígeno y expelen al respirar bióxido de carbono y agua. De ahí dedujo que la vida es una especie de combustión.
En colaboración con otros químicos publicó, en 1787, el libro Métodos de nomenclatura química, donde se establecen los principios para asignar nombres a los productos químicos.
En 1789 publicó el primer libro de texto de la química moderna, titulado Tratado elemental de química, que incluye una lista de todos los elementos conocidos.
Por su posición social fue guillotinado durante la Revolución francesa. Dos años después de su muerte, los franceses iniciaron la construcción de monumentos en su memoria.
Juan Dalton (1766-1844). Químico inglés. Estableció bajo bases científicas la teoría atómica del griego Demócrito.
Sus postulados o supuestos fueron:
1) Cada elemento químico se compone de átomos indestructibles.
2) Todos los átomos de un elemento tienen iguales propiedades, que son diferentes a la de otros elementos.
3) En los compuestos químicos, los átomos de elementos diferentes están unidos entre sí en proporciones numéricas simples; por ejemplo, un átomo de A con uno de B, uno de A con dos de B, etcétera.
En la sal común, por ejemplo, se une un átomo de sodio con uno de cloro y en el agua dos átomos de hidrógeno con uno de oxígeno.
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 líneas espectrales características del elemento de que se trata, transformaron a los físicos y a los químicos en grandes cazadores de elementos.
Martin Enrique Klaproth (1743-1817). Químico alemán. Seguidor de las teorías de Lavoisier, se transformó en uno de los grandes cazadores de elementos. Del negro y pesado mineral llamado pechblenda, obtuvo, en forma de óxido, un nuevo elemento al que llamó uranio, en honor al nuevo planeta Urano, que había sido descubierto por Herschel ocho años antes. También descubrió el titanio, el circonio, el cerio y, junto con Muller, el telurio. El uranio que descubrió, en manos de Enrico Fermi dio lugar al desarrollo de la energía nuclear.
Guillermo Nicholson (1753-1815). Químico inglés. El mismo año en que Volta dio a conocer el descubrimiento de la pila eléctrica (1800) construyó una en Inglaterra y su gran contribución científica fue el emplearla para producir la electrólisis del agua. Los dos alambres que salen de la pila eléctrica los introdujo en un tanque con agua y observó que de ellos se desprendían burbujas de gas. Había descompuesto al agua en los elementos que la forman, el hidrógeno y el oxígeno.
Smithson Tennant (1761-1815). Químico inglés. En 1803 descubrió dos metales de la familia del platino, el iridio, y el osmio.
Humphry Davy (1778-1829). Químico inglés. En 1807 construyó la pila de Volta más grande de su tiempo contenía 250 placas metálicas. Lo importante fue que la usó para hacer la electrólisis de potasa fundida, encontrando que en uno los alambres que salían de la pila se había despositado un elemento que él llamó potasio. Una semana después, empleando un recipiente que contenía soda fundida, pudo producir el sodio. En 1808 pudo aislar el bario, el estroncio, el calcio y el magnesio.
José Luis Gay-Lussac (1778-1850). Físico y químico francés. En 1802 descubrió que diferentes gases, a presión constante, sufren la misma expansión al darles el mismo aumento de temperatura. Diferentes sólidos al calentarse se dilatan en forma diferente, mientras que diferentes gases se dilatan en la misma forma. Este sorprendente resultado condujo al físico italiano Avogadro a deducir que volúmenes iguales de gases diferentes, bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, están constituidos por el mismo número de partículas o moléculas. De este resultado se pudo obtener cuántas veces es más pesada una molécula de cualquier gas que la molécula del gas hidrógeno, dividiendo el peso de un volumen de gas entre el peso del mismo volumen de hidrógeno, si ambos se encuentran a la misma presión y temperatura.
En la lucha de prestigio entre Francia e Inglaterra, Napoleón suministró fondos a Gay-Lussac para que construyera una batería eléctrica mayor que la de Davy, y así encontrar nuevos elementos.
La batería no fue necesaria, pues Gay-Lussac y Thenard empleando el potasio descubierto por Davy, aislaron el boro sin necesidad de la electricidad. Al tratar óxido de boro con potasio se produjo el elemento boro.
En 1811 el químico francés Courtois, por medio de una reacción química produjo un gas violeta que Gay-Lussac identificó 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 volúmenes de hidrógeno por uno de oxígeno para producir agua. Igualmente encontró que al combinar un volumen de hidrógeno con uno de cloro se produce ácido clorhídrico y que tres partes de hidrógeno y una de nitrógeno forman una de amoniaco.
Estos descubrimientos permitieron determinar los llamados pesos moleculares de los compuestos químicos.
Amadeo Avogadro (1776-1856). Físico italiano. Interpretó el descubrimiento de Gay-Lussac de que todos los gases se expanden lo mismo al sufrir el mismo aumento de temperatura, como que volúmenes iguales de gases, bajo las mismas condiciones de presión y temperatura, debían estar formados por el mismo número de partículas. Cada partícula, que actualmente recibe el nombre de molécula, puede estar formada por uno o más átomos. En muchos gases, las partículas primarias son moléculas formadas por varios átomos unidos entre sí.
Este descubrimiento permite determinar el peso de diversos átomos o moléculas, relativos al peso de un átomo de hidrógeno, que es el más ligero.
Por ejemplo, si tenemos dos volúmenes iguales, uno de hidrógeno y otro de oxígeno, bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, de acuerdo con Avogadro tendrán el mismo número de moléculas. Si ponemos esos gases en dos pequeños tanques iguales, que inicialmente estaban al vacío (comprimiéndolos); el aumento de peso del tanque con oxígeno entre el aumento de peso del tanque con hidrógeno, nos dará el peso molecular del oxígeno en unidades del peso molecular del hidrógeno. El resultado obtenido es 16, o sea que la molécula de oxígeno pesa dieciséis veces más que la de hidrógeno.
Como las moléculas de hidrógeno y oxígeno están formadas por dos átomos, el átomo de oxígeno también pesará dieciséis veces más que el de hidrógeno.
El agua, de acuerdo con los descubrimientos de Gay-Lussac, se forma al combinar dos volúmenes de hidrógeno con uno de oxígeno; de acuerdo con Avogadro, su molécula estará formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (2H + O) y su peso molecular será de dieciocho veces la del átomo de hidrógeno, dos que corresponden al hidrógeno y dieciséis al oxígeno.
Juan Jacobo Berzelius (1779-1848). Químico sueco. Empleando el método de volúmenes constantes de Gay-Lussac, fue el primero en publicar una lista de los pesos atómicos de los elementos conocidos, pero en ella hay errores, porque no tomó en cuenta los descubrimientos de Avogadro, que distinguen los átomos de las moléculas.
Descubrió el selenio en 1818, el silicio en 1824 y el torio en 1829. Berzelius fue el químico más notable de su tiempo.
Gustavo Roberto Kirchhoff (1824-1887). Físico alemán. En el capítulo de óptica vimos como Kirchhoff, empleando un espectroscopio (formado por una rendija, un prisma y un anteojo), al quemar un elemento en un mechero de Bunsen, observó que emitía líneas de colores cuya posición en el espectro era característica del elemento, equivalente a sus "huellas digitales". Así pudo observar que el Sol estaba formado por los mismos elementos que hay en la Tierra.
Trabajando con Bunsen descubrió el cesio en 1860 y, un año después, el rubidio.
Empleando esta tecnología, Reich y Richter en Alemania descubrieron el elemento indio (1863), y Crooks en Inglaterra descubrió el talio (1861).
Dimitrio Ivanovich Mendeleiev (1834-1907). Químico ruso. En 1869, cuando Mendeleiev publicó su famosa Tabla Periódica de los Elementos, se habían descubierto 63 de ellos, a los que se les había medido su peso atómico, empleando el método de Avogadro, o por medio de la electrólisis. También se conocían sus propiedades químicas, manifestadas por la llamada "valencia" (capacidad que posee cada átomo para combinarse con otros). El hidrógeno, el litio, el sodio y el potasio, tienen una valencia de uno y sus propiedades químicas son similares; tienen la propiedad de combinarse con sólo un átomo de otro elemento de valencia uno. Un átomo con valencia de dos se puede combinar simultáneamente con dos átomos de valencia uno o con un solo átomo de valencia dos.
Mendeleiev ordenó los elementos conocidos por pesos atómicos a lo largo de renglones, de manera que en la misma columna coincidieran los que tenían la misma valencia y propiedades químicas similares.
El primer renglón de la Tabla estaba ocupado por un solo elemento, el hidrógeno,
que es el más ligero, valencia uno, y peso atómico uno. El segundo renglón por
el litio (valencia uno), berilio (valencia dos), boro (valencia tres), carbón
(valencia cuatro), nitrógeno (valencia tres), oxígeno (valencia dos) y flúor
(valencia uno). Los cuatro primeros renglones de la Tabla de Mendeleiev, con
sus pesos atómicos fueron:
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H=1
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Li=7;
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Be=9;
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B = 11;
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C=12;
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N = 14;
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O=16;
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F=19
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Na=23;
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Mg=24;
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Al =27;
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Si=28;
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P=31;
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S=32;
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Cl=35.5
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K=39;
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Ca=40;
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(?);
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Ti=48;
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V=51;
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Cr=52;
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...
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Continuando la Tabla, Mendeleiev colocó a los 63 elementos conocidos. De inmediato se dio cuenta de que existían huecos que podían referirse a elementos aún no descubiertos. Él predijo la existencia de un elemento con peso atómico entre 40 y 48 que tendría propiedades químicas similares al boro y lo llamó eka-boro. También predijo la existencia de eka-silicio y del eka-aluminio. Estos elementos fueron descubiertos poco tiempo después y se les llamó respectivamente, escandio, germanio y galio.
Mendeleiev se convirtió en el químico más 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). Químico escocés. Le correspondió el honor de agregar una columna a la Tabla de Mendeleiev, la que corresponde a la valencia cero. A un cierto volumen de nitrógeno obtenido del aire, lo hizo reaccionar con magnesio y observó que quedaba una burbuja de gas sin reaccionar. Al estudiar este gas con el espectroscopio (1894), encontró que emitía líneas espectrales diferentes a las de los elementos conocidos. A este gas le llamó argón, que en griego quiere decir inerte.
Janssen y Lockyer apuntando su telescopio a la atmósfera solar (fuera del disco del Sol) y analizar la luz con un espectroscopio descubrieron líneas espectrales que no correspondían 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, encontró que el helio existe en la Tierra (1895) y que corresponde a la familia de los gases inertes (valencia cero).
Por medio de la destilación del aire líquido, Ramsay pudo producir 15 litros de gas argón, que licuó y destiló, obteniendo tres fracciones. Al analizarlas con el espectroscopio, correspondieron a tres nuevos gases inertes que llamó: neón, kriptón y xenón. El único gas inerte que no descubrió fue un gas radiactivo encontrado por Dorn en 1900: el radón.
Ramsay recibió el premio Nobel en 1904.
La Revolución francesa produjo grandes cambios económicos y sociales, que condujeron a la revolución industrial que tuvo lugar en la primera mitad del siglo XIX. El desarrollo notable de la ciencia, la electricidad, la óptica, el calor, la máquina de vapor, las comunicaciones y la química, crearon la necesidad de transformar las pequeñas máquinas que los relojeros (principalmente franceses) habían diseñado en grandes máquinas para construir motores de vapor. También se necesitó producir en mayor escala, hierro, acero, cobre y diversos metales y materiales descubiertos recientemente.
Inglaterra encabezó la revolución industrial.
Por muchos siglos había sido conocido el acero, siendo famoso el manufacturado por chinos, árabes y españoles. Su costo era muy elevado, por lo que su producción era limitada.
En 1850 Inglaterra era el mayor productor del mundo y su producción llegaba a sólo 60 000 toneladas de acero, mientras que su producción de hierro alcanzaba la cifra de dos y medio millones de toneladas.
Enrique Bessemer (1813-1898). Metalurgista inglés. El hierro que salía de los hornos (hierro fundido) contenía grandes cantidades de carbón. Era duro pero quebradizo. Para hacerlo maleable y poderlo forjar se necesitaba eliminar el carbón para transformarlo en casi hierro puro (hierro forjable). A este material se le podía dar cualquier forma pero se gastaba fácilmente. El acero, muy resistente al esfuerzo y al desgaste, tiene una cantidad de carbón intermedia entre el hierro fundido y el hierro forjado.
Bessemer diseñó (1856) un convertidor en el que se soplaba aire en una masa de hierro fundido para reducir su cantidad de carbón y transformarlo directamente en acero, reduciendo notablemente el costo de producción (Figura 33).
Figura 33. Convertidor de Bessemer para producir acero.
Para que su método funcionara se necesitaba que el hierro fundido no contuviera azufre ni fósforo como contaminantes, por lo que tuvo que emplearse mineral de hierro de Suecia. Aun así, con esta tecnología se redujo el precio del acero a la décima parte de su precio anterior.
El problema del fósforo como contaminante fue resuelto por el inglés Thomas, quien descubrió que agregando piedra caliza al mineral se combinaba con el fósforo y lo eliminaba del metal. El alemán Siemens (1861) y el francés Martin desarrollaron el proceso de hornos de corazón abierto, que permitió el empleo de minerales de carbón de baja calidad (como combustible).
En 1870, Lorena, región que tiene importantes depósitos de mineral con azufre, quedó unida a la cuenca carbonífera del Ruhr. Con el desarrollo de la nueva tecnología, esta región de Alemania se transformó en un emporio industrial que sobrepasó a la Gran Bretaña en la producción de acero.
El desarrollo de la tecnología para producir acero a bajo costo permitió el desarrollo en gran escala del ferrocarril.
En Rusia, Estados Unidos y en las colonias británicas, los ferrocarriles se desarrollaron rápidamente 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 caracterizó por un avance notable en los procesos metalúrgicos. La tabla siguiente nos muestra el aumento en la producción de algunos metales importantes.
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Producción mundial en toneladas
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1850
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1875
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1900
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| Cobre |
55 000
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130 000
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525 000
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| Plomo |
130 000
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320 000
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850 000
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| Cinc |
65 000
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165 000
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480 000
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| Estaño |
18 000
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36 000
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85 000
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| Níquel |
20
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500
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8 000
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| Aluminio |
0
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2.5
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7 300
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El desarrollo de la metalurgia implicó idear nuevos métodos de concentración de minerales y nuevos tipos de hornos para lograr su extracción.
El aumento notable en la producción del cobre se debió al desarrollo de la industria eléctrica.
El aluminio, aislado por el alemán Wohler en 1827 al hacer reaccionar el potasio con compuestos de aluminio, era una curiosidad y por lo tanto muy costosa. El francés Saint-Claire Deville sustituyó al potasio por el sodio, y así, en 1855, produjo un lingote de siete kilogramos. El precio del aluminio bajó de 30 000 francos el kilogramo a 300 francos en corto tiempo.
Desde hace miles de años el hombre comenzó a emplear y producir aleaciones de metales. Mezclando el oro con la plata y el cobre encontró aleaciones que brillaban como el oro puro, pero que eran más resistentes al desgaste.
El bronce, que definió una edad en la historia de la humanidad, es una aleación de cobre y estaño.
A principios de este siglo, el hombre disponía de diversos elementos que mezclar, y así desarrollo combinaciones de metales con propiedades muy importantes.
Aleando hierro con silicio produjo la lámina de acero al silicio, fundamental en el desarrollo de la industria eléctrica, pues con ella se construyen los motores, los generadores y los transformadores.
Aleando fierro con cromo y níquel se produjo una gran variedad de aceros inoxidable que resisten, como su nombre lo indica, la corrosión, o enormes esfuerzos de tensión.
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, permitió desarrollar la electrónica, o sea el mundo en que vivimos con los equipos de sonido, los radios, la televisión y las computadoras.
2. LA ELECTRÓNICA. SUS INICIOS
Hemos visto al tratar la electricidad cómo la teoría electromagnética de Maxwell (1870) predijo la existencia de ondas electromagnéticas. Hertz en Alemania demostró su existencia y efectuó transmisiones a corta distancia (1888). El ruso Popov (1897) inventó la antena y efectuó transmisiones a cinco kilómetros, y el italiano Marconi (1901) hizo la primera transmisión transatlántica.
Otra contribución notable fue la del alemán Julius Plucker, quien hizo pasar una corriente eléctrica entre dos puntas de alambre, colocadas dentro de un tubo al vacío. Observó que se producía una fluorescencia entre ambas y, lo más importante fue que en presencia de un campo magnético la fluorescencia cambiaba de posición, lo que de acuerdo con las leyes de Ampère significaba que se trataba de movimiento de cargas eléctricas en el vacío. A estas cargas que se mueven en el vacío se les dio el nombre de electrones.
José Juan Thomson (1856-1940). Físico inglés. En 1876 entró a la Universidad de Cambridge, como estudiante, y ahí permaneció toda su vida. Continuó la investigación del movimiento de cargas en el vacío, iniciada por Plucker y Croockes, que hacían suponer la existencia del electrón. Thomson realizó medidas cuantitativas respecto a la deflexión que las fuerzas de Ampñre debían producir sobre los electrones.
Suponiendo que estas partículas tuvieran carga eléctrica igual a la que se requiere para descomponer una molécula de agua (en un átomo de oxígeno y una molécula de hidrógeno) por medio de la electrólisis, encontró (1897) que la masa del electrón debía ser más pequeña que la milésima parte de la del átomo más pequeño que es el del hidrógeno.
Los atomistas consideraban que una vez que se llenara la Tabla Periódica de los elementos de Mendeleiev, ya no habría más partículas que descubrir, y ahora se encontraba una partícula mucho más pequeña, que daría origen a que los átomos a su vez estuvieran formados por otras partículas.
Thomson también demostró que los campos eléctricos desvían a los electrones de su trayectoria, cuando viajan del alambre con potencial negativo (cátodo) al de potencial positivo (ánodo).
Por este descubrimiento, Thomson recibió el premio Nobel en 1906, pero lo más sorprendente fue el equipo de investigadores que formó, ya que siete de sus asistentes recibieron posteriormente el premio Nobel.
En 1912 realizó otro descubrimiento sorprendente. Por métodos eléctricos le arrancó a los átomos del gas neón uno (le sus electrones, transformándolo en partícula positiva que pudo hacer que se moviera en el tubo al vacío, entre el ánodo y el cátodo, como había hecho con los electrones. Aplicándoles campos eléctricos y magnéticos, demostró que existían dos diferentes gases neón, con las mismas propiedades químicas pero diferente peso. Había descubierto los llamados isótopos de los elementos que tendrían papel importante en la nueva física nuclear que desarrollaría uno de sus estudiantes, el gran físico Rutherford.
Juan Fleming (1849-1945). Ingeniero inglés. Trabajó con Maxwell, fue consultor de Edison y colaboró con Marconi. Edison había observado que si colocaba un alambre cerca del filamento caliente de uno de sus focos luminosos, pasaba algo de corriente eléctrica.
Fleming estudió este fenómeno tomando en cuenta el descubrimiento del electrón por Thomson. En un bulbo o tubo al vacío colocó un filamento (cátodo) y enfrente una placa (ánodo). Al colocar el cátodo al extremo negativo de una batería y el ánodo al positivo, observó que los electrones (negativos) que estaban en "ebullición" en el filamento caliente, al ser atraídos por la placa positiva, pasaban a través del vacío, produciendo una corriente eléctrica 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 eléctrica.
Si el bulbo se conecta a un generador de voltaje alterno (que cambia constantemente de filamento negativo y placa positiva a lo opuesto y continúa cambiando sucesivamente), en este caso la corriente eléctrica circula sólo la mitad del tiempo, cuando el filamento es negativo y la placa positiva. En 1904, Fleming inventó este dispositivo que se llamó rectificador, y que transformaba una corriente eléctrica alterna en una corriente directa.
Lee De Forest (1873-1961). Inventor norteamericano. Entre el filamento y la placa de un rectificador de Fleming colocó una malla metálica que llamó reja y creó así el tríodo, que revolucionó la industria electrónica y cambió 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 débil, puede transformarse en una variación del flujo de electrones que lleve asociada mucho más energía, o sea que el triodo es un amplificador de la señal aplicada a la reja. Si la reja la hacemos negativa respecto al cátodo, rechazará a los electrones que salen del filamento caliente y no los dejará pasar. Al ir aumentando el voltaje de la reja irá aumentando la corriente de electrones. La evolución del triodo, a partir del foco de Edison y del rectificador de Fleming, se muestra en la figura 34.
Figura 34. Evolución 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 señal de poca energía, aplicada a la reja del triodo, permite el paso, como si fuera una llave, de una corriente variable de electrones similar a una señal aplicada, pero con mucha energía.
Un símil 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 tamaño del chorro de la manguera o del vertedor de la presa, que llevan asociados cambios muy grandes en la energía del chorro.
El triodo fue la base del desarrollo de la industria electrónica moderna. Gracias a él se desarrolló el radio, el cine sonoro, la televisión y las computadoras. Su reinado duró hasta que en 1948 el inglés Shockley inventó el transistor que realiza las mismas funciones que el triodo, pero que al no usar filamento es mucho más durable y se puede producir a un costo mucho menor.
Gracias a los triodos, la débil señal que se recibe en las antenas de los radios puede amplificarse y escucharse a través de una bocina, en vez de escucharse débilmente por medio de audífonos, como se hacía antiguamente.
Para aumentar su poder de control, a los bulbos se les aumentó el número de rejas, produciéndose los tetrodos y los pentodos.
Vladimir Zworykin (1889- ). Físico ruso, nacionalizado norteamericano. Desarrolló los tubos de rayos catódicos que Thomson empleó para encontrar los isótopos de neón, en tubos que pudieran producir imágenes de televisión. En 1928 patentó el tubo en que un haz de electrones barre, en una fracción de segundo y por medio de campos magnéticos, toda la pantalla fluorescente de un tubo o bulbo de televisión, produciendo una imagen luminosa.
En 1938 patentó la cámara de televisión, llamada iconoscopio, que permitió por primera vez la transmisión de señales claras de televisión. Así eliminó los discos rotatorios (inventados por el alemán 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 cámara fotográfica que, en vez de película tiene una pantalla que contiene muchas células fotoeléctricas microscópicas, sobre la que se forma la imagen de la cámara. Un rayo catódico que barre toda la pantalla descarga periódicamente las células y produce una señal proporcional a la luz recibida por cada una de ellas. Esta señal, amplificada, es la que transmite la estación de televisión.
Perfeccionó el microscopio electrónico, que había sido descubierto por científicos alemanes (Figura 35).
Figura 35. Microscopio electrónico del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México.
Desarrolló la televisión de colores.
3. LAS COMPUTADORAS. SUS INICIOS
El hombre empleó desde tiempo inmemorial los dedos de sus manos y pequeñas piedras para efectuar sus cálculos.
Los pueblos civilizados desarrollaron métodos para contar y llevar sus estadísticas. La civilización maya fue la primera que inventó el cero para facilitar los cálculos y poder representar grandes números. La numeración que usamos en la actualidad se deriva de la empleada por los árabes, quienes a su vez se inspiraron en los números desarrollados en la India.
El ábaco, empleado por los griegos y los chinos, fue la primera computadora mecánica.
Los astrolabios, inventados en Alejandría por Hiparco, fueron empleados por Tolomeo y por los árabes para realizar cálculos astronómicos.
Juan Neper (1450-1517). Matemático inglés. Inventó las tablas de logaritmos que permitieron realizar cálculos matemáticos con cierta rapidez y precisión. Dibujando escalas logarítmicas sobre reglas, construyó las primeras reglas de cálculo, que fueron las calculadoras portátiles de los científicos e ingenieros hasta la llegada de las calculadoras electrónicas.
Blas Pascal (1623-1662). Físico francés. A la edad de diecinueve años inventó la primera calculadora mecánica, que suma y resta en forma automática. Empleó en su construcción las series de engranes que él mismo ideó. 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 Métiers en París (Figura 36).
Figura 36. Calculadora mecánica de Pascal que suma y resta en forma automática. Se encuentra en el Conservatoire des Arts Métiers de París.
Pascal construyó su famosa máquina para ayudar a su padre en los numerosos cálculos que tenía que realizar para calcular una curva que descubrió y que tiene la forma de un caracol.
Este descubrimiento condujo al gran matemático Leibniz a construir otra más compleja.
Godofredo Guillermo Leibniz (1646-1716). Matemático alemán. Construyó una calculadora superior a la de Pascal, ya que además de sumar y restar, multiplicaba y dividía.
Al comparar su máquina con la de Pascal, Leibniz dice: "En primer lugar, debe entenderse que la máquina contiene dos partes, una destinada a la adición (resta), y otra a la multiplicación (división) y que las dos se encuentran unidas. La máquina de sumar (restar) coincide completamente con la caja de Pascal."
Refiriéndose a las aplicaciones de su computadora, Leibniz dice: "Tampoco los astrónomos tendrán que continuar ejercitando la paciencia que se requiere para realizar computaciones. Esta máquina los liberará de los cálculos necesarios para hacer o corregir tablas, al calcular las efemérides, y al discutir las observaciones con otras personas. Porque es indigno que hombres excelentes pierdan horas, como si fueran esclavos, en trabajos de cálculo que pueden ser ejecutados eficientemente por otras personas, si se emplean máquinas computadoras."
En 1673 construyó la tercera máquina para Pedro el Grande, quien la mandó al emperador de China para mostrarle los avances del arte y la industria de los europeos.
Una de sus máquinas existe y se encuentra en la Biblioteca del Estado de Hannover.
Una de las ramas de las matemáticas que desarrolló y que publicó en forma de libro De arte combinatorica (1666) tuvo un papel fundamental en la gestación de las computadoras modernas.
Su computadora se empleó ampliamente durante tres siglos, y sólo desde hace unas décadas está siendo sustituida por las computadoras electrónicas.
Avances de la computadora mecánica
José María Jacquard (1752-1834). Tejedor de seda francés e inventor. Producto de la Revolución francesa, dio el primer paso en la construcción de robots mecánicos al idear y construir un telar en el que, por medio de tarjetas perforadas, controlaba el diseño y los colores de un tejido. El método de tarjetas perforadas se emplea actualmente en la operación de las modernas computadoras.
Dio a conocer su invento en 1801 y para 1812 había 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 diseño, el operario debe saber qué hilos deben quedar arriba y cuáles abajo, antes de que se mueva la lanzadera. Por medio de una serie de tarjetas de cartón, perforadas adecuadamente, Jacquard permitía que pasaran o no unas agujas que subían los hilos en forma automática, según el deseo del "programador" del diseño. Cuando todos los cartones de la cadena habían pasado, el diseño se repetía (Figura 37).
Figura 37. Esquema del funcionamiento del telar de Jacquard en el que, para simplificar la figura, se muestran sólo 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 creación de las modernas computadoras.
Abraham Stern (1769-1842). Matemático polaco. Construyó una computadora que ejecutaba las cuatro operaciones aritméticas y además encontraba la raíz cuadrada de un número con resultado de seis cifras. Su máquina la describió en una conferencia de la Societas Scientiarum Varsovienesis en 1817 y fue publicado en los Anales de la Sociedad.
Léon Bollée (francés) en 1820 construyó una computadora que tenía un dispositivo para almacenar la tabla de multiplicar, con lo que se evitaba tener que realizar sumas sucesivas para ejecutar una multiplicación.
Carlos Babbage (1791-1871). Astrónomo y matemático inglés. Aun con las calculadoras de Leibniz, los científicos continuaban dedicando muchas horas al cálculo de tablas de efemérides y de logaritmos. Babbage ideó una calculadora que imprimiera directamente los resultados del cálculo de polinomios y a esta máquina se le llamó máquina de diferencias.
Babbage ideó una moderna computadora, la máquina analítica, en la que los datos y el programa se introducían por medio de tarjetas perforadas como las del telar de Jacquard.
Las máquinas que trató de construir Babbage no tuvieron éxito, porque antes de terminarlas se le ocurrían mejoras, por lo que suspendía su construcción e iniciaba la de una nueva máquina. Sus ideas sirvieron para que otras personas construyeran computadoras más poderosas.
Pedro Jorge Scheutz (1785-1873). Inventor sueco. Diseñó y construyó la primera máquina de diferencias que trabajó satisfactoriamente. En 1854 fue mostrada en Londres y posteriormente en la Gran Exhibición de París, donde fue comprada por el Observatorio de Dudley del Estado de Nueva York. Actualmente se encuentra en el Museo Smithsonian en Washington.
La máquina de Scheutz calculaba polinomios de cuarto grado, trabajando con catorce cifras y podía imprimir sus propias tablas.
Vannevar Bush (1890-1974). Ingeniero norteamericano. En 1931 construyó una de las últimas computadoras mecánicas, la llamada analizador diferencial en el Instituto Tecnológico de Massachusetts y se empleó para obtener la solución de un problema de radiación cósmica del mexicano Sandoval Vallarta y del belga Lemaitre.
La primera persona que construyó una computadora empleando los tubos electrónicos de De Forest fue un profesor de física del Colegio Estatal de Iowa, Juan Atanasoff.
Atanasoff se dio cuenta de que empleando bulbos electrónicos se podían realizar multiplicaciones en fracciones de segundo, mientras que con las calculadoras mecánicas se necesitaban varios segundos. Esto se debe a que el movimiento de engranes o relevadores electromecánicos, por la materia o masa que tienen, requieren de un tiempo grande para moverse, mientras que los electrones que se mueven en un bulbo electrónico lo hacen casi instantáneamente.
En 1941, Atanasoff y Clifford Berry construyeron una computadora electrónica que empleaba 300 bulbos electrónicos.
La primera gran computadora fue la ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) que entró en operación en 1945. Contenía 18 000 bulbos, 70 000 resistencias, 10 000 condensadores y 6 000 interruptores. Medía treinta metros de frente por tres metros de altura. Actualmente se encuentra en el Museo Smithsonian. Las computadoras electrónicas emplean el sistema numérico de base dos, o sea que al calcular, en vez de diez dígitos (del 0 al 9), emplean dos, el cero y el uno. La tabla de equivalencias de los primeros números es:
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0
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0
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1
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1
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2
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10
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3
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11
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4
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100
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5
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101
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6
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110
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7
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8
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1 000
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9
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1001
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10
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1 010
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11
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1 011
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La necesidad de emplear el sistema numérico binario se debe a que en los circuitos electrónicos empleados los bulbos electrónicos, o conducen (uno), o no conducen (cero) y en los relevadores empleados como memoria, o estaban cerrados (uno), o estaban abiertos (cero).
Esta máquina, que tenía muchos defectos, era quinientas veces más rápida que las máquinas electromecánicas existentes. Fue creada por un equipo de científicos y técnicos bajo la dirección de John Ecker y John Mauchly.
La computadora ENIAC podía realizar en un segundo 5 000 sumas o 500 multiplicaciones y generaba tablas de senos y consenos.
Juan von Neumann (1903-1957). Matemático y físico húngaro, nacionalizado norteamericano. Diseño 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 trabajó satisfactoriamente. Las computadoras construidas posteriormente han seguido el diseño de esta computadora, consistente en un procesador central único, ligado a un banco de memoria por canales de comunicación, que a su vez controlan que las operaciones a realizar se efectúen una por una, en serie.
La computadora Von Neumann, por ser de bulbos, correspondió a lo que hoy se llama la primera generación.
Desarrollo de las computadoras
Las computadoras electromecánicas casi no tenían memoria y los datos se introducían con tarjetas perforadas. Podían hacer una o dos operaciones aritméticas en un segundo.
Computadoras electrónicas de primera generación. Usaban tubos electrónicos. La entrada y salida de datos se realizaba por medio de tarjetas perforadas. Los datos se almacenaban en tambores magnéticos. Podía realizar mil operaciones en un segundo. Se desarrollaron de 1946 a 1960.
Computadoras electrónicas de segunda generación. Con el descubrimiento del transistor, se diseñaron las computadoras de segunda generación, que tenían la gran ventaja de ser mucho más pequeñas. Por no usar filamentos requerían menor número de reparaciones y su consumo de energía era mucho menor. Podían realizar un millón de operaciones en un segundo. Empleaban núcleos de ferrita en la memoria principal. La memoria secundaria era de cinta magnética. Los datos entraban a la máquina por medio de tarjetas perforadas o por medio de cintas magnéticas. La salida era por medio de impresoras de líneas.
Estas computadoras se desarrollaron de 1960 a 1964.
Computadoras electrónicas de tercera y cuarta generación. Pronto se produjeron circuitos integrados, con varios transistores en una sola pastilla, lo que dio origen a la tercera generación de computadoras mucho más pequeñas y confiables.
Emplearon en la memoria secundaria discos magnéticos y una computadora tenía varias terminales o sea que varias personas podían estar usando la computadora al mismo tiempo y a todos les proporcionaba resultados (tiempo compartido). Estas máquinas realizaban mil millones de operaciones en un segundo y podían trabajar con diversos idiomas de computadora (Fortran, Cobol, Basic, etc).
En la actualidad, aún siguiendo los lineamientos de Von Neumann, vivimos la
etapa de las computadoras de cuarta generación, en las que una pastilla (chip),
Posee muchos circuitos, cada uno de los cuales contiene un número enorme
de transistores y otras componentes electrónicas. Calculadoras y una computadora
muy pequeña construida con estas pastillas se muestran en la figura 38.
Figura 38. Pequeña computadora y modernas calculadoras.
Una computadora actual del tamaño llamado libro book computer es mucho más poderosa que la gran computadora ENIAC o la que diseño Von Neumann.
Una computadora moderna puede realizar un millón 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 mecánicas en las que las tareas que van a realizar se programan y se ejecutan por medio de una computadora (Figura 39).
Figura 39. Fresadora mecánica controlada por medio de una computadora perteneciente al Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México.
No existe una línea clara que divida en el tiempo a la tercera generación, que se inició en 1964, y la cuarta generación en la que vivimos.
Computadoras de la quinta generación. Actualmente están en desarrollo las computadoras de la quinta generación, que serán las primeras en diferir del modelo Von Neumann y que realizarán los cálculos 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 dispondrán en pequeños discos, se dice que estas computadoras del futuro dispondrán de inteligencia artificial.
