XX. NACE LA ELECTRÓNICA. TUBOS AL VACÍO

UNA vez que quedó claro que era posible utilizar las ondas electromagnéticas para transmitir señales telegráficas se intentó usarlas para transmitir la voz, es decir, se intentó usar la telefonía inalámbrica.

En los primeros años del presente siglo se hicieron diferentes intentos para lograrla. Como hacia el fin de siglo XIX ya se había inventado el micrófono, que transforma una señal acústica en una eléctrica, la forma más directa de proceder fue conectar la señal producida por el micrófono a un alambre, que sirve como antena para emitir ondas electromagnéticas. La señal que alimentaba a la antena producía en el metal una corriente eléctrica variable, que es la que produce las ondas electromagnéticas que emite la antena.

Por otro lado, ya se había inventado el audífono, aparato que transforma una señal eléctrica en una acústica. Lo que se hizo fue construir un receptor con un alambre que sirviera como antena, o sea el receptor de las ondas electromagnéticas emitidas por el transmisor. Las ondas electromagnéticas que inciden sobre el alambre inducen en él una corriente eléctrica que tiene las mismas características de frecuencias que las ondas incidentes. Esta corriente se introduce en un audífono que la transforma en una onda acústica.

Este tipo de sistema era poco eficiente; las voces se distorsionaban mucho y además, resultó que la energía con que se emitía la onda era muy pequeña. Además, el hecho de que la fracción de energía que llegaba al receptor era muy pequeña, hacía muy difícil lograr el funcionamiento de este tipo de aparatos para distancias grandes.

Hubo diferentes intentos para resolver este tipo de problemas. La solución más satisfactoria fue lograda una vez que se inventó el tubo al vacío. Este dispositivo fue la culminación de un serie de descubrimientos y experimentos que empezaron a hacerse sin que se pensara en su posible utilización práctica en las comunicaciones inalámbricas. Esto no es nuevo, pues hay muchos ejemplos en la historia del desarrollo de la civilización moderna en que los avances en un campo del conocimiento resultan ser útiles para otro campo aparentemente independiente. Relataremos en seguida el desarrollo del tubo al vacío.

Desde el siglo XVIII algunos investigadores habían descubierto que si se calienta una superficie metálica, ésta emite cargas eléctricas. Mientras mayor sea la temperatura que alcance la superficie, mayor será la cantidad de carga eléctrica que emita. Sin embargo, fue Thomas A. Edison quien volvió a "desenterrar" este efecto en 1883, cuando trataba de mejorar su lámpara incandescente. Este efecto, que se llamó "efecto Edison", también recibe el nombre de termiónico. Fue el mismo Edison quien inventó un dispositivo en el cual la carga eléctrica emitida por la superficie metálica caliente (llamada cátodo) es recogida por otra superficie fría (llamada ánodo), lográndose de esta forma una corriente eléctrica. En la figura 35(a) se muestra cómo Edison construyó su dispositivo, mientras que en la figura 35(b) aparecen los circuitos con que se obtiene la corriente entre el cátodo y el ánodo. En primer lugar, un circuito alimentado por la batería A hace pasar corriente por la resistencia R, y hace que ésta se caliente. Si se coloca la resistencia muy cerca del cátodo, entonces éste se calienta, aumenta su temperatura y emite carga eléctrica. Tanto el ánodo como el cátodo se conectan a otra batería, la B, formando un circuito que es independiente del que alimenta la resistencia que calienta el cátodo. Sin embargo, este segundo circuito está abierto y por tanto antes de calentar el cátodo, no circula por él ninguna corriente eléctrica. Al calentar el cátodo se desprende carga eléctrica y como el ánodo está a un voltaje diferente atrae a la carga y ésta se mueve a través del espacio entre el cátodo y el ánodo, es decir, se genera una corriente eléctrica que al llegar al ánodo circula hasta la batería. De esta manera se logra que en el segundo circuito circule una corriente. Edison encerró los dos electrodos, el ánodo y el cátodo, dentro de un tubo de vidrio al vacío que también utilizaba para elaborar sus lámparas de iluminación.

Figura 35. (a) Dispositivo ideado por Edison. Posteriormente recibió el nombre de diodo. (b) Circuito para lograr una corriente eléctrica con el dispositivo de Edison.

En el mismo año de 1883 Edison solicitó una patente de este dispositivo, aunque no conocía los principios físicos del fenómeno. Ésta fue una característica de Edison, pues aun cuando inventó y patentó un buen número de dispositivos, en muchos de ellos no entendió las bases físicas de su funcionamiento. Así llegó a 1 033 patentes en su vida. De hecho, a pesar de haber patentado el dispositivo, Edison no tuvo una idea clara de cómo darle una aplicación práctica, ni le encontró ningún potencial comercial, así que lo abandonó.

Por otro lado, en el año de 1897 el físico inglés J. J. Thomson (1856-1940) descubrió la existencia de una partícula eléctricamente cargada, el electrón. Thomson demostró experimentalmente que el electrón tenía carga eléctrica negativa y una masa que era 1 836 veces menor que la del átomo de hidrógeno. Asimismo demostró que la mínima carga que se podría lograr en la naturaleza, ya fuera positiva o negativa, era de la misma magnitud que la del electrón. Esto significa que cualquier carga eléctrica, del signo que sea, está formada por unidades discretas de carga. En el año de 1906 Thomson recibió el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

En 1899 J.J. Thomson estableció que las cargas que se liberaban al calentar la superficie metálica eran electrones, es decir, partículas con carga negativa.

Al describir el funcionamiento del tubo al vacío de la figura 35 se vio que en el segundo circuito había una corriente eléctrica si la terminal positiva de la batería se conecta al ánodo. Al invertir la conexión, es decir, si la terminal negativa se conecta al ánodo, entonces, dado que las cargas que desprende el cátodo son negativas, serán repelidas por el ánodo y por tanto no se establecerá una corriente eléctrica en el segundo circuito.

En 1903 el físico británico John Ambrose Fleming (1849-1945) fue el primero en encontrar una aplicación práctica del efecto Edison. Fleming era asesor de la compañía telegráfica que había formado Marconi en Inglaterra, y le habían encomendado la tarea de encontrar un mejor detector de ondas electromagnéticas. Recuérdese que Marconi utilizó como detector de ondas un cohesor, que no era muy eficaz, ya que las limaduras se magnetizaban y quedaban unidas después de que desaparecía la señal electromagnética. Además, a partir de 1900, en algunos diseños de receptores, se usaban cristales de galena o de pirita de hierro como detectores que por cierto fueron las primeras componentes de estado sólido empleadas en electrónica. Sin embargo, estos detectores no fueron muy eficientes, de allí la necesidad de encontrar algo mejor. Fleming recordó su trabajo anterior sobre el efecto Edison, que había hecho como consultor en la filial inglesa de la compañía de Edison y escribió: "Para mi deleite yo [...] encontré que teníamos una solución en este tipo peculiar de lámpara eléctrica..."

Fleming concluyó de sus observaciones experimentales que si el ánodo se conecta a la terminal positiva de la batería, entonces la carga, y por tanto la corriente, se mueve del cátodo al ánodo. Esto es claro ya que los electrones, que son negativos, al desprenderse del cátodo son atraídos por la carga eléctrica positiva depositada en el ánodo. Asimismo, si conectaba el ánodo a la terminal negativa de la batería, no circulaba ninguna corriente.

Fleming usó el tubo al vacío de Edison de la siguiente forma: conectó una fuente de corriente alterna a los extremos del tubo intercalando una resistencia eléctrica. En el circuito de la figura 35(b) reemplazó la batería B por la fuente de corriente alterna. Como se recordará, esta corriente va cambiando de sentido; en la primera parte de su ciclo es corriente que circula en un sentido, mientras que en la otra mitad del ciclo tiene el sentido opuesto. Esto se representa gráficamente en la parte superior de la figura 36. Este hecho significa que el voltaje que adquiere el ánodo tiene un signo en una mitad del ciclo y adquiere el signo contrario en la segunda mitad. Por tanto, en la parte del ciclo en que el ánodo tiene voltaje positivo sí habrá corriente, mientras que en la otra, cuando adquiere voltaje negativo, no habrá corriente. Por tanto, la corriente en el circuito circula en un sólo sentido, pero únicamente cada medio ciclo, como se muestra en la gráfica inferior de la figura 36. Este efecto se llama la rectificación de una corriente alterna. Así, este dispositivo solamente permite el paso de corriente eléctrica en un solo sentido, y puede funcionar como un detector de ondas electromagnéticas. Fleming patentó este dispositivo, al que posteriormente se le dio nombre de diodo.

Figura 36. Si por un diodo pasa una corriente como la que se muestra en la parte superior, sale una corriente como la que aparece en la parte inferior. Esta acción se llama rectificación.

El avance más importante en el desarrollo de la electrónica fue dado por el físico estadounidense Lee de Forest (1873-1961), en 1906, al introducir en el tubo al vacío un tercer electrodo reticulado, llamado rejilla, que permite el paso de electrones. Esta rejilla se coloca entre el cátodo y el ánodo, como se ve en la figura 37(a). Originalmente De Forest llamó a su dispositivo audión, aunque más tarde se le llamó triodo. Por supuesto, como ha ocurrido muchas veces, De Forest tuvo que trabajar con diferentes dispositivos que no funcionaban adecuadamente antes de conseguir el triodo.

El triodo funciona en un circuito como el que se muestra en la figura 37(b). El ánodo se conecta a una batería a través de una resistencia, que constituye la carga (no se muestra el circuito que calienta el cátodo). La intención del triodo es alimentar la carga con la señal externa que se le inyecta a través de la rejilla. Supongamos que en cierto instante la señal que recibe la rejilla sea de voltaje positivo (con respecto al cátodo). Los electrones que desprende el cátodo serán atraídos por la rejilla, como ocurre en el diodo; al llegar a ella poseen cierta velocidad y como la rejilla tiene aperturas que permiten el paso de las partículas, éstas la cruzan y siguen su curso hasta el ánodo, ya que éste también está a un voltaje positivo. Ahora bien, mientras mayor sea el voltaje de la batería, mayor será la atracción que ejerza el ánodo sobre los electrones, y por tanto se moverán a mayor velocidad; esto ocasiona que la corriente que llega al ánodo sea mayor. El valor de esta corriente depende, por tanto, de dos factores: del valor del voltaje de la señal en la rejilla y del voltaje de la batería del ánodo. Ahora bien, si el valor del voltaje de la rejilla cambia, entonces la corriente en el ánodo también cambiará. Por otro lado, aumentando el valor del voltaje de la batería se puede lograr, dentro de ciertos límites, que se incremente la corriente en el ánodo. En consecuencia, el voltaje a través de la carga, que depende de la corriente que circula por el circuito del ánodo, será mayor que el voltaje que hay en la rejilla. Así, el triodo logra incorporar la señal y amplificar su intensidad. Además, la rejilla controla la corriente que circula a través del ánodo, sirviendo de elemento de control. Esta teoría fue desarrollada por De Forest.

Figura 37. (a) Forma del triodo. (b) Esquema de un circuito amplificador.

A partir de 1907, después de haber patentado el triodo, y hasta 1912, De Forest trabajó en el diseño de un sistema de radio, que resultó muy burdo, el cual trató de vender a los aficionados de la radio y a las fuerzas armadas. También formó una compañía para poder competir con la ATT en comunicaciones de larga distancia. Su aparato de radio podía transmitir y recibir voces, pero no pudo conseguir que sus triodos amplificaran en forma confiable; no llegó a entender el motivo por el cual sus triodos persistían en trabajar erráticamente.

Al tratar de vender acciones de su empresa, De Forest fue procesado por fraude. Decía el fiscal que su activo principal parecía ser "un extraño dispositivo parecido a una lámpara incandescente que él llamó audión, dispositivo que ha resultado ser inútil".

Hacia 1912 De Forest había alcanzado cierto control en el comportamiento del triodo. Para esto redujo la amplificación, o sea redujo el voltaje de la batería del ánodo como aparece en la figura 37(b). Esta reducción la compensó conectando varios triodos, de tal forma que la salida de uno alimentara el siguiente, multiplicando así el efecto y logrando una amplificación neta.

Al ver que sí se podía construir un amplificador, De Forest se entusiasmó y propuso su venta a la ATT. Esta empresa, en su intento por mejorar las señales telefónicas de larga distancia, había establecido sin gran éxito un laboratorio especial para el desarrollo de un amplificador electrónico. Cuando De Forest hizo la demostración de su amplificador a la ATT en octubre de 1912, los físicos de la empresa, Harold D. Arnold, Frank Jewett y Edwin Colpitts inmediatamente se percataron de que ese sistema era lo que buscaban. La ATT le compró los derechos.

Dirigido por Arnold, la ATT inició un proyecto de investigación para entender y dominar los principios físicos del funcionamiento del triodo y así poder construirlo eficazmente. Para este fin Arnold consideró primero el fenómeno general de conducción de electricidad a través de gases y en el vacío. Partió de la suposición, no aceptada de manera general en esa época, de que una corriente eléctrica podía fluir en el vacío; posteriormente la verificó con experimentos. En el transcurso de dos años Arnold y un grupo de 25 investigadores y asistentes de la ATT transformaron el débil y no muy confiable audión, en un amplificador muy potente y seguro. Para lograrlo crearon el máximo vacío posible dentro del tubo. Encontraron que si dentro del tubo de vidrio no había vacío, los electrones del cátodo que son atraídos hacia el ánodo chocan con las moléculas del gas interior y en consecuencia no llegan al ánodo, disminuyendo así el valor de la corriente, y por ende la amplificación del tubo. Si hay vacío, los electrones no chocan con ninguna molécula, pues no las hay, y llegan al ánodo. De Forest no había entendido estos hechos, por lo que su dispositivo funcionaba erráticamente. Los investigadores de la ATT introdujeron dispositivos para recoger los últimos residuos de los gases que se evaporaban del filamento caliente, para evitar que perturbaran el vacío dentro del tubo.

El triodo así mejorado hizo posible que el servicio telefónico abarcara de costa a costa a Estados Unidos, y todavía más. Además de amplificar, los tubos hicieron que la generación de ondas fuese de frecuencia precisa y controlable, lo que evitó que se mezclaran ondas de diferentes transmisores.

A pesar de que la ATT trató de mantener en secreto los resultados de sus investigaciones, otras compañías hicieron progresos significativos y la electrónica con tubos al vacío se desarrolló de manera impresionante de 1912 a 1932.

En muy pocos años se lograron construir triodos capaces de detectar y amplificar señales muy débiles.

Entre 1910 y 1915 se inventaron circuitos muy ingeniosos que transforman el voltaje constante suministrado por una batería, en una corriente alterna con frecuencias muy altas, mucho mayores que las logradas con máquinas eléctricas rotatorias. Estos dispositivos se llaman osciladores. Con ellos se incorporó de forma muy satisfactoria una señal a una onda electromagnética. Este logro dio lugar al nacimiento de la radio, que se describirá en el siguiente capítulo.

Durante la primera Guerra Mundial se usó mucho la radio y se construyeron tubos al vacío en grandes cantidades. La técnica se mejoró cada vez más e hizo posible construir tubos de gran potencia, que se utilizaron en 1915, en la radiotelefonía trasatlántica, para comunicar a Francia y Estados Unidos.

Para finalizar el presente capítulo mencionaremos que a principios de la década de 1930 se construyeron tubos al vacío con más elementos entre el cátodo y el ánodo; éstos fueron el tetrodo, el pentodo, etc. Con estos tubos se amplió la gama de posibilidades de diseño de circuitos para diferentes aplicaciones.