XX. NACE LA ELECTR�NICA. TUBOS AL VAC�O
UNA vez que qued� claro que era posible utilizar las ondas electromagn�ticas para transmitir se�ales telegr�ficas se intent� usarlas para transmitir la voz, es decir, se intent� usar la telefon�a inal�mbrica.
En los primeros a�os del presente siglo se hicieron diferentes intentos para lograrla. Como hacia el fin de siglo XIX ya se hab�a inventado el micr�fono, que transforma una se�al ac�stica en una el�ctrica, la forma m�s directa de proceder fue conectar la se�al producida por el micr�fono a un alambre, que sirve como antena para emitir ondas electromagn�ticas. La se�al que alimentaba a la antena produc�a en el metal una corriente el�ctrica variable, que es la que produce las ondas electromagn�ticas que emite la antena.
Por otro lado, ya se hab�a inventado el aud�fono, aparato que transforma una se�al el�ctrica en una ac�stica. Lo que se hizo fue construir un receptor con un alambre que sirviera como antena, o sea el receptor de las ondas electromagn�ticas emitidas por el transmisor. Las ondas electromagn�ticas que inciden sobre el alambre inducen en �l una corriente el�ctrica que tiene las mismas caracter�sticas de frecuencias que las ondas incidentes. Esta corriente se introduce en un aud�fono que la transforma en una onda ac�stica.
Este tipo de sistema era poco eficiente; las voces se distorsionaban mucho y adem�s, result� que la energ�a con que se emit�a la onda era muy peque�a. Adem�s, el hecho de que la fracci�n de energ�a que llegaba al receptor era muy peque�a, hac�a muy dif�cil lograr el funcionamiento de este tipo de aparatos para distancias grandes.
Hubo diferentes intentos para resolver este tipo de problemas. La soluci�n m�s satisfactoria fue lograda una vez que se invent� el tubo al vac�o. Este dispositivo fue la culminaci�n de un serie de descubrimientos y experimentos que empezaron a hacerse sin que se pensara en su posible utilizaci�n pr�ctica en las comunicaciones inal�mbricas. Esto no es nuevo, pues hay muchos ejemplos en la historia del desarrollo de la civilizaci�n moderna en que los avances en un campo del conocimiento resultan ser �tiles para otro campo aparentemente independiente. Relataremos en seguida el desarrollo del tubo al vac�o.
Desde el siglo XVIII algunos investigadores hab�an descubierto
que si se calienta una superficie met�lica, �sta emite cargas el�ctricas. Mientras
mayor sea la temperatura que alcance la superficie, mayor ser� la cantidad de
carga el�ctrica que emita. Sin embargo, fue Thomas A. Edison quien volvi� a
"desenterrar" este efecto en 1883, cuando trataba de mejorar su l�mpara incandescente.
Este efecto, que se llam� "efecto Edison", tambi�n recibe el nombre de termi�nico.
Fue el mismo Edison quien invent� un dispositivo en el cual la carga el�ctrica
emitida por la superficie met�lica caliente (llamada c�todo) es recogida por
otra superficie fr�a (llamada �nodo), logr�ndose de esta forma una corriente
el�ctrica. En la figura 35(a) se muestra c�mo Edison construy� su dispositivo,
mientras que en la figura 35(b) aparecen los circuitos con que se obtiene la
corriente entre el c�todo y el �nodo. En primer lugar, un circuito alimentado
por la bater�a A hace pasar corriente por la resistencia R, y
hace que �sta se caliente. Si se coloca la resistencia muy cerca del c�todo,
entonces �ste se calienta, aumenta su temperatura y emite carga el�ctrica. Tanto
el �nodo como el c�todo se conectan a otra bater�a, la B, formando un
circuito que es independiente del que alimenta la resistencia que calienta el
c�todo. Sin embargo, este segundo circuito est� abierto y por tanto antes de
calentar el c�todo, no circula por �l ninguna corriente el�ctrica. Al calentar
el c�todo se desprende carga el�ctrica y como el �nodo est� a un voltaje diferente
atrae a la carga y �sta se mueve a trav�s del espacio entre el c�todo y el �nodo,
es decir, se genera una corriente el�ctrica que al llegar al �nodo circula hasta
la bater�a. De esta manera se logra que en el segundo circuito circule una corriente.
Edison encerr� los dos electrodos, el �nodo y el c�todo, dentro de un tubo de
vidrio al vac�o que tambi�n utilizaba para elaborar sus l�mparas de iluminaci�n.
Figura 35. (a) Dispositivo ideado por Edison. Posteriormente recibi� el nombre de diodo. (b) Circuito para lograr una corriente el�ctrica con el dispositivo de Edison.
En el mismo a�o de 1883 Edison solicit� una patente de este dispositivo, aunque no conoc�a los principios f�sicos del fen�meno. Ésta fue una caracter�stica de Edison, pues aun cuando invent� y patent� un buen n�mero de dispositivos, en muchos de ellos no entendi� las bases f�sicas de su funcionamiento. As� lleg� a 1 033 patentes en su vida. De hecho, a pesar de haber patentado el dispositivo, Edison no tuvo una idea clara de c�mo darle una aplicaci�n pr�ctica, ni le encontr� ning�n potencial comercial, as� que lo abandon�.
Por otro lado, en el a�o de 1897 el f�sico ingl�s J. J. Thomson (1856-1940) descubri� la existencia de una part�cula el�ctricamente cargada, el electr�n. Thomson demostr� experimentalmente que el electr�n ten�a carga el�ctrica negativa y una masa que era 1 836 veces menor que la del �tomo de hidr�geno. Asimismo demostr� que la m�nima carga que se podr�a lograr en la naturaleza, ya fuera positiva o negativa, era de la misma magnitud que la del electr�n. Esto significa que cualquier carga el�ctrica, del signo que sea, est� formada por unidades discretas de carga. En el a�o de 1906 Thomson recibi� el Premio Nobel de F�sica por su descubrimiento.
En 1899 J.J. Thomson estableci� que las cargas que se liberaban al calentar la superficie met�lica eran electrones, es decir, part�culas con carga negativa.
Al describir el funcionamiento del tubo al vac�o de la figura 35 se vio que en el segundo circuito hab�a una corriente el�ctrica si la terminal positiva de la bater�a se conecta al �nodo. Al invertir la conexi�n, es decir, si la terminal negativa se conecta al �nodo, entonces, dado que las cargas que desprende el c�todo son negativas, ser�n repelidas por el �nodo y por tanto no se establecer� una corriente el�ctrica en el segundo circuito.
En 1903 el f�sico brit�nico John Ambrose Fleming (1849-1945) fue el primero en encontrar una aplicaci�n pr�ctica del efecto Edison. Fleming era asesor de la compa��a telegr�fica que hab�a formado Marconi en Inglaterra, y le hab�an encomendado la tarea de encontrar un mejor detector de ondas electromagn�ticas. Recu�rdese que Marconi utiliz� como detector de ondas un cohesor, que no era muy eficaz, ya que las limaduras se magnetizaban y quedaban unidas despu�s de que desaparec�a la se�al electromagn�tica. Adem�s, a partir de 1900, en algunos dise�os de receptores, se usaban cristales de galena o de pirita de hierro como detectores que por cierto fueron las primeras componentes de estado s�lido empleadas en electr�nica. Sin embargo, estos detectores no fueron muy eficientes, de all� la necesidad de encontrar algo mejor. Fleming record� su trabajo anterior sobre el efecto Edison, que hab�a hecho como consultor en la filial inglesa de la compa��a de Edison y escribi�: "Para mi deleite yo [...] encontr� que ten�amos una soluci�n en este tipo peculiar de l�mpara el�ctrica..."
Fleming concluy� de sus observaciones experimentales que si el �nodo se conecta a la terminal positiva de la bater�a, entonces la carga, y por tanto la corriente, se mueve del c�todo al �nodo. Esto es claro ya que los electrones, que son negativos, al desprenderse del c�todo son atra�dos por la carga el�ctrica positiva depositada en el �nodo. Asimismo, si conectaba el �nodo a la terminal negativa de la bater�a, no circulaba ninguna corriente.
Fleming us� el tubo al vac�o de Edison de la siguiente forma: conect� una fuente de corriente alterna a los extremos del tubo intercalando una resistencia el�ctrica. En el circuito de la figura 35(b) reemplaz� la bater�a B por la fuente de corriente alterna. Como se recordar�, 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 gr�ficamente en la parte superior de la figura 36. Este hecho significa que el voltaje que adquiere el �nodo 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 �nodo tiene voltaje positivo s� habr� corriente, mientras que en la otra, cuando adquiere voltaje negativo, no habr� corriente. Por tanto, la corriente en el circuito circula en un s�lo sentido, pero �nicamente cada medio ciclo, como se muestra en la gr�fica inferior de la figura 36. Este efecto se llama la rectificaci�n de una corriente alterna. As�, este dispositivo solamente permite el paso de corriente el�ctrica en un solo sentido, y puede funcionar como un detector de ondas electromagn�ticas. Fleming patent� 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 acci�n se llama rectificaci�n.
El avance m�s importante en el desarrollo de la electr�nica fue dado por el f�sico estadounidense Lee de Forest (1873-1961), en 1906, al introducir en el tubo al vac�o un tercer electrodo reticulado, llamado rejilla, que permite el paso de electrones. Esta rejilla se coloca entre el c�todo y el �nodo, como se ve en la figura 37(a). Originalmente De Forest llam� a su dispositivo audi�n, aunque m�s tarde se le llam� 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 �nodo se conecta a una bater�a a trav�s de una resistencia, que constituye la carga (no se muestra el circuito que calienta el c�todo). La intenci�n del triodo es alimentar la carga con la se�al externa que se le inyecta a trav�s de la rejilla. Supongamos que en cierto instante la se�al que recibe la rejilla sea de voltaje positivo (con respecto al c�todo). Los electrones que desprende el c�todo ser�n atra�dos 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 part�culas, �stas la cruzan y siguen su curso hasta el �nodo, ya que �ste tambi�n est� a un voltaje positivo. Ahora bien, mientras mayor sea el voltaje de la bater�a, mayor ser� la atracci�n que ejerza el �nodo sobre los electrones, y por tanto se mover�n a mayor velocidad; esto ocasiona que la corriente que llega al �nodo sea mayor. El valor de esta corriente depende, por tanto, de dos factores: del valor del voltaje de la se�al en la rejilla y del voltaje de la bater�a del �nodo. Ahora bien, si el valor del voltaje de la rejilla cambia, entonces la corriente en el �nodo tambi�n cambiar�. Por otro lado, aumentando el valor del voltaje de la bater�a se puede lograr, dentro de ciertos l�mites, que se incremente la corriente en el �nodo. En consecuencia, el voltaje a trav�s de la carga, que depende de la corriente que circula por el circuito del �nodo, ser� mayor que el voltaje que hay en la rejilla. As�, el triodo logra incorporar la se�al y amplificar su intensidad. Adem�s, la rejilla controla la corriente que circula a trav�s del �nodo, sirviendo de elemento de control. Esta teor�a fue desarrollada por De Forest.
Figura 37. (a) Forma del triodo. (b) Esquema de un circuito amplificador.
A partir de 1907, despu�s de haber patentado el triodo, y hasta 1912, De Forest trabaj� en el dise�o de un sistema de radio, que result� muy burdo, el cual trat� de vender a los aficionados de la radio y a las fuerzas armadas. Tambi�n form� una compa��a para poder competir con la ATT en comunicaciones de larga distancia. Su aparato de radio pod�a transmitir y recibir voces, pero no pudo conseguir que sus triodos amplificaran en forma confiable; no lleg� a entender el motivo por el cual sus triodos persist�an en trabajar err�ticamente.
Al tratar de vender acciones de su empresa, De Forest fue procesado por fraude. Dec�a el fiscal que su activo principal parec�a ser "un extra�o dispositivo parecido a una l�mpara incandescente que �l llam� audi�n, dispositivo que ha resultado ser in�til".
Hacia 1912 De Forest hab�a alcanzado cierto control en el comportamiento del triodo. Para esto redujo la amplificaci�n, o sea redujo el voltaje de la bater�a del �nodo como aparece en la figura 37(b). Esta reducci�n la compens� conectando varios triodos, de tal forma que la salida de uno alimentara el siguiente, multiplicando as� el efecto y logrando una amplificaci�n neta.
Al ver que s� se pod�a construir un amplificador, De Forest se entusiasm� y propuso su venta a la ATT. Esta empresa, en su intento por mejorar las se�ales telef�nicas de larga distancia, hab�a establecido sin gran �xito un laboratorio especial para el desarrollo de un amplificador electr�nico. Cuando De Forest hizo la demostraci�n de su amplificador a la ATT en octubre de 1912, los f�sicos 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 compr� los derechos.
Dirigido por Arnold, la ATT inici� un proyecto de investigaci�n para entender y dominar los principios f�sicos del funcionamiento del triodo y as� poder construirlo eficazmente. Para este fin Arnold consider� primero el fen�meno general de conducci�n de electricidad a trav�s de gases y en el vac�o. Parti� de la suposici�n, no aceptada de manera general en esa �poca, de que una corriente el�ctrica pod�a fluir en el vac�o; posteriormente la verific� con experimentos. En el transcurso de dos a�os Arnold y un grupo de 25 investigadores y asistentes de la ATT transformaron el d�bil y no muy confiable audi�n, en un amplificador muy potente y seguro. Para lograrlo crearon el m�ximo vac�o posible dentro del tubo. Encontraron que si dentro del tubo de vidrio no hab�a vac�o, los electrones del c�todo que son atra�dos hacia el �nodo chocan con las mol�culas del gas interior y en consecuencia no llegan al �nodo, disminuyendo as� el valor de la corriente, y por ende la amplificaci�n del tubo. Si hay vac�o, los electrones no chocan con ninguna mol�cula, pues no las hay, y llegan al �nodo. De Forest no hab�a entendido estos hechos, por lo que su dispositivo funcionaba err�ticamente. Los investigadores de la ATT introdujeron dispositivos para recoger los �ltimos residuos de los gases que se evaporaban del filamento caliente, para evitar que perturbaran el vac�o dentro del tubo.
El triodo as� mejorado hizo posible que el servicio telef�nico abarcara de costa a costa a Estados Unidos, y todav�a m�s. Adem�s de amplificar, los tubos hicieron que la generaci�n de ondas fuese de frecuencia precisa y controlable, lo que evit� que se mezclaran ondas de diferentes transmisores.
A pesar de que la ATT trat� de mantener en secreto los resultados de sus investigaciones, otras compa��as hicieron progresos significativos y la electr�nica con tubos al vac�o se desarroll� de manera impresionante de 1912 a 1932.
En muy pocos a�os se lograron construir triodos capaces de detectar y amplificar se�ales muy d�biles.
Entre 1910 y 1915 se inventaron circuitos muy ingeniosos que transforman el voltaje constante suministrado por una bater�a, en una corriente alterna con frecuencias muy altas, mucho mayores que las logradas con m�quinas el�ctricas rotatorias. Estos dispositivos se llaman osciladores. Con ellos se incorpor� de forma muy satisfactoria una se�al a una onda electromagn�tica. Este logro dio lugar al nacimiento de la radio, que se describir� en el siguiente cap�tulo.
Durante la primera Guerra Mundial se us� mucho la radio y se construyeron tubos al vac�o en grandes cantidades. La t�cnica se mejor� cada vez m�s e hizo posible construir tubos de gran potencia, que se utilizaron en 1915, en la radiotelefon�a trasatl�ntica, para comunicar a Francia y Estados Unidos.
Para finalizar el presente cap�tulo mencionaremos que a principios de la d�cada de 1930 se construyeron tubos al vac�o con m�s elementos entre el c�todo y el �nodo; �stos fueron el tetrodo, el pentodo, etc. Con estos tubos se ampli� la gama de posibilidades de dise�o de circuitos para diferentes aplicaciones.
