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Electrónica

Los estudios teóricos y experimentales de la electricidad durante los siglos XVIII y XIX condujeron al desarrollo de las primeras máquinas eléctricas y al comienzo del uso generalizado de la electricidad. La historia de la electrónica comenzó a evolucionar por separado de la de la electricidad a fines del siglo XIX con la identificación del electrón por el físico inglés Sir Joseph John Thomson y la medición de su carga eléctrica realizada por el físico estadounidense Robert A. Millikan en 1909.

En el momento del trabajo de Thomson, el inventor estadounidense Thomas A. Edison había observado un brillo azulado en algunas de sus bombillas tempranas bajo ciertas condiciones y descubrió que una corriente fluiría de un electrodo en la lámpara a otro si el segundo (ánodo) se cargaron positivamente con respecto al primero (cátodo). El trabajo de Thomson y sus alumnos y el ingeniero inglés John Ambrose Fleming revelaron que este llamado efecto Edison era el resultado de la emisión de electrones del cátodo, el filamento caliente de la lámpara. El movimiento de los electrones hacia el ánodo, una placa de metal, constituía una corriente eléctrica que no existiría si el ánodo estuviese cagado negativamente.

Este descubrimiento proporcionó un impulso para el desarrollo de tubos de electrones, incluido un tubo de rayos X mejorado por el ingeniero estadounidense William D. Coolidge y la válvula termoiónica de Fleming (un tubo de vacío de dos electrodos) para su uso en receptores de radio. La detección de una señal de radio, que es una corriente alterna de muy alta frecuencia (AC), requiere que la señal se rectifique; es decir, la corriente alterna debe convertirse en una corriente continua (DC) por un dispositivo que conduce solo cuando la señal tiene una polaridad pero no cuando tiene la otra, precisamente lo que hizo la válvula de Fleming (patentada en 1904).

Previamente, las señales de radio fueron detectadas por varios dispositivos desarrollados empíricamente, como el detector “bigote de gato”, que estaba compuesto por un hilo fino (el bigote) en contacto delicado con la superficie de un cristal natural de sulfuro de plomo (galena) o algún otro material semiconductor. Estos dispositivos eran poco confiables, carecían de la sensibilidad suficiente y requerían un ajuste constante del contacto entre el bigote y el cristal para producir el resultado deseado. Sin embargo, estos fueron los precursores de los dispositivos de estado sólido de hoy. El hecho de que los rectificadores cristalinos funcionaran en absoluto animó a los científicos a seguir estudiándolos y gradualmente a obtener una comprensión fundamental de las propiedades eléctricas de los materiales semiconductores necesarios para permitir la invención del transistor.

En 1906, Lee De Forest, un ingeniero estadounidense, desarrolló un tipo de tubo de vacío que era capaz de amplificar las señales de radio. De Forest agregó una rejilla de alambre fino entre el cátodo y el ánodo de la válvula termoiónica de dos electrodos construida por Fleming. El nuevo dispositivo, que De Forest apodó el Audion (patentado en 1907), era entonces un tubo de vacío de tres electrodos. En funcionamiento, el ánodo en un tubo de vacío de este tipo recibe un potencial positivo (positivamente polarizado) con respecto al cátodo, mientras que la red está sesgada negativamente. Un gran sesgo negativo en la rejilla evita que los electrones emitidos por el cátodo lleguen al ánodo; sin embargo, debido a que la grilla es en gran parte espacio abierto, un sesgo menos negativo permite que algunos electrones lo atraviesen y alcancen el ánodo. Pequeñas variaciones en el potencial de la red pueden así controlar grandes cantidades de corriente anódica.

El tubo de vacío permitió el desarrollo de la radiodifusión, la telefonía de larga distancia, la televisión y las primeras computadoras electrónicas digitales. Estas primeras computadoras electrónicas fueron, de hecho, los sistemas de tubos de vacío más grandes jamás construidos. Quizás el representante más conocido sea el ENIAC (integrador numérico electrónico y computadora), completado en 1946.

Los requisitos especiales de las diferentes aplicaciones de los tubos de vacío permitieron numerosas mejoras, lo que les permitió manejar grandes cantidades de energía, operar a frecuencias muy altas, tener una confiabilidad superior a la media o ser muy compactos (del tamaño de un dedal). El tubo de rayos catódicos, desarrollado originalmente para mostrar formas de onda eléctricas en una pantalla para mediciones de ingeniería, se convirtió en el tubo de imagen de televisión. Dichos tubos funcionan formando los electrones emitidos desde el cátodo a un rayo delgado que incide sobre una pantalla fluorescente al final del tubo. La pantalla emite luz que se puede ver desde fuera del tubo. La desviación del haz de electrones provoca la producción de patrones de luz en la pantalla, creando las imágenes ópticas deseadas.

A pesar del notable éxito de los dispositivos de estado sólido en la mayoría de las aplicaciones electrónicas, existen ciertas funciones especializadas que solo pueden realizar los tubos de vacío. Estos usualmente involucran operaciones en extremos de potencia o frecuencia.

Los tubos de vacío son frágiles y finalmente se desgastan en servicio. La falla ocurre en el uso normal de los efectos del calentamiento y enfriamiento repetidos cuando el equipo se enciende y apaga (fatiga térmica), lo que finalmente causa una fractura física en alguna parte de la estructura interior del tubo, o de la degradación de las propiedades de el cátodo por gases residuales en el tubo. Los tubos de vacío también toman tiempo (desde unos pocos segundos hasta varios minutos) para “calentarse” hasta alcanzar la temperatura de funcionamiento, un inconveniente en el mejor de los casos y en algunos casos una seria limitación para su uso. Estas deficiencias motivaron a los científicos de Bell Laboratories a buscar una alternativa al tubo de vacío y condujeron al desarrollo del