Siguiendo con nuestro aporte a la campaña Viva el Ingenio de 3M, les contaremos que los tubos de vacío o válvulas termoiónicas suenan a invento del pasado. Salvo en algunos usos específicos ya casi no se ven en la industria, pues han sido reemplazados por componentes electrónicos sólidos y compactos, particularmente los transistores.
Es cierto, son un invento del pasado (es complicado escribir sobre inventos del futuro, y en la práctica me saldría más rentable patentarlos), pero fueron un peldaño indispensable para que floreciera la electrónica.
Recordará el lector cuando le contamos sobre Edison introduciendo mejoras a la lámpara incandescente. Edison tuvo éxito con ella y a lo largo de los años la fue perfeccionando para mejorar su duración, el costo de manufactura, el aprovechamiento de la luz y la preservación de las cualidades en el tiempo. Respecto a esto último, Edison se dio cuenta de que aunque el filamento incandescente se mantenía relativamente intacto hasta el momento del colapso, el vidrio de la bombilla se iba oscureciendo paulatinamente.
Por instinto, Edison asumió que “algo” se desprendía del filamento, intentaba escapar de la bombilla y quedaba estampado contra el cristal. Como Edison era más un inventor que un científico, no le dedicó mucho tiempo a explicar el fenómeno sino que se concentró en resolverlo.
Lo que hizo Edison para corregir el fenómeno fue introducir una placa metálica dentro de la bombilla la cual se polarizaba con una carga positiva. Con esto observó que se minimizaba el oscurecimiento del cristal ya que ese “algo” que se desprendía del filamento iba a dar directo a la placa cargada. Acto seguido fue donde sus amigos de la oficina de patentes e inscribió el sistema como Efecto Edison, sin detenerse a averiguar cómo podría usarse y tampoco sin pensar que en 1873 el científico inglés Frederick Guthrie ya había descrito este fenómeno llamándolo Emisión Termoiónica. La oficina de patentes tampoco le hizo demasiadas preguntas a Edison.
Efecto termoiónico
Lo cierto es que el efecto Edison no tuvo aplicación en muchos años porque el inventor era eminentemente práctico y no se manejaba con ecuaciones ni conocimiento teórico. Sencillamente no tenía explicación para el ennegrecimiento de las ampolletas que el mismo había mejorado, que no era más que el mismo metal del filamento que se evaporaba desde éste y luego se condensaba en el vidrio frio.
El efecto Edison o efecto termoiónico fue descrito por Guthrie en Inglaterra en el año 1873. En palabras simples este fenómeno describe el comportamiento de los electrones en un conductor calentado a altas temperaturas. Si recuerdan algo de las clases de Química del colegio, podrán recordar que en los metales, los electrones que están más lejos del núcleo atómico pueden escapar sin mucha dificultad cuando se les imprime la energía suficiente. Se vuelven “propensos a la fuga” ante estímulos relativamente pequeños.
Edison experimentó usando un galvanómetro (un amperímetro análogo, también llamado transductor electromecánico) conectado a sus bombillas experimentales, y documentó lo que ocurría cuando se variaba arbitrariamente la carga del filamento y de la lámina metálica. Hoy sabemos que los electrones fluyen de un lugar a otro debido a la diferencia de cargas, desplazándose desde el polo negativo al positivo de un campo eléctrico. Edison no sabía eso, pero siguió el método de prueba y error para establecer un patrón de comportamiento relacionado a la carga de cada componente de la bombilla.
El experimento que Edison llevó a cabo para comprobar como operaba su nueva mejora fue el siguiente:
Cuando la placa tenía una carga más positiva que el filamento los electrones fluían (Electron flow), mientras que cuando la carga de la placa era más negativa que la del filamento no fluían (No current).
Esto puede parecer obvio. Los electrones no avanzan en contra del tránsito y eso ahora todos lo sabemos. En ese momento, en cambio, significaba algo magnífico: la capacidad de tener un interruptor -que dejaba pasar corriente o la interrumpía- sin requerir un operador que moviera una palanca o presionara un botón. Este sencillo artefacto permitía accionar o detener el flujo sin más intervención que la variación en la carga de los componentes.
Con lo anterior ya era inminente la llegada del tubo de vacío y de forma incipiente se comenzó a desarrollar la electrónica a nivel mundial gracias a este simple invento, lo que llevó a la creación de diferentes tubos alrededor del precursor desarrollado por Edison. Al igual que en la electrónica actual, todo se basa en la capacidad de generar unos y ceros, lo cual deriva en combinaciones más complejas que permiten hacer puertas AND y OR entre otras. Edison aportó a la electrónica, sin saberlo, el generador de unos y ceros.
Diversos científicos se basaron en este invento generando iteraciones que prescindían del filamento incandescente de la bombilla. Comprenderá el lector que cuando lo importante es la capacidad de cortar o permitir el flujo, la luz y el calor emitidos por el filamento luminoso es un efecto secundario indeseable y de paso el punto débil del tubo. Desprovisto de ese elemento, los inventos que siguieron eran mucho más resistentes al paso del tiempo e incluso a los golpes moderados.
Tubos de Vacío Animados de Ayer y Hoy
Tal como dijimos al principio de esta historia, los tubos de vacío casi no se usan. La mayoría han sido reemplazados por transistores. El transistor tendrá su propio artículo (no se merece menos) pero pese a que los tubos son más grandes, más delicados y más caros de fabricar, todavía tienen ciertas ventajas, y la ventaja más importante a mi gusto es la versatilidad. Mientras el transistor hace una sola cosa, y hay que agruparlos en grandes arreglos para conseguir efectos complejos, los tubos de vacío florecieron en cientos de campos y cientos de aplicaciones, de los cuales les mencionaremos los más notables.
El Diodo: un tubo compuesto de ánodo, cátodo y filamento. Es como una válvula que permite el flujo en una sola dirección.
El Triodo: el abuelo del transistor. Es como un diodo que incorpora una rejilla de control. Variando la carga en la rejilla se modifica la cantidad de electrones que llegan al ánodo. En otras palabras, si se varía la carga en la rejilla según una señal, la corriente que llega al ánodo reproduce la onda original, por lo que se puede usar como amplificador. Lo inventó Lee de Forest en 1907.
El Tiratrón: un triodo de alta potencia, no es un tubo al vacío sino que se rellena con un gas.
El Tétrodo: Es un triodo que incorpora una segunda rejilla conocida como pantalla.Permite un mayor factor de amplificación que el triodo, pero tiene un efecto secundario que puede provocar un flujo de corriente indeseado hacia el ánodo.
El Péntodo:Un tétrodo que incorpora una rejilla supresora. Con eso se logra un factor de amplificación tan bueno como en el tétrodo, pero sin el efecto secundario indeseable. Lo inventó Phillips y es la foto que corona el artículo.
El Éxodo: un libro de la Biblia. ¿Problem?
El tubo de rayos catódicos: que se usa en las TVs y Monitores clásicos. Le dedicaremos un artículo propio.
El magnetrón: que no vamos a describir ahora pero será el coprotagonista de un artículo de esta colección
Y bueno, hay muchos otros: trocotrón, selectrón y los VFD que todavía se utilizan en displays alfanuméricos (como en la foto), aunque están perdiendo terreno contra los leds. Yo tuve un VFD y lo usé para un proyecto de modding. Y sí, creo que eso que acaba de caerse es mi carnet.
Como en todos los posts anteriores, no podemos despedirnos sin mencionar a Nikola Tesla. No vamos a decir que Tesla inventó el tubo de vacío porque no es verdad, pero sí es oportuno mencionar que experimentó con un dispositivo bastante similar. Era un tubo que carecía de ánodo receptor. Solamente tenía un cátodo cargado, pero como era alimentado por corriente alterna, el campo era variable y repelía los electrones en ráfagas, causando un efecto combinado que era a la vez radiación ionizante y emisión termoiónica. Esos electrones, al chocar con el vidrio, generaban (entre otras cosas) rayos X. Pero eso, querido lector, da para otra historia.
Nos vemos en el próximo invento! Atentos a nuestra colección “Viva el ingenio”!
