La era de los tubos de vacío

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

En la época del trabajo de Thomson, el inventor estadounidense Thomas A. Edison había observado un resplandor azulado en algunas de sus primeras bombillas bajo ciertas condiciones y descubrió que una corriente fluiría de un electrodo de la lámpara a otro si el segundo (ánodo) se cargaba positivamente con respecto al primero (cátodo). Los trabajos realizados por Thomson y sus alumnos y por el ingeniero inglés John Ambrose Fleming revelaron que este llamado efecto Edison era el resultado de la emisión de electrones desde el cátodo, el filamento caliente de la lámpara. El movimiento de los electrones hacia el ánodo, una placa metálica, constituía una corriente eléctrica que no existiría si el ánodo estuviera cargado negativamente.

Este descubrimiento impulsó el desarrollo de los 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 (CA) de muy alta frecuencia, requiere que la señal sea rectificada; es decir, la corriente alterna debe ser convertida en corriente continua (CC) por un dispositivo que conduzca sólo cuando la señal tiene una polaridad pero no cuando tiene la otra, precisamente lo que hizo la válvula de Fleming (patentada en 1904). Anteriormente, las señales de radio se detectaban mediante diversos dispositivos desarrollados empíricamente, como el detector de «bigote de gato», compuesto por un fino alambre (el bigote) en delicado contacto con la superficie de un cristal natural de sulfuro de plomo (galena) o algún otro material semiconductor. Estos dispositivos eran poco fiables, carecían de sensibilidad suficiente y requerían un ajuste constante del contacto entre el bigote y el cristal para obtener el resultado deseado. Sin embargo, fueron los precursores de los actuales dispositivos de estado sólido. El hecho de que los rectificadores de cristal funcionaran animó a los científicos a seguir estudiándolos y a obtener gradualmente los conocimientos fundamentales sobre 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 capaz de amplificar las señales de radio. De Forest añadió 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 bautizó como Audion (patentado en 1907), era por tanto un tubo de vacío de tres electrodos. En funcionamiento, el ánodo de este tubo de vacío tiene un potencial positivo (polarización positiva) con respecto al cátodo, mientras que la rejilla tiene una polarización negativa. Una gran polarización negativa en la rejilla impide que los electrones emitidos por el cátodo lleguen al ánodo; sin embargo, como la rejilla es en gran parte un espacio abierto, una polarización menos negativa permite que algunos electrones la atraviesen y lleguen al ánodo. Pequeñas variaciones en el potencial de la rejilla 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 los primeros ordenadores digitales electrónicos. Estos primeros ordenadores electrónicos fueron, de hecho, los mayores sistemas de tubos de vacío jamás construidos. Quizá el representante más conocido sea el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), terminado en 1946.

Los requisitos especiales de las diferentes aplicaciones de los tubos de vacío dieron lugar a numerosas mejoras, que les permitieron manejar grandes cantidades de potencia, funcionar a frecuencias muy altas, tener una fiabilidad superior a la media o ser muy compactos (del tamaño de un dedal). El tubo de rayos catódicos, desarrollado originalmente para mostrar formas de ondas eléctricas en una pantalla para mediciones de ingeniería, evolucionó hasta convertirse en el tubo de imagen de televisión. Estos tubos funcionan formando los electrones emitidos por el cátodo en un fino haz que incide en una pantalla fluorescente situada en el extremo del tubo. La pantalla emite una luz que puede verse desde el exterior del tubo. Al desviar el haz de electrones se producen 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, hay ciertas funciones especializadas que sólo pueden realizar los tubos de vacío. Por lo general, éstas implican el funcionamiento a potencias o frecuencias extremas.

Los tubos de vacío son frágiles y acaban desgastándose en el servicio. Los fallos se producen en el uso normal, ya sea por los efectos del calentamiento y enfriamiento repetidos al encender y apagar el equipo (fatiga térmica), lo que acaba provocando una fractura física en alguna parte de la estructura interior del tubo, o por la degradación de las propiedades del cátodo por los gases residuales del tubo. Además, los tubos de vacío tardan en «calentarse» hasta alcanzar la temperatura de funcionamiento (desde unos segundos hasta varios minutos), lo que supone un inconveniente, en el mejor de los casos, y una grave limitación para su uso. Estas deficiencias motivaron a los científicos de los Laboratorios Bell a buscar una alternativa al tubo de vacío y condujeron al desarrollo del transistor.