L’era del tubo a vuoto

Gli studi teorici e sperimentali dell’elettricità durante il 18° e 19° secolo portarono allo sviluppo delle prime macchine elettriche e all’inizio dell’uso diffuso dell’elettricità. La storia dell’elettronica iniziò ad evolversi separatamente da quella dell’elettricità verso la fine del XIX secolo con l’identificazione dell’elettrone da parte del fisico inglese Sir Joseph John Thomson e la misurazione della sua carica elettrica da parte del fisico americano Robert A. Millikan nel 1909.

Al tempo del lavoro di Thomson, l’inventore americano Thomas A. Edison aveva osservato un bagliore bluastro in alcune delle sue prime lampadine in determinate condizioni e aveva scoperto che una corrente sarebbe passata da un elettrodo della lampada all’altro se il secondo (anodo) fosse stato reso positivamente carico rispetto al primo (catodo). Il lavoro di Thomson e dei suoi studenti e dell’ingegnere inglese John Ambrose Fleming rivelò che questo cosiddetto effetto Edison era il risultato dell’emissione di elettroni dal catodo, il filamento caldo della lampada. Il movimento degli elettroni verso l’anodo, una piastra metallica, costituiva una corrente elettrica che non sarebbe esistita se l’anodo fosse stato caricato negativamente.

Questa scoperta diede impulso allo sviluppo di tubi elettronici, tra cui un tubo a raggi X migliorato dall’ingegnere americano William D. Coolidge e la valvola termoionica di Fleming (un tubo a vuoto a due elettrodi) da utilizzare nei ricevitori radio. La rilevazione di un segnale radio, che è una corrente alternata (AC) ad altissima frequenza, richiede che il segnale sia rettificato; cioè, la corrente alternata deve essere convertita in una corrente continua (DC) da un dispositivo che conduce solo quando il segnale ha una polarità ma non quando ha l’altra – precisamente ciò che la valvola di Fleming (brevettata nel 1904) ha fatto. In precedenza, i segnali radio venivano rilevati da vari dispositivi sviluppati empiricamente come il rivelatore “baffo di gatto”, che era composto da un filo sottile (il baffo) in delicato contatto con la superficie di un cristallo naturale di solfuro di piombo (galena) o qualche altro materiale semiconduttore. Questi dispositivi erano inaffidabili, mancavano di sensibilità sufficiente e richiedevano una regolazione costante del contatto baffo-cristallo per produrre il risultato desiderato. Eppure erano i precursori dei dispositivi a stato solido di oggi. Il fatto che i raddrizzatori a cristallo funzionassero incoraggiò gli scienziati a continuare a studiarli e ad ottenere gradualmente la comprensione fondamentale delle proprietà elettriche dei materiali semiconduttori, necessaria per permettere l’invenzione del transistor.

Nel 1906 Lee De Forest, un ingegnere americano, sviluppò un tipo di tubo a vuoto in grado di amplificare i segnali radio. De Forest aggiunse una griglia di filo sottile tra il catodo e l’anodo della valvola termoionica a due elettrodi costruita da Fleming. Il nuovo dispositivo, che De Forest chiamò Audion (brevettato nel 1907), era quindi un tubo a vuoto a tre elettrodi. In funzione, l’anodo in un tale tubo a vuoto è dato un potenziale positivo (polarizzato positivamente) rispetto al catodo, mentre la griglia è polarizzata negativamente. Una grande polarizzazione negativa sulla griglia impedisce agli elettroni emessi dal catodo di raggiungere l’anodo; tuttavia, poiché la griglia è in gran parte uno spazio aperto, una polarizzazione meno negativa permette ad alcuni elettroni di attraversarla e raggiungere l’anodo. Piccole variazioni nel potenziale della griglia possono quindi controllare grandi quantità di corrente anodica.

Il tubo a vuoto ha permesso lo sviluppo della radiodiffusione, della telefonia a lunga distanza, della televisione e dei primi computer elettronici digitali. Questi primi computer elettronici erano, infatti, i più grandi sistemi a tubo a vuoto mai costruiti. Forse il rappresentante più noto è l’ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), completato nel 1946.

I requisiti speciali delle molte applicazioni diverse dei tubi a vuoto portarono a numerosi miglioramenti, permettendo loro di gestire grandi quantità di potenza, operare a frequenze molto alte, avere un’affidabilità superiore alla media o essere resi molto compatti (le dimensioni di un ditale). Il tubo a raggi catodici, originariamente sviluppato per la visualizzazione di forme d’onda elettriche su uno schermo per misurazioni ingegneristiche, si è evoluto nel tubo dell’immagine televisiva. Questi tubi funzionano formando gli elettroni emessi dal catodo in un fascio sottile che impatta su uno schermo fluorescente all’estremità del tubo. Lo schermo emette una luce che può essere vista dall’esterno del tubo. Deviando il fascio di elettroni si producono modelli di luce sullo schermo, creando le immagini ottiche desiderate.

Nonostante il notevole successo dei dispositivi a stato solido nella maggior parte delle applicazioni elettroniche, ci sono alcune funzioni specializzate che solo i tubi a vuoto possono eseguire. Queste di solito comportano il funzionamento a potenze o frequenze estreme.

I tubi a vuoto sono fragili e alla fine si consumano in servizio. Il guasto si verifica nell’uso normale sia dagli effetti del ripetuto riscaldamento e raffreddamento come apparecchiatura è acceso e spento (fatica termica), che alla fine causa una frattura fisica in qualche parte della struttura interna del tubo, o dal degrado delle proprietà del catodo da gas residui nel tubo. I tubi a vuoto richiedono anche tempo (da pochi secondi a diversi minuti) per “riscaldarsi” alla temperatura di funzionamento – un inconveniente nel migliore dei casi e in alcuni casi una seria limitazione al loro uso. Questi difetti motivarono gli scienziati dei Bell Laboratories a cercare un’alternativa al tubo a vuoto e portarono allo sviluppo del transistor.