A era do tubo de vácuo

Estudos teóricos e experimentais da electricidade durante os séculos XVIII e XIX levaram ao desenvolvimento das primeiras máquinas eléctricas e ao início do uso generalizado da electricidade. A história da electrónica começou a evoluir separadamente da da electricidade no final do século XIX com a identificação do electrão pelo físico inglês Sir Joseph John Thomson e a medição da sua carga eléctrica pelo físico americano Robert A. Millikan em 1909.

Na época do trabalho de Thomson, o inventor americano Thomas A. Edison havia observado um brilho azulado em algumas de suas primeiras lâmpadas sob certas condições e descobriu que uma corrente fluiria de um eletrodo na lâmpada para outro se o segundo (ânodo) fosse carregado positivamente em relação ao primeiro (cátodo). Trabalhos de Thomson e seus alunos e do engenheiro inglês John Ambrose Fleming revelaram que esse chamado efeito Edison era o resultado da emissão de elétrons do cátodo, o filamento quente na lâmpada. O movimento dos elétrons para o ânodo, uma placa metálica, constituía uma corrente elétrica que não existiria se o ânodo fosse carregado negativamente.

Esta descoberta deu impulso ao desenvolvimento de tubos de elétrons, incluindo um tubo de raios X melhorado pelo engenheiro americano William D. Coolidge e a válvula termiônica de Fleming (um tubo de vácuo de dois elétrons) para uso em receptores de rádio. A detecção de um sinal de rádio, que é uma corrente alternada (CA) de muito alta frequência, requer que o sinal seja retificado; ou seja, a corrente alternada deve ser convertida em corrente contínua (CC) por um dispositivo que conduza apenas quando o sinal tem uma polaridade, mas não quando tem a outra – precisamente o que a válvula de Fleming (patenteada em 1904) fez. Anteriormente, os sinais de rádio eram detectados por vários dispositivos empiricamente desenvolvidos, como o detector “cat whisker”, que era composto por um fio fino (o whisker) em contato delicado com a superfície de um cristal natural de sulfeto de chumbo (galena) ou algum outro material semicondutor. Estes dispositivos não eram confiáveis, não tinham sensibilidade suficiente e exigiam um ajuste constante do contato do whisker com o cristal para produzir o resultado desejado. No entanto, estes foram os precursores dos dispositivos de estado sólido de hoje. O fato de que os retificadores de cristal funcionavam em todos os sentidos encorajou os cientistas a continuar estudando-os e gradualmente obter o entendimento fundamental das propriedades elétricas dos materiais semicondutores necessários para permitir a invenção do transistor.

Em 1906 Lee De Forest, um engenheiro americano, desenvolveu um tipo de tubo de vácuo que era capaz de amplificar sinais de rádio. De Forest adicionou uma grade de fio fino entre o cátodo e o ânodo da válvula termoelétrica de dois eletrodos construída por Fleming. O novo dispositivo, que De Forest chamou de Audion (patenteado em 1907), era assim um tubo de vácuo de três eléctrodos. Em operação, o ânodo em tal tubo de vácuo recebe um potencial positivo (positivamente enviesado) em relação ao cátodo, enquanto a grade é enviesada negativamente. Um grande viés negativo na rede impede que os elétrons emitidos pelo cátodo cheguem ao ânodo; no entanto, como a rede é amplamente aberta, um viés menos negativo permite que alguns elétrons passem por ela e alcancem o ânodo. Pequenas variações no potencial da rede podem assim controlar grandes quantidades de corrente do ânodo.

O tubo de vácuo permitiu o desenvolvimento da transmissão de rádio, telefonia de longa distância, televisão e os primeiros computadores digitais eletrônicos. Esses primeiros computadores eletrônicos foram, na verdade, os maiores sistemas de tubos de vácuo já construídos. Talvez o representante mais conhecido seja o ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), concluído em 1946.

Os requisitos especiais das muitas aplicações diferentes dos tubos de vácuo levaram a numerosas melhorias, permitindo-lhes manusear grandes quantidades de energia, operar a frequências muito altas, ter uma fiabilidade superior à média, ou ser muito compacto (o tamanho de um dedal). O tubo de raios catódicos, originalmente desenvolvido para exibir formas de ondas elétricas em uma tela para medições de engenharia, evoluiu para o tubo de imagem de televisão. Esses tubos funcionam formando os elétrons emitidos pelo cátodo em um feixe fino que colide com uma tela fluorescente na extremidade do tubo. A tela emite luz que pode ser vista do exterior do tubo. O desvio do feixe de elétrons faz com que padrões de luz sejam produzidos na tela, criando as imagens ópticas desejadas.

Não obstante o notável sucesso dos dispositivos de estado sólido na maioria das aplicações eletrônicas, existem certas funções especializadas que só os tubos de vácuo podem realizar. Estas geralmente envolvem operação em extremos de potência ou frequência.

Os tubos de vácuo são frágeis e, em última análise, desgastam-se em serviço. A falha ocorre no uso normal, seja pelos efeitos do aquecimento e resfriamento repetidos à medida que o equipamento é ligado e desligado (fadiga térmica), o que acaba por causar uma fratura física em alguma parte da estrutura interna do tubo, ou pela degradação das propriedades do cátodo por gases residuais no tubo. Os tubos de vácuo também levam tempo (de alguns segundos a vários minutos) para “aquecer” até a temperatura operacional – um inconveniente na melhor das hipóteses e, em alguns casos, uma séria limitação ao seu uso. Estas deficiências motivaram os cientistas da Bell Laboratories a procurar uma alternativa ao tubo de vácuo e levaram ao desenvolvimento do transistor.