La era moderna de la electrónica comenzó con la bombilla, pero no de la forma que te imaginas. Las primeras bombillas consistían en un {filamento de carbono} sellado al vacío dentro de una bombilla de vidrio. Cuando una diferencia potencial se aplicaba a través del filamento, fluía corriente por él, calentándolo a más de 2000 Kelvin. Tan caliente que brillaba. Si había mucho oxígeno en la bombilla, el filamento se quemaba inmediatamente. Esa era la razón del vacío.
Pero desde la perspectiva de la electrónica, el descubrimiento más importante vino de una curiosa observación hecha por Thomas Edison. Vio que durante la vida de una bombilla, el vidrio comenzaba a decolorarse, volviéndose amarillo y luego marrón, pero de un solo lado. ¿Qué era lo que ocurría?
Bueno, el filamento calentado no solo emite luz y calor, sino también electrones, que puedes pensar como si salieran en «hervor» del carbono. Este fenómeno, conocido como emisión termo iónica, había sido descubierto independientemente por otros científicos 27 años antes, pero después de Edison se hizo ampliamente conocido. De hecho, por un tiempo la emisión de electrones de un filamento caliente fue llamada «el efecto Edison».
Estos electrones que flotaban en el vacío no tenían obstrucciones porque estaban en un vacío. Pero como había una diferencia potencial a través de los cables que llevaban al filamento, los electrones eran atraídos al cable positivo. Así que aceleraban hacia él y la mayoría pasaba flotando y se estrellaba con el vidrio, cambiando con el tiempo sólo el color del lado positivo. Debería aclarar que Edison usaba electricidad de corriente continua. Si hubiera usado corriente alterna, los dos lados cambiarían de color.
Pero fue esta observación la que formó el escenario para una revolución electrónica y eventualmente para las primeras computadoras digitales. En 1904, John Ambrose Fleming patentó un dispositivo que era muy similar a la bombilla de Edison, pero con una importante adición: un segundo electrodo en la bombilla.
Al cargar positivamente esta placa con respecto al filamento, los electrones podían ser acelerados a través del espacio, completando el circuito. Pero si la placa fuera levemente negativa con relación al filamento, repelería los electrones y no fluiría corriente. Fleming llamó a este dispositivo una «válvula de una mano para la electricidad».
Como uno de los electrodos estaba caliente, los electrones solo podían fluir desde allí a la placa y no en dirección opuesta. El dispositivo se llamó «diodo termo iónico» y fue inicialmente usado para detectar señales de radio, pero también podía convertir corriente alterna a corriente continua.
Los científicos rápidamente notaron que un diseño más eficiente tendría el filamento en el centro y el otro electrodo, la placa o ánodo, en forma de cilindro a su alrededor. Esta geometría capturaba más electrones que salieran del filamento y permitía que fluyeran corrientes más grandes. Con solo uno de estos diodos puedes convertir corriente alterna en un tipo accidentado de corriente continua, pero combinar varios diodos y un condensador llevó a una corriente continua bastante constante.
Y esto fue algo importante: fue el primer dispositivo práctico de tubo de vacío y el modelo para todos los tubos de vacío que dominarían la industria por el siguiente medio siglo.
A principios de 1900, el gran problema de la electrónica era la amplificación. La radio había sido recién inventada, pero su rango era limitado por la falta de equipamiento confiable que pudiera impulsar señales débiles. De forma similar, las llamadas telefónicas eran limitadas a un máximo de 1.300 kilómetros, porque para ese punto la señal era demasiado débil para ser oída.
Se había creado una forma rudimentaria de amplificación para operaciones telegráficas llamada «relay». El relay tiene un electroimán, y cuando fluye corriente a través de ese electroimán, atrae un interruptor que enciende un segundo circuito. Pero cuando la corriente se detiene, el electroimán también se detiene y se libera el interruptor. El segundo circuito está abierto nuevamente.
Este dispositivo funcionaba bien para amplificar los puntos y las rayas del código morse a través de las líneas de telégrafo, pero su funcionamiento binario significa que es incapaz de amplificar las señales complejas y analógicas de llamadas telefónicas y ondas de radio.
En 1906, cuando Lee De Forest tomó el diodo y agregó otro electrodo en la bombilla, este electrodo no era una pieza sólida de metal, sino una rejilla de cables. Fue posicionada entre el filamento (o cátodo) y el ánodo. Por sus tres electrodos, fue llamada un «triode».
Una gran diferencia potencial podría aplicarse a través del ánodo y el cátodo, pero el número de electrones que realmente fluían entre ellos era controlado por el voltaje de la rejilla. A este electrodo se le llamó «rejilla de control». Si la rejilla tenía una leve carga negativa, repelería electrones del filamento para que ninguno pudiera fluir a través del ánodo. Pero si la rejilla tenía una leve carga positiva, los electrones serían atraídos hacia el ánodo y la mayoría pasaría a través de los espacios de la rejilla y acelerarían hacia el ánodo.
De esta forma, un pequeño cambio en el voltaje de la rejilla puede controlar mucho voltaje en el ánodo y la respuesta es rápida. Así que puedes obtener una alta amplificación de frecuencia. Me gusta pensarlo como estar parado en el borde de un acantilado y abrir y cerrar un grifo de agua enorme.
No requiere mucha energía encender la válvula, pero ese pequeño input se convierte en un enorme chorro de agua cayendo por el acantilado. Esta esencia de energía está invirtiendo este canal de aquí. Lo puedes ver recalentándose. Ahí. El amarillo es el input. El púrpura es el output. Esencialmente, tenemos un cambio de 2 voltios que nos da… ¿Cuánto es 5 voltios? 5,10,15 voltios en el output. Para esta demostración solo usamos 24 voltios en el ánodo. Si hubiéramos usado un voltaje más alto, podríamos haber tenido mucha más amplificación.
Y eso es lo que se hizo. Este fue el dispositivo que nos permitió hacer llamadas a larga distancia por primera vez usando tubos de vacío. La primera llamada transcontinental de Nueva York a San Francisco se realizó el 25 de enero de 1915.
El ánodo es el sitio donde estamos drenando la energía. Y si no, es fácil ver la rejilla aquí, porque igual que con el diodo cilíndrico, la mejor configuración para un triode es una configuración cilíndrica. El ánodo está en el exterior, la rejilla está cilíndricamente dentro del ánodo, y el cátodo o filamento está en el centro.
La invención del triodo fue increíblemente importante. Las radios, los televisores, todo lo electrónico que la gente tenía funcionaban a través de los tubos de vacío. Habrías tenido muchos en tu hogar, incluso hasta las décadas del 60 y 70. Los tubos de vacío siguieron revolucionando la electrónica.
En su tesis de 1937, Claude Shannon halló una conexión entre los circuitos eléctricos y una rama de la matemática llamada álgebra de Boole. Trabajando a mediados de 1800, George Boole intentaba encontrar una fundación matemática para la lógica.
Bajo su sistema, una afirmación verdadera era representada como un «uno» y una afirmación falsa como un «cero». Boole también desarrolló varias operaciones, como la AND y la OR. Y Shannon halló que las operaciones de Boole podían representarse como circuitos electrónicos: que había una equivalencia entre las afirmaciones matemáticas y los circuitos eléctricos. Solo necesitabas entender que esos circuitos, en la vida real, eran un par de interruptores.
Este mismo año, 1937, George Stibitz construyó la primera calculadora digital. Podía agregar dos números binarios de un bit, es decir, que podía agregar dos números siempre que fueran 0 ó 1. La calculadora funcionaba usando relés, el interruptor electromecánico de la telegrafía. Había dos inputs: si se los dejaba abiertos, el input era cero; si estaban cerrados, era un uno. El output se mostraba en dos bombillas de luz: si no había luces encendidas, la respuesta era cero; si la luz del output estaba encendida, la respuesta era uno; y si la luz de carga estaba encendida, la respuesta era dos.
El circuito funciona así: sin ningún interruptor, A o B están cerrados, sumando 0 + 0. Entonces, no hay corriente fluyendo por el circuito y ninguna bombilla se encendería. Pero si el input A estaba cerrado, la corriente fluiría a través del solenoide y crearía un campo magnético que hace que el interruptor de dentro se cierre y esto conecta la bombilla del output a la energía y desconecta la bombilla de carga.
Así, las luces del output se encienden, lo que significa que la respuesta es uno. Y lo mismo ocurriría cuando se cerrara el input B y A quedara abierto. Pero si cerraras A y B simultáneamente, no habría corriente fluyendo a través del solenoide, pero sí habría corriente fluyendo a través de la batería conectada a la bombilla de carga. Así que se enciende, indicando que uno más uno es igual a dos.
Este es el comienzo de la era digital. No es glamoroso, Stibitz construyó este dispositivo con unas baterías, unas bombillas y relés que tenía por ahí, y para hacerlo inputs, cortó una lata de tabaco. Lo construyó en una noche en la mesa de su cocina y pasó a conocerse como el Modelo K. El circuito que construyó Stibitz ahora es llamado «sumador medio».
Pero si miras el circuito a través de los ojos de Claude Shannon, notas que en verdad son un par de puertas lógicas. La bombilla del output debería encenderse cuando A o B (aunque no ambas a la vez) estén cerradas. Esto se conoce como una puerta «OR». Mientras que la bombilla de carga solo debería encenderse cuando tanto A como B estén cerradas. Entonces esta es la puerta «AND». Este circuito usa versiones eléctricas de operadores de Boole XOR y AND, y es posible construir otros operadores de Boole como puertas eléctricas para cosas como OR, NOR, y NAND.
Y te preguntarás ¿por qué es importante? Bueno, lo importante es que has engañado a un grupo de electrones para que hagan matemáticas por ti. Sí, es matemática muy simple, pero podrías conectar muchos de esos «sumadores medios» entre sí y construir circuitos más y más complejos que pudieran hacer matemáticas más complicadas. Eso es exactamente lo que Stibitz y sus colegas hicieron.
Dos años más tarde, construyeron el Modelo 1, que tenía más de 400 relés y podía sumar dos números de 8 dígitos en una décima de segundo. También podía multiplicar números de 8 dígitos y multiplicaciones de números complejos. Sin embargo, estas operaciones más complicadas llevaban más tiempo, alrededor de un minuto por cálculo.
