24 02 2024

La Curiosa Historia de las Computadoras Iniciales: ¡Hechas de Bombillas!

La era moderna de lo electrónico

La era moderna de lo electrónico 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.

La observación de 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 emitía luz y calor, sino también electrones. Puedes pensarlos como si salieran de la superficie en hervor del carbono. Este fenómeno, conocido como emisión termo iónica, había sido descubierto independientemente por otros científicos 27 años antes, pero luego de Edison, se hizo ampliamente conocida. De hecho, por un tiempo, la emisión de electrones de un filamento caliente fue llamada el efecto Edison.

La invención de la válvula de una mano

Estos electrones que flotaban dentro 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 pasaban flotando y se estrellaban con el vidrio, cambiando con el tiempo. Solamente el color del lado positivo debería aclarar que Edison usaba electricidad de corriente continua. Si hubiera usado corriente alterna, los dos lados cambiarían su color.

El desarrollo de la válvula termo iónica

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.

El nacimiento del diodo termo iónico

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.

La evolución hacia los tubos de vacío

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, podías convertir corriente alterna en un tipo accidentado de corriente continua, pero combinar varios diodos y un condensador llevó a una corriente continua bastante constante. 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.

La invención del triodo y su impacto

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, pero su producto binario significa que es incapaz de amplificar las señales complejas y analógicas de llamadas telefónicas y ondas de radio. Y por eso fue un descubrimiento tan importante.

La invención del triodo y su impacto

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 grilla de cables y fue posicionada entre el filamento o cátodo y el ánodo. Por sus tres electrodos, fue llamado un triodo. Si la grilla tuviera una leve carga negativa, repelería electrones del filamento para que ninguno pudiera fluir a través del ánodo. Pero si la grilla tuviera una leve carga positiva, los electrones serían atraídos hacia la dirección opuesta del filamento y la mayoría pasaría a través de los espacios de la grilla y acelerarían hacia el ánodo. De esta forma, un pequeño cambio en el voltaje de la grilla podía controlar mucho voltaje en el ánodo y la respuesta es rápida, así que puedes obtener una alta amplificación de frecuencia.

La revolución de los tubos de vacío

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. Los tubos de vacío siguieron revolucionando la electrónica. Los filamentos siempre tenían que ser calentados, así que usaban mucha energía, incluso cuando no eran usados, y eran grandes. Era difícil hacer un tubo de vacío de vidrio con electrodos complejos dentro arbitrariamente pequeño. También eran poco confiables; en promedio, un tubo de vacío de la ENIAC se rompía cada algunos días y necesitaba ser ubicado y reemplazado. El tiempo más largo que la ENIAC funcionó sin fallas fue de tan solo 116 horas. Las primeras computadoras digitales funcionaban con bombillas mejoradas, por eso eran tan enormes, poco confiables y consumían tanto.

El futuro de la electrónica

El milagro y lo que hizo nuestras vidas modernas posibles es que alguien halló la forma de hacer el mismo truco con los electrones dentro de una pieza de material sólido, el silicio. Pero esa es una historia para otro día.