Historia de la electrónica

Radio. Televisión. Radar. Electrón. Uso. Desarrollo en Costa Rica. Fleming. Armstrong

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Introducción

Gracias a la electrónica se llevaron a cabo los descubrimientos científicos que tuvieron inmediata aplicación práctica y viceversa, las aplicaciones prácticas fomentaron la investigación científica para resolver diferentes problemas, lo cual a su vez abrió nuevos horizontes científicos.

Se reseña la curiosidad científica que ha tenido el hombre desde tiempos inmemoriales por las propiedades de la electricidad

El conocimiento científico de la electricidad dio lugar, inmediatamente, a aplicaciones tecnológicas importantes. Éstas incluyen al telégrafo, con el que el hombre pudo comunicarse por medios eléctricos, y a las máquinas eléctricas, o sea, motores eléctricos y generadores de electricidad. De esta forma, el hombre tuvo a su disposición fuentes de corriente eléctrica de gran intensidad, hecho que cambió drásticamente la vida, dando lugar a una revolución en la forma de vida de la humanidad, cuyas consecuencias fueron la iluminación eléctrica y el teléfono, entre otras.

Historia de la electrónica.

  • Nacimiento de la electrónica:

Como hacia el fin de siglo XIX ya se había inventado el micrófono, que transforma una señal acústica en una eléctrica. Por otro lado, ya se había inventado el audífono, aparato que transforma una señal eléctrica en una acústica. En este sistema las voces se distorsionaban mucho, la energía con que se emitía la onda era muy pequeña. Además, el hecho de que la fracción de energía que llegaba al receptor era muy pequeña, hacía difícil su funcionamiento para distancias grandes. La solución más satisfactoria fue lograda una vez que se inventó el tubo al vacío.

Desde el siglo XVIII algunos investigadores habían descubierto que si se calienta una superficie metálica, ésta emite cargas eléctricas. Sin embargo, fue Thomas A. Edison quien volvió a "desenterrar" este efecto en 1883, cuando trataba de mejorar su lámpara incandescente. Este efecto, que se llamó "efecto Edison", también recibe el nombre de termiónico. Fue el mismo Edison quien inventó un dispositivo en el cual la carga eléctrica emitida por la superficie metálica caliente (llamada cátodo) es recogida por otra superficie fría (llamada ánodo), lográndose de esta forma una corriente eléctrica. En la figura 1 se muestra cómo Edison construyó su dispositivo. Edison encerró los dos electrodos, el ánodo y el cátodo, dentro de un tubo de vidrio al vacío que también utilizaba para elaborar sus lámparas de iluminación.

Por otro lado, en el año de 1897 el físico inglés J. J. Thomson (1856-1940) descubrió la existencia de una partícula eléctricamente cargada, el electrón. Thomson demostró experimentalmente que el electrón tenía carga eléctrica negativa. En el año de 1906 Thomson recibió el Premio Nóbel de Física por su descubrimiento.

En 1899 J.J. Thomson estableció que las cargas que se liberaban al calentar la superficie metálica eran electrones.

En 1903 el físico británico John Ambrose Fleming (1849-1945) fue el primero en encontrar una aplicación práctica del efecto Edison. Fleming era asesor de una compañía telegráfica y le habían encomendado la tarea de encontrar un mejor detector de ondas electromagnéticas. L a compañía utilizó como detector de ondas un cohesor, no muy eficaz. A partir de 1900, en algunos diseños de receptores, se usaban cristales de galena o de pirita de hierro como detectores que por cierto fueron las primeras componentes de estado sólido empleadas en electrónica. Fleming recordó su trabajo anterior sobre el efecto Edison, y encontró una solución en este tipo de lámpara eléctrica.

El avance más importante en el desarrollo de la electrónica fue dado por el físico estadounidense Lee de Forest (1873-1961), en 1906, al introducir en el tubo al vacío un tercer electrodo reticulado, llamado rejilla, que permite el paso de electrones. Esta rejilla se coloca entre el cátodo y el ánodo, como se ve en la figura 2. De Forest llamó a su dispositivo audión, aunque más tarde se le llamó tríodo. Tuvo que trabajar con diferentes dispositivos antes de conseguir el tríodo. El tríodo lo hace incorporar la señal y amplificar su intensidad.

A partir de 1907, hasta 1912, De Forest trabajó en el diseño de un sistema de radio, muy rústico, el cual trató de vender a los aficionados de la radio y a las fuerzas armadas. También formó una compañía para poder competir con la ATT en comunicaciones de larga distancia. Su radio podía transmitir y recibir voces, pero no pudo conseguir que sus triodos amplificaran en forma confiable.

Hacia 1912 De Forest había alcanzado cierto control en el comportamiento del tríodo. Redujo la amplificación(el voltaje de la batería del ánodo). Esta reducción la compensó conectando varios triodos.

Así construyó un amplificador, De Forest propuso su venta a la ATT. Cuando De Forest hizo la demostración de su amplificador a la ATT en octubre de 1912, los físicos de la empresa, Harold D. Arnold, Frank Jewett y Edwin Colpitts inmediatamente se percataron de que ese sistema era lo que buscaban.

Dirigido por Arnold, la ATT inició un proyecto de investigación para entender y dominar los principios físicos del funcionamiento del tríodo y así poder construirlo eficazmente. En el transcurso de dos años Arnold y un grupo de 25 investigadores y asistentes de la ATT transformaron el débil y no muy confiable audión, en un amplificador muy potente y seguro. El tríodo así mejorado hizo posible que el servicio telefónico abarcara de costa a costa a Estados Unidos.

Otras compañías hicieron progresos significativos y la electrónica con tubos al vacío se desarrolló de manera impresionante de 1912 a 1932.

Durante la primera Guerra Mundial se usó mucho la radio y se construyeron tubos al vacío en grandes cantidades. Se utilizaron en 1915, en la radiotelefonía trasatlántica, para comunicar a Francia y Estados Unidos.

A principios de la década de 1930 se construyeron tubos al vacío con más elementos entre el cátodo y el ánodo; éstos fueron el tetrodo, el pentodo.

  • Desarrollo de la Radio.

Un elemento crucial para el desarrollo de la radio fue el oscilador. Este circuito fue inventado en 1913 por el físico estadounidense Edwin Howard Armstrong (1890-1954). Es un circuito basado en un tríodo, de cuya salida se toma una parte de la corriente que se vuelve a alimentar a la entrada del tríodo, formando un circuito de retroalimentación. El primer programa público de radio fue emitido en Inglaterra el 23 de febrero de 1920. Así nació radio.

En 1933 Armstrong inventó otro tipo de emisión de señales de radio: el de frecuencia modulada (FM).

La transmisión por FM, iniciada comercialmente en Estados Unidos en febrero de 1941, comparada con la amplitud modulada (AM), tiene la ventaja de que sus transmisiones no se alteran con las perturbaciones, ya sean atmosféricas o producidas por el hombre, que afectan la amplitud de la onda pero no su frecuencia. En el sistema de FM no se presenta el llamado fenómeno de "estática", que es un ruido sistemático que se oye en emisiones de AM.

La radio como la conocemos en la actualidad fue la creación de tres hombres: Lee de Forest, autonombrado "padre de la radio", cuya invención del tríodo hizo posible el nacimiento de la electrónica moderna; Edwin Howard Armstrong, inventor del circuito retroalimentador (y del oscilador) así como de la frecuencia modulada, que forman la base de la transmisión y recepción de los sistemas actuales de radio (y de televisión); finalmente, David Sarnoff, quien encabezó la Radio Corporation of America (RCA).

  • Desarrollo de Televisión.

Hace alrededor de un siglo, varias personas empezaron a considerar la posibilidad de enviar imágenes por medios eléctricos (o sea, lo que hoy en día hace la televisión). En 1884, el alemán Paúl Nipkow solicitó una patente para un sistema de televisión que él denominó "telescopio eléctrico". Este rústico aparato era dispositivo electromecánico que utilizaba una fotocelda para transformar luz en corriente eléctrica. La imagen no reproducía los detalles finos. Variaciones de este se diseñaron hasta 1930 sin que realmente tuviesen éxito.

En una reunión de la Sociedad Roentgen, efectuada en Inglaterra en 1911, el ingeniero eléctrico A. A. Campbell Swinton presentó un esquema de sistema de televisión, que es el que se usa en la actualidad. La escena que se desea transmitir se enfocaría sobre una placa hecha de material no conductor de electricidad, por ejemplo de mica, la cual se encuentra dentro de un tubo de rayos catódicos. Este tubo fue inventado a mediados del siglo XIX por William Crookes para estudiar las propiedades de las corrientes eléctricas a través de gases. Para el receptor, Campbell Swinton escogió un tubo de rayos catódicos diseñado en 1897 por Ferdinand Braun, de la Universidad de Estrasburgo, en ese entonces parte de Alemania. Este tubo, llamado cinescopio, es de vidrio al vacío y tiene en su fondo una pantalla de material fluorescente, como fósforo, que emite luz cuando un haz de electrones incide sobre él. 

A medida que el haz electrónico barre la superficie de la pantalla, ésta se va iluminando punto por punto. Esta fue una idea de Campbell Swinton que casi describe la actual tecnología de la televisión.

Campbell Swinton creó el diseño conceptual sobre el cual personas trabajarían. Fue Vladimir Zworykin (1889-1982), un ingeniero ruso inmigrado a Estados Unidos en 1919 quien construyó la primera cámara práctica. En 1924 mostró a la compañía Westinghouse una versión primitiva, pero que funcionaba. Las imágenes eran débiles y vagas, casi sombras. Los directivos de la empresa no se impresionaron tampoco cuando Zworykin les mostró una versión mejorada en 1929.

A quien sí impresionó Zworykin fue a David Sarnoff, director de otra compañía, la RCA Victor, quien creía en la promesa comercial de la televisión.

Zworykin fue contratado en 1930 por la RCA como director de investigación electrónica y en 1933 finalmente convenció a Sarnoff de que su cámara, a la que llamó iconoscopio (del griego iekon, imagen, y skopon, ver), y su cinescopio eran satisfactorios. Campbell Swinton había propuesto que fueran de rubidio, pero Zworykin descubrió que era mejor cubrir plata con óxido de cesio.

La RCA probó por primera vez un sistema completo en 1933. Transmitió imágenes de 240 líneas a una distancia de siete kilómetros en Colligswood, Nueva Jersey. Aumentaron el número de líneas; actualmente se usan 525. En 1938 la RCA tuvo listo un sistema de televisión en funcionamiento. Por problemas burocráticos el gobierno no aprobó la licencia de funcionamiento hasta julio de 1941. Durante los años de la segunda Guerra mundial, científicos e ingenieros dirigidos por Zworykin desarrollaron una cámara 100 veces más sensible que el iconoscopio, al terminar la guerra, la RCA reinició sus trabajos en el campo de la televisión.

  • El Radar y la Batalla de Inglaterra.

Desde principios de la década de 1980, tanto Gran Bretaña como Francia continuaban un programa muy importante de desarme que habían empezado la década anterior. Alemania, contraviniendo lo estipulado en el Tratado de Versalles inició, con el advenimiento del régimen nazi, un amplio programa de rearme. En pocos años se desarrolló un arma muy poderosa para su época, el bombardeo aéreo. O cada país desarrollaba un cuerpo de bombarderos aéreos, o se llevaba a cabo un desarme general. Gran Bretaña optó por esto último, pero no Alemania.

En la década de 1930 fue muy popular el concepto del rayo de la muerte: podía causar incapacidad física, mental y aun la muerte. Durante dicha década hubo buen número de personas que pretendieron haber inventado y construido dispositivos que producían diferentes tipos de rayos. Análisis mostraban que siempre había algún truco.

Se construyó un pequeño sistema acústico, que daría una señal cuando recibiera los sonidos producidos por los aviones, no era funcional ya que no distinguía entre el ruido producido por el atacante y otros sonidos, automóviles, animales.

H. E. Wimperis, jefe de Investigación Científica e Industrial del Ministerio, llamó al doctor Robert Watson Watt, físico y director del Laboratorio de Investigación de Radio y le preguntó sobre el prospecto de desarrollar algún rayo de la muerte. Watson Watt regresó a su laboratorio y propuso lo siguiente al doctor Arnold Wilkins, físico y ayudante suyo: calcule la cantidad de potencia de radiofrecuencia necesaria para elevar la temperatura de 4 litros de agua de 35.5º C a 41ºC a una distancia de 5 km y a una altura de 1 kilómetro. Su cálculo mostró que se necesitaba generar una potencia enorme era claro que no era factible un rayo de la muerte por medio de la radio.

Wilkins le dijo a Watson que los ingenieros de la Oficina de Correos se habían dado cuenta de perturbaciones en la recepción de muy altas frecuencias cuando algún avión volaba en la vecindad de sus receptores. Esta observación(enero de 1935) dio lugar al inicio de una serie de hechos que culminaron con la invención del radar.

Se inició la verificación experimental, que se encomendó a Wilkins, quien con su rudimentario equipo pudo detectar y dar la trayectoria que había seguido un avión.

Los primeros aspectos que resolvieron fue la presentación visual de la información recibida, emplearon un tubo de rayos catódicos . 

Se le hicieron muchas modificaciones para que pudiera detectar tanto la distancia a la que se encontraba un avión, sino también su altura. La mayor parte del sistema estaba completo en septiembre de 1938, cuando ocurrió la crisis de Munich.

Se instalaron en los aviones ingleses dispositivos electrónicos que al recibir la onda enviada desde tierra emitían a su vez una señal especial que los identificaba como amigos.

En agosto de 1939, tres semanas antes del inicio de la segunda Guerra Mundial, Gran Bretaña contó con un sistema de detección de aviones. Con ayuda del radar, los ingleses podían detectar la salida de los aviones alemanes desde sus bases situadas en países conquistados, como Francia y Bélgica.

  • Integración de chips, computadoras...

El transistor, se empezó a utilizar a finales de la década de 1940, se consideró en su época como una maravilla de lo compacto, comparado con el tamaño de los tubos al vacío. A partir de 1950 el tamaño de los dispositivos electrónicos se ha reducido. En 1960, se empezó a usar la palabra microelectrónica, un bloque (chip) de silicio de un área de 0.5 cm² podía contener de 10 a 20 transistores con varios diodos, resistencias y condensadores. Hoy en día tales bloques pueden contener varias docenas de miles de componentes.

A medida que la microtecnología electrónica se desarrolló, se aplicó a computadoras comerciales. Se diseñaron diferentes dispositivos portátiles como las calculadoras.

Cada componente que se usaba en un circuito electrónico estaba hecho de materiales que tuviesen las características requeridas para su funcionamiento. Se utilizó el tungsteno para los cátodos de un tubo al vacío, cerámica para condensadores, carbón para resistencias.

Hacia mediados de la década de 1950 se construyeron circuitos electrónicos en laboratorios industriales de dos compañías estadounidenses, Texas Instruments y Fairchild Semiconductor. De esta manera se han construido un sinnúmero de aparatos y dispositivos microelectrónicos que distinguen la época en que vivimos: relojes de mano, robots, microcomputadoras y otros.

Desarrollo de la electrónica en el mundo.

En computación, el hardware configurable, la computadoras ópticas y la computación molecular. En las computadoras ópticas haces de luz remplazan a las conexiones metálicas (de cobre). Estas serán de mayor capacidad, más rápidas, de menor consumo energético y ocuparan menos espacio.

En transporte terrestre, los trenes voladores MAGLEV ( Magnetically Levitated Vehicles), los automóviles eléctricos y electrónicos, y los automóviles inteligentes serán las tecnologías responsables del desplazamiento rápido y seguro de las personas. Los trenes voladores son vehículos que corren a velocidades cercanas a los 500 Km/h. Electroimanes de gran potencia se usan para generar las fuerzas de suspensión, conducción, tracción y frenado del tren. El tren japonés HSST con suspensión  magnética repulsiva, y el Transrapid alemán con suspensión magnética atractiva, son dos prototipos MAGLEV que en la práctica han demostrado que velocidades cercanas a los 500 Km/h son posibles.

En los automóviles eléctricos, los motores de combustión son remplazados por motores eléctricos alimentados por baterías recargables. Estos automóviles eléctricos son más eficientes (en términos de energía/distancia) y más limpios (no emiten gases contaminantes) que los vehículos con motores de combustión. Estos surgen como una respuesta necesaria a la contaminación ambiental y al agotamiento de las reservas mundiales de petróleo.

En los automóviles electrónicos, las conexiones mecánicas son remplazadas por cables eléctricos que conectan las diferentes partes del vehículo. Los automóviles inteligentes son vehículos capaces de cooperar con el conductor (copiloto automático) o capaces de asumir todas las funciones del conductor (piloto automático). Estos vehículos vendrán
equipados con sistemas de navegación basado en satélites (sistemas GPS), con video-cámaras para "ver", con micrófonos para "escuchar" y con
parlantes para "hablar".

Junto con los automóviles inteligentes se tendrán también las pistas inteligentes que se encargan de conducir vehículos sin la necesidad de un conductor. Las pistas inteligentes se han planteado como una solución a las insoportables congestiones de tránsito vehicular. El Sistema de Autopistas Automáticas de Alta Velocidad (Automated Highway System) que se viene desarrollando en California, EE. UU.
En el campo de las comunicaciones, las redes completamente ópticas se impondrán como la tecnología más eficiente para transmisiones intensivas en data (voz, fax, video) entre millones de terminales. En teoría una fibra óptica simple puede transmitir a una velocidad de 100 veces superior a la velocidad de transmisión en cables de cobre.

La tecnología láser ha evolucionado rápidamente desde su comienzo a mediados de 1950. El Sistema de Láser Aerotransportado (ABL) y Sistema Láser Basado en el Espacio (SBL) son precursores de una clase enteramente nueva de armamento. El aprovechamiento del láser para la desviación de escombros en orbita es algo está en investigación.

La desviación con láseres de asteroides, meteoritos, y cometas es probablemente la misión espacial internacional más importante para nuestro planeta: la Tierra, en el siglo que comienza. La Tierra ha recibido impactos varias veces en el pasado y recibirá impactos semejantes en el futuro.

Las máquinas inteligentes, los materiales inteligentes y el software inteligente serán una realidad considerando la gran rapidez que tendrán los futuros microprocesadores. Las máquinas inteligentes serán capaces de aprender, inferir, pensar, juzgar, memorizar, recordar y mejorar de manera muy similar a la del ser humano.

Los materiales inteligentes son aquellos capaces de modificar su estructura
interna de manera que no se dañen ante el efecto de sobrecargas (como terremotos).
Se tienen las cámaras y video-cámaras digitales (no más revelado de fotos), las cirugías laparascópicas computarizadas, los órganos artificiales, los robots que harán actividades del hogar e industrias. 

Desarrollo de la electrónica en Costa Rica.

En Costa Rica en realidad, la electrónica no ha tenido gran impulso debido a que nuestro país apenas se esta desenvolviendo tanto por motivos como poca facilidad para obtener recursos como la ausencia de herramientas que estimulen el desarrollo en esta área hasta ahora, el país se ha hecho participe en el desarrollo electrónico mundial.. También las futuras negociaciones que se esperan de Costa Rica con otras naciones puede provocar un mayor establecimiento de la electrónica en este país mediante el implante de nuevas empresas ya sea en telecomunicaciones o en otras campos.

El sector de industria electrónica en Costa Rica se ha mantenido en constante crecimiento y diversificación de sus productos, desde hace más de 30 años. Desde arrancadores para fluorescentes, dispositivos eléctricos, interruptores, hasta la manufactura de componentes electrónicos, como sensores sofisticados para aplicaciones médicas o industriales, equipo para telecomunicaciones y circuitos modulares entre otros.

Enfocada la producción a segmentos específicos de mercado, por la diversidad de modelos y partes necesarias para cada uno de los productos, así como el desarrollo de exhaustivas pruebas de laboratorio para garantizar la funcionalidad de las partes, convierten al país en un excelente destino para el establecimiento y desarrollo de estas nuevas empresas de alta tecnología como lo son Intel, Racsa, ICE, u otras. Además el establecimiento de carreras como ingeniería electrónica , eléctrica y técnicos electricistas en entidades como la UCR ,el ITCR y el INA.

Ventajas y Desventajas del uso de la electrónica.

Ventajas

Desventajas

  • La igualdad entre hombres y mujeres se daría, igualdad de oportunidades, no habría trabajo que solo se ajuste para un solo sexo.

  • Vida más fácil.

  • Mayor calidad y esperanza de vida.

  • Mayor eficacidad en industrias.

  • Mayor control de problemas y amenazas.

  • Se evitarían errores que se dan tanto en la medicina como en otras áreas.

  • Los estudios de protección y preservación de la naturaleza tendrán mejores herramientas para protegerla.

  • Uso de esta tecnología en la agricultura favorece un mayor control de plagas.

  • Facilidad en la extracción de recursos.

  • Búsqueda de fuentes de energía y aprovechamiento al máximo de esta.

  • Si cae en manos irresponsables será una amenaza para la humanidad.

  • Los jóvenes se van haciendo muy dependientes a esta tecnología.

  • Decaería la innovación debido a la falta de creatividad.

  • Una sola falla en la elaboración de equipos provocaría serios daños.

  • Los equipos tienen que ser supervisados.

  • Solamente favorecería a personas con alto nivel intelectual.

  • Los empleos se reducirían.

  • La especie tenderá a reducirse.

  • Podría haber contaminación con desechos energéticos.

  • Lo anterior desencadenaría catástrofes virus u otros problemas como sobrecalentamiento de la tierra.

Usos comunes de la electrónica.

  • Automatización de oficina.

  • Equipo para telecomunicaciones .

  • Circuitos modulares.

  • Microcomputadoras

  • Robots.

  • Instrumentos médicos.

  • Equipo de control y seguridad.

  • Transmisión de datos.

  • Sensores para aplicaciones industriales.

  • Equipo de pruebas.

Conclusiones

El ser humano ha hecho una travesía a lo largo del desarrollo del electromagnetismo, en la época que existía una absoluta curiosidad científica por los fenómenos naturales, hasta llegar a la actualidad, en donde es parte sustancial de una poderosa industria tecnológica internacional. La industria electromagnética fue la primera que se desarrolló a partir de bases completamente científicas.

Se ha descrito con detalle la relación que se ha dado entre el trabajo científico, que consiste en el descubrimiento y estudio de los fenómenos naturales, y la tecnología, que da lugar a la aplicación práctica de los conocimientos obtenidos por la ciencia. Esta relación no es ni directa ni lineal, ya que una vez que se intenta hacer alguna aplicación, en la mayoría de los casos resulta que se presentan problemas de diversa índole que requieren más investigación, lo que a su vez mejora la tecnología. Por tanto, esta retroalimentación ha inducido mejores productos, y ha motivado investigaciones científicas que han abierto nuevas ventanas sobre el misterio de la naturaleza.

Una característica importante que ha ayudado al progreso de la rama electromagnética es la existencia de laboratorios industriales, que también existen en otras ramas científico-tecnológicas. Podemos afirmar que una característica de los países más avanzados es que poseen laboratorios industriales.

En la actualidad no podríamos imaginarnos vivir sin electricidad. La historia de la electrónica constituye una lección de grandes proporciones sobre el desarrollo de la humanidad.

Bibliografía

Anexos

Historia de la electrónica

Figura 1 Dispositivo ideado por Edison. (diodo).

Historia de la electrónica

Figura 2 Forma del tríodo construido por  De Forest, quien lo llamó audión.

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