Continuando con nuestra serie de entradas sobre física y telecomunicaciones toca ahora el turno a las válvulas de vacío, componente fundamental para la amplificación de la señal telefónica a larga distancia hasta la generalización del transistor de estado sólido, además de otras aplicaciones para telecomunicaciones como radiodifusión, televisión, radar, así como en los primeros ordenadores.
El objetivo de esta entrada no es describir las válvulas de vacío, salvo cuestiones básicas, ni los diferentes tipos existentes, ni su historia, cuya información podéis obtener, por ejemplo, de la entrada correspondiente en la Wikipedia en español (válvula termoiónica), o mejor en la de Wikipedia en inglés (Vacuum tube), además de otros textos que os incluiremos más adelante. El objetivo es mostrar cómo la Física influyó en el origen y desarrollo de las válvulas de vacío y sus aplicaciones en telecomunicaciones, así como el protagonismo de algunos científicos o ingenieros, muchos de ellos físicos, en dicho desarrollo. De esta forma seguimos completando la serie de entradas sobre Física y Telecomunicaciones (tenéis al final la relación de entradas anteriores sobre el asunto).
Las válvulas se empezaron a implantar en las redes telefónicas en los años 1910 y se generalizaron a partir de los años 1920 hasta su sustitución progresiva por los transistores de estado sólido desde los años 1950. El origen de las válvulas de vacío está asociado al descubrimiento del efecto termoiónico, que inicialmente se denominó efecto Edison. Este efecto consiste en la liberación de electrones de un electrodo al calentarse (un electrodo es un conductor eléctrico utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito).
El motivo de asignar el nombre de Edison a este efecto se debe a que fue Thomas Alva Edison el que profundizó en el fenómeno, pero realmente ya habían trabajado anteriormente otros científicos, principalmente el físico y químico británico Frederick Guthrie.
También el nombre de efecto Edison se debe a que, de alguna manera, el famoso inventor estadounidense se apropió como único descubridor, aunque sí se puede afirmar que fue Edison el que “redescubrió” este efecto en 1880, llevándolo a la práctica más adelante para varias aplicaciones. Ahora bien, el trabajo de Edison al respecto no fue tanto producto de la física o ciencia teórico-experimental como de una labor de ensayo y error, propia de un tecnólogo, lo que por supuesto no le resta mérito, en el marco de sus investigaciones experimentales sobre las bombillas, o lámparas incandescentes, en concreto mientras analizaba el motivo por el que se rompían los filamentos de las lámparas y por qué se oscurecían los cristales contenedores de la bombilla, que se ahumaba cerca de uno de los terminales del filamento.
Sea como fuere, la realidad es que los resultados iniciales de Edison, insisto en que anteriormente otros ya lograron explicaciones similares al mismo efecto, llamaron la atención de varios ingenieros eléctricos. Uno de ellos, el físico e ingeniero británico John Ambrose Fleming – que trabajaba para la Marconi Company- pudo demostrar que las partículas emitidas por el filamento eran iones con carga negativa, y más adelante se comprobó que en realidad eran electrones, además descubrió que ese tipo de lámparas, bajo el efecto termoiónico, podían utilizarse como detectores de ondas de radio de alta frecuencia
Tomas Edison, Frederick Guthrie y John Ambrose Fleming
Con toda su experiencia Fleming logró construir un diodo de válvula de vacío en 1905, patentado por la Marconi Company, pero no se consiguió que funcionara adecuadamente.
Válvulas diseñadas por Fleming
Radio de válvulas de Marconi Com
Más tarde el ingeniero eléctrico e inventor estadounidense Lee de Forest sí pudo construir en 1906 un tríodo de válvula de vacío con resultados prácticos. [Ver nota al final: diodos, triodos, tetrodos, pentodos].
Lee de Forest y triodo de 1906
Simultáneamente, el físico austriaco Robert von Lieben estaba trabajando también sobre válvulas, de forma independiente y sin tener conocimiento de los trabajos que se venían desarrollando en EEUU, llegando desde 1910 a construir diodos y triodos en base a válvulas que se utilizaron como amplificadores en telefonía. Antes ya había patentado un triodo como amplificador pero muy poco eficiente. Esos primeros dispositivos, tanto las de von Lieben como los de Fleming no eran realmente válvulas totalmente vacías, operaban con restos de gases que se creían necesarios para su correcto funcionamiento.
Robert von Lieben y válvula de Lieben-Reisz-Straus (Museo Alemán de la Tecnología)
Fue más tarde, en 1912, cuando un joven físico estadounidense, Harold Arnold, quien hizo el doctorado con Millikan y que trabajaba para la AT&T, presentó un triodo, ya sí completamente vacío, para lo que se utilizó una de las bombas de vacío inventadas por el alemán Wolfgang Gaede en un proceso, el del vaciado, muy complejo. Este triodo se pudo mejorar para construir amplificadores realmente eficientes. El motivo de que se investigara la consecución del vacío vino desde un estudio teórico del químico-físico estadounidense Irving Langmuir, que desde 1909 trabajó para General Electric. Este estudio teórico de Langmuir partió a su vez de los análisis teóricos de dos grupos: por un lado, del físico alemán Walter Schottky y por otro del físico británico Owen Willans Richardson. Precisamente este último recibiría el Premio Nobel de Física en 1928 por sus trabajos teóricos sobre el efecto termionómico y por la ley que lleva su nombre, Ley de Richardson. Richardson aplicó la teoría de bandas de la Física Cuántica (ya hablamos de esta teoría en la entrada sobre el transistor) a las emisiones termoiónicas, llegando a una ecuación matemática que daba cuenta de la dependencia exponencial de la corriente de un alambre caliente en función de la temperatura de dicho alambre. Se puede acceder a la conferencia de obtención del premio Nobel en el siguiente enlace: Thermionic phenomena and the laws which govern them.
De izquierda a derecha Irving Langmui, Harold Arnold, Walter Schottky y Owen Willans Richardson
Las investigaciones que llevaron a cabo casi simultáneamente científicos de AT&T y General Electric supusieron un importante conflicto de patentes entre ambas empresas (esto se explica muy bien en el artículo de José Carlos Gambau, “La invención del triodo amplificador: la válvula Fleming, el audión y la válvula Lieben”, BIT, n.º 167, 2008, estando disponible un texto más ampliado aquí )
Las primeras válvulas para uso en repetidores de señal se usaron en 1913 en la línea telefónica Nueva York-Washington, y ya en 1915 entre Nueva York y San Francisco. En una de las ceremonias de presentación de la válvula amplificadora estuvo presente el físico Robert Millikan (recordemos que fue el director de tesis de Harold Arnold) y muchos años después, en su autobiografía, expresó la importancia del evento de la siguiente manera, muy reveladora:
«A partir de esa noche, el electrón -hasta entonces básicamente un juguete de científicos- había entrado sin duda en el campo como un potente agente en el suministro de las necesidades comerciales e industriales del hombre […] La válvula electrónica amplificadora es ahora el cimiento en la totalidad del arte de comunicaciones, y esto a su vez es, al menos en parte, lo que ha hecho posible su aplicación a una docena de otras artes. Fue un gran día tanto para la ciencia como para la industria, cuando quedaron enlazadas mediante el desarrollo del tubo amplificador electrónico».
(The autobiography of Robert A. Millikan, 1951, pág. 119. En un capítulo del libro habla bastante sobre todo el asunto de la importancia de las válvulas y la amplificación en telefonía, en concreto desde las páginas 116 a 119, os dejamos aquí accesible el capítulo completo “Extracurricular Activities at Chicago”)
Patentes de válvulas de 1905
Por último, os recordamos las entradas anteriores sobre la relación entre la física y las telecomunicaciones:
- Física Teórica y Telefonía
- Física y telefonía: el transistor
- Física y Telecomunicaciones: los relojes atómicos
- Física y Telecomunicaciones: Relatividad y GPS
Próximamente publicaremos dos entradas más de esta serie, sobre la fibra óptica y sobre los premios Nobel de física relacionados con telecomunicaciones
Además, os dejamos aquí en pdf el epígrafe del libro de Kragh citado, “Electrones trabajando II: válvulas de vacío” (En su momento consultamos a la editorial Akal, la que editó el libro, solicitando permiso para publicar aquí algún capítulo y nos contestaron que el libro estaba descatalogado y ellos ya no tenían los derechos, por lo que entendemos no hay ningún problema en colgar epígrafes de este libro).
Más información útil y curiosa en los siguientes enlaces:
- Antiguos instrumentos del laboratorio de física de la Universidad de Salamanca. Válvulas de vacío
- Vacuum Tubes in Wireless Communication – Bucher 1918
- Vacuum_Tubes_In_Telephone_Work_Jan26_tci
- https://www.telecom-milestones.com/vacuum-tubes-history
- Necrológica – Biografía de Harold de Forest Arlnold en Bell Laboratories Record 1933
Nota: Diodo, Triodo, Tetrodo y Pentodo
Había varios tipos de elementos a válvulas con funciones electrónicas: los más conocidos son el diodo, el triodo, el tetrodo y el pentodo:
Diodo: Es tubo de vidrio al vacío con dos electrodos (conductores en contacto con el vacío, medio a través del que se cierra un circuito): el cátodo y ánodo. El primero es un filamento que se mantiene incandescente y puede emitir electrones térmicamente. El ánodo se mantiene a temperatura ambiente, con un potencial positivo respecto al cátodo). Los electrodos se conectan a una fuente de diferencia de potencial eléctrico, de forma que los electrones emitidos termoiónicamente por el cátodo se aceleran hacia el ánodo, creando así una corriente electrónica. bajo la acción del campo eléctrico. Su función es la de un semiconductor, al permitir pasar la corriente en un sentido pero no en el contrario.
El símbolo es
Triodo: Es como el diodo pero con tres electrodos en el interior de la válvula, un cátodo, un ánodo y una rejilla en medio. Su funcionalidad es la de amplificación de la señal.
Tetrodo: Es como un triodo pero con dos rejillas, lo que mejora la amplificación al disminuir, con el sistema de dos rejillas, el efecto condensador que se producía. Aun con esto, seguía habiendo problemas, lo que dio origen por un lado al tetrodo de haz rígido y por otro al pentodo. Lo inventó Walter H. Schottky para la empresa alemana Siemens & Halske en 1916, aunque en años siguientes se continuó desarrollando para mejorar las prestaciones de amplificación en alta frecuencia.
Pentodo. Otro tipo de válvula termoiónica formada por cinco electrodos, con tres rejillas. El sistema de tetrodo creaba también una emisión secundaria en la placa y con el pentodo se mejoraba la amplificación en altas frecuencias. Lo inventaron en 1926 los neerlandeses Gilles Holst y Bernardus Tellegen, que trabajaban para la empresa Philips.
Nota adicional. De una lectura atenta de todo lo anterior se pueden comprobar inconsistencias en las fechas de invención y/o desarrollo de los diferentes tipos de elementos. El motivo es porque, realmente, hay mucha confusión con la prioridad de las invenciones de este asunto, además de que muchos desarrollos se estaban realizando simultáneamente en varios países. La información de esta nota sobre los diferentes tipos de válvulas electrónicas (diodo, triodo, tetrodo, pentodo) la he obtenido exclusivamente de Wikipedia, pero para algunas fechas he tenido que recurrir a la wikipedia en inglés e incluso en alemán (en este caso haciendo uso de la traducción automática del navegador).
Historias de la telefonía y las telecomunicaciones en España 
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