Emisión Termoiónica y Lee De Forest

agosto 9, 2023 on 5:20 pm | In colección, hist. fotografía, radio, tv y vídeo, hist. informática, hist. sonido y música electrónica, hist. telecomunicaciones | No Comments

Adolfo García Yagüe | Alguien puede pensar en la razón por la que una bombilla está entre las piezas de la colección. Bien, antes de nada, permitirme recordar que fue inventada por Thomas Alva Edison (1847-1931) y presentada en 1879. El ejemplar de la colección es un modelo mejorado que se comercializó bajo la marca Edison General Electric entre los años 1893 y 1900. Aquellas primeras bombillas tienen un filamento de bambú-carbón o, como la nuestra, de celulosa-carbón. En ambos casos, como podéis observar, tras el uso, en su interior acumulan un característico color negruzco.

La investigación de la causa de esta degradación ocupó la atención de Edison, quién trabajaba sobre la idea de que algún tipo de partícula era emitida por el filamento de carbón mientras este permanecía incandescente. No le faltaba razón, y hasta que no se empezaron a comercializar filamentos de tungsteno, el problema persistió. En cualquier caso, mientras trabajaba en evitar dicho oscurecimiento, ideo una bombilla a la que añadió en su interior una lámina de metal con la esperanza de que ésta atrajera las partículas que “ensuciaban” la bombilla y, a continuación, conectó esta plaquita a una batería.

Edison no consiguió eliminar el oscurecimiento, pero en cambio, apreció que al conectar un galvanómetro a la plaquita se identificaba un flujo de corriente. Edison no supo explicar científicamente aquel fenómeno, pero, como buen inventor, patentó lo que acaba de descubrir que fue conocido como Efecto Edison. Años más tarde, en 1901, Owen Williams Richardson (1879-1959) explicó la base científica de aquel fenómeno al que denominó Emisión Termoiónica y, según el cual, un cuerpo pierde electrones cuando aumenta su temperatura (filamento incandescente). En reconocimiento a sus trabajos Richardson obtuvo el Nobel de Física de 1928 y, en el caso que nos ocupa, aquellos electrones viajaban a través del vacío existente en la bombilla hasta un ánodo, es decir, la plaquita metálica conectada a la batería.

Diodo Termoiónico
Mientras esto sucedía, John Ambrose Fleming (1849-1945), promitente físico británico y profesor del University College, además de ser un colaborador esencial en los primeros años de la Marconi Wireless, dirigió su atención a las citadas experiencias de Edison por el hecho de que la corriente solo circulara en un sentido a través del interior de las bombillas, es decir, se producía un fenómeno de rectificación o, dicho de otra forma, si aplicábamos una tensión alterna solo circulaba un semiciclo. Esta capacidad de rectificación, que tiene una aplicación evidente en la conversión de tensión alterna a continua, podía ser empleada en la detección de señales de radiofrecuencia.

Las experiencias de Fleming, junto a la comprensión y explicación del fenómeno termoiónico, le condujeron a la invención en 1904 del Diodo Termoiónico o Válvula de Vacío, que -como en una válvula convencional- la corriente solo circula en un sentido.

Detección de radio y señales portadoras
Desde los primeros pasos de la Telegrafía sin Hilos (TSH) la detección de radiofrecuencia se venía haciendo con el cohesor de Branly (1890) y, posteriormente, con el detector magnético de Marconi (1902) (diagrama 7). Ambos detectores demostraron su eficacia en TSH pero no eran adecuados para la recepción de voz. En cambio, el detector Barretter (1902) de Reginald Aubrey Fessenden (1866-1932), el detector electrolítico (1903) (3B), también de Fessenden, o el Tikker (1909) (4) de Valdemar Poulsen (1869-1942) permitían extraer una señal de voz de una portadora continua. Portadora que, dicho sea de paso, era generada en la estación emisora mediante el Arco de Poulsen, también inventado en 1903 por Poulsen y se inspiraba en los viejos transmisores de chispa de telegrafía. Años más tarde, en 1906, gracias a Ernst Frederick Werner Alexanderson (1878-1975) se empezarían a usar gigantescos alternadores capaces de producir ondas portadoras de 50000 Hz y potencias de hasta 200Kw.

El diodo termoiónico (diagrama 5), así como otros detectores basados en cristales semiconductores como la galena (1), la pirita (1) o el carburo de silicio (2 y 3A), se hicieron un hueco en la recepción de señales de radio durante los primeros años del siglo XX, pero ninguno ofrecía una mejora decisiva pues carecían de la sensibilidad necesaria en comunicaciones de larga distancia. También pensemos que la señal de audio extraída era prácticamente inaudible y su volumen dependía de la potencia de la señal emitida y de las características de la antena receptora. Es decir, no aportaban ningún tipo de amplificación.

Lee De Forest y el Triodo Termoiónico
Era evidente el potencial que suponía la trasmisión inalámbrica de voz, más aún con la Primera Guerra Mundial a la vuelta de la esquina. Por otra parte, la industria musical ya mostraba sus garras por lo que era fácil imaginar formas de entrenamiento alrededor de la difusión a distancia de música y voz. Por último, y no menos importante, las redes de telefonía estaban creciendo rápidamente en todas las ciudades, evidenciando así, que la comunicación remota y estable a través de la voz era una necesidad para muchos ciudadanos. Estas consideraciones estimularon el ingenio de cientos de inventores en la carrera por patentar un sistema de amplificación y de detección radio eficiente, entre ellos se encontraba Lee De Forest (1873-1961).

De Forest tuvo una vida propia de un telefilm: creció en Alabama y en los primeros años se educó en una escuela, fundada por su padre, abierta a ambos sexos, raza y confesión religiosa. Es decir, fue educado en un “ambiente libre” de prejuicios raciales lo que favoreció su amistad con gente afroamericana a la vez que era rechazado por los blanquitos de su comunidad. Desde temprana edad mostró su inquietud por ser inventor y logró encauzar su carrera hacia la Escuela Científica Sheffield, de la Universidad de Yale. No fue un alumno brillante y terminó siendo expulsado de la institución a raíz de varios incidentes técnicos que provocó en el alumbrado eléctrico de la Escuela, aun así, no cejó en su objetivo: alcanzar la fama a través de sus futuros inventos. En sus primeros años profesionales, ávido de financiación, fue un poco vende humos y se vio envuelto en varias demandas. A lo largo de su vida se arruinó tres veces y se casó en cuatro ocasiones. Su segunda esposa fue su asistenta de laboratorio y reconocida sufragista Nora Stanton Blatch Barney (1883-1971) quien, al año de casarse, solicitó el divorcio porque De Forest le pedía reiteradamente que abandonara su profesión y se dedicara a las tareas domésticas.

A pesar de estos vaivenes obtuvo 300 patentes, entre las que se encuentran dos que son clave en esta historia. La primera, cuyo número es 841.387 y con fecha de 1907, describe un dispositivo para amplificar corrientes eléctricas débiles. Meses más tarde, bajo la patente 879.532, perfecciona la anterior y presenta un dispositivo para la detección de radiofrecuencia y amplificación. Es decir, el Triodo Termoiónico o, como él lo bautizó, el Audion (diagrama 6).

A simple vista un triodo puede parecer similar a un diodo y, aunque el principio de funcionamiento de ambos se basa en la emisión termoiónica descrita por Richardson, el detalle constructivo es diferente. Diodo y triodo comparten un filamento que, al calentarse, emite iones. En el diodo estos iones (con carga negativa) viajan hasta una placa con polaridad positiva. En cambio, en el triodo, entre filamento y placa, existe una rejilla en la que variando su voltaje entre positivo y negativo logramos controlar el flujo de más o menos electrones hacia la placa.

Este funcionamiento, aparentemente sencillo, ofrece infinitas posibilidades en unión de otros componentes electrónicos para formar circuitos de amplificación, modulación y demodulación de radiofrecuencia, la construcción de osciladores, operaciones binarias y un largo etcétera.

Gracias al Audion la notoriedad de De Forest iba en aumento. En 1908, durante su viaje de luna de miel con Nora Stanton a París, lo aprovecharía para instalar en la Torre Eiffel un transmisor con el que se logró emitir música de fonógrafo a una distancia de 800 Km. Entre estos hitos también hay que recordar que en 1910 realizó la primera transmisión radiofónica de una ópera en directo y, seis años más tarde, en lo que se considera la primera transmisión de noticias por radio, anunció los resultados de las elecciones presidenciales. Por otra parte, en aquella misma década, AT&T (American Telephone and Telegraph Corporation) se interesó por las prestaciones de amplificación del Audion y en 1912 se hicieron ensayos en líneas telefónicas de larga distancia. Desafortunadamente, el Audion no demostró un comportamiento adecuado por lo que esta compañía, a través de su filial Western Electric, empezó a trabajar en el diseño de un triodo propio haciendo hincapié en el grado de vacío interior necesario para obtener una amplificación satisfactoria.

A partir de aquí la vida de De Forest se complicó un poco más porque acababa de abrir la puerta de la Era de la Electrónica. Recordemos que él era una persona de taller y gran parte de su trabajo se basaba en la prueba y error, sin un profundo análisis científico que permitiera entender y perfeccionar un resultado.  Con este perfil de inventor clásico intentó hacerse un hueco en un mundo que ya empezaba a estar dominado por grandes compañías con recursos infinitos, como General Electric, AT&T, RCA, Westinghouse y Marconi Wireless, entre otras. Así paso, sus patentes europeas expiraron porque no pudo hacer frente a los pagos de renovación; sus audiones carecían de fiabilidad porque el proceso de fabricación industrial no era eficiente; se vio envuelto en repetidas disputas legales con Fleming por la originalidad de su invención; malvendió parte, y luego la totalidad, de los derechos de sus patentes a Western Electric para contar con liquidez financiera y ya, para colmo de complicaciones, se enredó legalmente contra las aplicaciones que otros inventaban en torno al Audion, como la del circuito de realimentación regenerativa patentado en 1914 por Edwin Howard Armstrong (1890-1954). Aquella disputa, que se extendió durante 12 años, pone de manifiesto como estos litigios arrastraban hacia la ruina y el agotamiento a ambas partes.

Con la Primera Guerra Mundial en curso cabría esperar que el uso del Audion de De Forest fuese determinante al permitir la trasmisión a distancia, especialmente con las primeras aeronaves de la historia. No fue así porque los ejércitos Aliados no tardaron en darse cuenta de la pobre fiabilidad ofrecida por estos triodos en condiciones de campaña. Para reconducir esta situación, el coronel francés Gustave-Auguste Ferrié (1868-1932) junto a Henri Abraham (1868–1943), François Péri y Jacques Biguet diseñaron y organizaron en tiempo récord la producción masiva del triodo TM (Télégraphie Militaire) que demostró ser un éxito haciendo posible las primeras comunicaciones a distancia entre tropas, aeronaves y puestos de mando.

A diferencia de otros inventores que pasaron sus últimos años en el olvido, De Forest recibió en 1922 la medalla de honor del IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), la Elliott Cresson en 1923, la Legión de Honor francesa y la medalla Edison, entre otras distinciones. Además, su nombre entró en el Salón de la Fama de los Inventores y cuenta con una estrella en el Paseo de la Fama de Hollywood. En 1950 Lee De Forest llegó a publicar su autobiografía bajo el título Father of Radio y, en reconocimiento a su legado, un cráter de la cara oculta de la Luna lleva su nombre.

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