Láser

Los trabajos teóricos de Albert Einstein, complementados por los de Paul Dirac, previeron la existencia de una tercera forma en que un átomo puede intercambiar energía luminosa.

a) Un átomo, al recibir energía, permite que un electrón cambie a una órbita superior. Al volver a su nivel original, emite un fotón (Emisión espontánea).

b) Un átomo puede recibir la energía de un fotón, por lo que éste desaparece (Absorción).

c) La tercera posibilidad implica que un fotón llega hasta un átomo previamente activado, induciéndolo a emitir un fotón, por lo que llega uno y salen dos de ellos (Emisión estimulada).

En la Enciclopedia Salvat de Ciencia y Técnica aparece: La emisión estimulada se produce cuando un átomo, en un estado excitado, es bombardeado con fotones de frecuencia exactamente igual que la del fotón que emitiría el átomo si cayera desde el estado excitado a un nivel de energía más bajo. Cuando esos fotones alcanzan el átomo, éste emite su propio fotón que naturalmente es idéntico al que lo ha alcanzado, y se produce la emisión estimulada. Además, los dos fotones viajan en la misma dirección y están totalmente en fase.

Cuando uno de esos dos fotones choca contra otro átomo excitado, se emite un tercer fotón. Esta reacción en cadena se produciría mientras haya átomos del tipo necesario en estado excitado, y emitirá mucha luz, toda de la misma frecuencia y fase.

La palabra “laser” proviene de “Light Amplification by Stimulated Emisión of Radiation”, es decir, “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación”.

Amplificador operacional

Así como el circuito integrado posibilita el rápido desarrollo de la electrónica digital, también favorece el desarrollo de la electrónica lineal. La primera procesa información codificada mediante dos estados eléctricos posibles, mientras que la segunda lo hace con magnitudes eléctricas que aceptan un cambio continuo.

El amplificador operacional, que ya se había realizado con válvulas termoiónicas, es un amplificador de elevada ganancia. Si a este tipo de amplificador se lo realimenta negativamente, se observa que su ganancia depende enteramente del lazo de realimentación. Como este lazo se puede lograr con resistencias, se puede controlar la ganancia en un forma muy simple.

El nombre “operacional” deriva de su utilización en computadoras analógicas, siendo en la actualidad la célula básica de los circuitos lineales. Además, la computadora digital, mediante aproximaciones numéricas, permite realizar simulaciones de sistemas regidos por ecuaciones diferenciales lineales en forma más eficaz en que lo hacen las computadoras analógicas.

Microprocesador

Una de las metas que tienen los fabricantes de circuitos integrados, en la década de los sesenta, es construir con un solo chip una calculadora digital. En 1969, la empresa japonesa Busicom solicita a Intel la realización de un chip con esa característica. Asignan el trabajo de diseño a Marcian E. Hoff, quien introduce una innovación interesante.

En electrónica digital, un objetivo se logra mediante dos caminos posibles: realizando un circuito de cierta complejidad, con poca, o ninguna programación (mucho hardware, poco software), o bien realizando un circuito muy simple con bastante programación (poco hardware, mucho software). La idea de Hoff consistió en tomar en cuenta la segunda alternativa, haciendo un circuito secuencial programable, con funciones similares a las de una computadora.

El 15 de noviembre de 1971 aparece el primer microprocesador, el 4004, de Intel. En un comienzo se lo denominó “ordenador microprogramable de un chip”. En 1972 se lo comienza a denominar en la forma actual.

Entre los factores que favorecieron la aparición del microprocesador, aparecen (según E. Braun y S. Macdonald):

I) El éxito de la calculadora ya había llevado a la industria a tomar el camino de lo digital.

II) La tecnología MOS (Metal óxido semiconductor) había avanzado muchísimo, con densidades crecientes y bajo consumo de potencia. Este factor fue de importancia decisiva, pues sin la posibilidad de poder poner al menos 2.000 componentes en un chip, toda la idea del microprocesador hubiera sido absurda.

Circuitos integrados

Un circuito integrado es un dispositivo en el que las funciones de varios componentes discretos (transistores, diodos, resistencias, etc.) son fabricados en una pieza única de material semiconductor. Jack Kilby, de la Texas Instruments, había mostrado que en un mismo chip de semiconductor podían hacerse componentes separados, mientras que Robert Noyce, de la Fairchild, mostró unos meses más tarde el proceso por el cual estos componentes podían ser fácilmente conectados. Kilby recibe posteriormente el Premio Nobel de Física, en una época en que Noyce ya había fallecido, posiblemente por fumar excesivamente. Jack Kilby expresó: A diferencia del invento del transistor, éste era un invento con relativamente pocas implicaciones científicas. Ciertamente, en aquellos años, ahora y siempre, podrías decir que contribuía muy poco al pensamiento científico. (Citado en “Revolución en miniatura”).

Antes de la aparición de los circuitos integrados, existía una aplicación definida (radiorreceptor, televisor, por ejemplo) y la habilidad del diseñador consistía en hacer el mejor circuito que cumpliera con la aplicación previamente establecida. Cuando aparecen los circuitos integrados, la habilidad del diseñador radica en su capacidad para prever nuevas aplicaciones de circuitos previamente fabricados.

Televisión

La palabra televisión significa “visión a lo lejos” y ha sido uno de los grandes logros de la inventiva humana. Muchos son los inventores y científicos que hicieron aportes para su realización. En el siglo XIX se idea un sistema mecánico en el cual dos cilindros, uno en el transmisor y otro en el receptor, giran a la misma velocidad. Una aguja tocaba una lámina metálica ubicada en el primer cilindro, donde estaba la imagen a transmitir, enviando una señal eléctrica que actuaba químicamente sobre un papel ubicado en el segundo cilindro.

Luego del método electroquímico aparece el fotoeléctrico, hasta que, finalmente, se establece una exploración, tanto en el transmisor como en el receptor, con un delgado haz de electrones. El tubo de rayos catódicos de Crookes fue perfeccionado por Ferdinand Braun. Los rayos catódicos eran electrones que chocaban contra una pantalla fluorescente emitiendo luz en el lugar de impacto. A partir de este dispositivo, el problema consistía en controlar, desde el transmisor, los movimientos que habrían de describir los electrones para reproducir la imagen original.

El explorador de imagen fue el iconoscopio de Vladimir Zworykin, mientras que los aportes de Philo Farnsworth ayudaron a establecer la televisión enblanco y negro.

Transistor

El transistor surge de la búsqueda de un conmutador de estado sólido para ser utilizado en telefonía y para reemplazar a los relés tanto como a los sistemas de barras. Luego se vislumbra la posibilidad de obtener un reemplazo de la válvula de vacío, despues de su creacion se hicieron muchos avances nuevos en la electronica.

En 1874, el físico alemán Ferdinand Braun descubrió que el contacto entre un alambre metálico y el mineral galena (sulfuro de plomo) permitía el paso de corriente en una sola dirección. El radar, al emplear elevadas frecuencias, debe utilizar un detector con muy poca capacidad eléctrica asociada, por lo que no podían utilizarse diodos de vacío. El rectificador de estado sólido era esencial. Además, al inicio de la Segunda Guerra Mundial estaba completo el estudio teórico de los contactos semiconductor-metal.

Los niveles de energía cuantificados de los átomos dan lugar a las bandas de energía cuando existen átomos distribuidos regularmente. El estudio del movimiento de los electrones en estas bandas, permitió predecir la posibilidad de cambiar la conductividad eléctrica de algunos semiconductores agregando impurezas controladas adecuadamente. Así surgen los materiales de tipo N y de tipo P.

Un diodo surge al unir un material N con uno P, mientras que el transistor surgió de una estructura del tipo NPN, o bien PNP. El nombre “transistor” fue ideado por J.R. Pierce, quién expresó: …y entonces, en aquella época, el transistor fue imaginado para ser el dual del tubo de vacío, así si un tubo de vacío tenía transconductancia, éste debe tener transresistencia, y así llegué a sugerir transistor.

Radar

Quienes investigaban el comportamiento de las ondas de radio, observaron que, en ciertas ocasiones, eran reflejadas por las capas ionizadas de la atmósfera. El físico inglés Edward Appleton realiza un estudio para determinar la altura de las mismas, recibiendo posteriormente el Premio Nobel de Física.

En algunas ocasiones fortuitas, se observó que algunos obstáculos, incluso algún avión, reflejaban las ondas de radio, por lo que apareció la posibilidad de la radiolocalización. La palabra “radar” (abreviatura de radio detection and ranging) implica una “detección y posicionado por radio”.

Su realización está asociada a Robert Watson Watt en épocas previas a la Segunda Guerra Mundial. Esencialmente consiste en generar pulsos muy breves y potentes, que se han de enviar a través de una antena direccional. La misma antena ha de recibir el rebote reenviado por el objeto a localizar. Un radiorreceptor, del tipo superheterodino, demodula los pulsos recibidos, mientras que un dispositivo indicador permite conocer la distancia del objeto reflector.

Radiotelefonía

La próxima meta consistía en establecer una “telefonía sin hilos”, o radiotelefonía. El chispero de Marconi sólo permitía emitir señales discontinuas, aptas para la telegrafía sin hilos. Para transmitir sonidos era necesario disponer de una oscilación eléctrica sostenida, que pudiese ser modificada (modulada) en función de la información que se desea transmitir.

De Forest utilizó un transmisor por arco eléctrico, mientras que Ernst Alexanderson construyó un alternador giratorio que llegaba a producir frecuencias de hasta 28.000 ciclos por segundo. La solución definitiva la logra De Forest con su audión, realizando osciladores de alta frecuencia. También este inventor perfecciona el cine sonoro. De Forest patentó unos trescientos inventos, pero no tuvo éxito como empresario por cuanto, más de una vez, fue estafado por sus socios.

Los receptores comienzan a utilizar amplificadores con triodo, siendo ésta la tercer forma de elevar el promedio de la señal recibida, luego de la detección y del filtrado capacitivo. Los primeros receptores de radio tenían inconvenientes con la amplificación de distintas frecuencias, provenientes de distintas emisoras. Fue necesario realizar una “mezcla” de frecuencias (entre la generada por un oscilador local y la recibida) de tal manera que su diferencia resulte una frecuencia constante, que se denominó “frecuencia intermedia”. Este es el fundamento del receptor heterodyno, palabra que deriva del griego y significa “mezcla de fuerzas”. Quien realiza esta invención ( y más tarde la transmisión por frecuencia modulada) fue Edwin W. Armstrong.

Válvulas

El inventor Thomas A. Edison realiza su único descubrimiento científico; la emisión termoiónica, pero no le encuentra aplicación práctica. Trabajando con lámparas de filamento, observa que, cerca del terminal negativo, aparecen manchas sobre el vidrio que recubre al filamento.

John Ambrose Fleming, empleado de la Edison Light Company de Londres, se entera del “efecto Edison” e introduce un conductor metálico dentro de la lámpara. Obtiene así el primer diodo y aparece el término “válvula”, ya que permite el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido (en forma similar al efecto que produce la válvula de aire de un neumático).

El inventor Lee de Forest, egresado de la Universidad de Yale, agrega una rejilla metálica entre el filamento y la placa. Obtiene así el audión, o triodo, en 1906. Este hecho marca el inicio de la era de la electrónica.

Un dispositivo de tres electrodos admite dos circuitos eléctricos: el de entrada (o de control) y el de salida (o controlado). La amplificación de señales es la aplicación inmediata que se le puede dar, ya que una pequeña variación de la tensión en el circuito de control se traduce en una variación de la corriente dentro de la válvula, que posibilitará una mayor variación de la tensión en el circuito de salida.

Telegrafía sin hilos

Marconi modifica el chispero de Hertz conectando una antena al electrodo superior y estableciendo una conexión a tierra a través del electrodo inferior. Además, ubica un bobinado sintonizado con su propia capacitancia distribuida, permitiéndole seleccionar una frecuencia de emisión, facilitando la posible transmisión simultánea de varias emisoras.

Otra innovación consistió en girar 90º los electrodos y la antena, para hacer que el campo eléctrico oscilara verticalmente y fuera poco absorbido por el suelo, logrando transmitir a mayores distancias que lo logrado por Hertz. El receptor también puede sintonizarse, mientras que con unos auriculares podía recibir los puntos y rayas que constituían al código de Morse.

Si se aplica la señal recibida directamente a los auriculares, no se escucha nada. Ello se debe a la inercia mecánica de tal dispositivo, que no puede seguir las rápidas variaciones de la corriente eléctrica. El auricular responde al promedio de la corriente recibida, y no al valor instantáneo de la misma. No se escucha nada porque el valor promedio de una señal alterna es nulo.

Con un rectificador, o detector, se dispone de un valor promedio distinto de cero. El detector estaba constituido por una piedra galena (mineral de plomo y azufre) que permite establecer una corriente unidireccional. Para mejorar aún más la recepción, se coloca un capacitor que disminuye las variaciones de la tensión, elevando aún más el promedio de la corriente y la calidad del sonido recibido.

Transmisor de Hertz

Estaba constituido por un bobinado primario y uno secundario, similar a un transformador. En el secundario estaban conectadas las dos mitades de un conductor, con una separación, en dónde habría de saltar una chispa cuando se cerrase el interruptor que alimentaba al primario. Podemos considerar al secundario y al conductor como un circuito LC (inductancia y capacidad) con su propia frecuencia de resonancia. El cierre del interruptor implica disponer de una amplia banda de frecuencias que incluiría la de resonancia. Al establecerse la resonancia, salta una chispa.

El receptor de Hertz era un simple conductor abierto en un extremo, en forma de “U”. A este dispositivo podemos asociarlo a una bobina de una vuelta con un capacitor en su extremo, con una frecuencia de resonancia similar a la del transmisor. Por ello pudo Hertz observar una chispa en el receptor, producida por la propagación de una onda electromagnética.

Electromagnetismo

La técnica tiene como fundamento alguna rama de la ciencia experimental. Así, la transmisión de información mediante ondas de radio y de televisión, o bien a través de una línea de transmisión eléctrica, tienen como fundamento al electromagnetismo de Maxwell.

El físico escocés James Clerk Maxwell amplía la ley de Ampere para establecer la ley de Ampere-Maxwell. Esta ampliación implica la existencia de un campo magnético asociado a un campo eléctrico variable. Previamente, en 1831, Michael Faraday había descubierto que un campo magnético variable produce uno eléctrico. Estos campos de fuerzas, mutuamente sostenidos, se propagan aún por el espacio vacío. De ahí que nos llegue la luz emitida por las estrellas desde remotos lugares del universo, ya que la luz es también una perturbación electromagnética.

Luego de la etapa teórica le sigue la experimental. Fue Heinrich Hertz quien verifica experimentalmente la existencia de tales ondas. Es de destacar el poco interés de Hertz por una posible aplicación de las mismas. Una vez expresó: No sé para qué pueden servir estas onditas. Su principal interés, como científico, radicaba en comprobar la veracidad de la teoría de Maxwell.

La etapa propiamente técnica está asociada a Guglielmo Marconi quien desarrolla un transmisor para establecer la “telegrafía sin hilos”. Marconi afirmó que el mejor premio que recibió fue una medalla recordatoria obsequiada por los quinientos sobrevivientes del Titanic, que pudieron salvar sus vidas gracias a la telegrafía sin hilos.

Telefonía

Alexander Graham Bell obtiene la primera patente del teléfono en EEUU, si bien se atribuye su invención al italiano Antonio Meucci. De todas formas, es posible que varios inventores trabajen en forma simultánea sin que exista plagio. La palabra “teléfono” significa “sonido a lo lejos”. Bell era un profesor de sordomudos, nacido en Inglaterra, quien trataba de perfeccionar su trabajo docente.

El primer teléfono de Bell estaba constituido por dos imanes permanentes, cada uno con un bobinado. Los entrehierros de los imanes en forma de “U”, incluían membranas metálicas muy delgadas. Al hablar sobre la membrana del primero, se modificaba el campo magnético del imán, por lo que se inducía una tensión eléctrica en la bobina respectiva. Este es el emisor o micrófono.

La bobina del primer imán estaba conectada, a través de dos conductores, con la otra bobina, que recibía una corriente enviada por la primera. Dicha corriente modificaba el campo magnético del segundo imán (receptor o parlante) haciendo que la segunda membrana se moviera siguiendo las variaciones de corriente. El movimiento de la segunda membrana implicaba una reproducción del sonido original, que produjo la secuencia descripta.

Telegrafía, 1838.

En 1838, Samuel Morse patenta el primer telégrafo, palabra que significa “gráfico a lo lejos”. La interrupción de un circuito eléctrico permite codificar puntos y rayas para ser transmitidas a cierta distancia. Desde lejos se puede controlar un electroimán que desplaza un lápiz, o un dispositivo adecuado, que hace marcas sobre una cinta de papel que se mueve a una velocidad constante.

Para superar los inconvenientes que presenta este primitivo sistema, utilizó sucesivos circuitos eléctricos, cada uno con su propia fuente de energía y su propio relevador (o relé).

Morse se ganaba la vida pintando retratos, en épocas anteriores a la aparición de la fotografía. También se atribuye esta invención a los ingleses Cooke y Wheatstone, mientras que los alemanes Carl Gauss y W.E. Weber se comunicaban entre sus casas con un primitivo telégrafo.