El tubo de rayos catódicos [Viva el Ingenio]

El tubo de rayos catódicos [Viva el Ingenio]: "

Continuando con nuestra serie de inventos, de los cuales ya han podido ver los tres primeros capítulos: La lámpara incandescente, la Radio y el Tubo de Vacío, es hora de hablar de la tecnología CRT, el tubo de rayos catódicos.

Elegimos este invento como cuarto capítulo porque es cronológicamente cercano a los dos primeros, y está emparentado con la lámpara y su invento colateral, el tubo de vacío. Todo eso quedará explicado a continuación.

Fluorescencia y Tubos de Crooke

La tecnología CRT, que hasta hace poco era la más común a la hora de fabricar pantallas (de TVs, monitores, etc) tiene dos grandes antepasados.

Primero, cerca de 1840 los experimentos de Michael Faraday y Heinrich Gleisser mostraron que, usando un cilindro de vidrio “al vacío” (lo que en esa época significaba sólo “a baja presión o 0,001 ATM) y sometiendo ambos extremos a una diferencia de potencial eléctrico, se veía una luminescencia en su interior. Ocurría que el polo negativo (cátodo) atraía iones presentes en el aire, los cuales chocaban con él obligándolo a liberar electrones, que estando libres recorrían el tubo en dirección al polo positivo (ánodo). Entre tantos iones viajando para un lado, electrones para el otro y átomos ocupando el espacio intermedio, ocurrían choques que liberaban energía como una radiación lumínica, comúnmente llamada luz. Es como el juego de los autos locos pero con partículas subatómicas, que en ese tiempo nadie sospechaba que podían existir.

A medida que se fueron perfeccionando los tubos de vacío, se fueron dando cuenta de que el aire en realidad impedía que el electrón liberado del cátodo llegara al ánodo. Diversos experimentos reprodujeron el fenómeno, pero el siguiente cambio importante lo consiguió William Crookes 30 años más tarde, cuando logró fabricar un cilindro a mucho menor presión que sus antecesores: un millonésimo de atmósfera.

Crookes observó que, sin el aire como obstáculo, los electrones liberados del cátodo llegaban al otro extremo del tubo, impactando la estructura atómica del cristal y emitiendo una luminosidad en la superficie de éste. Esto ya constituía un tubo de rayos catódicos. Crookes observó además que interponiendo obstáculos en el camino de los rayos, éstos proyectaban una sombra en el cristal, por lo que se hizo evidente que había algo material viajando de un lado a otro.

Paralelamente, George Stokes (famoso por las ecuaciones hidráulicas que inventó con su amigo Claude Navier) describió en 1852 el fenómeno de la fluorescencia. Éste se produce cuando ciertos materiales emiten luz al ser estimulados por radiación electromagnética. Como en la naturaleza no hay fábricas de energía sino, al contrario, toda transformación cobra un peaje, la luz emitida por los materiales fluorescentes es de menor frecuencia que la radiación absorbida, y por tanto de menor nivel energético. La energía sobrante se convierte en calor. El fenómeno puede resultar útil para transformar luz ultravioleta (y por tanto invisible) en luz visible y aprovechable.

El abismo que separa la tecnología CRT actual de estos dos descubrimientos precursores no es tan amplio, pero hubo tres hitos fundamentales que llevaron de una cosa a otra.

Tres cambios fundamentales

Primero, ese “algo material” que Crookes observó eventualmente se llamó electrón. Había algunos científicos que sostenían que era algo inmaterial. Otros sostenían que eran átomos de hidrógeno, pero fue J.J. Thomson quien determinó que era una partícula menor. Ese no fue su único aporte: paralelamente había estado experimentando con los tubos de Crookes, descubriendo que al exponer el tubo de rayos catódicos a un campo magnético, la dirección de los rayos podía desviarse. Esto implica que no necesitas interponer objetos materiales para manipular la luz proyectada, y al mismo tiempo que puedes usar esa luz para medir y detectar cambios en la radiación electromagnética.

Segundo, en 1897 Ferdinand Braun reprodujo el experimento de Crookes, pero lo combinó con la fluorescencia de Stokes a ver qué pasaba. Utilizó un tubo recubierto de fósforo y logró obtener una respuesta lumínica mucho más llamativa. Esto, como adivinarán, se debe a la fluorescencia del material. Si la mayor parte de los rayos catódicos son invisibles, el recubrimiento de Braun permitió transformar gran parte en luz aprovechable.

El tercer peldaño vino a solucionar un defecto inherente del tubo de Crookes. Resulta que su tecnología era pariente de la actual luz de cátodo frio, pues no depende de la temperatura para funcionar. Sólo necesita una diferencia de potencial muy alta entre los electrodos, y depende de las pocas partículas de aire que quedan dentro del tubo para generar la reacción en cadena de iones y electrones. Si el tubo estuviese perfectamente vacío el fenómeno no podría ocurrir, y por la misma razón los tubos de Crookes se iban deteriorando a medida que los átomos de aire se iban agotando o reabsorbiendo en el cristal.

Pues bien, esto se solucionó cuando dejaron de depender de la ionización del gas residual. Aquí es donde enlazamos con un invento anterior. Les contamos que cuando Thomas Edison estaba perfeccionando la bombilla eléctrica cuando descubrió sin querer el Efecto Edison (ese día no andaba muy original para los nombres) mediante el cual una placa metálica cargada positivamente era capaz de atraer los electrones liberados por el filamento incandescente. Esto permitió desarrollar toda la gama de tubos de vacío en sus decenas de formas.

El funcionamiento del tubo de vacío se explica porque ciertos materiales, al estar a alta temperatura, ceden electrones por emisión termoiónica. Basándose en ello, John Bertrand Johnson y otros científicos empezaron a usar cátodos calientes para hacer tubos de rayos catódicos. Estos tubos no dependían del aire residual y terminaron siendo la tecnología estándar para producir CRTs, una aplicación más del tubo de vacío, y una de las más longevas. Las pantallas CRT siguen teniendo alta participación de mercado y no porque sus ventas le hagan sombra al LCD, sino porque las TVs y monitores que la gente compró hace 10 o 15 años siguen impecables. Yo todavía tengo un Sony Wega de 29″ que pesa como 50Kg, con mejor sonido que cualquier TV LCD que haya probado.

De Crookes hasta hoy

En resumen, tomando el tubo de Crookes, la manipulación electromagnética de J.J. Thompson, el recubrimiento fosfórico de Braun y la tecnología de cátodo caliente de John B. Johnson, se llega a la base del CRT que existe hasta hoy. Con el tiempo, claro, se perfeccionó la manufactura, la calidad de la señal, la frecuencia del barrido, se incorporaron múltiples “cañones de electrones” para excitar recubrimientos de distintos colores generando las pantallas con color, y en general se incorporaron otros avances en productos como televisores, monitores, osciloscopios y radares.

Actualmente la tecnología CRT se bate en retirada ante los LCD, básicamente porque para pantallas de gran tamaño un producto CRT ocupa un volumen que lo hace impráctico, y tiene un peso que lo hace instransportable. Con mi mentado Sony Wega estuve a punto de morir aplastado para el terremoto del 27F, aunque me lo hubiera tenido bien merecido porque en vez de huir preferí afirmar mi TV.

Aunque llegará el día en que los CRT desaparezcan del uso cotidiano, hay otros nichos en donde la tecnología se seguirá ocupando: osciloscopios, imagenología médica y despliegue de imágenes de alta resolución. Si hay un diseñador gráfico entre nuestros lectores, tal vez quiera romper una lanza en defensa de los monitores serie G. Hasta ahora no he visto un LCD que les haga el peso.

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