Valvola termoionica

Una valvola termoionica è un bulbo di vetro chiuso e svuotato d'aria in cui un filamento riscaldato emette elettroni che raggiungono una placca di metallo. Con due elettrodi lascia passare la corrente in un solo verso; con una griglia di filo tra filamento e placca, una piccola tensione comanda una corrente grande. Nel 1883 Thomas Edison chiese un brevetto per una lampada con un elettrodo in più che indicava la tensione della rete, e nel 1904 John Ambrose Fleming usò una valvola di questo tipo per rivelare le onde radio. Le valvole fecero poi funzionare la radio, il telefono a grande distanza e i primi calcolatori elettronici.

Che cos’è

Una valvola termoionica è un bulbo di vetro, chiuso e svuotato d’aria, che contiene due o più elettrodi metallici i cui fili attraversano il vetro fino ai piedini dello zoccolo. Uno degli elettrodi, il catodo, viene riscaldato, di solito sotto forma di un filamento sottile che diventa incandescente come quello di una lampadina. Un altro, una placca di metallo che lo circonda, è l’anodo. In Gran Bretagna fu chiamata valvola perché la corrente la attraversa in un solo verso.

La valvola a due elettrodi, il diodo, trasforma la corrente alternata in una corrente che scorre in un solo verso ed estrae il suono da un segnale radio. Quella a tre elettrodi, il triodo, aggiunge una griglia di filo sottile tra filamento e placca e diventa un amplificatore: un segnale debole applicato alla griglia esce dalla placca come una copia molto più forte. Prima del transistor le valvole amplificarono le voci del telefono a grande distanza, resero possibile la radio e fecero le commutazioni dei primi calcolatori elettronici.

Come funziona

Un metallo scaldato fino all’incandescenza emette elettroni dalla superficie, un po’ come un liquido caldo emette vapore. In una lampada con un elettrodo in più, Thomas Edison notò che verso quell’elettrodo scorreva corrente solo quando era positivo rispetto al filamento; gli Edison Papers della Rutgers University datano la prima osservazione al 13 febbraio 1880, l’IEEE al 1883. Quella corrente è un flusso di elettroni che attraversano lo spazio vuoto. Il vuoto conta due volte: gli elettroni viaggiano senza urtare molecole di gas, e il filamento caldo non brucia.

In un diodo gli elettroni, che sono negativi, sono attratti dalla placca quando è positiva e respinti quando è negativa. Per questo la corrente può attraversare la valvola in un solo verso. Fleming lo sfruttò per trasformare le rapide oscillazioni che arrivano a un’antenna in una corrente che uno strumento di misura o un auricolare potevano registrare, e più tardi i diodi fornirono agli apparecchi radio la corrente continua che serviva loro, ricavandola dalla rete alternata.

In un triodo gli elettroni partiti dal filamento passano tra i fili della griglia per raggiungere la placca.

In un triodo la griglia è molto più vicina al filamento della placca. Una griglia leggermente negativa respinge molti elettroni, una meno negativa ne lascia passare di più, e poiché è così vicina, una piccola variazione della sua tensione produce una grande variazione della corrente di placca. Se una parte dell’uscita della placca viene riportata alla griglia, la valvola oscilla a una frequenza costante: così i trasmettitori a valvole producevano le loro onde. Le valvole successive ebbero altre griglie e, al posto del filamento nudo, un catodo a manicotto rivestito e scaldato dall’interno, ma il principio rimase lo stesso.

Una valvola richiede una bassa tensione per scaldare il filamento e una tensione molto più alta per la placca. Gli apparecchi a valvole lavorano a tensioni che possono uccidere, i loro condensatori restano carichi dopo lo scollegamento e il vetro si scalda e può implodere se si incrina. Vecchie radio e amplificatori dovrebbero essere aperti e riparati solo da persone formate.

Storia ed evoluzione

Il 15 novembre 1883 Thomas Edison chiese un brevetto per un indicatore elettrico. Era una comune lampada a filamento di carbone con un pezzo di platino tra i rami del filamento, collegato a un galvanometro fuori dal bulbo. La corrente che attraversava il vuoto fino al platino cresceva e calava con la luminosità della lampada, così il galvanometro mostrava le variazioni della tensione di rete, e il suo ago poteva anche chiudere contatti che azionavano regolatori. Il brevetto fu concesso nell’ottobre 1884.

La valvola di oscillazione di Fleming del 1904: una lampada con una placca di metallo accanto al filamento.

John Ambrose Fleming, professore allo University College di Londra, aveva fatto da consulente dal 1881 al 1891 alla società londinese di illuminazione elettrica di Edison e aveva studiato l’effetto Edison. Nel 1899 divenne consulente scientifico della compagnia di telegrafia senza fili di Marconi, che cercava rivelatori migliori. Nell’ottobre 1904 provò lampade dotate di una placca metallica e constatò che raddrizzavano le oscillazioni radio. Il 16 novembre 1904 chiese il brevetto per la sua «valvola di oscillazione». Lo Science Museum di Londra conserva una valvola costruita per lui dalla ditta Edison and Swan e usata nell’ottobre 1904, e lampade sperimentali del 1889 che riprese quell’anno.

L’Audion di Lee de Forest metteva una griglia di filo tra il filamento e la placca.

Dopo aver letto l’articolo di Fleming del 1905, Lee de Forest, a New York, inserì nel 1906 un terzo elettrodo, uno zigzag di filo, tra filamento e placca. Chiamò la valvola Audion e riteneva che il gas rimasto all’interno avesse un ruolo nel suo funzionamento. Alla Western Electric, Harold Arnold e la sua squadra scoprirono che la valvola funzionava tanto meglio quanto più completamente era svuotata. Nell’ottobre 1913 amplificatori ad alto vuoto furono installati su una linea telefonica interurbana in partenza da New York, e con ripetitori a valvole lungo il percorso la linea telefonica da New York a San Francisco fu inaugurata il 25 gennaio 1915.

Negli anni Venti e Trenta le valvole portarono la radiodiffusione nelle case. L’ENIAC, calcolatore elettronico costruito all’Università della Pennsylvania e presentato nel febbraio 1946, usava più di 17.000 valvole, e tenerne in funzione abbastanza allo stesso tempo fu il problema principale dei suoi costruttori. Dagli anni Cinquanta il transistor, più piccolo, più freddo e più durevole, ne assunse gran parte del lavoro.