lezione 5 la seconda rivoluzione industriale

Storia della Tecnologia dell’Informazione
A.A. 2007-2008
L EZIONE 5
L A SECONDA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE
http://www.scienze.unipd.it/storiascienza/CorsoIngegneria0708/CorsoIng0708.html
Alcuni caratteri degli sviluppi tecnologici tra XIXo e XXo secolo.
• Accanto agli sviluppi di filoni tecnologici ottocenteschi la nascita di
nuovi settori soprattuto con riferimento alla automazione (termine coniato nel 1947): impiego di macchine per gestire macchine.
• Una marcata tendenza, pur con eccezioni, all’inversione del rapporto tra sviluppo delle conoscenze scientifiche e progresso tecnologico: senza solide basi scientifiche diventa difficile se non impossibile
sviluppare nuove tecnologie.
• Il tramonto della figura dell’inventore causata dalla necessità di conoscenze scientifiche sempre più approfondite e dalla prevalenza del
lavoro di gruppo.
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Proprio questi nuovi caratteri hanno indotto a distinguere questa fase del
progresso tecnologico da quella precedente introducendo il termine di seconda rivoluzione industriale. Essa evidenzia
(A) in analogia alla prima rivoluzione industriale imponenti innovazioni tecnologiche (fino al 1914, data convenzionale);
(B) marcate conseguenze socio-economiche, come l’inversione della tendenza alla crescita numerica del proletariato industriale e il prevalere dell’occupazione nel settore terziario a scapito di quello secondario (industria) [nella prima rivoluzione industriale il settore secondario era diventato
preponderante rispetto a quello primario (agricoltura e miniere)];
(C) il ruolo svolto dai due conflitti mondiali (1914-18 e 1939-45) nel far convergere gruppi di scienziati su programmi di ricerca applicata (energia atomica, radar, calcolo, telecomunicazioni...) con la nascita della cosiddetta
Big Science.
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I settori fondamentali nei quali si dispiega la seconda rivoluzione industriale
• chimica, specialmente nella produzione di sostanze sintetiche (basti
pensare alla plastica);
• l’aeronautica;
• telecomunicazioni, ivi compresi gli sviluppi dei satelliti artificiali (legati
per altro anche alle attività aerospaziali);
• l’elettronica strumento essenziale e insostituibile per lo sviluppo di
quasi tutte (se non tutte) le applicazioni tecnologiche del Novecento;
• l’informatica.
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Come spesso accade in relazione ai “fatti” fondamentali della storia del
pensiero umano, il processo che ha portato alla scoperta dell’elettrone è
tortuoso, spesso intessuto di quelle che Francesco Bacone chiamava “anticipazioni ingiustificate” e “pregiudizi affrettati e prematuri”, che pure hanno un ruolo non marginale nel delicato e tante volte oscuro cammino di
edificazione della scienza.
D’altra parte, grazie proprio a questo faticoso processo che affonda le proprie radici nelle prime trattazioni dei fenomeni elettrici e magnetici della
seconda metà del Settecento, il mondo scientifico di fine Ottocento era già
sufficientemente preparato a questa “rivoluzione”, come dimostra il fatto
che nel 1904, solo sette anni dopo la scoperta di Thomson, al Congresso
internazionale di scienze e arti di Saint-Louis, Paul Langevin presentava la
nuova fisica dell’elettrone come “una nuova America, in cui si respira liberamente, che stimola tutte le attività e che può insegnare moltissime cose
al Vecchio Mondo”.
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L’ INGEGNERIA ELETTRONICA nasce propriamente nel Novecento, dopo la
scoperta dell’elettrone. Tuttavia essa si configura come naturale sviluppo
dell’INGEGNERIA ELETTROTECNICA per cui deriva molti suoi elementi dal
secolo precedente.
Alla base dell’ingegneria elettronica la valvola termoionica che è essenzialmente uno sviluppo dei tubi a raggi catodici utilizzati nel corso dell’Ottocento.
I primi dispositivi di questo genere (diodo e triodo) vengono sviluppati sia
per amplificare, raddrizzare e modulare segnali elettrici sia come interruttori, generatori di varie forme d’onda, immagazzinatori d’informazione e
unità logiche nei calcolatori.
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Gli studi di O.W. Richardson (1901) vanno annoverati tra i primi contributi
quantitativi sul funzionamento della valvola termoionica. Usando sorgenti
di platino incandescente, Richardson concluse che l’emissione termoionica dipendeva dalla temperatura secondo la legge
qΦ
e− kT
dove qΦ è il lavoro di estrazione dell’elettrone dal metallo, k è la costante
di Boltzmann e T è la temperatura.
Vari contributi nei primi decenni del Novecento (per es. Arthur Wehnelt e
Irving Langmuir) mirano alla ricerca di sostanze con lavoro di estrazione
più basso e quindi temperature di lavoro più contenute. Dai primi catodi in
tugsteno (con qΦ tra 4 e 5 eV e temperature di 2550 K, a catodi ossidati,
stronzio e bario, con qΦ di circa 1,2 eV che lavoravano a temperature di
1000-1100K).
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Il diodo venne inventato da Ambrose Fleming intorno al 1902 (primo brevetto nel 1904). Fleming lavorava nell’ufficio londinese della Edison Lighting
Company e in seguito collaborò con Guglielmo Marconi.
L’invenzione deriva dal cosiddetto “effetto Edison”, che Edison aveva indagato per evitare l’annerimento del bulbo delle lampadine elettriche sui quali
si depositavano i vapori del filamento incandescente. Per questo Edison
aveva considerato la possibilità di raccogliere i vapori su una piccola piastra
metallica. L’effetto Edison venne messo in relazione con un flusso di elettroni emessi dal filamento riscaldato e Fleming si rese conto che tale flusso
poteva essere raccolto sulla placca solo se questa si trovava a potenziale
positivo: il tubo poteva così svolgere una funzione di raddrizzatore.
Fleming utilizzò il dispositivo per la ricezione di segnali radio.
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L’invenzione del triodo è solitamente legata all’ingegnere statunitenze Lee
De Forest che per primo scoprì il vantaggio di aggiungere un terzo elettrodo (griglia) al dispositivo termoionico.
De Forest sviluppò nel 1906 e brevettò nel 1907 un dispositivo, da lui chiamato audion (nome durato solo una decina di anni), ottenuto aggiungendo
un terzo elettrodo sperimentandone diverse forme (lamina esterna, placca
interna e infine griglia).
L’audion venne inizialmente usato come ricevitore più sensibile nella ricezione radiotelegrafica. Tuttavia l’effettiva importanza del triodo sta nel fatto
della sua capacità di amplificare segnali. La chiarificazione dei principi fisici implicati si deve a Langmuir e la formulazione dei principi d’uso nei
circuiti si deve in massima parte a E.H. Armstrong (1915) che li espose
introducendo le moderne “curve caratteristiche”.
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Al triodo seguirono sviluppi nel tetrodo e pentodo.
Gli esperimenti sulla capacitanza tra anodi e griglie, che limitava l’intervallo di frequenze di funzionamento della valvola e, fatto più critico, causava retroazioni indesiderate che creavano auto-oscillazioni in un dispositivo mirante all’amplificazione dei segnali avevano portato a considerare
dispositivi di riduzione della capacitanza anodo-griglia.
Il sistema ideato da W. Schottky alla fine degli anni 1910 e realizzato da
Round verso la metà degli anni 1920 era quello di introdurre una griglia
supplementare per ridurre l’accoppiamento di ritorno tra anodo e griglia
(tetrodo).
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Vennero a questo punto progettati circuiti formati da uno o più valvole e
da componenti passivi con varie funzioni tra le quali, tipicamente, quelle di raddrizzamento, amplificazione, generazione di oscillazioni, utilizzati
soprattutto in campo radiotecnico.
Cominciarono inoltre a essere realizzati i cosiddetti circuiti a scatto che
tanta parte avrebbero avuto nell’elettronica per l’hardware dell’informatica,
quali i multivibratori astabili e bistabili.
Emblematico del nuovo modo di usare le valvole è il circuito a base tempi.
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N è solitamente una piccola lampada al neon. Collegando la batteria B la corrente fluisce
attraverso R caricando il condensatore C e la tensione aumenta. Se N fosse assente
allora all’istante t1 = RC, la tensione crescerebbe fino al valore VB 1 − e−1 , pari a
circa 0, 63VB .
N però funziona come un circuito aperto fino a una certa tensione V1 , raggiunta la quale il
gas si ionizza e si ha una scarica luminosa (la lampada ha bassissima resistenza rispetto
a R, quindi è come se si avesse un corto circuito): quindi quando VC raggiunge V1 il
condensatore si scarica rapidamente fino a che raggiunge una tensione V2 alla quale la
scarica non può essere più mantenuta e il processo viene reiterato.
Gli intervalli di salita possono essere usati come base tempi, ma non sono lineari: la
velocità di carica di C infatti è funzione di VC poiché la corrente che attraversa R è
(VB − VC ) /R e VC è proporzionale alla carica acquisita. Per ottenere lineraità è necessario “costringere” il condensatore a caricarsi a velocità costante (cioè rendere la corrente
di carica indipendente da VC ). Il metodo, con l’utilizzo di un pentodo, fu inventato da L.H.
Bedford nel 1933.
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Impatto della valvola termoionica sulle comunicazioni elettriche
- Telegrafia - Alla fine dell’Ottocento ogni paese sviluppato disponeva di
una rete telegrafica interna efficiente. Migliorie (oltre alle radiocomunicazioni): aggiunta della telescrivente, telex (telescriventi su linee telefoniche
locali e internazionali con centri di commutazione), trasmissione con frequenze vettrici nelle quali i segnali telefonici sono modulati su toni della
portante per essere trasmessi su cavi telefonici.
- Telefono - Alexander Graham Bell (1876), scozzese immigrato negli USA
nel 1871 (e Elisha Gray, statunitense)
- Radio - Guglielmo Marconi: idea già nel 1894 ma costretto a emigrare
in Inghilterra nel 1896 per la sua realizzazione. La prima trasmissione
transatlantica (controversa) nel 1901 e quella coronata da pieno successo
nel 1902.
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Per quanto riguarda lo sviluppo delle comunicazioni elettriche, tre sono i
fondamentali passi avanti fatti tra il 1912 e il 1915 per l’impiego in questo
ambito della valvola termoionica:
(1) uso del triodo come oscillatore ad alta frequenza con retroazione positiva;
(2) amplificatore con alta amplificazione e alta selettività di sintonia (la
retroazione positiva ben calibrata per evitare le condizioni di oscillazione);
(3) la comprensione del suo funzionamento e la progettazione circuitale.
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A questo punto è possibile ottenere potenze di radiofrequenza relativamente pure, oltreché regolabili e controllabili con precisione. Le applicazioni immediate alla radiotelefonia sono legate alla costruzione di ricevitori
estremamente sensibili e con alta selettività.
Per questi motivi, ai quali si aggiunge l’effetto acceleratore della prima
guerra mondiale, le radiocomunicazioni e, in seguito, le trasmissioni radio
fecero un grande balzo in avanti.
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Una terza rivoluzione industriale?
I cinquant’anni che seguono l’inizio della prima guerra mondiale sono assai
singolari:
1. caratterizzati da sconvolgimenti politici ed economici che influenzarono
la crescita e la produttività dei più importanti paesi industrializzati;
2. nonostante le catastrofi delle guerre, il XXo secolo fu un periodo di
crescita senza uguali nella storia;
3. gran parte di tale crescita fu di origine tecnologica, e ciononostante vi fu
scarsità di vere macroinvenzioni nel periodo 1914-1950 in confronto con i
decenni precedenti.
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“Forse – scrive J. Mokyr, I doni di Atena, p. 154-55 – la novità più importante del XXo secolo è stata la trasformazione della natura del processo
inventivo con l’affermazione di una ricerca in ambito aziendale, accademico e pubblico, fenomeno che Mowery e Rosenberg [1998] hanno definito
‘istituzionalizzazione dell’innovazione’.
L’eventualità che questo sviluppo possa fare dell’inventore individuale e
indipendente una figura ridondante è stata l’argomento di un lungo dibattito
che non è ancora giunto a conclusione. [...]
Nonostante l’opinione comune che il XXo secolo sia stato qualitativamente
diverso da tutti i secoli precedenti, gran parte della tecnologia che ha sommerso i consumatori [...] era già disponibile, anche se in forma alquanto
rudimentale, nel 1914.”
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Nel corso del XXo secolo, poche sono state le macroinvenzioni epocali,
quelle alle quali si attribuisce un peso rilevante nell’inaugurare una ‘nuova
rivoluzione industriale’:
a. l’energia nucleare, che dimostra tra l’altro che la base epistemica minima per lo sviluppo di certe tecnologie è ormai diventata assai estesa;
b. gli antibiotici;
c. i semiconduttori, alla base del fatto che l’elettronica è l’unico settore
in cui la retroazione continua tra conoscenza prescrittiva e proposizionale,
assieme alla ricombinazione con altre invenzioni, abbia portato alla crescita sostenuta e ininterrotta che tutt’oggi non rallenta e che, secondo molti,
annuncia “una nuova economia”.
Nota: gran parte della moderna tecnologia informatica e delle telecomunicazioni discende in qualche modo da basi epistemiche legate alla fisica
quantistica.
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I semiconduttori sono un’innovazione con caratteri assai peculiari: - la capacità di ricombinarsi con varie tecniche, - la complementarità con innovazioni a valle e la conseguente pervasività in numerose applicazioni che gli
hanno fatto guadagnare l’appellativo di TECNOLOGIA GENERALISTA.
Poche sono state le macroinvenzioni comparabili ai semiconduttori dall’epoca dell’introduzione dell’energia elettrica.
Dai semiconduttori sono derivate numerose invenzioni distinte che hanno una inusuale e peculiare propensione a ricombinarsi l’una con l’altra,
creando innovazioni la cui capacità sinergica è superiore alla capacità dei
singoli componenti.
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Cos’è un semiconduttore?
- Faraday, 1833 - “La resistenza di certi materiali [solfuro d’argento] decresce all’aumentare della temperatura”
- prime evidenze delle potenzialità applicative: Ferdinand Braun (1874;
1877-1883: la conduttività di alcuni solfuri metallici dipende dalla polarità
della differenza di potenziale applicata); Arthur Shuster (1874) proprietà di
raddrizzamento delle correnti nel contatto conduttore-semiconduttore; Willoughby Smith (1873) scopre che la resistività del Selenio diminuisce quando viene illuminata (fotoconduttività); effetto Hall e definizione dei portatori
(1878-79).
- le proprietà fondamentali dei semiconduttori erano note già intorno al
1880, ma il nome venne introdotto nel 1911 da Königsberger e Weiss;
l’interpretazione fisica solo dopo l’avvento della meccanica quantistica (Heisenberg, Peierl, Bloch, Fowler, Wilson; 1928-31): teoria delle bande di
valenza, superficie di Fermi.
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- La definitiva comprensione e applicazione dei contatti di raddrizzamento
è ottenuta tra la fine degli anni ’30 e i primi anni ’40, indipendentemente,
da W. Schottky, N. F. Mott, B. Davydov.
- In particolare, Walter Schottky (che lavora per lungo tempo alla Siemens)
fu una delle figure chiave dello sviluppo della teoria e delle applicazioni dei
semiconduttori.
- A partire dalla metà degli anni ’50 i transistor a semiconduttore sostituiscono le valvole termoioniche. Figure chiave sono quelle di John Bardeen,
Walter Brattain e William Shockley che lavorano ai Bell Laboratories (premi
Nobel per la fisica del 1956 per “le loro ricerche sui semiconduttori e la loro
scoperta dell’effetto transitor”).
- Ruolo fondamentale dei laboratori di ricerca industriale.
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