Guiando ondas electromagnéticas (I): los cables del telégrafo

Veíamos en “La comunicación a través de ondas” que todos los sistemas de telecomunicaciones modernos se basan en utilizar ondas, que transportan información de un sitio a otro. Dichas ondas las genera un emisor con una energía determinada, y han de llegar al punto de destino con energía suficiente como para que un receptor pueda extraer la información. Si no, la comunicación no funciona. Si lo vemos en el caso de la comunicación oral, dos personas pueden hablar más bajo o más alto según lo cerca o lejos que se encuentren, pero siempre se asegurarán de que a los oídos del otro llegue un volumen mínimo que permita distinguir las palabras sobre el ruido de fondo. En las telecomunicaciones, como en casi todo, impera la ley del mínimo esfuerzo: como la energía no es gratis, lo mejor es utilizar siempre la menor cantidad posible. Por tanto, tenemos que ver cómo administrar la energía que el emisor invierte en generar ondas con información, para lo cual hay dos opciones: (i) dejar que las ondas se propaguen en muchas direcciones, o (ii) conducirlas por un único camino. Técnicamente, la primera opción se denomina radiación, mientras que la segunda recibe el nombre de guiado de ondas (aunque normalmente nos referimos a ella, simple y llanamente, como “usar cables”).

Elementos de sistemas de radiación y de guiado a pie de calle… en Yangón. Gracias a Jeremy Hodes por el permiso para utilizar la foto.

Históricamente, los sistemas de cables se desarrollaron antes que los de radiación (recordarás que el telégrafo se generalizó varias décadas antes de inventarse la radio). Fue así porque los fenómenos de la electricidad y el magnetismo se conocieron antes de que Maxwell empuñara las matemáticas y dedujera que podían existir las ondas electromagnéticas. Gauss, Weber, Cooke, Wheatstone, Vail y demás pioneros de la telegrafía tuvieron que interpretar sus hallazgos en base a conceptos muy diversos, que normalmente no daban para explicar por qué las señales no llegaban más lejos o por qué se producían ciertas distorsiones. Aquí echaremos un ojo a ese primer mecanismo de guiado que se traían entre manos, pero explicando su funcionamiento con la perspectiva moderna de la teoría de ondas.
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Hagamos memoria

Para entender lo fundamental del guiado de ondas tenemos que tener claras varias cosas:

  1. Todos los fenómenos de la electricidad y el magnetismo derivan de la carga eléctrica.
  2. Al variar la velocidad de movimiento de una carga eléctrica se genera una onda electromagnética.
  3. Los materiales conductores tienen cargas eléctricas más o menos sueltas (electrones o iones), con cierta libertad para moverse en presencia de campos eléctricos y magnéticos.
  4. Si una onda electromagnética se topa con cargas eléctricas sueltas, les transfiere energía y éstas se aceleran.
  5. Debido al movimiento de las cargas libres, los materiales conductores reflejan las ondas electromagnéticas.
  6. Las ondas electromagnéticas “ven” el mundo en la medida de su longitud de onda, relacionada directamente con su frecuencia.

Si no ves claro alguno de estos puntos, te recomendamos echar un ojo a “Entendiendo el electromagnetismo“, “De conductores y aislantes… o la relación entre la ciencia de los materiales y los cerdos” y “El tamaño (de las ondas) también importa” antes de seguir leyendo. Pero bueno, es sólo por completitud; puedes avanzar en cualquier caso, que de algo te enterarás, seguro.
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Guiando ondas con un único hilo conductor

El telégrafo se basaba en hilos conductores únicos (generalmente de cobre) tendidos sobre postes, que iban desde el transmisor hasta el receptor. En la siguiente foto se ven 6 cables corriendo paralelos para permitir otras tantas comunicaciones simultáneas, pero no pierdas de vista que cada comunicación requiere un cable nada más.

Y así, a lo largo de kilómetros si hacía falta, como se hizo desde una costa de EEUU a la otra.

Y así, a lo largo de decenas o cientos de kilómetros si hacía falta.

Para entender cómo puede viajar la información a lo largo de un único cable, imaginemos que nos ponemos a sacudir un imán en un extremo del mismo. Al mover un campo magnético en presencia de los electrones libres del cobre, éstos se aceleran y se desplacen de sus posiciones originales. Se genera así una onda electromagnética cuya intensidad varía al compás del imán y que se propaga en todas direcciones. Y bueno, como los electrones que llegan a un sitio salen de otro, esto que acaba de suceder es perceptible un poco más allá en el cable, quizás a unas cuantas decenas de metros del extremo donde estamos con el imán para aquí y para allá. No obstante, sin necesidad de entrar en pormenores de la física, no parece realista pensar que eso que hacemos sirva para tirar de electrones dispuestos a lo largo de kilómetros y kilómetros de cable, ¿verdad? Eso contaría casi como un superpoder.

¡Venid, electrones del más acá y el más allá! Porque yo lo valgo.

Repasemos. Al mover el imán hacemos que se pongan en movimiento unos electrones, que con sus idas y venidas generan una onda electromagnética con una cierta energía. La onda se propaga a través del aire, en todas direcciones, se aleja del cable y… se pierde. ¡Puf! Lo mismo que le pasaba al dinero de Stan y su padre en aquel capítulo de South Park. ¿Qué hay entonces de aquello de que ha de llegar un mínimo de energía al otro extremo del cable?

(Aquí, el original en inglés)

Si no se nos estuviera escapando nada en este razonamiento, el alcance del telégrafo sería muy reducido. Pero, efectivamente, se nos escapa algo. Hay que tener presente que el telégrafo funcionaba con longitudes de onda enormes (de kilómetros para arriba) porque los telegrafistas emitían puntos y rayas a muy baja frecuencia: a golpe de dedo, malamente llegaban a 1 símbolo por segundo, uséase 1 hercio. Pues bien, aquí es donde interviene aquello de que una onda “ve” el mundo en la escala de su longitud de onda. Resulta que, en escala de kilómetros, el trozo de planeta sobre el que se tienden los postes del telégrafo se puede ver como un conductor, debido a que hay cargas eléctricas libres repartidas por su superficie. Rocas con elementos metálicos, agua con todo tipo de sales disueltas… todo suma para conformar un conductor. Un conductor malo, sí, pero suficientemente bueno como para reflejar una parte importante de la energía de ondas electromagnéticas de baja frecuencia. Por lo tanto, aunque los operarios de la empresa del señor Morse tendían un solo hilo conductor entre emisor y receptor, en realidad contaban con otro conductor (el llamado plano de tierra) unos cuantos metros más abajo.

Cargas eléctricas que se mueven por aquí generan una onda electromagnética que provoca que se muevan otras cargas por allí… y así sucesivamente entre el cable conductor y el plano de tierra.

Cargas eléctricas que se mueven por aquí generan una onda electromagnética que provoca que se muevan otras cargas por allí… y así sucesivamente entre el cable conductor y el plano de tierra.

Así pues, recuperando lo que decíamos antes, las ondas no se escapaban sin más. La energía que se propagaba hacia arriba y hacia los lados se perdía, sí, pero parte de la que iba hacia abajo se reflejaba en el suelo. De vuelta hacia arriba, hacia el hilo conductor, la parte de la energía reflejada que, por así decirlo, no se iba por fuera del hilo se reflejaba de nuevo hacia el suelo… y así sucesivamente. A base de sucesivos rebotes, las ondas portadoras de la información eran perceptibles a distancias razonables.
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Limitaciones del conductor único

Este método de guiado de ondas electromagnéticas a través de rebotes sucesivos entre un conductor y el plano de tierra, aunque funcionaba, tenía limitaciones muy importantes:

  • Para empezar, era obligatorio trabajar con ondas de muy baja frecuencia, ya que si no la Tierra dejaba de actuar como plano conductor y las ondas (que empezarían a “ver” zonas no conductoras en el suelo) no podían ser guiadas. Esto limitaba mucho la capacidad del sistema, esto es, la cantidad de información que se podía transmitir por unidad de tiempo. Si acaso el empresario de turno tuvo la tentación de sustituir los lentos operarios humanos por velocísimos cacharros automáticos, tuvo que meterse el ERE en el c… esto… en el cajón del escritorio, porque el invento no daba para más.
  • También es obvio que contener las ondas entre un hilo conductor y un conductor plano bastante malo situado a varios metros de distancia era una forma de guiado muy poco efectiva: una fracción de la energía se desparramaba en cualquier dirección, otra se perdía porque penetraba en el suelo… Así, había que transmitir con una potencia muy elevada si se quería asegurar un cierto alcance, lo que obviamente tiene un coste (en el siglo XIX, las empresas de telecomunicaciones también tenían que pagar por la electricidad que consumían).
  • Finalmente, con esto que acabamos de contar aparece un problema evidente de interferencias: si pensamos en unos cuantos hilos que discurren paralelos sobre una serie de postes (como en el dibujo de más arriba), salta la vista que las ondas que rebotan en uno de esos hilos hacia el suelo vuelven a rebotar desde el suelo hacia arriba… y entonces excitan a los electrones de todos los hilos a la vez. Vamos, que si no se hacía nada por evitarlo (introduciendo algún mecanismo ingenioso en algún punto del sistema), los mensajes podrían llegar a todos los extremos remotos.

Encontrar la solución a estos problemas requirió años de estudio. Hoy resulta muy fácil entender las limitaciones de las instalaciones telegráficas, pero hace cosa de 150 años ni siquiera se sabía si realmente sería posible transmitir muchísima más información en menos tiempo, si se podría operar con mucha menos potencia, etc. Como no podía ser de otra forma, se tardó un tiempo en entender el papel de la Tierra en todo esto, pero eso no impidió a los ingenieros de la época arreglárselas para desplegar redes de telegrafía a lo largo de continentes enteros, con todo tipo de mecanismos para ir arañando mejoras de prestaciones –en IEEE Global History Network puedes encontrar un buen listado de hitos históricos y enlaces a patentes que se fueron sucediendo hasta bien pasada la II Guerra Mundial.

Fuera como fuera, una vez se entendió que las ondas se conducían por medio de sucesivos rebotes entre dos conductores, la solución parecía evidente: eliminar a la Tierra de la ecuación y poner en su lugar un conductor bueno, tan cerca del otro como fuera posible. De eso hablaremos muy pronto, en una entrada dedicada a los cables de los teléfonos que colocaba la compañía de Graham Bell, que son esencialmente los mismos que hoy te traen el ADSL a casa.

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