Guiando ondas electromagnéticas (II): cables con dos hilos conductores

Posted by noresnau on diciembre 4, 2014 · 5 comentarios 

En la entrada dedicada a «los cables del telégrafo» veíamos que un único cable conductor puede servir para enviar información de un punto a otro. Explicábamos que esa información ha de ir montada sobre ondas de muy baja frecuencia, por lo que no hay capacidad para transmitir mucha cosa. Además, decíamos que el alcance es muy limitado, porque la energía electromagnética se desparrama en todas direcciones, y que hay una exposición muy importante a las interferencias.

La primera solución a estas limitaciones llegó cuando se comprendió que la comunicación funcionaba a base de sucesivos rebotes de las ondas electromagnéticas entre el plano de tierra –recuerda, un conductor pobre constituido por los elementos metálicos de las rocas o las sales disueltas en el agua– y el cable conductor situado unos cuantos metros más arriba. Se trataba, simplemente, de sustituir el conductor malo del suelo por un conductor bueno, y ponerlo mucho más cerca del cable que ya teníamos.

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Cables de dos hilos conductores paralelos

La opción más obvia de introducir un segundo conductor pasaba por disponer dos hilos conductores con una tira de plástico aislante que los separase (si estuvieran pegados, serían un único conductor y volveríamos al caso de antes) y los mantuviese paralelos. El invento recibió el nombre de cable bifilar (y si alguien conoce el nombre del inventor, que nos lo diga, que no hemos podido encontrarlo).

El cable bifilar: dos conductores paralelos entre los cuales van rebotando las ondas.

Con este montaje, la energía de las ondas electromagnéticas queda mejor confinada, sin mucha opción de desparramarse en sucesivos rebotes. La idea, en el fondo, es la misma que aplican los chavales del siguiente vídeo para batir su récord de toques con las palas de playa: se ponen muy cerca el uno del otro para que la pelota prácticamente no tenga por dónde escapárseles (perdón por el SVV):

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En sus rebotes entre los dos hilos conductores, las ondas electromagnéticas provocan movimientos de electrones de la misma intensidad pero sentidos contrarios. A partir de una distancia, donde ya no se acierte a distinguir que son dos hilos en vez de uno, es como si hubiera en cada punto dos cosas de igual magnitud y distinto signo, que se anulan mutuamente. En consecuencia, a partir de cierta distancia de los hilos, los campos eléctrico y magnético son prácticamente nulos. Pero ojo, que lo realmente importante aquí es entender que las ondas no se quedan por dentro del plástico y ya está, sino que son perceptibles en el entorno del cable bifilar.

La figura de abajo muestra unas líneas de potencial eléctrico en un corte transversal del cable. Salta a la vista, por lo juntas que están las líneas (piensa en las isobaras de una buena borrasca), que el campo es mucho más intenso entre los hilos y en una pequeña región a su alrededor que más allá de donde termina el plástico. Pero incluso las líneas de campo más alejadas de los cables viajan con las ondas que se propagan; luego, en principio, no suponen pérdidas. Pasa como con el queso y la ensalada que sobresalen del pan de una hamburguesa: se mueven con el resto del producto; no se quedan atrás.

Por esto que acabamos de comentar, las pérdidas de energía con el cable bifilar son mucho menores que con el cable único del telégrafo. En principio, sólo quedan las pérdidas debidas a que los conductores no sean perfectos (aunque reflejen el 99,9999999% de la energía en cada rebote, al cabo de muchos rebotes se nota que falta algo) y a que el plástico que los recubre y separa tampoco sea un aislante perfecto (por pocos que sean, tiene electrones libres que se desplazan por efecto de la onda que se propaga y terminan calentando el material). En este punto, quizás te venga bien recordar lo que explicábamos en «De conductores y aislantes… o la relación entre la ciencia de los materiales y los cerdos». El caso es que, por manejar mejor la energía, el cable bifilar puede guiar ondas mucho más lejos que el cable único.

Con todo, habrás notado que nos hemos dejado dos «en principio» en cursiva en los párrafos anteriores, y es porque hasta ahora nos estamos saltando algo muy importante: la realidad (ahí es ná). Los cables bifilares no están solos en el Universo, y por ello, las líneas de campo más alejadas de los cables pueden toparse con elementos que las absorban. Así pues, tenemos que asumir unas pérdidas adicionales, tanto mayores cuanto más cerca esté el cable bifilar de cualquier otra cosa. Siguiendo con la analogía de la hamburguesa, podemos ver lo que pasa con el queso que sobresale al tocar con el envoltorio de la comida…

A pesar de ser mejor que el cable único, el cable bifilar sigue siendo muy sensible a las interferencias: cualquier onda electromagnética que asoma por entre los dos hilos conductores se «acopla» a lo que se esté propagando. Por eso mismo, si en las inmediaciones de un cable bifilar ponemos otros cables del mismo tipo, resulta que las líneas de campo existentes más allá de un par de hilos se cuelan entre otros pares y se produce un fenómeno de diafonía (en inglés, crosstalk). Si has superado ya la treintena, seguramente recordarás que hace años, al hablar por teléfono, a menudo se oían otras conversaciones de fondo, aunque apenas se distinguía palabra alguna. A eso nos referimos: a acoplamientos entre los cables bifilares que se tendían juntos entre ciudades, como si el queso y la ensalada que sobresalían del pan de una hamburguesa se metieran dentro del pan de otra por ponerlas pegadas en una bolsa.

Con todo, hay que decir que con el cable bifilar desaparece la limitación que imponía el plano de tierra en el sentido de utilizar sólo frecuencias muy bajas. Ya no necesitamos ondas gigantescas que vean el mundo muy pequeño y, por tanto, se puedan reflejar en casi cualquier suelo. A través del cable bifilar se pueden propagar ondas de un rango de frecuencias más amplio, y por tanto tenemos un medio con más capacidad, que puede transmitir más información. No obstante, sigue habiendo un límite, debido a que la energía disipada por el movimiento de electrones en el plástico aumenta con la frecuencia (es lógico: cuanto más rápido se desplacen éstos para adelante y para atrás, más se calentará el material). Hasta unos pocos megahercios (MHz) se puede trabajar sin problemas; a partir de ahí, las pérdidas de energía por calentamiento son demasiado elevadas.

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Cables de dos hilos conductores enrollados

Hacia finales del siglo XIX, las interferencias se convirtieron en un problema importante, debido a la cada importancia que ya habían cobrado las comunicaciones telefónicas y la creciente presencia de cachivaches eléctricos en las ciudades. En 1881, Alexander Graham Bell (el amo y señor del cotarro telefónico, como explicamos en «A tortas por la invención del teléfono») patentó una solución para combatir las interferencias, enrollando los dos hilos conductores el uno sobre el otro, convenientemente envueltos cada uno de ellos por un aislante. De esta manera, el cable (que pasa a llamarse par trenzado) se protege a sí mismo de los campos magnéticos externos, como si de un armadillo se tratara: apenas hay por dónde entrarle. En realidad, ya no es tanto que no se cuelen campos espurios (que se pueden seguir colando por entre los plásticos y reflejándose en los hilos conductores) sino que el efecto de cualquier interferencia se reparte casi por igual entre los dos hilos y entonces (por lo que decíamos arriba sobre cosas de la misma magnitud y distinto signo) las dos perturbaciones prácticamente se anulan la una a la otra.

En la figura de abajo, por ejemplo, se observa que las emisiones de la torre Wardenclyffe de la izquierda afectan siempre más (por estar más cerca) al hilo conductor envuelto de plástico azul que al envuelto de plástico rojo. Las emisiones de torre de la derecha, en cambio, unas veces se topan antes con el hilo rojo y otras con el azul, de modo que los efectos terminan compensándose.

 

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En la figura también se ve, no obstante, que la vuelta central del conductor azul se come la parte más intensa de las emisiones de la torre, que quizás no se vea neutralizada totalmente por lo que se comen las vueltas vecinas del rojo. Esto explica algo que parece evidente: cuanto más enrollados estén los hilos, mejor se repartirán los efectos de cualquier interferencia entre ellos y, por tanto, mayor será el «blindaje» que ofrece el par trenzado. Pero, como siempre en ingeniería, hay un «pero»: cuanto mayor sea el enrollamiento, más largos habrán de ser los hilos conductores para cubrir una distancia dada. Y el cobre (el material más utilizado para hacer pares trenzados) no va precisamente barato… y por eso pasa lo que pasa.

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Para ir cerrando por hoy…

Probablemente nunca habrás visto una línea telegráfica en funcionamiento, pero los cables de dos hilos siguen siendo comunes a día de hoy. Sin ir más lejos, el cable que trae el teléfono fijo a nuestras casas es un cable bifilar. A pesar de sus limitaciones, cuando se popularizó el teléfono (como recordarás, hace ya un siglo de esto) el cable bifilar era un medio barato y efectivo para transportar la señal de voz humana, que no llega más allá de 4 KHz. Seguramente no sería tan bueno para relinchos, gruñidos y rebuznos, pero ni falta que hacía.

Ahora bien, habiendo tantos y tantos kilómetros de cables bifilares tendidos por el mundo, ya a finales del siglo XX (vamos, hace nada) parecía una buena idea intentar aprovecharlos para nuevos usos, como el acceso a Internet. Si tienes ADSL en casa podrás comprobar que tu conexión a Internet utiliza un simple cable bifilar, que un aparatito junta con otro cable bifilar conectado al teléfono. Un cable para voz, otro para datos. El cable bifilar es el mismo que hace 100 años transportaba apenas 4 KHz de voz, pero ahora es capaz de llevar megas de información a nuestro ordenador. ¿Cómo es posible? Las ondas electromagnéticas que transportan todos esos datos llegan hasta los 12 MHz de frecuencia, donde el cable bifilar presenta pérdidas importantes. Sin embargo, aplicando mucha matemática y ciertas restricciones (como estar relativamente cerca de una centralita) todavía se pueden hacer grandes cosas. Lo de que en cualquier país desarrollado disfruten de conexiones más rápidas que las que tenemos en España ya no es culpa de científicos ni ingenieros…

Sea como sea, habrás observado que, cuando se hace una instalación nueva, muchas compañías ya no instalan cables bifilares para dar acceso a Internet, sino otras soluciones más modernas, de las que hablaremos en breve. Tiempo al tiempo, y disculpas por el transcurrido desde la última publicación (^_^;)

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