ONDAS DE RADIO: ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

¿QUÉ SON ONDAS DE RADIO? 

Nuestra sociedad contemporánea vive inmersa en la tecnología, de tal modo que no nos sorprende en absoluto el milagro de la televisión, los teléfonos celulares o las comunicaciones por satélite. Pero, en sus primeras aplicaciones las ondas de radio fueron una auténtica revolución, algo que para los profanos de la ciencia se identificaba más con un hecho sobrenatural que con un descubrimiento científico.

Guglielmo Marconi fue el primero en dar aplicación práctica a las ondas de radio, un fenómeno electromagnético que fuera estudiado anteriormente por el físico alemán Heinrich Hertz, de ahí que hoy en día se les denomine “ondas herzianas”.

Para entender qué es una onda herziana, tendríamos que comenzar por explicar cómo se mueven los electrones en un conductor y cuáles son sus efectos sobre él. Cuando los electrones circulan a través de un conductor producen a su alrededor un campo magnético. En la corriente alterna que utilizamos en nuestros hogares, esos electrones “alternan” su sentido 50 veces por segundo, es decir, primero circulan por el conductor en un sentido y después regresan en sentido contrario, así hasta completar 50 ciclos de ida y vuelta. La “frecuencia”, un término que seguramente utilizaremos muy a menudo en lo sucesivo, es precisamente el número de ciclos de ida y vuelta que se desarrollan en un segundo.

La frecuencia es el número de ciclos de ida y vuelta que se desarrollan en un segundo.

Cuando la electricidad se mueve por los conductores de nuestra instalación eléctrica, se está comportando como una emisora de radio muy rudimentaria, emitiendo en la frecuencia de 50 ciclos por segundo (50 cps). De hecho, si sintonizamos un receptor de radio en la banda de onda media, y lo acercamos a algún electrodoméstico, especialmente allí donde contenga bobinados, como un transformador o un motor, observaremos que al mover el dial aparece en alguno de sus puntos un armónico en forma de zumbido o ruido de sierra, producido por las ondas electromagnéticas que emiten los cables. Este zumbido es captado en ocasiones de forma indeseada por los receptores de radio, televisión y otros aparatos, como los ordenadores, de ahí que la mayoría de estos equipos se fabriquen con filtros de red (a veces integrados en el propio cable), con objeto de que estas ondas no interfieran en su funcionamiento.

Pero, la frecuencia de 50 cps no es apta para ser utilizada en la radiodifusión. Es tan baja, que aunque su señal sólo alcanzara unos pocos metros de distancia, los equipos emisores serían inmensamente grandes, e igualmente sus antenas. Además, no podrían enviar señales de audio (voz u otro tipo audible), ya que la propia frecuencia de 50 cps se encuentra dentro de la banda audible, que es de 20 a 20.000 ciclos; un violín, por ejemplo, sonaría entre los 10.000 y 15.000 ciclos.

Así pues, para que una onda de radio pueda desplazarse, llevar información y ser captada a larga distancia, es necesario elevar su frecuencia mucho más allá de los 20.000 ciclos, alejándola de la banda audible. La banda comercial de radio de onda media (OM), por ejemplo, trabaja en frecuencias que van desde 535.000 hasta 1.700.000 ciclos -el término más apropiado sería herzios (Hz), y así lo describiré en lo sucesivo-.

Para manejar mejor estas frecuencias matemáticamente, se utilizan múltiplos: 1000 Hz = 1 Khz; 1000 Khz = 1 Mhz; 1000 Mhz = 1 Ghz.

Entre 3 y 30 Mhz (3 y 30 millones de herzios) las ondas pueden desplazarse en mayor o menor grado a lo largo de la Tierra, rebotando en la atmósfera (en una capa llamada ionosfera), dando la vuelta al globo y pudiendo ser recibida por receptores que se encuentran en las antípodas del emisor. En este margen de frecuencias se encuentra la onda corta (OC), que tiempos atrás tuvo mayor protagonismo, durante las guerras y posguerras, entre desplazados y emigrantes que seguían los sucesos en sus países de origen gracias a los aparatos de radio que cubrían esta banda de frecuencias.

Conforme vamos elevando la frecuencia más allá de los 30 Mhz las ondas se van comportando de forma más direccional, es decir, se desplazan preferentemente en línea recta y pierden paulatinamente su capacidad de rebotar en los obstáculos, o en la ionosfera, por tanto cualquier receptor que se encuentre al otro lado de una barrera física para las ondas de esta banda, no las podrá captar.

Sin embargo, las ondas direccionales tienen otras importantes ventajas: cuanto más alta sea su frecuencia, más pequeñas pueden ser sus antenas y menos potencia se necesitará para llegar al mismo lugar, lo que se traduce en aparatos más pequeños y manejables. Además, estas ondas son menos vulnerables a las interferencias y a los efectos de la radiación electromagnética del Sol. Así, por ejemplo, las microondas son ondas que se mueven en frecuencias de centenas de millones de herzios; la televisión terrestre utiliza estas frecuencias para distribuir sus señales por todo un territorio antes de que llegue hasta nuestros hogares. Lógicamente, cualquier obstáculo en su camino impediría su avance, por eso se utilizan repetidores que enlazan unos con otros en cadena, normalmente situados en las cúspides de las montañas; en la actualidad, esta operación de enlace se realiza incluso mediante repetidores a bordo de satélites artificiales.

Una de las aplicaciones más interesantes de las microondas de radio es la exploración del espacio exterior. Normalmente, se utilizan frecuencias que superan el Gigaherzio (1.000 Mhz o mil millones de herzios). Gracias a ellas se pueden controlar ingenios espaciales, enviarles órdenes y recibir señales con variados tipos de datos (fotografía, video, telemetría…), con un consumo energético muy pequeño, en comparación con las grandes distancias a las cuales pueden ser enviados. Por supuesto, las comunicaciones entre tierra y los vehículos espaciales tripulados se realizan en esta banda de las microondas. Igualmente, la televisión por satélite es un hecho en nuestros hogares, gracias a estas ondas ultracortas.

Pero, la aplicación más cercana a nosotros, y que recibió un gran impulso en los últimos años, son los teléfonos móviles o celulares. Cuando hablamos o enviamos datos a través de estos aparatos, estamos utilizando una sofisticada expresión de las ondas de radio. Su banda de frecuencias suele estar en los 800-1000 Mhz, por eso las compañías telefónicas que sirven a los móviles requieren de múltiples antenas reemisoras distribuidas por toda la orografía de un territorio, de los cuales cuelgan los teléfonos móviles en forma de “células” dependientes de una central de conmutación automática. Esa central sabe en todo momento dónde se encuentra cada célula activa, y según su movimiento, acercándose o alejándose a una antena, irá conmutando la célula a aquella antena que le envíe la señal más clara o potente, e incluso realizando los cambios de frecuencia si fuera pertinente, todo ello automáticamente, y sin que el usuario se percate de toda la tecnología que se mueve detrás de una conversación o un simple mensaje SMS a través de un teléfono móvil.

He de decir, que las ondas de radio sólo son una mínima expresión del extenso espectro de ondas electromagnéticas, en realidad se encuentran en la parte más baja del espectro. Por encima de las ondas de radio se encuentran las ondas infrarrojas (un uso típico de ellas es el mando a distancia del televisor); le siguen las ondas de luz visible, es decir, las que nos permiten ver los objetos que nos rodean, y que sólo ocupan un estrecho margen de todo el espectro; por encima se encuentran las ondas ultravioleta, muy peligrosas para los seres vivos, y una parte de la cual es emitida por el Sol 

Más allá de las emisiones ultravioleta se encuentran los rayos X, cuya utilización práctica más conocida es el diagnóstico médico mediante la técnica de la radiografía; finalmente, en el extremo del espectro electromagnético se encuentran los rayos gamma, las que llegan a la Tierra son el resultado de los violentos procesos cósmicos que se produjeron en el espacio profundo, como las supernovas.

Hemos sabido qué son y cómo se mueven las ondas electromagnéticas de radio, en los siguientes artículos haré una retrospectiva de las primeras experiencias en las emisiones de radio, e intentaré explicar cómo se envía la información a través de estas ondas.

www.natureduca.com/radioblog/?p=97, sobre introducción al oscilador electrónico)

Qué son las ondas de radio o electromagnéticas 

En el artículo anterior aprendimos cómo funcionan los componentes electrónicos que generan las ondas de radio o electromagnéticas.  Ahora, haré una introducción sobre los antecedentes de las comunicaciones radioeléctricas  para, más tarde, entender cómo evolucionaron los diferentes métodos de envío de la información por este medio.

LOS PRECURSORES

En sus orígenes, el físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851), observó por primera vez en 1819 la existencia de un campo magnético alrededor de un conductor por el que circulaba corriente. Al colocar una aguja imantada en sus proximidades, ésta se desviaba orientándose de forma perpendicular al conductor. Con este descubrimiento se iniciaba el estudio del electromagnetismo.

Hans Christian Oersted

Sólo doce años después, el físico-químico británico Michael Faraday (1791-1867), basándose en el descubrimiento de Oersted, comprobó que el campo magnético que existía alrededor del conductor podía transferirse a otro conductor si se daban las condiciones fisicas adecuadas. Faraday había descubierto la inducción electromagnética, algo que en la actualidad constituye uno de los fenómenos eléctricos más útiles, pues el 80% de la energía eléctrica que llega a nuestros hogares ha sido producida utilizando el fenómeno de la inducción electromagnética.

Los estudios de Faraday no cayeron en saco roto, y fueron asumidos por otro físico, también británico,James Clerk Maxwell (1831-1879), ampliando sus investigaciones y elaborando la teoría del electromagnetismo. Maxwell demostró la relación matemática entre un campo eléctrico y magnético, y también que la luz está compuesta de ondas electromagnéticas.

James clerk Maxwell

Los trabajos, más o menos teóricos, de Maxwell y sus predecesores, allanaron el camino a otros físicos que buscaban aplicaciones prácticas a todos esos descubrimientos sobre electromagnetismo. En este sentido, podemos considerar al físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894), como el primero en demostrar que la electricidad podía transmitirse y propagarse a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas. Sus experimentos le llevaron a descubrir la telegrafía sin hilos. En su honor, se denominó hercio a la unidad de frecuencia, cuyo símbolo es Hz (el hercio es sinónimo de ”ciclo”, pero aplicado a la frecuencia eléctrica).

Otro físico e inventor de origen italiano, Guglielmo Marconi (1874-1937), se interesó por los experimentos de Hertz e investigó sobre las posibilidades de sus descubrimientos para enviar información a distancia sin necesidad de utilizar hilos. En realidad, ya existían sistemas de comunicaciones telegráficas, pero mediante cables que eran tendidos entre estaciones intervenidas por operadores telegrafistas (el código Morse, ideado por el estadounidense Samuel F. B. Morse, ya se utilizaba desde 1844, año en que transmitió su primer mensaje telegráfico); el término tan utilizado en otros tiempos “enviar un cable” es un sinónimo de “enviar un telegrama”, y tiene su origen en la telegrafía por hilo o “cable” eléctrico.

Guglielmo Marconi

Marconi se propuso investigar cómo enviar cada vez más lejos las señales electromagnéticas. Hertz alcanzaba unos pocos metros utilizando un dipolo (un hilo radiante direccional en forma de lazo cerrado), pero Marconi le dio importancia a este elemento (muy acertadamente como se verá después) y comenzó a probar otros diseños de antena. Los mejores resultados los consiguió utilizando tomas de tierra, lo que se conoce como “contraantena”, que consiste en tomar un extremo de la antena y conectarla a unas picas de cobre enterradas en un lugar húmedo o con buena conducción.

Hago un inciso para decir que la “contraantena” ha sido un elemento ampliamente estudiado, y no se concibe una buena antena sin su correspondiente contraantena (que según el diseño puede estar conectada a tierra o no). En una emisora, la antena y contraantena deben calcularse perfectamente para que la onda a emitir pueda completar su ciclo, en caso contrario una parte de la potencia regresará a la emisora sin ser enviada al espacio, es lo que se conoce como “onda reflejada”. Si esa reflejada es muy fuerte puede incluso destruir el amplificador de potencia de salida de la emisora.

En un receptor de radio puede descuidarse algo la forma o tamaño de la antena, pero en una emisora es, probablemente, el elemento más importante. En un artículo posterior me propongo tratar el tema de las antenas de emisión, por constituir casi un mundo aparte en la electrónica de comunicaciones, y donde os mostraré curiosidades que llamarán vuestra atención.

Volviendo con Marconi tras este inciso, finalmente tras algunos pequeños éxitos locales consiguió en 1903 unir radiotelegráficamente Europa y América. Sus experiencias abrían un futuro prometedor para la incipiente radiotelegrafía, y sería el preludio de un insospechado éxito para la radiodifusión y radiocomunicación a nivel mundial. Hoy en día, la radio comercial especializada y de noticias, la televisión, las radiocomunicaciones terrestres y espaciales o la telefonía móvil, forman parte de nuestra vida cotidiana; todo ello se lo debemos a precursores inventores o teóricos, como Hertz, Marconi, Maxwel, Faraday y Oersted.

En la siguiente parte veremos cómo se envía la información a través de una onda de radio o electromagnética.

www.natureduca.com/radioblog/?p=97, sobre introducción al oscilador electrónico)