¿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.
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.
Realizar operaciones fundamentales de laboratorio
