Bienvenido a PRACTICA CIENCIA. Este es un blog dedicado a la divulgación científica. Su principal característica es un enfoque basado en la experimentación como punto de partida y en presentar cada nueva entrada justo cuando las anteriores han fijado de manera sólida los conocimientos previos necesarios. Este blog hace uso sistemático de vídeos de youtube, ya que el autor considera que no hay nada como ver para creer y hoy en día hay excelente material didáctico en la red el cual puede ser legalmente utilizado ya que apuntamos directamente a la fuente y al autor del mismo. Así, este blog está cogiendo el formato de lo que podríamos denominar una "youtupedia": entradas apoyadas por vídeos donde hay multitud de enlaces que nos derivan a otras entradas y en el que además se intenta que haya siempre un hilo conductor. Todo ello amenizado por los propios comentarios del autor que son fruto de su experiencia en el campo, tras años de estudio y autoindagación.
Tras haber visto, con todo lujo de detalles, cómo se predijo y posteriormente se demostró la existencia de las ondas electromagnéticas, ha llegado el momento de dirigir nuestro estudio a los que son las ondas en sí, sus características, sus propiedades y su formulación.
Sirvan este par de vídeos de la colección "El Universo Mecánico" para abrir esta sección, con la cuál seguiremos después de tomarnos un respiro durante el mes de agosto. A la vuelva y de cara al curso venidero, además de estudiar los fenómenos ondulatorios, abordaremos otros campos como la Óptica y la Termodinámica; es decir la Luz y el Calor.
Por un estrechísimo margen de tiempo Alexander Graham Bell consiguió obtener la patente del teléfono y sobre esa base fundar un imperio que todavía perdura hasta el día de hoy. Dos horas más tarde llegaría la siguiente petición a la oficina de patentes con suerte claramente dispar. Y eso que se reconoce la atribución de los prototipos originales a otras personas otros años antes. Este es el caso del científico alemán Reis o del italiano Meucci, pero parece ser que no tuvieron la suficiente visión para darse cuenta de la relevancia de sus invenciones.
Tampoco está mal que Bell, que había orientado su vida al estudio de la audición porque su madre y esposa padecían sordera, se viera recompensado con el fruto de sus esfuerzos, y además éste nunca pretendió negar la aportación previa de otros.
En el vídeo de arriba podemos ver de forma muy ilustrativa el principio fundamental en el que se basa la modulación de amplitud, por el que una onda de baja frecuencia "envuelve" una onda de alta frecuencia (portadora), que es la que es capaz de "estimular" la antena para recorrer una distancia suficiente antes de ser detectada en el receptor.
En el vídeo de abajo vemos el mismo principio de modulación de AM, pero ahora de la mano de un circuito electrónico muy básico. En un osciloscopio se pueden apreciar ambas, la señal de audio que proviene del reproductor de CD, la señal de alta frecuencia que proviene del circuito oscilador, y el producto de la modulación de ambas. El vídeo es muy didáctico, ya que por su simplicidad, ayuda a aislar con facilidad los diferentes elementos que los componen e identificar su función.
El principio de modulación de amplitud o AM fue introducido por Fessenden y perfeccionado con la aparición de las primeras válvulas tríodo.
Reginald Aubrey Fessenden es considerado el inventor de la radiotransmisión; es decir la transmisión de audio a través de las ondas hertzianas.
Sus primeros hitos en el campo de las comunicaciones inalámbricas estuvieron relacionados con la telegrafía sin hilos a gran distancia. Así, Fessenden fue el primero en conseguir transmitir una señal transatlántica en código Morse.
Pero su empeño era el de conseguir mandar la voz humana y música a través de la ondas. Para aquel entonces, la mayoría de las transmisiones telegráficas eran a baja frecuencia, de forma que los receptores escuchaban directamente la señal en el mismo timbre en la que se emitía (aunque con la lógica distorsión e interferencias). Era el propio telegrafista el que con su experiencia y oído agudizado discernía según el tono la procedencia del mensaje. Cada mensaje tenía el tono característico según la frecuencia de resonancia del respectivo emisor y por la simple duración de los chispazos se codificaba adecuadamente: transmisión discontinua.
Poco a poco se fueron encontrando mecanismos para elevar la frecuencia de la señal emitida, pero en la práctica eso resultaba incómodo para los radiotelegrafistas, que no daban a distinguir bien los pulsos a frecuencias más elevadas.
Fessenden estaba convencido de que para transmitir la voz se requería de un mecanismo de transmisión continua (CW o Continuous Wave). El problema era que las ondas de baja frecuencia, como es la voz, eran atenuadas muy rápidamente, mientras que las de alta frecuencia, aunque pudieran ser detectadas a mayores distancias, no eran audibles. Fessenden concibió la idea de mezclar dos ondas, una de baja frecuencia con la voz o la música, y otra de alta frecuencia que actuaría como portadora de la primera. El audio cabalgaría por el espacio modulando la señal de alta frecuencia. La idea fue válida aunque su primer prototipo fue de lo más rudimentario. Consistía en un simple micrófono de carbón conectado en serie con la línea de retorno del bobinado de la antena. Con ello apenas consiguió un nivel del modulación del 25 %, pero las bases ya estaban sentadas para el desarrollo de la modulación de AM(Amplitude Modulation).
El siguiente reto fue la concepción de un mecanismo adecuado para poder extraer la voz y el sonido audible de la onda modulada en el receptor. También en este campo Fessenden puso la primera piedra al concebir el principio heterodino, mecanismo por el que se mezclaba la señal procedente de la antena con un tono generado localmente y cuyo batido permitía extraer el audio. Sin embargo, el principio heterodino no era prácticamente aplicable si la señal generada localmente no era muy estable y eso no se pudo conseguir hasta que Lee de Forest inventó la válvula tríodo.
El transmisor de chispas fue el primer dispositivo capaza de emitir ondas electromagnéticas. Al principio, la señal que se transmitía era el producto del chispazo entre dos esferas cargadas. Poco a poco se fue viendo que al aumentar la frecuencia del transmisor el alcance de las ondas era mayor. No en vano la onda que se generaba era de bajísima calidad y solamente se podía transmitir información utilizando el código Morse de la telegrafía.
Para conseguir aumentar la frecuencia del transmisor se fueron ideando varios mecanismos. Uno de los más relevantes fue el que incluía una pieza rotativa con varias esferas de descargas de forma que cada vez que un par de ellas se alineaban con el elemento que actuaba como antena, saltaba una chispa. Así se aumentaba la frecuencia real de emisión en un factor dado.
El transmisor que vemos en el vídeo de esta entrada se caracteriza por introducir una bobina de autoinductancia variable (tunning coil), lo cual permite modificar, dentro de un rango, la frecuencia de emisión.
El primer sistema de comunicaciones por radio es atribuido al ingeniero italiano Guglielmo Marconi. Su primer prototipo se basaba en el montaje experimental de Heinrich Hertz para el envío y detección de ondas electromagnéticas combinado con un pulsado para la generación de señales en código Morse. Nacía así el primer sistema de telegrafía sin hilos, capaz de mandar información a largas distancias, el cual se hizo muy popular por el hecho de que gracias a su uso pudo haber algunos supervivientes en la tragedia del Titanic.
Pero una cosa es la telegrafía sin hilos y otra cosa es mandar un sonido o incluso la voz humana a través de las ondas hertzianas. Dos de los pioneros en este logro fueron el canadiense Reginald Aubrey Fessenden y el español Julio Cervera Baviera.
El primero estuvo trabajando para Thomas Alba Edison y desarrolló lo que se conoce como el principio heterodino por el que se modulan dos señales, una de audio y otra de alta frecuencia. Puso en práctica sus ideas utilizando un transmisor de chispas de alta frecuencia y consiguió así transmitir la voz humana a más de una milla de distancia en el año 1900.
Julio Cervera, original de Segorbe y licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Valencia, además de haber sido un eventual colaborador de Marconi en sus estudios para la transmisión telegráfica sin hilos de señales codificadas, consiguió transmitir la voz humana entre Alicante e Ibiza en el año 1902.
Cabe aclarar que a pesar de la atribución popular generalizada de la invención de la radio a Marconi, existe una gran controversia sobre su validez, ya que existen serios indicios de que Nikola Tesla desarrolló la transmisión sin hilos varios años antes. Es más, se afirma que Marconi en su patente utilizó hasta 14 diferentes patentes originales de Tesla en la suya propia.
Para un estudio energético de las ondas electromagnéticas se parte de la consideración de dos términos que se suelen obtener de casos prácticos separados: la densidad de energía eléctrica y la densidad de energía magnética. Un análisis pormenorizado de ambas expresiones pone de manifiesto que son exactamente iguales. Es decir, que en una onda electromagnética, la cantidad de energía eléctrica y la cantidad de energía magnética son exactamente iguales!!!. Esta es una extraordinaria simetría que se surge de la relación concreta que se establece entre el módulo del campo eléctrico y el módulo del campo magnético: E = c · B.
La densidad de energía total es lógicamente la suma de la densidad de energía eléctrica y la densidad de energía magnética. Si calculamos la energía que atraviesa una superficie de 1 metro cuadrado en 1 segundo obtenemos la potencia asociada a la onda EM. Ésta resulta ser proporcional al vector campo eléctrico E y al vector magnético H. Dado que la energía fluye en la propia dirección de propagación de la onda, tiene sentido formular la potencia de la onda EM como el producto vectorial de E x H. Esta cantidad se conoce como el vector de Poynting y se la suele asociar la letra S.
Así como la densidad de energía eléctrica se obtiene a partir del análisis del proceso de carga de un condensador plano de placas paralelas, para obtener una expresión de la cantidad de energía magnética por unidad de volumen podemos partir del análisis de la carga de un solenoide de N espiras.
En un solenoide podemos expresar el trabajo necesario para almacenar energía magnética en razón de la cantidad de carga eléctrica que lo atraviesa como
donde hemos utilizado la expresión con la que se define el coeficiente de autoinducción como la constante de proporcionalidad entre la corriente que circula por la bobina y el flujo magnético que la atraviesa.
Dividiendo por el volumen (S · l) obtenemos la densidad magnética de energía, expresión que solamente depende de la permeabilidad magnética del medio y el campo magnético, y su validez es de carácter general para cualquier otra situación.
