Telecomunicaciones: Historia Y Conceptos Básicos

Las telecomunicaciones (del prefijo griego tele, que significa "distancia" o "lejos", o sea "comunicación a distancia") consiste en las técnicas, aparatos, y conocimientos que se utilizan para transmitir un mensaje desde un punto a otro. La página electrónica de la Comisión Federal de Telecomunicaciones define más precisamente a las telecomunicaciones como “toda transmisión, emisión o recepción de signos, señales, escritos, imágenes, sonidos o informaciones de cualquier naturaleza por cable, radioelectricidad, medios ópticos u otros sistemas electromagnéticos.”

Es en esta última definición que aparece la palabra clave en el concepto moderno de las telecomunicaciones: se hacen mediante sistemas electromagnéticos. O sea, que si mando un mensaje mediante una paloma mensajera o le grito a mi vecino desde mi casa, estos dos ejemplos ya no contarían modernamente como telecomunicaciones. Curiosamente, la transmisión mediante señales de humo o mediante espejos, si contarían como telecomunicaciones porque estaríamos usando a la luz (que es un medio electromagnético) para transmitir la información. El número de actividades que cae dentro del rubro de las telecomunicaciones es cada vez más grande: tanto el teléfono común como el celular, las estaciones de radio y televisión, el Internet, la radioastronomía, etc.

Entonces, un primer acercamiento serio a las telecomunicaciones implica un conocimiento de que son los medios electromagnéticos o más precisamente, que son las ondas electromagnéticas (que son los “medios” a los que se refiere la definición de la Comisión Federal de Telecomunicaciones).

Medios de Telecomunicación

Las ondas electromagnéticas

El ser humano tenía ya conocimiento de dos fuerzas, la eléctrica y la magnética, que a través del tiempo le parecieron no tener relación clara. La fuerza eléctrica era ya conocida por los antiguos griegos, quienes sabían que si uno frotaba una barra de ámbar con un paño, la barra atraía a objetos livianos como una plumita. Ahora sabemos que la materia normal está constituida de partículas cargadas negativamente (los electrones) y de partículas cargadas positivamente (los protones). Normalmente, las cosas están “neutras” (tienen tantos electrones como protones), pero al frotarlas, por ejemplo nuestro cabello seco con un globo de plástico, el globo gana un exceso de electrones y queda cargado negativamente mientras que el cabello los pierde y queda cargado positivamente. Finalmente, como las cargas eléctricas opuestas se atraen (y las iguales se repelen), encontramos que el globo atrae y nos para los pelos (ver la Figura 1). Como estos efectos se observaron primero en el ámbar, la palabra electrón significa ámbar en griego.

Por otro lado, estaba la fuerza magnética, la cual también era conocida desde los antiguos griegos y se producía por minerales como la magnetita (ver la Figura 2), que son imanes naturales y atraen a ciertos metales. Cuenta la leyenda que el término de magnetismo viene de que el fenómeno lo observó por primera vez un pastor griego de nombre Magnés, aunque otros piensan que el nombre viene de la ciudad de Magnesia, en lo que ahora es Turquía, donde se encuentra mucha magnetita. La fuerza magnética parece, a primera vista, ser de naturaleza muy distinta a la eléctrica. Por ejemplo, la fuerza eléctrica no atrae a un metal conductor, mientras que la fuerza magnética si lo hace.

Pero con el paso del tiempo quedó claro que la electricidad y el magnetismo están en realidad profundamente relacionadas. En 1820, el danés Hans Christian Oersted notó que la corriente eléctrica (algo eléctrico) en un cable afectaba a un imán cercano (algo magnético). Poco después, el inglés Michael Faraday demostró que una fuerza magnética variable (como la producida al acercar y alejar un imán) producía una corriente eléctrica en un alambre cercano. La unificación de estos conceptos sueltos ocurrió hasta 1864, cuando el físico escocés James Clerk Maxwell (ver la Figura 3) sintetizó todos los experimentos anteriores en la llamada teoría del electromagnetismo.

En términos sencillo, la teoría del electromagnetismo nos dice lo siguiente. La fuerza “primaria”, por decirlo así, es la fuerza eléctrica que existe entre las partículas cargadas. Pero si existe movimiento entre estas partículas aparece la fuerza magnética. Más aún, una fuerza eléctrica variable en el tiempo (como la que se produciría si sacudimos a un electrón) producirá una fuerza magnética también variable en el tiempo. Pero a su vez, esta fuerza magnética variable producirá una fuerza eléctrica variable y así sucesivamente, de modo que del electrón original se “desprendían” estas fuerzas que viajaban por el espacio. A este algo que viaja por el espacio, se le conoce como una onda electromagnética (porque contiene fuerzas tanto eléctricas como magnéticas). En otras palabras, sacudiendo un electrón generamos ondas electromagnéticas que viajan por el espacio. Estas ondas contienen fuerzas que, a distancia, pueden hacer que un electrón lejano se sacuda en respuesta a los movimientos del primer electrón (ver la Figura 4). Podemos entonces transmitir información por el espacio gracias a estas ondas electromagnéticas.

Obviamente, algo muy importante era determinar a que velocidad se movían estas nuevas ondas. La teoría de Maxwell (expresada a través de sus cuatro famosas leyes) permitía calcular cual era esa velocidad. Cuando Maxwell encontró que esa velocidad era precisamente la velocidad de la luz (300,000 kilómetros por segundo) se dio cuenta de que las ondas electromagnéticas eran un fenómeno general: la luz misma era un ejemplo de ondas electromagnéticas. Esta gran velocidad es una de las ventajas de las ondas electromagnéticas: su velocidad es la más grande que se puede alcanzar en la Naturaleza, nada puede ir más rápido que la luz. En contraste, la velocidad del sonido es tan sólo de 0.34 kilómetros por segundo.

La predicción de Maxwell de que existían ondas electromagnéticas (además de la luz) la comprobó experimentalmente el físico alemán Heinrich Hertz, quien en 1888 construyó en Berlín equipos que le permitieron transmitir y detectar ondas de radio (otra de las variedades de las ondas electromagnéticas) de manera inalámbrica por primera vez. Hertz demostró que las ondas de radio se mueven a la velocidad de la luz, y que era posible lograr que los campos eléctricos y magnéticos se desprendieran de los alambres y viajaran libremente por el espacio en forma de ondas electromagnéticas.

Uno de sus estudiantes le preguntó sobre el posible uso práctico de su descubrimiento. Hertz contestó: “No sirve para nada. Es sólo un experimento que prueba que Maxwell, el maestro, estaba en lo correcto. Simplemente tenemos estas misteriosas ondas electromagnéticas que no podemos ver con el ojo. Pero ahí están”. Hertz era un gran científico, pero obviamente no alcanzó a imaginar la gran utilidad y valor comercial que tendrían las ondas de radio.

Anatomía de una onda

De un modo u otro, todos estamos familiarizados con las ondas. Una ola en el mar, el sonido, la “ola mexicana” que hace la gente en los estadios deportivos, son todos ejemplos de ondas. Una onda está caracterizada por tres parámetros fundamentales (ver la Figura 5). La amplitud de la onda es que tan alto llegan los picos de la onda. A mayor amplitud, mayor energía es transmitida. El segundo parámetro (ver la Figura 5) es la longitud de onda, que es la separación que existe entre dos picos consecutivos de una onda. Finalmente, tenemos la velocidad a la que se propaga la onda, que como hemos dicho, en el caso de las ondas electromagnéticas es la velocidad de la luz. Estos dos últimos parámetros, la longitud de onda y la velocidad, nos dan otro parámetro que a veces es más conveniente utilizar: la frecuencia de la onda. La frecuencia es el número de picos que pasan por un punto dado por segundo. A mayor velocidad y menor longitud de onda es mayor la frecuencia, de modo que ésta queda definida como

La frecuencia se acostumbra dar en unidades de ciclos por segundo (también conocidos como Hertz, en honor al físico que transmitió y detectó por primera vez ondas de radio y que mencionamos anteriormente).

El espectro electromagnético

De acuerdo a su longitud de onda (o lo que es lo mismo, a su frecuencia, que está relacionada de manera biunívoca con la longitud de onda), las ondas electromagnéticas pueden caer en seis grandes ventanas (ver la Figura 6), que en orden de menor longitud de onda (o sea, mayor frecuencia) a mayor longitud de onda (o sea, menor frecuencia) son las bandas de los rayos gama, los rayos X, la radiación ultravioleta, la luz visible, las ondas infrarrojas y las ondas de radio. Todas estas distintas formas de las ondas electromagnéticas obedecen las leyes de Maxwell y en el fondo son la misma cosa, aunque en detalle son distintas. Estas ventanas eran (con la excepción de la luz visible) prácticamente desconocidas para el público a principios del siglo XX. Pero ahora, ya forman parte de nuestra vida diaria, aún cuando sólo podemos “ver” con nuestros ojos a la luz. Los rayos gama y los rayos X son de gran utilidad en la medicina. La radiación ultravioleta es la que broncea nuestra piel al exponernos al Sol. Las ondas infrarrojas son las que transmiten el calor de un objeto caliente. Finalmente, las ondas de radio son utilizadas profusamente en distintos aspectos de las telecomunicaciones.

Quizá el lector se preguntará,

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