El espectro radioeléctrico es propiedad de la nación

El espectro radioeléctrico es propiedad de la nación. Últimamente hemos escuchado esta frase repetidas veces, en el contexto de las nuevas leyes de telecomunicaciones y del llamado apagón analógico. Pero, ¿qué significa dicho espectro? No  tiene que ver  con horribles apariciones fantasmales  ni personas en grado extremo de delgadez, como algunos lectores pudieron haber creído. En este artículo revisaremos el concepto de espectro radioeléctrico y en artículos posteriores estudiaremos algunos problemas asociados a su uso contemporáneo.

Podemos empezar nuestra historia a mediados del siglo XIX, cuando ya se entendían muchos de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Se sabía entonces que las cargas eléctricas son fuentes de campos eléctricos que divergen de las cargas positivas y convergen sobre las cargas negativas (ver figura 1). También se sabía que las cargas se pueden mover dentro de cierto tipo de materiales llamados conductores, como los metales, dando origen acorrientes eléctricas. Éstas  son fuentes de campos magnéticos que las rodean siguiendo la regla de la mano derecha (figura 2); al extender el dedo pulgar de dicha mano  en la dirección de la corriente, los demás dedos se cierran en la dirección del campo magnético. Los siempre enigmáticos imanes pudieron finalmente explicarse en términos de corrientes eléctricas que, misteriosamente, circulan de manera persistente por la superficie de los materiales magnetizados (el origen de estas corrientes no llegó a entenderse sino hasta entrado el siglo XX, y requirió para ello del desarrollo de la mecánica cuántica). Finalmente, se sabía que al incrementar un campo magnético, por ejemplo, aumentando el flujo de una corriente eléctrica, se induce un campo eléctrico que se opone a dicho flujo (figura 3). Esta inducción eléctrica permitió el desarrollo de la industria electromecánica actual, conduciendo a la tecnología de los generadores eléctricos empleados en las plantas hidro-, nucleo- y termo-eléctricas que tanto nos preocupan recientemente. Las leyes que gobiernan los fenómenos arriba descritos fueron obtenidas a partir de observaciones y experimentoscuidadosos.

Sin embargo, había inconsistencias en la teoría electromagnética que pueden ilustrarse considerando un alambre conductor sobre el que fluye cierta corriente eléctrica, como el mostrado en la figura 4, y el cual es interrumpido por las placas de un capacitor. Examinemos el campo magnético producido por dicha corriente conforme caminamos a cierta distancia del alambre hacia la brecha entre las placas del capacitor. Por un lado, lejos del alambre no debería haber cambios abruptos en el campo magnético, pero por otro lado, el campo magnético da vueltas alrededor de la corriente eléctrica y entre las placas del capacitor no fluye corriente. Entonces, ¿hay o no un campo magnético alrededor del capacitor? James Clerk Maxwell resolvió el problema anterior notando que al interrumpir el flujo de corriente eléctrica mediante las placas de un capacitor, una de las placas recibe la carga que llega a través del alambre adquiriendo gradualmente una carga positiva creciente. La otra placa se descarga gradualmente adquiriendo una carga negativa, de manera que el sistema permanece globalmente neutro. Las cargas que adquieren las placas del capacitor son fuentes de un campo eléctrico creciente. Por lo tanto, la corriente eléctrica sobre el alambre se convierte en un campo eléctrico creciente entre las placas del capacitor. Luego, los efectos magnéticos de un campo eléctrico creciente entre las placas del capacitor deben corresponder a los mismos efectos magnéticos que produce una corriente eléctrica en el alambre que lo alimenta. Los cambios en el campos eléctrico conforme transcurre el tiempo se comportan como si fueran un tipo de corriente eléctrica, la cual Maxwell denominó corriente de desplazamiento. Identificar a los campos eléctricos cambiantes como fuentes de campo magnético fue resultado de un estudio meramente teórico.

La teoría electromagnética esbozada arriba condujo a una predicción espectacular: Un campo magnético variable puede inducir un campo eléctrico también variable, el cual a su vez produciría un campo magnético variable que produciría un campo eléctrico, y así sucesivamente. De esta manera, los campos eléctricos y magnéticos se retroalimentarían mutuamente, originando una oscilación auto-sostenida, una onda electromagnética que se propagaría a través del espacio sin amortiguarse y con una velocidad determinada por las constantes fundamentales que aparecen en la teoría electromagnética. Esta velocidad resulta ser cercana a los trescientos mil kilómetros por segundo, la desde entonces bien conocida velocidad de la luz. La conclusión es inescapable, la luz no es más que una onda electromagnética,  la cual puede propagarse, como sabemos,  durante millones de años para llegar en noches claras a nuestros ojos proveniente de las galaxias más lejanas. Las leyes de la electricidad y el magnetismo quedaron descritas a mediados del siglo XIX por un juego de cuatro ecuaciones, presentadas en 1855 por Maxwell ante la Sociedad Filosófica de Cambridge y conocidas ahora como las ecuaciones de Maxwell, las cuales no sólo unificaron los fenómenos eléctricos con los magnéticos, sino que también incorporaron los fenómenos luminosos, es decir, aquellos estudiados por la óptica (figura 5), y condujeron a principios del siglo XX a la teoría de la relatividad especial.

En 1887, 32 años después de la presentación en sociedad de las ecuaciones de Maxwell, Heinrich Hertz demostró experimentalmente la existencia de ondas electromagnéticas producidas por un circuito eléctrico oscilante y midió su velocidad de propagación, corroborando que coincidía con la velocidad de la luz. En 1892 Nikolas Tesla propuso el uso de la radiación electromagnética para transmitir información y en 1895 Guglielmo Marconi mostró el primer telégrafo inalámbrico que empleaba ondas electromagnéticas para transmitir información inalámbricamente entre dos estaciones situadas en lados opuestos de una montaña y separadas miles de metros entre sí.

De acuerdo a su frecuencia, es decir, al número de veces que oscila el campo electromagnético cada segundo, las ondas electromagnéticas se clasifican como rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja, ondas de terahertz, microondas y ondas de radio, ordenadas de mayor a menor frecuencia. El empleo de ondas electromagnéticas para transmitir información ha revolucionado nuestro modo de vida, dando origen a tecnologías como la telefonía inalámbrica, el radio y la televisión entre muchas otras, y más recientemente, el internet inalámbrico (los conceptos asociados a estas tecnologías como son el ancho de banda de un canal y su capacidad de transmisión de información serán discutidos en un artículo posterior).

La importancia estratégica de estas tecnologías ha llevado a los países a regular el uso de las ondas electromagnéticas que se propagan sobre su territorio y  definir quiénes pueden transmitir en qué intervales de frecuencias, con qué potencias y para qué propósito, sobre todo en la región correspondiente a las microondas y a las ondas de radio, cuyas frecuencias son menores a los cien mil millones de oscilaciones por segundo. Éste es el llamado espectro radioeléctrico, propiedad de todos nosotros, propiedad de la nación.

Glosario:

1.     Ancho de banda: La diferencia entre la frecuencia máxima y la frecuencia mínima de las ondas que pueden transmitirse en un canal de comunicaciones. La cantidad de información que puede transmitir un canal depende de su ancho de banda.

2.     Campo eléctrico: Atributo de cada punto del espacio que determina la fuerza que actúa sobre una carga fija colocada en dicho punto.

3.     Campo magnético: Atributo de cada punto del espacio que determina la fuerza que actúa sobre una carga en movimiento colocada en dicho punto.

4.     Capacitor: Dispositivo capaz de acumular carga que le es suministrada a través de un conductor.

5.     Carga eléctrica: Atributo de la materia y de las partículas subatómicas que produce fuerzas de repulsión o atracción. Cargas del mismo signo se repelen y del signo opuesto se atraen. La carga de un electrón se denota por  –e y la de un protón es +e. La carga total de un cuerpo es la suma de las cargas de sus constituyentes.

6.     Corriente de desplazamiento: Variación temporal del campo eléctrico que debe sumarse a la corriente eléctrica para completar la fuente del campo magnético.

7.     Corriente eléctrica: Movimiento de cargas eléctricas. Medida de dicho movimiento. La corriente eléctrica a través de un punto en un alambre conductor es la cantidad de carga que pasa de un lado al otro lado de dicho punto por unidad de tiempo.

8.     Ecuaciones de Maxwell: Conjunto de ecuaciones que describen los fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos.

9.     Fuente de campo: Origen o productor del campo. Las cargas son fuentes del campo eléctrico y las corrientes son fuentes del campo magnético.

10.  Inducción eléctrica: Generación de campos eléctricos por la variación temporal de campos magnéticos.

11.  Mecánica cuántica: Leyes que rigen el comportamiento de la materia a nivel microscópico y que integran su comportamiento ondulatorio con su comportamiento corpuscular.

12.  Onda electromagnética: Oscilación del campo eléctrico y magnético que se puede propagar en el espacio vacío. La luz es una onda electromagnética, así como las ondas de radio y los rayos X.

Artículo publicado originalmente “El espectro radioeléctrico es propiedad de la nación” en el periódico Unión de Morelos por miembros de la Academia de Ciencias de Morelos A.C.