Física Teórica y Telefonía

Leemos en el extraordinario libro del historiador de la ciencia Helge Kragh (Dinamarca, 1944), «Generaciones cuánticas. Una historia de la Física en el Siglo XX», una interesante información sobre la influencia de la física teórica en el desarrollo de la telefonía a larga distancia.

El comienzo del epígrafe llama la atención: “El teléfono de Alexander Graham Bell no fue un producto de la ciencia”. Kragh justifica esta idea en que el comienzo de la telefonía fue debido principalmente a métodos empíricos en los que predominaban las técnicas de ensayo y error. Estos métodos no conseguían mejorar la calidad de las comunicaciones de voz en larga distancia. Surgió así la idea de utilizar los procedimientos de la ciencia básica, es decir los fundamentos puramente teóricos para intentar aplicarlos posteriormente. Hay que tener en cuenta que a finales del Siglo XIX todavía no existían los amplificadores de señal.

Así, en 1887 el ingeniero de telégrafos y matemático francés Aime Vaschy (1857-1899) por un lado, y por otro el físico y matemático inglés Oliver Heaviside (1850-1925) analizaron desde un punto de vista teórico la corriente telefónica, obteniendo fórmulas matemáticas para el problema de la atenuación y la distorsión, concluyendo que cuanto mayor fuera la autoinductancia de una línea mejor se solucionarían dichos problemas.

Oliver Heaviside (1850-1925)

Aime Vaschy (1857-1899)

Vamos a intentar explicar esta idea de manera sencilla. En principio parece que la autoinductancia en una línea perturba la señal de voz.

En efecto, en una línea con intensidad de corriente variable, esta variación genera un campo magnético, que a su vez induce una corriente eléctrica, en sentido contrario al de la corriente original si esta aumenta, y en el mismo sentido si la intensidad de la corriente original disminuye.

De hecho, así se creía al principio, que la inductancia perjudicaba la calidad de la señal. Ahora bien, en realidad el problema de la atenuación de la señal se debe a la resistencia de la línea, que viene marcada por tres factores:

• la resistencia puramente eléctrica (óhmica) del material conductor;
• la resistencia capacitiva (es decir el efecto de la capacidad del propio circuito, que hace que a lo largo de la línea el cable se comporte como un condensador respecto a la tierra afectando la transmisión de la señal, ya que cada vez que se produce un efecto de carga y posterior descarga del condensador se interfiere lógicamente, con la señal original);
• la resistencia inductiva (la debida al fenómeno de la inducción ya mencionado).

El problema es que la capacidad o capacitancia del conductor tiene un efecto mucho más importante que el de la inductancia a la hora de atenuar la señal. Pero resulta que el efecto de la capacitancia y el de la inductancia, se contrarrestan mutuamente, de tal forma que aumentando la inductancia de la línea se reduce la acción de la capacitancia, y con ello se reduce la atenuación y la superfetación de la señal.

Evidentemente el cálculo es complejo y se deben colocar bobinas de carga en determinadas posiciones espaciales. Por todo lo anterior, se consideró que sólo desde un punto de vista matemático, resolviendo las ecuaciones diferenciales de la propagación de una señal electromagnética variable en el tiempo, como es la señal eléctrica asociada a la voz, se podía determinar la solución al problema. Ahora bien estas ecuaciones eran complejas porque había que definir las condiciones de contorno necesarias para la resolución de las mismas, condiciones que van asociadas a las características físicas del conductor.

En realidad, más que una aplicación de la Física Teórica (FT), fue en rigor de la Física Matemática (FM), pero para los no especialistas se pueden considerar equivalentes la FT y la FM, de hecho muchos físicos consideran ambas disciplinas homólogas. Precisamente es en el ámbito de los puramente teóricos donde hay matices en la distinción entre una y otra. En definitiva, el título de esta entrada debía haberse denominado Física Matemática y Telefonía, pero he preferido mantener el título de arriba por no asustar demasiado al personal.

George A. Campbell (1870-1954)

Posteriormente a las contribuciones de Vaschy y Heaviside, el ingeniero eléctrico norteamericano George A. Campbell (1870-1954), con una fuerte formación en física teórica en el MIT y Harvard, trabajó en las ideas previas de Heaviside consiguiendo una teoría matemática de líneas cargadas con bobinas de inducción, donde se establecía la posición espacial de dichas bobinas y cuánto debían de estar cargadas. Su teoría la publicó en 1903 en Philosophical Magazine, una revista que no era la habitual entre los ingenieros de desarrollo.

M. Pupin (1858-1935)

Michael Pupin (1858-1935), físico serbio que se afincó en Estados Unidos como profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Columbia, y también con una importante base en física teórica, obtuvo de forma independiente resultados similares, patentando en 1900 sus ideas. De hecho al procedimiento de carga de líneas telefónicas se le conoce como «pupinización», en honor a su contribución. Probablemente el mayor reconocimiento a Pupin sobre estas contribuciones de varios científicos, fue debido a que logró un mayor y más influyente número de patentes para la industria.

A continuación os dejamos algunas referencias de los trabajos originales de los protagonistas de esta historia:

• A. Vaschy “Note sur la théorie des appareils téléphoniques”, Annales télégraphiques 11 (1884): 185-223, 463-82
• A. Vaschy “Sur la téléphone à longue distance” La lumiere electrique, 1st ser. 25 (1887): 18-22, 165-70. 265-70
• O. Heaviside “Electromagnetic Induction and its Propagation, II” Electrician 19 (1887)
• George A. Campbell (1903) “Loaded lines in telephonic transmission” Philosophical Magazine Series 6, v5, 27, 313-330 ( Posteriormente Campbell sintetizaría su teoría en 1922, en su trabajo «Physical theory of the electric wave-filter« )
• M.I. Pupin “Propagation of Long Electrical Waves” Transactions of The American Institute of Electrical Engineers 16 (1899)
• M.I. Pupin “Wave propagation over Non-Uniform Electrical Conductors” Transactions of the American Mathematical Society 1 (1900): 259-86
• M.I. Pupin “Wave propagation over Non-Uniform Cables and Long Distance Air-Lines” Transactions of The American Institute of Electrical Engineers 17 (1900):445-507

Nota: las cuatro imágenes de los personajes citados son de dominio público, y han sido tomadas de Wikipedia. La imagen del libro «Generaciones Cuánticas..», ha sido tomada de la web de la editorial Akal.

Se han incorporado enlaces a los trabajos originales cuando están disponibles libremente en Internet (en los otros casos se puede descargar mediante subscripción particular o de institución académica).