Una línea de transmisión de un solo cable (o método de un solo cable ) es un método de transmisión de energía eléctrica o señales que utiliza un solo conductor eléctrico. Esto contrasta con el uso habitual de un par de cables que proporcionan un circuito completo, o un cable eléctrico que también contiene (al menos) dos conductores para ese propósito.
La línea de transmisión de un solo cable no es lo mismo que el sistema de retorno a tierra de un solo cable , que no se trata en este artículo. Este último sistema se basa en una corriente de retorno a través de la tierra , utilizando la tierra como un segundo conductor entre los electrodos terminales de tierra. En una línea de transmisión de un solo cable no hay ningún segundo conductor de ningún tipo.
Ya en la década de 1780, Luigi Galvani observó por primera vez el efecto de la electricidad estática al hacer que las patas de una rana se contrajeran, y observó que el mismo efecto se producía simplemente debido a ciertos contactos metálicos con la rana que implicaban un circuito completo. Este último efecto fue correctamente entendido por Alessandro Volta como una corriente eléctrica producida inadvertidamente por lo que se conocería más tarde como una célula voltaica (batería). Comprendió que dicha corriente requería un circuito completo para conducir la electricidad, aunque no se comprendía en absoluto la naturaleza real de las corrientes eléctricas (solo un siglo después se descubriría el electrón ). Todo el desarrollo posterior de motores eléctricos, luces, etc. se basó en el principio de un circuito completo, que generalmente implicaba un par de cables, pero a veces usaba la tierra como segundo conductor (como en la telegrafía comercial ).
A finales del siglo XIX, Nikola Tesla demostró que, mediante una red eléctrica sintonizada por resonancia, era posible transmitir energía eléctrica utilizando un único conductor, sin necesidad de un cable de retorno. A esto se le denominaba «transmisión de energía eléctrica a través de un cable sin retorno». [1] [2]
En conferencias de demostración con osciladores eléctricos de 1891, 1892 y 1893 ante la AIEE en el Columbia College, Nueva York, el IEE, Londres, el Franklin Institute, Filadelfia, y la National Electric Light Association, St. Louis, se demostró que los motores eléctricos y las lámparas incandescentes de un solo terminal pueden funcionar a través de un solo conductor sin un cable de retorno. Aunque aparentemente carece de un circuito completo, dicha topología obtiene efectivamente un circuito de retorno en virtud de la autocapacidad de la carga y la capacidad parásita . [3] [4]
De esta manera, se podrían conectar bobinas de las dimensiones adecuadas, cada una con sólo uno de sus extremos, a la red eléctrica de una máquina de baja FEM, y aunque el circuito de la máquina no se cerraría en la acepción ordinaria del término , la máquina podría quemarse si se obtuviera un efecto de resonancia adecuado. [5]
La última referencia a "quemar" una máquina fue para enfatizar la capacidad de dicho sistema para transmitir una gran potencia dada una coincidencia de impedancia adecuada , como la que se puede obtener a través de la resonancia eléctrica .
Esta observación ha sido redescubierta varias veces y descrita, por ejemplo, en una patente de 1993. [6] La transmisión de un solo cable en este sentido no es posible utilizando corriente continua y es totalmente impráctica para corrientes alternas de baja frecuencia , como las frecuencias estándar de la línea eléctrica de 50-60 Hz. Sin embargo, a frecuencias mucho más altas, es posible que el circuito de retorno (que normalmente estaría conectado a través de un segundo cable) utilice la capacitancia propia y parásita de un objeto conductor grande, tal vez la carcasa de la propia carga . Aunque la autocapacitancia de incluso objetos grandes es bastante pequeña en términos ordinarios, como el propio Tesla apreció, es posible hacer resonar esa capacitancia utilizando un inductor suficientemente grande (dependiendo de la frecuencia utilizada), en cuyo caso la gran reactancia de esa capacitancia se cancela. Esto permite que fluya una gran corriente (y que se suministre una gran potencia a la carga) sin requerir una fuente de voltaje extremadamente alto. Aunque este método de transmisión de energía se entiende desde hace mucho tiempo, no está claro si ha habido alguna aplicación comercial de este principio para la transmisión de energía .
Ya en 1899, Arnold Sommerfeld publicó un artículo [7] en el que predecía el uso de un único conductor cilíndrico (cable) para propagar energía de radiofrecuencia como una onda de superficie . La "onda de cable" de Sommerfeld tenía interés teórico como modo de propagación, pero esto ocurrió décadas antes de que existiera la tecnología para la generación de frecuencias de radio suficientemente altas para cualquier experimentación de ese tipo, y mucho menos para aplicaciones prácticas. Es más, la solución describía una línea de transmisión infinita sin tener en cuenta la energía de acoplamiento hacia (o desde) ella.
Sin embargo, de particular interés práctico fue la predicción de una atenuación de señal sustancialmente menor en comparación con el uso del mismo cable como conductor central de un cable coaxial . Contrariamente a la explicación anterior de que la potencia total transmitida se debe a una corriente clásica a través de un cable, en este caso las corrientes en el propio conductor son mucho menores, y la energía se transmite en forma de onda electromagnética ( onda de radio ). Pero en este caso, la presencia del cable actúa para guiar esa onda hacia la carga, en lugar de irradiarla.
La reducción de las pérdidas óhmicas en comparación con el uso de cables coaxiales (u otras líneas de transmisión de dos cables) es especialmente una ventaja en frecuencias más altas, donde estas pérdidas se vuelven muy grandes. En la práctica, el uso de este modo de transmisión por debajo de las frecuencias de microondas es muy problemático debido a los patrones de campo muy extendidos alrededor del cable. Los campos asociados con la onda de superficie a lo largo del conductor son significativos para muchos diámetros de conductor, por lo tanto, los materiales metálicos o incluso dieléctricos presentes inadvertidamente en estas regiones distorsionarán la propagación del modo y, por lo general, aumentarán la pérdida de propagación. Aunque no existe una dependencia de la longitud de onda con respecto a esta dimensión en la dirección transversal, en la dirección de propagación es necesario tener un mínimo de media onda de longitud de conductor para soportar completamente el modo de propagación. Por estas razones, y en las frecuencias disponibles antes de aproximadamente 1950, las desventajas prácticas de dicha transmisión superaron por completo la pérdida reducida debido a la conductividad finita del cable.
En 1950, Georg Goubau revisó el descubrimiento de Sommerfeld de un modo de onda de superficie a lo largo de un cable, pero con la intención de aumentar su practicidad. [8] Un objetivo principal era reducir la extensión de los campos que rodean al conductor para que dicho cable no requiriera un espacio libre irrazonablemente grande. Otro problema era que la onda de Sommerfeld se propagaba exactamente a la velocidad de la luz (o la velocidad ligeramente menor de la luz en el aire, para un cable rodeado de aire). Eso significaba que habría pérdidas de radiación . El cable recto actúa como una antena de cable largo , robando la potencia radiada del modo guiado. Si la velocidad de propagación se puede reducir por debajo de la velocidad de la luz, entonces los campos circundantes se vuelven evanescentes y, por lo tanto, no pueden propagar energía fuera del área que rodea el cable.
Goubau investigó el efecto beneficioso de un cable cuya superficie está estructurada (en lugar de un cilindro exacto) como la que se obtendría utilizando un cable roscado. Más importante aún, Goubau propuso la aplicación de una capa dieléctrica alrededor del cable. Incluso una capa bastante delgada (en relación con la longitud de onda) de un dieléctrico reducirá la velocidad de propagación lo suficiente por debajo de la velocidad de la luz, eliminando la pérdida de radiación de una onda superficial a lo largo de la superficie de un cable recto y largo. Esta modificación también tuvo el efecto de reducir en gran medida la huella de los campos electromagnéticos que rodean el cable, abordando la otra preocupación práctica. [9]
Finalmente, Goubau inventó un método para enviar (y recibir) energía eléctrica desde una línea de transmisión de este tipo. La línea Goubau patentada [10] (o "línea G") consiste en un solo conductor recubierto con material dieléctrico. En cada extremo hay un disco ancho con un orificio en el centro por el que pasa la línea de transmisión. El disco puede ser la base de un cono, con su extremo angosto conectado típicamente al blindaje de la línea de alimentación coaxial , y la línea de transmisión misma conectada al conductor central del cable coaxial.
Incluso con la extensión reducida de los campos circundantes en el diseño de Goubau, un dispositivo de este tipo solo resulta práctico en frecuencias UHF y superiores. Con el desarrollo tecnológico en frecuencias de terahercios , donde las pérdidas metálicas son aún mayores, el uso de la transmisión mediante ondas de superficie y líneas de Goubau parece prometedor. [11]
Entre 2003 y 2008 se presentaron patentes para un sistema que utilizaba el cable desnudo (sin revestimiento) original de Sommerfeld, pero que empleaba un lanzador similar al desarrollado por Goubau. [12] [13] Se promocionó con el nombre de "E-Line" hasta 2009. [14] Se afirma que esta línea no emite radiación alguna y que propaga energía mediante una onda magnética transversal (TM) previamente ignorada. La aplicación prevista son los canales de alta velocidad de información que utilizan las líneas eléctricas existentes para fines de comunicación. [15]
"Hace unos diez años me di cuenta de que para transmitir corrientes eléctricas a distancia no era necesario utilizar un cable de retorno, sino que cualquier cantidad de energía podía transmitirse utilizando un solo cable. Ilustré este principio con numerosos experimentos que, en aquella época, despertaron una considerable atención entre los científicos."