Una línea de transmisión de un solo cable (o método de un solo cable ) es un método para transmitir energía eléctrica o señales utilizando un solo conductor eléctrico. Esto contrasta con el uso habitual de un par de hilos que proporcionan un circuito completo, o de un cable eléctrico que también contiene (al menos) dos conductores para ese fin.
No es lo mismo la línea de transmisión monofilar que el sistema de retorno a tierra monofilar , que no se trata en este artículo. Este último sistema se basa en una corriente de retorno a través de tierra , utilizando la tierra como segundo conductor entre los electrodos terminales de tierra. En una línea de transmisión de un solo cable no hay un segundo conductor de ninguna forma.
Ya en la década de 1780, Luigi Galvani observó por primera vez el efecto de la electricidad estática al provocar que las patas de una rana se contrajeran, y observó el mismo efecto producido debido a ciertos contactos metálicos con la rana que implicaban un circuito completo. Alessandro Volta entendió correctamente este último efecto como una corriente eléctrica producida inadvertidamente por lo que se conocería como una pila voltaica (batería). Comprendió que tal corriente requería un circuito completo para conducir la electricidad, aunque no se entendía en absoluto la naturaleza real de las corrientes eléctricas (sólo 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 involucraba un par de cables, pero a veces usaba la tierra como segundo conductor (como ocurre con la telegrafía comercial ).
A finales del siglo XIX, Nikola Tesla demostró que utilizando una red eléctrica sintonizada en resonancia era posible transmitir energía eléctrica utilizando un solo conductor, sin necesidad de un cable de retorno. Se habló de esto como la "transmisión de energía eléctrica a través de un cable sin retorno". [1] [2]
En conferencias de demostración de 1891, 1892 y 1893 con osciladores eléctricos ante la AIEE en Columbia College, Nueva York, la IEE, Londres, el Instituto Franklin, Filadelfia, y la Asociación Nacional de Luz Eléctrica, St. Louis, se demostró que los motores eléctricos y los motores individuales -Las lámparas incandescentes terminales pueden funcionar a través de un solo conductor sin cable de retorno. Aunque aparentemente carece de un circuito completo, dicha topología obtiene efectivamente un circuito de retorno en virtud de la autocapacitancia y la capacitancia parásita de la carga . [3] [4]
Así, se podrían conectar bobinas de las dimensiones adecuadas, cada una con sólo uno de sus extremos, a la red eléctrica desde una máquina de baja EMF, y aunque el circuito de la máquina no estaría cerrado en la aceptación ordinaria del término , aún así la máquina podría estar cerrada. quemado si se obtuviera un efecto de resonancia adecuado. [5]
La referencia final a "quemar" una máquina fue para enfatizar la capacidad de un sistema de este tipo para transmitir una gran potencia dada una coincidencia de impedancia adecuada , como se puede obtener mediante resonancia eléctrica .
Esta observación ha sido redescubierta varias veces y descrita, por ejemplo, en una patente de 1993. [6] La transmisión con un solo cable en este sentido no es posible usando corriente continua y es totalmente impráctica para corrientes alternas de baja frecuencia , como las frecuencias de línea eléctrica estándar de 50 a 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 carga misma. Aunque la autocapacitancia incluso de objetos grandes es bastante pequeña en términos ordinarios, como el propio Tesla apreció, es posible hacer resonar esa capacitancia usando un inductor suficientemente grande (dependiendo de la frecuencia utilizada), en cuyo caso la gran reactancia de esa capacitancia es cancelado. Esto permite que fluya una gran corriente (y que se suministre una gran potencia a la carga) sin requerir una fuente de voltaje extremadamente alta. Aunque este método de transmisión de energía se conoce 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] prediciendo el uso de un único conductor cilíndrico (cable) para propagar la energía de radiofrecuencia como una onda superficial . La "onda de alambre" de Sommerfeld era de interés teórico como modo de propagación, pero esto fue décadas antes de que existiera la tecnología para la generación de frecuencias de radio suficientemente altas para cualquier experimentación de este tipo, y mucho menos para aplicaciones prácticas. Es más, la solución describía una línea de transmisión infinita sin considerar la energía de acoplamiento dentro (o fuera) de ella.
Sin embargo, fue de particular interés práctico la predicción de una atenuación de la señal sustancialmente menor en comparación con el uso del mismo cable como conductor central de un cable coaxial . Al contrario de la explicación anterior de que toda la potencia transmitida se debe a una corriente clásica a través de un cable, en este caso las corrientes en el propio conductor son mucho más pequeñas 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 coaxial (u otras líneas de transmisión de dos hilos) 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 superficial 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 normalmente aumentarán la pérdida de propagación. Aunque no existe 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 del conductor para soportar completamente el modo de propagación. Por estas razones, y en frecuencias disponibles antes de 1950 aproximadamente, las desventajas prácticas de dicha transmisión superaban 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 superficial a lo largo de un cable, pero con la intención de aumentar su practicidad. [8] Uno de los objetivos principales era reducir la extensión de los campos que rodean al conductor para que dicho cable no requiriera un espacio libre excesivamente grande. Otro problema era que la onda de Sommerfeld se propagaba exactamente a la velocidad de la luz (o a la velocidad ligeramente menor de la luz en el aire, para un cable rodeado de aire). Eso significaba que habría pérdidas por radiación . El cable recto actúa como una antena de cable largo , robando la energía radiada del modo guiado. Si la velocidad de propagación se puede reducir por debajo de la velocidad de la luz, 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 alambre cuya superficie esté estructurada (en lugar de un cilindro exacto), como se obtendría utilizando un alambre roscado. Más significativamente, Goubau propuso la aplicación de una capa dieléctrica que rodea el cable. Incluso una capa bastante delgada (en relación con la longitud de onda) de un dieléctrico reducirá la velocidad de propagación lo suficientemente 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 largo y recto. 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 lanzar (y recibir) energía eléctrica desde dicha línea de transmisión. La línea Goubau patentada [10] (o "línea G") consta de un único conductor recubierto de material dieléctrico. En cada extremo hay un disco ancho con un orificio en el centro por donde pasa la línea de transmisión. El disco puede ser la base de un cono, con su extremo estrecho típicamente conectado al blindaje de la línea de alimentación coaxial y la propia línea de transmisión conectada al conductor central del coaxial.
Incluso con la extensión reducida de los campos circundantes en el diseño de Goubau, un dispositivo de este tipo sólo 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 superficiales y líneas de Goubau parece prometedor. [11]
Desde 2003 hasta 2008 se presentaron patentes para un sistema que utilizaba el cable desnudo (sin recubrimiento) original de Sommerfeld, pero empleaba un lanzador similar al desarrollado por Goubau. [12] [13] Fue promocionada bajo el nombre "E-Line" hasta 2009. [14] Se afirma que esta línea es completamente no radiante y propaga energía mediante una onda magnética transversal (TM) previamente ignorada. La aplicación prevista son canales de alta velocidad de información que utilizan líneas eléctricas existentes con fines de comunicación. [15]
"Hace unos diez años, reconocí el hecho de que para transmitir corrientes eléctricas a distancia no era necesario emplear un cable de retorno, sino que cualquier cantidad de energía podía transmitirse utilizando un solo cable. Ilustré este principio mediante numerosos experimentos que, en aquel momento, despertaron considerable atención entre los científicos."