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1 enero, 2017

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Charles Proteus Steinmetz: Titán de la Corriente Alterna.

Charles Proteus Steinmetz

Charles Proteus Steinmetz en su oficina

La historia de la ingeniería eléctrica está repleta de personajes y anécdotas tan impresionantes como relevadoras, desde sus orígenes en la antigua Grecia con Tales de Mileto, el descubrimiento de principios físicos como el electromagnetismo, donde nombres como Oersted, Maxwell, Hertz y Faraday figuran entre los máximos exponentes, inclusive, dentro de esta, han tenido lugar verdaderas guerras tales como la protagonizada por el genio de Menlo Park Thomas Alba Edison y el genio olvidado de Nikola Tesla.

 

En cierta medida, la historia y la cultura popular se encarga de sepultar otros grandes personajes cuyas aportaciones en ingeniería se siguen visualizando hasta estos días.

Hoy es el turno de un hombre de ciencia, ingeniero, y guerrero por naturaleza: Charles Proteus Steinmetz.

Nacido originalmente con el nombre de Karl August Rudolf Steinmetz, en Breslau, lo que hoy es Polonia, un 9 de abril de 1865, Charles Proteus padeció desde prácticamente su nacimiento una deformidad física congénita (algún tipo de cifosis), característica que, lejos de darle un futuro con meras esperanzas, provocó en el cierto lazo intimo con la lectura y la ciencia, sin olvidarse del buen humor.

 

Sus estudios en física y matemáticas, por la universidad de Breslau, le proporcionaron los conocimientos necesarios en lo que sería, en un futuro, la integración de técnicas matemáticas en los análisis de los sistemas de potencia. Sin embargo, su vida universitaria giró en un aspecto, en ocasiones, más complicado que las ciencias exactas: Las posturas económico-sociales, donde él mismo, junto con un grupo de amigos, apoyaban tajantemente al socialismo. Su club de compañeros socialistas terminaría por integrarse al Partido Socialdemócrata Alemán.

 

Su aspecto político llegó a su fin cuando tomó la dirección del principal medio de comunicación del partido, un periódico llamado “La voz del pueblo”, cuyos editoriales ácidos y con tendencias socialistas provocaron que fuese buscado por las autoridades y la policía local, hecho que lo obligó a abandonar el territorio, partiendo primero a Zúrich, y después a Estados Unidos, en 1889, viajando como polizón en un carguero.

 

Ya en Estados Unidos, consiguió un empleo como ingeniero electricista por Rudolf Eickemeyer, compatriota de Charles y fundador de su propia empresa, la firma Eickemeyer & Osterheld, localizada en Yonkers, Nueva York. Una vez en tierra americana, nacionalizó su nombre a Charles Proteus Steinmetz. Ahora, Charles Proteus había establecido un laboratorio en su oficina de trabajo, donde realizaría gran cantidad de experimentos, diseños y análisis de máquinas eléctricas, sistemas de iluminación, comunicación inalámbrica, etc.

 

En 1892, mientras trabajaba en estudios de electromagnetismo, descubrió la histéresis magnética (Figura 1), fenómeno físico que, en palabras simples, significa la magnetización desfasada o no simultánea de un electroimán con núcleo de hierro con respecto a la variación de la corriente que circula por el mismo. Si el campo magnético es nulo, el núcleo posee cierto magnetismo remanente en él, produciendo pérdidas de energía en forma de calor. Su trabajo con la histéresis le permitió definir las principales problemáticas por las cuales, los motores y transformadores sufrían de calentamiento excesivo, pérdidas de potencia o fallas. En ese mismo año, presentó sus descubrimientos en una reunión de la AIEE, hecho que le permitió conocer a otros eruditos de la época.

 

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Figura 1.- Ciclo de Histéresis Magnética

 

En 1893, la entonces General Electric, compañía que también protagonizó parte de la famosa Guerra de las Corrientes, contactó a Steinmetz para ofrecerle un mejor puesto y salario. Sin embargo, Steinmetz rechazó tal propuesta por lealtad, compromiso y, en cierta forma, agradecimiento a Rudolf Eickemeyer. Un año más tarde, General Electric compró la pequeña empresa, con Steinmetz incluido.

 

Se decidió conservar a Steinmetz, por obvias razones, y proporcionarle lo necesario para sus investigaciones. En esa época, diseñó la gran cantidad de metodologías de análisis de redes eléctricas, introduciendo el uso de números complejos para cálculo de parámetros en circuitos eléctricos, tales como impedancias, reactancias capacitivas, inductivas, (Figura 2), así como el uso de fasores (Figura 3), para representar la forma de onda de la corriente alterna, con magnitud y ángulo de desfasamiento.

 

complejo

Figura 2.- Representación compleja de la impedancia, formada por resistencia (parte real) y reactancia (parte compleja)

 

fasor

Figura 3.- Diagrama fasorial de tres señales senoidales.

 

Steinmetz también desarrolló las primeras técnicas de análisis de circuitos trifásicos de corriente alterna. En sus conferencias y publicaciones, Steinmetz defendía la corriente alterna sobre su opuesto, la corriente directa, que era la que se utilizaba por aquella época. Su trabajo, junto con el de otros científicos como Nikola Tesla, propulsó el establecimiento de la C.A como única forma de generación, transporte y uso de la energía en EUA.

 

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Figura 4.- Charles Proteus Steinmetz en sus cálculos sobre corriente alterna

 

A principios de 1900 no se tenía un estándar definido sobre qué magnitud de frecuencia utilizar en la generación, transmisión y distribución de energía. Las pequeñas y medianas empresas productoras de electricidad, por cuestiones técnicas y de mercado, utilizaban frecuencias que variaban desde los 40 Hz hasta los 113 Hz. Una de las principales desventajas de contar con diferentes frecuencias era la utilización casi monopólica de máquinas rotatorias que no podían utilizarse para cualquier frecuencia debido a cuestiones de diseño, tales como número de polos y velocidad síncrona requerida. Todo esto dado por la ecuación de la velocidad síncrona dada en (1):

 

sincrona

(1)

 

Steinmetz fue el primero en definir un nivel de frecuencia, basado en cálculos de optimización de recursos de diseño y requerimientos técnicos de los clientes, de 62.5 Hz, magnitud muy similar a la que actualmente se maneja gran parte de América. Las razones de por qué existen países que operan a 60 Hz y 50 Hz puede conocerlas en este otro interesante artículo “El origen de las frecuencias”.

 

Una de las anécdotas más famosas de Steinmetz cuenta que, en una ocasión, el mismo Henry Ford contrató a Steinmetz para solucionar una problemática recurrente con uno de sus generadores. Después de mucho examinarlo, Steinmetz pidió una escalera y un gis, realizando una marca con este último sobre uno de los devanados del generador, pidiendo que quitasen cierto número de vueltas de la bobina. Una vez solucionado el problema, Ford pidió a Steinmetz que le dijera cuánto tendrían que pagarle por sus servicios, a lo que Steinmetz responde con la exorbitante cantidad de $10,000 dólares, detallando lo siguiente:

-“Poner una marca de gis: $1 dólar; saber dónde colocar la marca de gis: $9,999 dólares”

Moraleja: El conocimiento cuesta, y más tratándose de magnates del negocio como el mismo Henry Ford o sus equivalentes.

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Figura 5.- Charles Proteus Steinmetz en su laboratorio trabajando con sistemas de iluminación.

 

En 1900, Steinmetz incursiona en las tecnologías nacientes de la radio, con el diseño de un alternador de alta frecuencia, encargo de Reginald A. Fessenden, dos años después entrega un alternador de 10 kHz, entregando poco después una versión mejorada de este, con 150 kHz y 25 kW. En 1906 junto con Ernst Alexanderson logran la primera transmisión inalámbrica de música y voz.

 

Diseña y prueba el circuito que lleva su nombre: “Circuito Steinmetz”, el cual permite balancear un sistema trifásico al tener una de sus fases ocupada por una carga que consuma energía por medio de la conexión de dos reactancias (inductiva y capacitiva) junto con la carga, formando una conexión delta (Figura 6). Steinmetz desarrollo ecuaciones que permiten saber las magnitudes de la inductancia y la capacitancia a instalar dada una carga conectada.

 

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Figura 6.- Conexión Steinmetz para transformadores trifásicos con carga desbalanceada

 

Charles Steinmetz fue presidente del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, además de ser miembro de la Academia Americana de Artes y Ciencias y doctor honoris causa por el Union College de Schenectady, donde trabajó como profesor de tiempo completo hasta el momento de su muerte.

Como legado, y además de sus publicaciones, Steinmetz escribió libros tales como:

  • “Theory and calculation of alternating current phenomena” (Teoría y cálculo de los fenómenos de la corriente alterna, 1897)
  • “Engineering mathematics” (matemáticas para ingenieros, 1910)
  • “Electric discharges, waves and impulses” (Descargas eléctricas, ondas e impulsos, 1911).

 

Además de obtener 201 patentes, Steinmetz publicó escritos no solo de ingeniería y ciencias, sino de carácter político, social y filosófico.

 

Actualmente, la IEEE hace entrega del reconocimiento Charles Proteus Steinmetz Award, para aquellos investigadores con aportaciones en ingeniería eléctrica y electrónica. La Union College, en Nebraska, EUA, ofrece un simposio anual bajo el nombre de “Steinmetz”, actividad donde los estudiantes presentan parte de sus investigaciones.

 

Murió el 26 de octubre de 1923, cuyos restos se ubican en el cementerio Vale Cementery, en Schenectady, New York.

 

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Figura 7.- Al centro de la imagen aparecen Albert Einstein y Charles Proteus Steinmetz en la Estación Marconi en Somerset, Nueva Jersey en 1921.

 

Charles Proteus Steinmetz, otro genio olvidado por la historia, tal como Nikola Tesla. Es tiempo de difundir no solo los grandes avances en ciencia y tecnología como eventos aislados, sin protagonistas humanos, es tiempo de contarla como una historia de lucha y de voluntad, de éxito y fracaso, de maestría, nada fácil, alcanzada.

 

Genaro Daniel Herrera Reyes

Ingeniero e Investigador en Sistemas Eléctricos de Potencia

Diseño de Algoritmos en ingeniería eléctrica

 

Bibliografía:

El origen de las frecuencias eléctricas ¿Por qué 50 y 60 Hz?

http://www.biografiasyvidas.com/biografia/s/steinmetz.htm

http://www.histel.com/z_histel/biografias.php?id_nombre=78

http://www.100ciaquimica.net/biograf/cientif/S/steinmetz.htm

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2 Comentarios Publica un comentario
  1. avatar
    Jair Hernandez
    Ene 8 2017

    Excelente artículo. La historia de la electricidad es sorprendente e interesante.

    Responder

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  1. El origen de las frecuencias eléctricas ¿Por qué 50 y 60 Hz? | Sector Electricidad | Profesionales en Ingeniería Eléctrica

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