Nascita della radio - AriVigevano 2018

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Tecnica Elettrica
Università di Pavia

Nascita della radio

di G. Girelli - IK2AVH
                             
ELETTRICITA' E MAGNETISMO

Fin dai tempi più antichi l'uomo era a conoscenza di alcuni fenomeni elettrici. I greci sapevano che l' ambra (nella lingua greca electron) se strofinata su un panno di lana acquisisce la proprietà di attirare leggeri pezzi di legno.
Erano note anche le caratteristiche magnetiche di alcuni materiali come la magnetite (una calamita naturale), un minerale che ha la proprietà di attirare pezzi di ferro e il cui nome pare derivi da una regione dell'Asia Minore. Altre fonti narrano invece di un pastore greco di nome Magnes che scoprì le proprietà di questo materiale dopo essersi accorto che il suo bastone ferrato veniva attirato da queste pietre. Inoltre nelle culture della Cina e dell'India le proprietà magnetiche di alcuni materiali erano note ancora prima rispetto alla Grecia.
L' uomo aveva scoperto queste due forze ma solo dopo molti secoli sarebbe riuscito a comprenderle realmente e a fare in modo che esse costituissero un beneficio per la sua vita.

I primi scritti occidentali sulle proprietà magnetiche della materia , riferiti più che altro al comportamento dell'ago magnetico (bussola), comparvero verso il 1200, ma la prima grande opera scientifica sullo studio del magnetismo apparì solo nel 1600 ad opera del fisico William Gilbert (1544-1603) grazie al suo trattato "De Magnete".







1663 Otto von Guericke (1602-1686) costruì un rudimentale generatore meccanico e produsse cariche elettriche. Di seguito furono costruite macchine elettrostatiche più efficienti per la produzione di elettricità come la macchina di Ramsden, di Wimshurst, di Winter ecc. . Queste macchine non trovando nessuna utilità pratica, venivano impiegate solo per esperimenti e indagini sull'elettricità e all'incirca fino alla prima metà del 1800 costituirono l'unico mezzo per produrre elettricità con adeguata potenza.


1745 Pieter van Musschenbroek (1692-1761) ed Ewald Jurgen von Kleist (1700-1748) realizzarono indipendentemente la cosidetta "Bottiglia di Leyda" ovvero il primo condensatore o accumulatore di cariche elettriche; La bottiglia di Leyda poteva essere caricata con macchine elettrostatiche, se si mettevano in contatto le armature si aveva una scarica elettrica.


1781 Luigi Galvani (1737 - 1798) nel corso delle sue ricerche notò che in presenza di una scarica elettrica la muscolatura di una rana morta e scorticata subiva delle contrazioni.
Possiamo così riassumere l'esperienza di Galvani:
Su di una tavola giaceva una rana morta e scorticata, poco distante una macchina generatrice di cariche elettriche (scintille). Galvani osservò che toccando i nervi della rana con un ferro ogni qualvolta metteva in funzione la macchina e scoccava una scintilla, si verificavano delle violente contrazioni nella muscolatura dell'animale.
Ma cosa era successo ? Le scintille producevano delle "oscillazioni elettriche" nello spazio cioè onde elettromagnetiche che raggiungendo i nervi della rana attraverso lo strumento metallico determinavano analoghe "oscillazioni elettriche" le quali procuravano delle contrazioni nella muscolatura. Egli spiegò questo fenomeno parlando di una non ben identificata elettricità animale. Il tutto fu descritto nella sua opera "De viribus electricitatis artificialis in motu muscolari" pubblicata nel 1791.
Galvani non se ne rese conto ma aveva effettuato la prima rivelazione delle onde elettromagnetiche.
Infatti con l'esperienza di oggi (e con un po' di sforzo) possiamo considerare il suo esperimento una primitiva ricetrasmittente.

Il trasmettitore:   la macchina generatrice di scintille.
Le onde elettromagnetiche:  oscillazioni elettromagnetiche create dalle scintille.
Ricevitore:   muscolatura della rana.
Antenna:   attrezzo conduttore a contatto con la muscolatura della rana che captava le onde prodotte dalle scintille.

Queste esperienze avvenivano nel 1781 sarebbe passato ancora un secolo prima della scoperta delle onde elettromagnetiche.

1800 - Alessandro Volta (1745-1827) fin da giovane si dedicò agli studi sull'elettricità che, anche a seguito della diatriba con Galvani
sull'elettricità animale, lo portarono alla costruzione della pila elettrica dando notizia della sua scoperta nel 1800. Ciò segnò senza dubbio un nuovo passo avanti potendo con essa disporre di elettricità e di una certa potenza riuscendo in tal modo a sostituire le laboriose macchine elettrostatiche per la produzione di elettricità. L'unità di misura della tensione "volt" prese il nome da lui.

1820- Hans Christian Oersted (1777-1851) condusse studi ed esperimenti sul rapporto fra il magnetismo ed elettricità e osservò che un ago magnetico subisce delle deviazioni se posto vicino ad un conduttore percorso da corrente elettrica.

1822 -Andrè Marie Ampère (1775-1836) a seguito delle esperienze di Oersted dimostrò che un conduttore percorso da corrente elettrica produce un campo magnetico esercitando quindi una forza di cui ne specificò le caratteristiche. Formulò altresì delle regole descrivendo in termini matematici le forze magnetiche che si sviluppano fra due correnti elettriche.
L'unità di misura dell'intensità della corrente elettrica è detta "ampere".


1825 - William Sturgeon (1783 - 1850) costruì la prima elettrocalamita o elettromagnete.
L'elettromagnete di Sturgeon consisteva in un pezzo di ferro dolce sagomato a ferro di cavallo a cui era attorcigliato del filo elettrico; al passaggio della corrente nel filo il campo magnetico prodotto si concentrava nella barra di ferro che diventava un magnete molto potente in grado di esercitare una forza e attrarre oggetti ferrosi. Al cessare della corrente nel conduttore la barra di ferro perdeva le proprietà magnetiche e quindi la sua forza. Pertanto l'azione dell'elettromagnete si esplica solo durante il passaggio di una corrente elettrica e quindi può essere comandato al fine di produrre un'azione meccanica. Questa scoperta fu la base per vari dispositivi tra cui anche il relè che ne sfrutta il principio di funzionamento.

1831 Michael Faraday (1791-1867) scoprì il fenomeno dell'induzione magnetica ovvero la possibilità di produrre corrente elettrica a seguito di una variazione di intensità magnetica. Quindi dimostrò che non è indispensabile che due circuiti elettrici siano in contatto tra di loro affinché l'energia passi da uno all'altro, questo può avvenire anche quando si trovano a breve distanza. Contemporaneamente arrivò alle stesse conclusioni anche il fisico Joseph Henry (1797-1878) . L'unità di misura dell'induttanza è chiamata henry in memoria di J.Henry, mentre l'unità misura della capacità è il farad in memoria di M. Faraday.



1835 Samuel F.B. Morse (1791 - 1872 ) inventò il telegrafo elettrico ed in seguito il "codice Morse" costituito da punti e da linee che rappresentano i caratteri dell'alfabeto nonché i numeri e i segni di punteggiatura. Il telegrafo consentiva di trasmettere via cavo impulsi elettrici mentre un pennino controllato da un' elettromagnete segnava punti e linee su di un rullo di carta in movimento.

TELEGRAFO MORSE NELLA SUA FORMA PIU' SEMPLICE


Attraverso la manipolazione del tasto si apre e si chiude il circuito elettrico che eccitando l'elettromagnete (EM) attira il pennino scrivente lasciando un segno sulla carta del nastro in movimento. Premendo il tasto per un breve intervallo, sulla carta sarà segnato un punto premendolo per un tempo più lungo sarà tracciata una linea.

CODICE MORSE



1842 Joseph Hernry eseguendo esperimenti con la bottiglia di Leyda scopre la natura oscillatoria della scintilla elettrica, fenomeno che sta alla base della radiotecnica.

1851 Henrich Daniel Ruhmkorff (1803-1877) costruì un trasformatore in grado di produrre tensioni molto elevate che da lui prese il nome di "Rocchetto di Ruhmkorff" strumento utilizzato in seguito da vari studiosi per i loro esperimenti.
Il rocchetto di Ruhmkorff è costituito da un avvolgimento primario (Pr) di poche spire di rame isolate e avvolte su di un nucleo di ferro dolce (N), sopra al circuito primario vi è avvolto il secondario (Sec) costituito da molte spire di rame isolato. L'interruttore (I2) consiste di una lamina vibrante. Quando si chiude il circuito con l' interruttore (I1) la corrente scorre e il nucleo si magnetizza attraendo la lamina interruttore (I2), la quale interrompe il circuito in (C), interrompendo il quale il nucleo si smagnetizza e la lamina a causa della sua elasticità non essendo più attratta dal nucleo (N) ritorna nella posizione iniziale di contatto con (C) ristabilendo il circuito, quindi la corrente ripassa e ripete lo stesso processo.
Essendo un generatore di alta tensione tra le sfere dello spinterometro si producono delle forti scintille. E' stato uno strumento indispensabile per lo sviluppo delle ricerche sulle onde elettromagnetiche.

Rocchetto di Ruhmkorff



Lo spinterometro dal greco spintèr (scintilla) e métron (misura) è un dispositivo costituito da due sfere metalliche la cui distanza può essere regolata, se sottoposte a tensione elettrica sufficientemente alta ed ad una distanza adeguata si ha lo scoccare di scintille tra di esse.

1862 - Maxwell James Clerk (1831-1879), uno dei più grandi fisici del suo tempo ,diede un contributo fondamentale nel campo dell'elettricità e del magnetismo. Attribuì una veste matematica al lavoro di Faraday e svolse ricerche sull'elettricità e sul magnetismo che culminarono nel "Trattato sull'elettricità ed il magnetismo". Sviluppò la teoria dei campi elettromagnetici, supportata dalle equazioni che da lui presero il nome. Teorizzò l'esistenza delle onde elettromagnetiche e la possibilità di produrle. Dimostrò che il campo elettrico e il campo magnetico sono entrambi manifestazioni delle cariche elettriche e che non sono entità divise. Il lavoro di Maxwell però costituì fonte di disquisizione teorica, in quanto non vi era possibilità di verificarlo in modo sperimentale. Solo 20 anni più tardi le sue teorie sarebbero state dimostrate scientificamente da un altro grande fisico.




1887 - Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894) approfondì e si ispirò agli studi di Maxwell relativamente alle onde elettromagnetiche e dimostrò praticamente quanto quest'ultimo aveva teorizzato. Nel suo esperimento utilizzò un rocchetto di Ruhmkorff, cioè un generatore in grado di produrre delle forti scariche (scintille) dando luogo a delle oscillazioni elettromagnetiche che venivano rilevate a breve distanza da un semplice anello di metallo interrotto in un punto.           In sostanza allo scoccare di una scintilla prodotta dal rocchetto tra le sfere dello spinterometro se ne determinava un'altra molto più piccola nell'interruzione dell'anello di metallo, divenendo quest'ultimo sede di oscillazioni prodotte dal campo elettromagnetico. Hertz stabilì infine che non si trattava di induzione ma di irradiazione. Nel suo laboratorio riuscì a produrre onde elettromagnetiche, ne verificò il comportamento, ne misurò la lunghezza e la velocità e seppure di pochi metri ne irradiò nello spazio. In pratica da quel momento grazie ad Hertz il mondo seppe che le onde elettromagnetiche esistono avendolo provato inconfutabilmente. Le onde elettromagnetiche da lui presero il nome di onde hertziane, la frequenza delle onde radio viene definita in hertz e multipli (kilohertz-megahertz ecc..).

Schema a blocchi dell'oscillatore di Hertz




1890 Edouard Branly (1846-1940 ) pubblicò studi dettagliati sulla conduttività delle polveri metalliche sotto l'effetto delle scariche elettriche, descrivendo altresì un tubetto isolato con all'interno polveri metalliche che diventavano conduttive in presenza di scintille elettriche ma che, se sottoposte a scuotimento tornano al precedente stato di non conduzione. Una delle constatazioni più interessanti di Branly è che anche producendo una scarica elettrica ad una certa distanza le polveri metalliche cambiavano la loro resistenza diventando conduttive.
Per la verità altri studiosi prima di Branly avevano notato gli stessi effetti delle scintille sulle limature metalliche tanto per citarne alcuni nel 1835 Munk di Rosenschoeld , nel 1852 S.A. Varley nel 1879 D.E Hughes ma questi lavori non avevano destato particolare interesse e probabilmente in alcuni casi non erano neanche stati resi noti.
Una attenzione particolare merita invece Temistocle Calzecchi Onesti (1853 - 1922 ) che già nel 1884 pubblicò un suo studio che dimostrava le sue esperienze con le polveri metalliche contenute in un tubetto isolato che sotto l'influenza di scariche elettriche diventavano conduttive e che questa conduttività poteva essere annullata se si sottoponeva il tubetto di limatura metallica ad una certo movimento meccanico. Pertanto si può presumere che Branly abbia condotto i suoi esperimenti con un tubetto di limatura anche se non uguale ma analogo a quello di Calzecchi Onesti. A Branly senza dubbio va comunque il merito di aver perfezionato il tubetto di limatura adottando sistemi che lo rendevano più pratico ai fini della sperimentazione sulle onde elettromagnetiche.
Bisogna sottolineare anche che le polveri metalliche contenute nel tubetto potevano essere costituite da miscele di metalli che potevano far variare le proprietà di coesione e di conduzione in modo da offrire una maggiore o minore resistenza la passaggio della corrente elettrica.

1894 Oliver Lodge (1851-1940) a seguito dei suoi studi sulle esperienze di Hertz ebbe il merito di far risaltare l'importanza del tubetto con polveri metalliche quale dispositivo utile alla rivelazione delle onde elettromagnetiche a cui diede il nome di "Coherer" e vi apportò egli stesso dei perfezionamenti. In pratica il coherer risultò molto più sensibile alle onde elettromagnetiche rispetto il risonatore circolare utilizzato da Hertz.

Schema semplificato di coherer



coherer consiste in un tubetto di vetro che racchiude al suo interno delle polveri metalliche che sotto l'azione delle onde elettromagnetiche diventano conduttive cioè rendono possibile il passaggio di corrente elettrica. Sottoposto a scuotimento o a percussione riacquista lo stato di non conduzione.

1894 Augusto Righi (1850-1921) perfezionò ulteriormente il lavoro di Hertz e produsse onde elettromagnetiche nel campo delle microonde impiegando il suo oscillatore a tre scintille.

1895 Aleksandr Stepanovic Popov (1859-1906) costruì un rivelatore con l'impiego del coherer mirante alla rivelazione delle scariche atmosferiche.             
Bisogna comunque considerare che tutte queste esperienze venivano effettuate a scopo puramente accademico nei vari laboratori universitari e nonostante fossero fino ad allora stati individuati gli elementi fondamentali della telegrafia senza fili, nessuno considerava queste esperienze in modo pratico e nemmeno che potessero essere di qualche utilità al di là di pure disquisizioni accademiche.

GUGLIELMO MARCONI - (1874-1937) Il PRIMO
1894 -1895 Guglielmo Marconi era un giovane con una grande passione per la fisica; a conoscenza delle esperienze degli scienziati che lo avevano preceduto, egli perfezionò in modo determinante il coherer rendendolo più sensibile e mise a punto il sistema antenna-terra, elemento fondamentale ed indispensabile per la trasmissione delle onde a distanza.
Marconi per primo al mondo intuì la possibilità e l'utilizzo delle onde "hertziane" per comunicazioni a distanza finché mise a punto un sistema in grado di trasmettere e ricevere a distanza dei segnali.
Nel 1895 Marconi nella sua residenza di Villa Grifone a Pontecchio (BO) fece la prima radiotrasmissione ed inviò un segnale a circa 2 chilometri superando una collina presente tra il trasmettitore ed il ricevitore.
In pratica grazie al suo genio fu il primo uomo al mondo ad irradiare un segnale radio a distanza trasformando così tutti i sistemi accademici sperimentati in un congegno pratico di radiocomunicazione. Nessuno degli scienziati che lo avevano preceduto (proprio per loro ammissione)ebbe la geniale intuizione che le onde elettromagnetiche potessero essere utili ad una simile applicazione.
Senza ombra di dubbio fu l'inventore della radio. Toccò a lui, ad un non accademico, inventare questo mezzo così importante per l'umanità. Senza dubbio in quella fase Marconi non era legato a nessun interesse economico ma agiva come uno sperimentatore puro e quindi a giusta ragione è considerato il primo radioamatore.
Marconi conseguì il brevetto della sua invenzione in Inghilterra il 2 giugno 1896, a quell'epoca aveva 22 anni. Da quel momento la radio era una nuova realtà e faceva il suo ingresso nella storia dell'uomo.
Da quella data molti furono i progressi perché grazie a Marconi tutti compresero l'importanza del mezzo e i vantaggi che poteva produrre per il genere umano.
Dopo alcuni anni si elaborarono nuovi sistemi di trasmissione tralasciando le scariche elettriche per la produzione di onde elettromagnetiche e sostituendole con mezzi più adeguati, si perfezionarono i ricevitori sostituendo il coherer con altri rivelatori; la radiotecnica fece rapidamente passi da gigante fino a portare il rudimentale apparecchio radio di Marconi al moderno e raffinato mezzo che noi tutti conosciamo.

Le onde elettromagnetiche furono scoperte da Hertz a seguito delle indicazioni teoriche di Maxwell, ma la prima applicazione pratica fu di Guglielmo Marconi.
                                         
Schema a blocchi del trasmettitore di Marconi - 1895



Chiudendo il contatto (S1) attraverso la manipolazione del tasto telegrafico, scorre corrente nel rocchetto che elevando la tensione della pila fa scoccare le scintille tra i punti (A) e (B) (spinterometro) le scintille provocano una corrente oscillante smorzata nel filo dell'antenna, la quale così irradia energia sotto forma di onde elettromagnetiche.                  

Schema a blocchi del ricevitore di Marconi - 1895



Quando l'antenna capta le onde elettromagnetiche il coherer diventa conduttore e consente alla (Pila 1) di eccitare il (Relè) che chiude il contatto (S1) alimentando tramite la (Pila 2) il circuito della macchina scrivente Morse (EM1-elettromagnete). Allo stesso tempo viene alimentato l'elettromagnete (EM2) che con un martelletto percuote il coherer riportandolo allo stato di non conduzione fino al prossimo segnale radio.  
               
Alcune tappe della radiotecnica dopo il brevetto di Marconi

1897 dopo le prime dimostrazioni ufficiali si eseguirono esperimenti attraverso il canale di Bristol - Dopo questi esperimenti l'opera di Marconi fu ufficialmente e definitivamente riconosciuta.
1899 Marconi effettuò la prima trasmissione radio attraverso il canale della Manica.
      
1900 Iniziarono i primi esperimenti da parte di tecnici che operavano con apparecchiature simili a quelle di Marconi e al tempo stesso iniziò un'opera di divulgazione.
      
1901 Marconi stabilì la prima radioricezione attraverso l'Atlantico tra Poldhu in Cornovaglia (Inghilterra) a S. Giovanni di Terranova (Canada) alla distanza di 3.500 Km.
      
1902 Marconi brevettò il detector magnetico di sua invenzione per sostituirlo all'uso del coherer. Il detector risultò più sensibile e stabile e offrì la possibilità di ascoltare i segnali telegrafici in cuffia.
      
1902 A.E. Kennelly e O. Heaviside seguendo studi indipendenti enunciarono la possibilità dell'esistenza di uno strato nell'atmosfera che influenza la propagazione delle onde elettromagnetiche.
      
1904 Sir John Ambrose Fleming sulla scorta delle esperienze realizzate da Edison a seguito dell'invenzione della lampada realizzò la prima valvola elettronica, il diodo dalla quale ebbero inizio tutte le altre valvole elettroniche.
      
1905 H J Dunwoody realizzò il rivelatore a cristallo a carborundum e più o meno nello stesso periodo Pickard inventò il rivelatore al silicio da allora in poi molto usato in ricezione.
      
1906 R.A. Fessenden costruì un apparato idoneo alla trasmissione della voce per la prima volta si poté udire la voce tramite cuffie.
      
1907 Lee de Forest perfezionò la valvola a diodo con l'introduzione di un terzo elettrodo "la griglia" La valvola fu chiamata "audion", oggi nota come triodo, rendendola adatta ad amplificare i segnali radiotelegrafici contribuendo notevolmente al progresso delle radiocomunicazioni.
      
1912 Vari studiosi e ricercatori come De Forest, Meissner, Armstrong, Franklin, Hartley , Colpitts, ottennero indipendentemente la produzione di corrente oscillatoria dalla valvola, sostituendo la scintilla come produzione di onde elettromagnetiche, punto di partenza delle attuali radiocomunicazioni.
      
1913 E.H. Amstrong realizzò un amplificatore con circuiti accordati.
      
1917 1918 Amstrong e Levy entrambi radioamatori realizzarono la supereterodina base dei moderni apparecchi radio.
      
1919 W. Scottky perfezionò la valvola aggiungendo un altro elettrodo, (la griglia schermo) consentendo amplificazioni più elevate.
      
1920 entrarono in funzione negli Stati Uniti le prime stazioni di radiodiffusione con programmi musicali.
      
1920-1921 Grazie ai radioamatori di tutto il mondo si scoprì lo straordinario rendimento delle onde corte, fino a quel tempo considerate dai tecnici come inutilizzabili. In pratica con potenze modeste attraverso le onde corte si raggiunsero distanze impensabili.
      
1923 Prima ricetrasmissione transatlantica fra radioamatori da parte del francese Deloy F8AB e lo statunitense Schnell 1MO.
      
1923 W.G. Cady usò il cristallo di quarzo come oscillatore e risuonatore.
      
1924 entrò in servizio la prima stazione radiofonica italiana (U.R.I. Unione Radiofonica Italiana) con programmi rivolti al pubblico.
      
1924 Marconi realizzò la prima comunicazione radiotelefonica tra Europa e Australia.
      
1927 nacque l'Associazione dei Radioamatori Italiani A.R.I. (a quel tempo Associazione Radiotecnica Italiana).
      
1927 L'U.R.I. si trasformò in E.I.A.R. (Ente Italiano Radio Audizioni).
      
1928-1929 vennero costruiti i primi apparecchi radio di tipo moderno alimentati dalla rete-luce per radioaudizioni circolari. Da allora si verificò una vera diffusione della radio, la cui presenza diventò sempre più comune nelle case delle persone di tutto il mondo.


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