Prime ricerche
Il fisico scozzese James Clerk Maxwell nel 1864 descrisse attraverso un sistema di equazioni differenziali la dinamica dei campi elettrico e magnetico che opportunamente elaborate dimostravano l'esistenza delle onde radio. Heinrich Rudolf Hertz fu il fisico sperimentale che verificò sperimentalmente l'esistenza delle onde. Sia Maxwell sia Hertz non ravvisarono alcuna applicazione tecnologica in tali studi.
Ulteriori sviluppi basati su tali studi portarono all'invenzione della radio: gli oggetti, i processi o le tecniche di informazione. Molti ricercatori nel seguito contribuirono individualmente alla realizzazione di sistemi di comunicazione "senza fili".
Delle due forme base di strutture di diffusione senza fili, l'antenna di Hertz era un dipolo di mezza-lunghezza d'onda centro-alimentato. La sistemazione di Hertz per una fonte e ricevitore di onde radio (chiamate arcaicamente "onde hertziane" in suo onore) comprendeva un sistema radio primitivo capace di emettere e ricevere onde spaziali attraverso spazio libero. La sua trasmittente non era del tutto efficiente ed era limitata fortemente nella potenza in uscita.Peterson, Gary, Comparing the Hertz-wave and Tesla wireless systems. Feed Line No. 9 Article
Hertz usò le correnti oscillanti smorzate in un'antenna di dipolo, provocata da una scarica capacitiva di scintilla elettrica ad alta tensione, come fonte di onde di radio. Il suo ricevitore negli esperimenti era un'altra antenna di dipolo connessa a una stretta apertura di scintilla. Una piccola scintilla in questa apertura testimoniava la ricezione di un'onda radio. Quando aggiunse riflettori cilindrici dietro alle sue antenne di dipolo, Hertz poteva rilevare onde radio a circa 20 metri dalla trasmittente nel suo laboratorio. Non tentò di trasmettere oltre perché volle provare la teoria elettromagnetica, non sviluppare la comunicazione senza fili.
Hertz sembrò non essere interessato all'applicazione pratica dei suoi esperimenti. Egli affermò che «è di nessun uso ciò che [...] è solo un esperimento che prova che il "Maestro" Maxwell aveva ragione - noi abbiamo solo queste misteriose onde elettromagnetiche che non possiamo vedere a occhio nudo. Ma loro sono là».a b Eugenii Katz, "Heinrich Rudolf Hertz". Biographies of Famous Electrochemists and Physicists Contributed to Understanding of Electricity, Biosensors & Bioelectronics. Avendogli domandato su eventuali sviluppi delle sue scoperte, Hertz rispose, «Non mi aspetto nulla». Hertz affermò anche, «non penso che le onde senza fili che io ho scoperto avranno alcuna applicazione pratica». Hertz morì nel 1894, così l'arte della radio fu consegnata ad altri da perfezionare in una forma utile e pratica. Le sue scoperte sarebbero riprese più tardi da imprenditori che cercavano di farne la loro fortuna. Gli esperimenti di Tesla del 1891, di Bose del e di Marconi del 1895 si basavano sul lavoro di Hertz (fra altri), usando una fonte a scintilla in quello che divenne noto poi come una trasmittente a spinterometro.
Il lavoro di Nikola Tesla
Generazione di alte frequenze
Nikola Tesla fu uno dei primi a brevettare un mezzo per produrre correnti ad alta frequenza. Il brevetto USA di Tesla, "Metodo di Azionare Lampade ad Arco" (10 marzo 1891), descrive un alternatore che produceva corrente ad alta-frequenza (per quel periodo di tempo), circa 10.000 cicli al secondo (il termine ciclo-per-secondo fu cambiato più tardi in suo onore con "Hertz"). La sua innovazione brevettabile era l'eliminazione del suono prodotta da lampade ad arco usate su correnti alternate o pulsanti usando frequenze oltre la percezione dell'udito umano. L'alternatore produceva onde nella banda di Frequenza Molto Bassa (VLF).
Ricerca continuata e brevetti
Attorno al luglio del 1891, stabilì il suo laboratorio a New York e realizzò vari apparati costruiti che producevano da 15.000 a 18.000 cicli al secondo. In questo sito, accese anche tubi a vuoto senza fili (offrendo così una forte evidenza del potenziale della trasmissioni senza fili). Trasmissione e radiazione di energia di radiofrequenza erano una caratteristica esibita negli esperimenti di Tesla e furono notate presto così da essere usate per la telecomunicazione di informazioni."On Light and Other High Frequency Phenomena". Delivered before the Franklin Institute, Philadelphia, February 1893, and before the National Electric Light Association, St. Louis, March 1893."Experiments with Alternating Currents of High Potential and High Frequency". Delivered before the Institution of Electrical Engineers, London, February 1892.
Nel 1892, Tesla consegnò una presentazione ampiamente esplicativa prima all'Institution of Electrical Engineers di Londra in cui sottolineò, tra le altre cose, che segnali intelligenti possono essere trasmessi senza fili. Più tardi, una varietà del sistema di radio frequenze di Tesla fu dimostrata durante un'altra lettura ampiamente conosciuta, presentata ad un raduno della Associazione Nazionale della Luce Elettrica a Saintt Louis ed al Franklin Institute di Filadelfia. Secondo l'IEEE l'apparato che lui ha usato conteneva tutti gli elementi che sono stati incorporati in sistemi radio prima dello sviluppo della "valvola ad oscillazione", il primo tubo a vuoto."Nikola Tesla, 1856 - 1943". IEEE History Center, IEEE, 2003
Nel 1896 Tesla ricevette segnali senza fili trasmessi dal laboratorio di Houston Street da New York a West Point, ad una distanza di 30 miglia. Il trasmettitore consisteva in un alternatore a radio frequenza e produsse onde continue (non smorzate come tutti i suoi contemporanei allora e più tardi facevano) nella frequenza di 5.000 cicli per secondo. Il ricevitore consisteva in un potente elettromagnete, due grandi condensatori, e filo rigido in acciaio. Il filo era posto dentro il campo magnetico e collegato con i condensatori formando un circuito sintonizzato."Nikola Tesla On His Work with Alternating Currents and Their Application to wireless Telegraphy, Telephony, and Transmission of Power", Leland I. Anderson, Twenty First Century Books, 2002, pp. 26-27.PBS: Marconi and Tesla: Who invented radio? Nel 1899 Tesla stabilì una stazione sperimentale in Colorado Springs dove continuò la ricerca nella trasmissione senza fili usando spesso una forma di oscillatore elettrico conosciuto come il trasmettitore d'amplificazione.
Agli inizi delle sue ricerche Tesla usò il suo trasformatore risonante ad alta tensione -la bobina di Tesla- negli esperimenti di propagazione di onde radio. La parte aerea consisteva di un conduttore elettrico come terminale superiore connesso ad un terminale del trasformatore ad alta tensione, mentre l'altro capo del trasformatore era connesso a terra. L'avvolgimento secondario era guidato da un circuito primario consistente di pochi avvolgimenti di uno spesso cavo, un banco di condensatori, un circuito controllore e un alimentatore a trasformatore. La struttura propagatrice radiava come una comune antenna ad onde hertziane. Parole di Tesla:
Dopo un po' cominciò a preferire un'altra tecnica che chiamò "metodo di carica disturbata di terra ed aria". Il sistema senza fili di Tesla usò lo stesso apparato di base, comunque invece di usare onde elettromagnetiche nello spazio l'energia è portata dalla conduzione di correnti elettriche attraverso la terra e lungo essa assieme ad onde di superficie. In una forma del sistema il percorso di "ritorno" che chiude il circuito è un flusso di corrente elettrica stabilito tra due terminali elevati, uno appartenente al trasmettitore e l'altro al ricevitore. Tutto ciò consisteva nella conduzione di flussi di corrente attraverso il plasma ed anche l'induzione elettrostatica. Ancora una volta in parole di Tesla,
In altre parole, la struttura di Tesla immetteva una grande quantità di corrente alternata nella terra per mezzo di terminali collegati a terra. L'importanza della scoperta di Tesla era il metodo dell'"onda di superficie". La produzione di onde di superficie come descritto da Arnold Sommerfeld e Jonathan Zenneck era la conseguenza parziale dell'aggiunta di un profondo collegamento di terra alla trasmittente. Tesla disse nel 1893 che Uno dei terminali della fonte dovrebbe essere connesso alla Terra [come un collegamento elettrico a terra…] l'altro ad un corpo isolato di grande superficie.
Un piano seppellito a terra e poco profondo o un contrappeso elevato isolato è comunemente usato nella costruzione di antenne radio di bassa e media frequenza ad un quarto di lunghezza d'onda. Ciò portò allo sviluppo dell'Onda di Superficie Norton. Questo metodo permette serie di trasmissioni più lunghe. Molte stazioni AM usano questo stesso principio per migliorare il ricevimento dei loro segnali.a b Why AM Radio Stations Must Reduce Power, Change Operations, or Cease Operations at Night fcc.gov Questo permette anche alla moderna antenna AM monopolo ad 1/4 di lunghezza d'onda collegata a terra di essere più pratica per superare le restrizioni imposte dai progettisti delle grandi dimensioni fisiche richieste per queste strutture.
Antenne radio irradiano onde elettromagnetiche che possono giungere al ricevitore sia per propagazione di onda di terra o da rifrazione dalla ionosfera, nota come propagazione di onda spaziale. La componente dell'onda di terra è la porzione dell'onda elettromagnetica irradiata che si propaga vicino alla superficie della terra. Essa ha entrambi i componenti dell'onda diretta e riflessa a terra, e sotto certe condizioni una componente di conduzione troposferica. L'onda diretta è limitata solamente dalla distanza dalla trasmittente all'orizzonte più una piccola distanza aggiunta dalla diffrazione atmosferica attorno alla curvatura della terra. La porzione riflessa a terra dell'onda irradiata giunge all'antenna di recezione dopo essere riflessa dalla superficie della terra. Una porzione dell'energia dell'onda di terra irradiata dall'antenna può essere guidata anche dalla superficie della terra come un'onda di superficie che abbraccia la terra. Nel 1900, Aleksandr Stepanovič Popov affermò, di fronte al Congresso degli Ingegneri Elettrici Russi,
Il lavoro di Bose
Nel novembre del 1894, il fisico indiano, Jagadish Chandra Bose, dimostrò pubblicamente l'uso di onde radio a Calcutta, ma non era interessato a brevettare il lavoro."Jagadish Chandra Bose". ieee-virtual-museum.org. Bose accese polvere da sparo e fece suonare una campana a distanza usando onde elettromagnetiche, dimostrando che si possono inviare segnali per comunicare senza uso di fili. Nel 1896 il Daily Chronicle inglese riportò sui suoi esperimenti UHF: "L'inventore (J.C. Bose) ha emesso segnali ad una distanza di quasi un miglio e qui parte la prima applicazione ovvia e molto preziosa di questa nuova meraviglia teorica." La dimostrazione pubblica del 1895 di Bose a Calcutta fu fatta prima dell'esperimento di Marconi nella piana di Salisbury in Inghilterra del maggio 1897.The Work of Jagdish Chandra Bose: 100 years of mm-wave research. tuc.nrao.edu."Jagadish Chandra Bose", ieee-virtual-museum.org. Sebbene Bose fece questa dimostrazione, Tesla aveva compiuto comunicazioni radio più raffinate prima nel 1892 e 1893.
Bose non fu interessato nelle applicazioni commerciali della trasmittente dell'esperimento. Non tentò di registrare il brevetto per spedire segnali. Nel 1899, Bose annunciò lo sviluppo di un coesore di "ferro-mercurio-ferro con rivelatore telefonico" in un foglio presentato alla Royal Society di Londra.Bondyopadhyay, Probir K., "Sir J. C. Bose's Diode Detector Received Marconi's First Transatlantic Wireless Signal Of December 1901 (The "Italian Navy Coherer" Scandal Revisited)". Proc. IEEE, Vol. 86, No. 1, January 1988. Più tardi lui ricevette il brevetto americano, "Rilevatore di disturbi elettrici" (1904), per uno specifico ricevitore elettromagnetico. Sebbene non registrato brevetti per la trasmissione, è riconosciuto per aver contribuito allo sviluppo di radio.
Il lavoro di Marconi
Primi anni