Un trasmettitore a spinterometro (o a scintilla) è un apparecchio per generare onde elettromagnetiche a frequenza radio. Questi apparecchi servirono come trasmettitori per la maggior parte di sistemi per la telegrafia senza fili per i primi tre decenni della radio (1885-1916) e le prime dimostrazioni di radio funzionanti furono condotte usando questo tipo di apparecchio. Negli ultimi anni furono sviluppati trasmettitori più efficienti basati sugli alternatori ad alta velocità di Alexanderson e generatori ad arco di Poulsen anche se i trasmettitori a spinterometro continuarono ad essere preferiti da molti operatori sia per la loro struttura che per il fatto che il trasmettitore smetteva di generare un'onda portante appena il tasto del Codice Morse veniva rilasciato, permettendo all'operatore di ascoltare una replica anticipata "attraverso” cioè tra un segnale trasmesso e l'altro. Con altri tipi di trasmettitori l'onda portante non poteva essere controllata così facilmente ed erano richieste misure elaborate sia per modulare l'onda portante che per separare l'antenna ricevente da quella trasmittente.
Dopo la prima guerra mondiale divennero disponibili trasmettitori valvolari molto migliorati che superavano questi problemi. Sul finire del 1920 gli unici trasmettitori a spinterometro ancora operativi erano legati all'installazione sui battelli navali. Anche quando i trasmettitori basati sui tubi a vuoto furono installati, molti battelli mantennero i loro grezzi ma utilizzabili trasmettitori a spinterometro come unità di emergenza.
Storia La storia della radio mostra che il trasmettitore a spinterometro fu il prodotto di molte persone che lavorarono spesso in competizione. Nel 1862 James Clerk Maxwell predisse la propagazione di onde elettromagnetiche attraverso il vuoto, e nel 1888 il fisico Heinrich Rudolf Hertz fu il primo a verificare le previsioni di Maxwell. Hertz usò un trasmettitore a spinterometro sintonizzato e un relativo rivelatore ad arco sintonizzato (consistente in un cerchio di un cavo metallico interrotto da un piccolo spinterometro) posto pochi metri lontano. In una serie di esperimenti ad onde di altissima frequenza (UHF), Hertz verificò che le onde elettromagnetiche erano prodotte dal trasmettitore. Quando il trasmettitore emetteva la scintilla, piccole scintille apparivano attraverso lo spinterometro ricevente, che potevano essere viste tramite un microscopio.
Nikola Tesla sviluppò il cosiddetto sistema a “accoppiamento smorzato” che produceva un'onda portante molto più coerente, meno interferenze, lavorava con molta più grande efficienza e poteva essere impiegato in ogni condizione meteorologica.
Tesla condusse l'applicazione della sua tecnologia ad alta tensione ed alta frequenza alla radio. Sintonizzando una bobina ricevente ad una specifica frequenza usata nella bobina trasmittente, egli mostrò che la potenza in uscita di un ricevitore radio poteva essere enormemente amplificata attraverso l'azione risonante. Tesla brevettò un suo mezzo per produrre pratiche radio frequenze (vedere U.S. Patent 447,920, Metodo per Utilizzare Lampade ad Arco (10 marzo, 1891)). Tesla inventò anche una varietà di spinterometri rotanti, raffreddati, e smorzati capaci di raggiungere grandi livelli di potenza.
Marconi, ispirato da vari sperimentatori, sviluppò una telegrafia senza fili utilizzando trasmettitori ad arco ad alta potenza.
Marconi sperimentò la telegrafia senza fili dal 1895 al 1900. Il suo primo trasmettitore consisteva in una bobina d'induzione connessa fra un cavo antenna e una presa di terra, con uno spinterometro attraverso essa. Ogni volta che la bobina pulsava, l'antenna veniva momentaneamente caricata a decine (delle volte centinaia) di migliaia di volt finché lo spinterometro cominciava ad emettere scintille. Ciò funzionava come un interruttore, connettendo essenzialmente l'antenna caricata alla terra, producendo un'esplosione molto breve di radiazione elettromagnetica.
Il più grande problema era che la massima potenza che poteva essere emessa era determinata direttamente da quanta carica elettrica l'antenna poteva contenere. Dato che la capacità delle antenne è piuttosto piccola, l'unico modo di trovare una produzione di potenza ragionevole era caricarlo a tensioni molto alte. Comunque ciò rendeva la trasmissione impossibile in condizioni di umidità o piovose. Poi, si rese necessaria un'apertura di spinterometro piuttosto larga, con una resistenza elettrica molto alta, col risultato che la maggior parte dell'energia elettrica era usata semplicemente per scaldare l'aria nello spinterometro.
L'altro problema era che, a causa della durata molto breve di ogni scoppio di radiazione elettromagnetica, il sistema irradiava, un segnale di banda estremamente "sporco" che era quasi impossibile da sintonizzare se l'ascoltatore avesse voluto esaminare una stazione diversa. Nonostante questo, Marconi fu capace stabilire un servizio di telegrafia senza fili commerciale che ha servito gli Stati Uniti e l'Europa.
I primi tentativi di Reginald Fessenden di trasmettere voce impiegando una trasmittente a scintilla che operava a circa 10 000 scariche al secondo. Per modulare questa trasmittente inserì un microfono di carbone in serie con l'alimentatore. Egli sperimentò la grande difficoltà nel realizzare suono udibile.
Nel 1905 una trasmittente "stato dell'arte" a spinterometro generò un segnale avente una lunghezza d'onda tra 250 metri () e 550 metri (). Quella di 600 metri () divenne la frequenza di Sicurezza Internazionale. I ricevitori erano i semplici rivelatori non amplificati, di solito il coesore (una piccola quantità di polvere di metallo contenuta liberamente tra elettrodi metallici). Questo diede più tardi modo ai famosi set a cristallo di galena più sensibili. I sintonizzatori erano primitivi o inesistenti. I primi operatori di radio amatoriali costruirono trasmittenti a spinterometro a bassa potenza che usavano la bobina d'accensione dell'automobile Ford modello T. Ma una tipica stazione commerciale nel 1916 poteva includere un trasformatore di mezzo kilowatt che generava , un condensatore a sezione otto, ed un'apertura rotante capace di manovrare di un picco di corrente di molte centinaia di ampere.
Installazioni a bordo di navi usavano di solito un motore in corrente continua (di solito nelle navi vi erano alimentatori di luci in continua) per guidare un alternatore la cui produzione era aumentata poi fino a da un trasformatore.
Trasmittenti a spinterometro generavano segnali abbastanza ampi. Appena il più efficiente modo di trasmissione di onde continue (CW) divenne più facile da produrre e le bande si sovrapponevano e l'interferenza peggiorava, trasmittenti a spinterometro ed onde smorzate furono legalizzate su nuove lunghezze d'onda più corte da un trattato internazionale, e sostituiti da convertitori ad arco Poulsen ed alternatori di frequenza alti che sviluppavano una frequenza di trasmissione definita più netta. Questi approcci produssero più tardi la tecnologia di tubi a vuoto e l'"età elettrica" della radio finì. Tempo dopo che smisero di essere usati per le comunicazioni, le trasmittenti a spinterometro furono utilizzate per bloccare le radio. Oscillatori a spinterometro sono ancora usati per generare alta frequenza e alta tensione per iniziare archi di saldatura TIG. Generatori potenti a spinterometro pulsanti sono ancora usati per simulare EMP. Nella maggior parte delle molto potenti lampade a scarica di gas stradali (vapori di mercurio e di sodio) sono ancora usati trasmittenti a spinterometro modificati come interruttori di accensione.
Operazione
Il trasmettitore a spinterometro è molto semplice da far funzionare, ma presenta problemi tecnici significativi dovuti in gran parte ad una forza elettromotrice indotta molto grande quando la scarica viene generata, ciò provoca una rottura dell'isolamento del trasformatore primario. Per ovviare a ciò la costruzione di apparati anche a bassa potenza erano molto solidi. L'onda smorzata uscente era molto disturbata in larghezza di banda, e ciò limitava il numero di stazioni che potevano comunicare effettivamente senza interferire l'una con l'altra.
Nella sua forma più semplice, un trasmettitore a spinterometro consiste in uno spinterometro connesso attraverso un circuito oscillatore consistente in un condensatore e un'induttanza in serie o parallelo. In un tipico circuito trasmettitore, una sorgente di alta tensione (mostrata nello schema come una batteria, ma di solito un trasformatore ad alta tensione) carica un condensatore (C1 in figura) attraverso una resistenza fino a che la scarica non scocca, allora un impulso di corrente passa attraverso il condensatore (C2 in figura). L'induttanza ed il condensatore a destra dello spinterometro formano il circuito risonante. Dopo esser stato eccitato dall'impulso di corrente, l'oscillazione decade rapidamente dato che l'energia è radiata dall'antenna. A causa del rapido inizio e smorzamento dell'oscillazione, l'impulso di Radio Frequenza occupa una larga banda di frequenze.
La funzione dello spinterometro è quella di dare inizialmente un'alta resistenza al circuito per permettere al condensatore di caricarsi. Quando la tensione di rottura dello spinterometro è raggiunta, esso allora presenta una bassa resistenza al circuito causando la scarica del condensatore. La scarica attraverso la scarica conduttiva prende forma di una oscillazione smorzata, determinata dalla frequenza di risonanza del circuito LC.
Spinterometri
Un semplice spinterometro consiste in due elettrodi separati da un distanziatore immerso in un gas (solitamente aria). Quando si applica una tensione sufficientemente alta, una scarica elettrica unirà i due elettrodi, ionizzando il gas e riducendo drasticamente la sua resistenza elettrica. Allora fluisce una corrente elettrica finché il percorso dell'aria ionizzata è rotto o la corrente è ridotta sotto un valore minimo chiamato ‘corrente di mantenimento’. Ciò accade di solito quando la tensione tra gli elettrodi decade sufficientemente, ma il processo può anche essere accompagnato raffreddando il canale della scarica o separando fisicamente gli elettrodi. Ciò rompe il percorso conduttivo del gas ionizzato, permettendo al condensatore di ricaricarsi, e permettendo di ripetere il ciclo di carica/scarica. L'azione di ionizzazione del gas è estremamente immediato e violento (distributivo), e crea un suono netto (compreso tra uno ‘snap’ per una candela, od un sonoro ‘bang’ per una distanza maggiore degli elettrodi). Lo spinterometro libera anche luce e calore.
Costruzione
Lo spinterometro usato nei primi trasmettitori radio variava nella costruzione a seconda della potenza che si utilizzava. Alcuni erano molto semplici, consistenti in uno o più distanziatori (statici) connessi in serie, mentre altri erano significativamente più complessi. Poiché le scariche erano calde ed erosive, la copertura degli elettrodi ed il loro raffreddamento erano problemi costanti. Quando la potenza del trasmettitore fu incrementata, aumentò anche il problema del raffreddamento.