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  • Lunedì 15 Giugno 2009 14:09
  • Ultimo aggiornamento Sabato 20 Giugno 2009 14:15
  • Scritto da David Guanciarossa

Nascita della radio

 

LA SCIENZA "ELETTRICITÀ" DÀ NASCITA ALLA RADIO

Dal Rinascimento in poi ogni conquista tecnologica e strettamente collegata a progressi di carattere scientifico: la tecnica e sempre più indirizzata ed utilizzata dalla scienza. Le nuove necessità di precisione e complessità richieste per gli strumenti scientifici, e insieme l'aumento continuo di conoscenze in tutti i campi, richiedono una tecnologia sempre più sviluppata. Le innovazioni e le scoperte scientifiche e tecniche procedono di pari passo, e man mano che lo sviluppo della tecnica va avanti questa assume un ruolo sempre più indipendente ed autonomo, pur rimanendo collegata sempre alla scienza pura. Nel caso dell'invenzione della radio si deve parlare essenzialmente di una invenzione tecnica più che di una conquista scientifica vera e propria. Lo stesso Marconi voleva essere definito «inventore» più che scienziato. Ciò nonostante, tutti i presupposti per tale invenzione furono definiti da scienziati che mai avrebbero immaginato gli sviluppi successivi. Si deve all'abilità e all'intuito di persone anche non dotate di grandi conoscenze scientifiche l'attuazione e il perfezionamento delle trasmissioni radiotelegrafiche. Per rendersi conto dell'importanza dell'invenzione della radio basta pensare, ed ognuno di noi può farlo, a quanto della nostra vita di oggi e in stretto rapporto con le trasmissioni radio. Per fare un esempio basta dire che ormai in quasi tutti i Paesi industrializzati, e particolarmente in Europa e negli Stati Uniti, l'atmosfera e satura di onde di ogni frequenza. Nel futuro, anche se non immediato, e lecito poter affermare che si dovrà ricorrere a sistemi di trasmissione di messaggi diversi da quelli radio. Molto probabilmente si ritornerà a trasmettere immagini e suoni mediante cavi per non compromettere la trasmissione di segnali radio. Anche il laser (light amplification by stimulated emission of radiation) («amplificazione della luce per emissione stimolata di radiazioni») potrà essere usato come mezzo di telecomunicazione. Forse ogni città avrà un sistema unificato di comunicazioni, come già esiste la rete elettrica, quella telefonica, idraulica etc., al quale ognuno potrà collegarsi. Una cosa e certa, l'uomo ha sempre più bisogno di comunicazioni, e questa sta diventando una caratteristica del nostro tempo. I primi satelliti per telecomunicazioni sono gia stati lanciati, ed e già possibile avere un sistema mondiale di diffusione. Pertanto le comunicazioni di massa, o «mass media», soprattutto radio e televisione, sono divenuti un vero proprio strumento di potere, perchè la loro grande diffusione li porta ad avere un profondo influsso sulla popolazione.


 

Tramettittore radio 1901
Il trasmettitore radio sperimentale del prof. Freeman a Chicago, nel 1901
 
Prima trasmissione radio
La prima trasmissione radio transcontinentale, il 29 settembre 1915. Il messaggio, trasmesso via cavo, da New York a Arlungton, fu poi trasemsso per radiotelefono a San Francisco, grazie agli ingegneri della Bell Laboratories.

Fino alla fine del secolo XVIII si conosceva solo l'elettricità statica. IIlprocesso di conduzione elettrica fu dimostrato nel 1731: apparve che parecchie so­stanze erano buone conduttrici ed altre non lo erano. Questo rese possibile l'isolamento. Si stabilì che tutti i corpi potevano essere caricati elettricamente.
Nello stesso periodo Benjamin Franklin (1706-90), interessando­si ai fenomeni elettrici, nota co­me le cariche elettriche sono scaricate con grande facilità dalle punte metalliche, attribuisce una origine elettrica ai fulmini e pensa di scaricare l'elettricità dei fulmini mediante conduttori (1749), idea che applica pratica­mente (1752).
La prima formulazione quantita­tiva (tutti gli studi precedenti sono di carattere qualitativo) dei fenomeni elettrici 6 di Joseph Priestley (1733-1804). In questa sintesi delle conoscenze elettri­che, pubblicata nel 1767, Priestley avanza per la prima volta l'ipotesi che la legge della at­trazione elettrostatica sia simile alla legge dell'attrazione di gra­vita, e cioè con rapporti inver­samente proporzionali al quadrato della distanza.

La prima misurazione effettiva dell'attrazione a opera dell'ingegnere francese Charles-Auguste Coulomb (1736-1806) che, usando una bilancia a torsione, riesce a provare che la legge di Newton (della proporzionalità inversa ai quadrati delle distanze) é valida per i fenomeni di attrazione e repulsione elettrica, dando cosi l'avvio alla risoluzione matematica di questi problemi (1785).
Nel 1791 Luigi Galvani (1737­98) nel corso dei suoi studi su organismi viventi scopre che stimoli elettrici provocano con­trazioni muscolari e viceversa che queste ultime danno origine a fenomeni elettrici. Questi studi sono ripresi da Alessandro Volta (1745-1827) che, partendo dalle esperienze di Galvani, scopre che una serie di dischi di metalli differenti (oro-argento) disposti a coppie e intercalati da carta imbevuta di soluzione sa­liva produce una corrente elettrica continua. E' l'invenzione della pila (1800).

Avendo a disposizione sorgenti di corrente continua si poterono fare studi sul passaggio della corrente attraverso conduttori. Tali studi portarono Georg Simon Ohm (1787-1857) a formulare nel 1826 Ia famosa relazione, oggi conosciuta come legge di Ohm, tra la forza elettromotrice applicata ad un conduttore e Ia corrente ottenuta, introducendo cosi il concetto di resistenza. Questa relazione costituisce una delle pietre basilari della moderna scienza dell'elettricità ed è, come si vedrà, di fondamentale importanza per lo sviluppo di tutte le applicazioni successive.
Nello stesso periodo, e precisamente nel 1820, il danese Hans Christian Oersted dimostrò Ia stretta relazione fra elettricità e magnetismo, osservando le oscillazioni di un ago magnetico posto vicino ad un filo attraverso il quale passasse corrente. II significato del legame fra fenomeni elettrici e magnetici fu chiarito ulteriormente da Fran­cois Arago (1786-1853) che sperimentò come una spirale di filo di rame, attraverso cui passava corrente, avesse un potere di attrazione su limatura di ferro precedentemente smagnetizzata (1820).

Lo studio del fenomeni elettromagnetici è appena agli inizi ed una vasta serie di fenomeni si pone alla attenzione degli scienziati. Subito dopo la pubblicazione dei risultati di Oersted infatti, Andre-Marie Ampere scopre la legge che determina la deviazione dell'ago magnetico ad opera della corrente elettrica e il fenomeno di reciproca attrazione e repulsione delle correnti. L'analisi matematica di tutti questi fenomeni (1822-27) lo porta alla ipotesi che il magnetismo sia determinato da correnti molecolari.

Appaiono nel 1821 i primi galvanometri che sfruttano le caratteristiche dei circuiti elettrico -magnetici e la «legge di Ampere». La corrente elettrica diventa una quantità misurabile.
A questo stadio delle ricerche si inseriscono gli studi fondamentali di Michael Faraday (1791-1867) che, partendo dalle ricerche di Oersted, scopre che Ia corrente elettrica passante attraverso un filo genera un «campo » di forza magnetico con direzione perpendicolare al filo lunge anelli concentrici al filo stesso. Immediata conseguenza di queste ricerche diventa il fatto che la reciproca azione tra campo magnetico generato da corrente e magneti può essere utilizzata per trasformare la corrente elettrica in movimento continuo. E' la legge della «induzione» magnetica che porta alla costruzione della prima dinamo (1831). Si ha ora a disposizione uno strumento capace di produrre corrente utilizzando movimento: questa macchina segna il punto di partenza per l'utilizzazione della corrente elettrica su larga scala e per Ia sua utilizzazione per l'illuminazione e Ia trazione.

L'importanza della macchina ad induzione di Faraday e facilmente comprensibile; la diretta applicazione fu fatta un po' di tempo dopo (1851) da H.D. Ruhm­korff (1803-77) che costruì un tipo di rocchetto, tuttora noto con il suo nome, con il quale era possibile ottenere elevate forze elettromotrici, facilitando cosi la costruzione del primo motore elettrico.
Faraday aveva cosi posto le basi della moderna teoria elettromagnetica e aveva rivelato gli effetti fondamentali dei fenomeni elettromagnetici. II concetto di campo di forze » da lui utilizzato si sarebbe rivelato poco dopo come il più adatto per Ia descrizione dell'elettromagnetismo. E' necessario dire che Faraday arrivò alle sue scoperte utilizzando soltanto concetti e ipotesi intuitive, senza mai dare una spiegazione o formulazione matematica alle cose che andava scoprendo. Nonostante questo, aveva dato indicazioni precise su come dovevano essere interpretati tutti i fenomeni elettrici: il concetto di campo ne é un esempio.

Tutto a questo punto è pronto perchè si possa dare una formulazione completa dei fenomeni elettromagnetici. Nel 1856 appariva il primo importante lavoro di James Clerk Maxwell (1831-79), che dava Ia prima interpretazione matematica delle scoperte di Faraday; si intitolava infatti «0n Faraday Lines of Force», a cui sarebbe seguito otto anni dopo Ia sua grande opera «Sulla teoria dinamica del campo elettromagnetico». In quest'ultima si dimostrava come i fenomeni elettromagnetici si propagassero nello spazio, ad una definitiva velocità, in forma di onde simili a quelle luminose ed in più con la stessa velocità. Tutto quanto riguardava tali fenomeni era ridotto a solo quattro equazioni che spiegavano e interpretavano ogni esperimento fatto fino ad allora, e ipotizzavano nuovi effetti che sarebbero stati rivelati soltanto dopo.
Contemporaneamente   questa nuova teoria dava nuovo valore alla teoria ondulatoria della emissione luminosa interpretandole come radiazione elettromagnetica. Il risultato fondamenta!e della teoria di Maxwell, cioè che gli effetti elettromagnetici si propagano per onde, era del tutto inaspettato e suscitò parecchie perplessità tra g!i scienziati dell'epoca.
Soltanto molti anni più tardi que­ste onde furono rivelate speri­mentalmente, e questo e un ul­teriore motivo di merito della teoria di Maxwell.
E' di Rudolf Hertz (1857-1894), nel 1886-88, la prima rivelazione di onde generate da scariche elettriche. Hertz dimostrò che erano le onde ipotizzate da Maxwell, dando cosi conferma alle ipotesi di venti anni prima.


 


Il senatore della Carolina del Sud, Fred Domenech, era una radioamatore(1924)
 
Radio portatile
Le primissime radio «portatili». L'antenna non era purtroppo facilmente trasportabile.

La teoria di Maxwell sull'elettromagnetismo, che nel 1864 era già utilizzabile in una forma completa, dimostrava che devono esistere onde elettromagnetiche che generate da un'apposita antenna (o vibratore) nello spazio libero si propagano alla velocità  della luce. Maxwell stesso non si rese conto della portata della sua ipotesi, del resto molto contrastata, e nella prefazione a la seconda edizione della sua teoria accenna solo ad applicazioni immediate nel campo dell'indu­zione e dei circuiti, senza presagire assolutamente quali sarebbero state le conseguenze della teoria del campo elettromagnetico. Bisogna dire che le equazioni scritte da Maxwell sono rimaste immutate: infatti sono ancora oggi considerate completamente esatte.
Soltanto dopo gli esperimenti di Hertz, pubblicati nel 1888, si incominciò ad intravedere l'applicazione, che oggi può sembrare evidente, della trasmissione di segnali mediante onde.
E' opportuno dare a questo punto una descrizione delle esperienze fatte da Hertz, tanto più che ancora oggi sembra sor­prendente come egli abbia po­tuto ottenere tali risultati con apparecchiature abbastanza rudimentali. Gli esperimenti di Hertz infatti si differenziavano da tutti quelli precedenti.

Parecchi anni prima Faraday aveva dimostrato che due circuiti posti ad una certa distan­za l'uno dall'altro interagivano per accoppiamento induttivo, e questo avveniva perchè i campi magnetici generati della corrente nei circuiti si influenzavano a vicenda. L'effetto era già noto, se si inviava corrente nel primo circuito (formato di una batteria e di un tasto) e si poneva un rivelatore (galvanometro) nel secondo: in quest'ultimo si aveva così un passaggio di corrente ogni volta che mediante il tasto veniva chiuso il primo circuito. Questo sistema poteva considerarsi come telegrafico «induttivo» e naturalmente senza fiIi. Sistemi di questo tipo furono studiati, ma la loro portate si rivelò minima. Tutto questo era noto a Faraday e ad Ampere. L'effetto nuovo, previsto da Maxwell e rilevato sperimentalmente da Hertz, per la prima volta è, diverso dall'induzione, cioè è di «radiazione». Le differenze fra i due fenomeni dipendono essenzialmente dalle dimensioni dei circuiti trasmettitore e rivelatore rispetto alla lunghezza d'onda dei segnali e della distanza reciproca dei circuiti stessi. Se, cioè, la lunghezza del circuito trasmittente molto inferiore alla lunghezza d'onda delle onde emesse e se la distanza dal ricevitore è minore di una lunghezza d'onda, i segnali ricevuti saranno in gran parte dovuti alla induzione: aumentando Ia distanza fra i circuiti l'effetto induttivo tende a scomparire e inizia a prevalere quello radiativo. Perchè tutto sia efficiente quando prevalgono gli effetti radiativi, è necessario che il circuito trasmittente irraggi ad una lunghezza d'onda comparabile con le sue dimensioni. E' questo il motivo per cui gli effetti radiativi non furono osservati mai prima di Hertz. Avere una lunghezza d'onda di emissione comparabile con le dimensioni di circuiti ai tempi di Faraday richiedeva che i segnali avessero frequenze allora impossibili da ottenere. Un'altra differenza fondamentale tra induzione e radiazione é nei rapporti di potenza, mentre infatti nel caso di accoppiamento induttivo quasi tutta la potenza data della batteria al circuito trasmittente viene recuperata quando viene ricoperto il circuito, se il circuito è costruito in modo che irraggi. C'è una perdita continua del radiatore dovuta alla emis­sione elettromagnetica che non può più essere recuperate.

II sistema di trasmissione e ricezione di Hertz era essenzialmente costituito da un generatore di oscillazioni (che sostituisce il tasto del circuito ad induzione), con il quale si potevano variare le frequenze in una larga gamma (a basse frequenze la lunghezza d'onda è grande e viceversa ad alte frequenze picco­la) con uno scintillatore. II circuito ricevitore era costituito da una spira di filo quasi completamente chiusa, in modo da formare uno spinterometro sul quale scoccava una scintilla quando si faceva funzionare il trasmettitore. Tutto questo apparato funzionava a frequenze tali da potere rendere possibile la radiazione. Una considerazione da fare, del resto d'importanza generate per tutti i circuiti trasmettitore-ricevitore, è che la potenza necessaria a frequenze alte per il funzionamento è maggiore che non a basse frequenze.
Con un apparecchio del tipo sopra descritto Hertz riuscì ad ottenere lunghezze d'onda di 30 cm., paragonabili alle dimensioni del trasmettitore, e quindi ad ottenere ricezione di segnali a distanze motto superiori alla lunghezza d'onda, in modo da quelli di induzione. Dimostrò che Ia radiazione di questo tipo si comportava alto stesso modo della luce, che poteva essere formata da lastre di metallo, ma non dal legno, della pietra, e dai cattivi conduttori in genere. Dimostrò anche che valevano per queste onde le leggi di rifrazione dell'ottica reinterpretando la teoria di Maxwell sulle onde elettromagnetiche e la loro velocità. Nonostante Hertz non credesse alle possibilità di applicazione dei suoi esperimenti e tantomeno alla possibilità di comunicazione mediante onde elettromagnetiche, si può dire che la storia delle telecomunicazioni inizi con le sue esperienze.
I lavori di Hertz (1888) furono fatti conoscere e pubblicati in Inghilterra da Kelvin, che chiamò le onde rivelate «ether wa­ves», supponendo che dovesse esistere un mezzo attraverso quale queste si propagassero.
Tale mezzo si dimostrò poi non esistere, e gli ultimi anni dell'Ottocento furono caratterizzati dalle discussioni su questo argomento. Le onde elettromagnetiche avevano posto nuovi insospettati problemi ai fisici delI'epoca. I lavori di Hertz furono ripetuti e migliorati con modifiche agli spinterometri poco dopo da Chunder Bose dell'Università di Calcutta e dal prof. Righi a Bologna, che riuscì ad ottenere lunghezze d'onda fino a 2,5 cm. Righi aveva un allievo che si chiamava Marconi che collaborava con lui a queste esperienze. II collegamento fra gli esperimenti di Hertz e quelli di Marconi é cosi evidente. Del resto Marconi stesso parlò sempre, anche agli inizi delle sue prove, di «onde hertziane».

Se l'apparecchiatura di Hertz non poteva essere collegata a nessun rivelatore telegrafico, ben presto furono applicate modifiche all'apparecchiatura originate che permisero di ottenere le prime ricezioni di segnali elettrici che non fossero soltanto scintille. Nel 1885 Oliver Lodge aveva scoperto il coesore, che permetteva di avvicinare gli estremi del rivelatore e trasformare i segnali di scarica in impulsi di corrente. Branly migliorò il coesore di Lodge. Nel 1894 Lodge diede una dimostrazione di telecomunicazioni attraverso una distanza di 150 yards (137 m.) ad Oxford. Nello stesso anno (il coesore era conosciuto) Marconi aveva già iniziato i suoi esperimenti nelle trasmissioni radio e in Russia Popov stava costruendo un rivelatore a coesore per lo studio delle scariche atmosferiche. Marconi adoperò per primo antenne costituite da fili attaccati a cubi metallici di 30 cm. di lato, sostenuti da pali alti fino ad 8 m. e fu in grado di trasmettere su distanze molto più lunghe di quelle di Lodge, fino a 400 m.. Quando aumentò le dimensioni dei cubi riuscì a trasmettere fino a 2 km.. II suo apparecchio, che era uno sviluppo di quello usato da Righi, aveva per alimentazione una bobina di induzione, e utilizzava il coesore come rivelatore.
Nel 1896 si reca in Inghilterra e il suo primo brevetto é del 2 giugno: la prima pubblicazio­ne dei risultati ottenuti.

Marconi aveva aumentato la lunghezza del sistema di antenne e portato la larghezza d'onda delle oscillazioni da pochi centimetri fino ad alcune decine di metri: era cosi in grado di utilizzare una maggiore potenza nella trasmissione e quindi di allungare Ia portata della ricezione. Nell'estate del 1896 H.B. Jackson della Marina Britannica inviava segnali telegrafici usando un rivelatore a coesore (nel settembre 1896 Marconi e Jackson si incontrano).
Nel 1897 Marconi fonda la «Wireless Telegraph and Signal Co. Ltd. », con un capitale di 100 milioni sterline procurate da lui stesso e dai suoi parenti (anche inglesi). Nel 1898 Marconi e Peckson compiono un esperimento in comune, durante le manovre navali in Gran Bretagna, trasmettendo un segnale telegrafico fino a 60 miglia (100 km). Marconi continua ad usare antenne sempre più grandi e spinterogeni più potenti. Trovò che notte e nebbia non erano di ostacolo alle trasmissioni e che la portata sul mare era superiore a quella in terraferma. Vennero apportati miglioramenti fra cui «jigger », che era un trasformatore di accoppiamento collegato tra antenna e circuito del coesore, in modo de ridurre il pesante smorzamento del circuito dell'antenna quando si usava un coesore collegato direttamente.

Nel 1900 Marconi tenta la trasmissione su lunghissime distanze. A Poldhu, in Cornovaglia, si monta il trasmettitore. Marconi e il suo gruppo hanno a disposizione alternatori molto potenti per allora (25 kW); l'antenna é a Cape Cod in America. Viene effettuata una prima trasmissione tra Poldhu e Cookhaven in Irlanda (225 miglia). L'antenna di Cape Cod crolla. Se ne costruisce una a Terranova. Dopo una serie di difficoltà di ordine tecnico il 12 dicembre 1901 si riceve a Terranova il primo segnale trasmesso da Poldhu: la lettera S in alfabeto Morse. Marconi viene cacciato da Terranova dalla Anglo American Telegraph Co. con l'accusa di violare iI monopolio telegrafico. II Governo canadese diede 16.000 sterline per erigere una nuova stazione a Glace Bay, nell'isola di Capo Breton.
Nel 1902 si installano ad opera di Marconi e del suo gruppo ricevitori sulla «s/s Philadelphia» e si registrano su nastro segnali fino a 2481 km., e segnali udibili (la S in Morse) fino a 3358 km. In seguito si conobbero i dettagli tecnici di tali trasmissioni: Marconi usava lunghezze d'onda di 4000 metri di notte e di 8000 di giorno.
Solo nel 1905 si stabilirono delle comunicazioni abbastanza regolari tra Glace Bay e Poldhu con onde di 3660 metri.

Gli esperimenti di Marconi crearono un interesse enorme in tutto il mondo, e molti scienziati e ingegneri cominciarono a lavorare nel campo della radio. Negli USA fu brevettato l'uso del carborundum come rivelatore dal generale H.H.C. Dunwoody dell'Esercito nel 1906. Si studio un grandissimo numero di materiali, ed Eccles pubblicò delle curve particolareggiate relative alla rettificazione ed enunciò la teoria dei rivelatori durante periodo 1909-1911. Queste ricerche contengono il seme molto primitivo del moderno transistor.


Stereoplay - inserto «Storia della radio» settembre 1974
. curato da: ALESSANDRO FEROLDI, MARION GRAETZ, LUCA TRENTADUE.
. materiale fotografico: Culver Pictures, Compix, The Bettmann Archive Inc., Bell Laboratories, Collezione privata di Burt Katz, Deutsches Museum, Parole e Onde (A.H.W. Beek), Marconi mio padre (D. Marconi)

 

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