Come realizzare un ricevitore a coherer

Il coherer è un dispositivo inventato dall’italiano Temistocle Calzecchi Onesti nel 1884, che permette di rivelare solo la presenza di una frequenza radio portante intensa, in modo assai più grossolano di come oggi avviene per mezzo dei diodi rivelatori al germanio o al silicio. Dunque, è un vecchio tipo di rilevatore di segnali radio capace di percepire un livello molto alto di energia. Una polvere metallica, inserita tra i due cilindri, costituisce l’elemento rivelatore. Pertanto, è semplice da realizzare e assai efficace, specie con il circuito che proponiamo per un esperimento al confine fra scienza e “magia”.

Il coherer ha la capacità di rilevare una forte energia in radiofrequenza o qualsiasi impulso elettrico emesso nelle vicinanze. Ma è anche un rilevatore di esplosioni nucleari, in grado di rilevare a grandissima distanza il potente impulso elettromagnetico emesso durante una detonazione nucleare. E, usando un coherer, si può pure costruire un rilevatore di fulmini.

In effetti, Calzecchi-Onesti, un professore di fisica di Fermo, usò il coherer proprio come segnalatore di fulmini, oltre che come avvisatore microsismico (grazie all’interruzione di un circuito). Tuttavia, l’impiego principale del coherer – soprattutto dal punto di vista della storia della scienza – fu quello di rivelatore di onde hertziane, dato che fu usato per un esperimento storico con il quale furono trasmessi i tre punti della lettera “S” in codice Morse a un ricevitore con coherer.

Marconi ebbe infatti, nel 1895, la geniale idea di abbinarlo a un oscillatore di Hertz che produce onde elettromagnetiche (in pratica, è un rocchetto di Ruhmkorff che fornisce un’alta tensione, amplificando i pochi volt forniti da una pila, a due sfere di rame tra cui poi scocca una potente scintilla) per rivelare con esso le onde hertziane a 2 km dal trasmettitore posto dietro una collina, dimostrando così che tali onde possono valicare gli ostacoli e propagarsi per chilometri.

Preparazione del sistema rivelatore

Ecco il materiale occorrente per l’esperienza, tutto facile da reperire:

  • Un tubicino di plastica trasparente (diametro di circa 5-6 mm)
  • Tre bulloni (di diametro appena maggiore di quello interno del tubicino)
  • Una fonte di metallo (ferro, rame, monete varie, etc.)
  • Una limetta
  • Due batterie da 1,5 V
  • Una lampadina da 3-4 V (o un led)
  • 2 metri di filo elettrico
  • Un accendigas piezolettrico

Inizia creando con la limetta e un pezzo di metallo (ad es. il terzo bullone acquistato) la polvere di metallo che ti servirà per il “cuore” del coherer, la sua parte più delicata. Suggerisco che il tuo primo coherer usi il rame: infatti, l’esperienza con nichel ed il ferro mostra che questi metalli sono più difficili da usare. Usa un pezzo di carta pulito e privo di polvere per catturare la limatura di metallo.

Quando si lima il metallo, occorre applicare la minor pressione possibile sul metallo stesso. Una polvere di metallo più fine di solito è migliore, per questo esperimento, che non una polvere grossolana. Tuttavia, se la polvere è così fine che si attacca e non fluisce facilmente, il coherer potrebbe ugualmente non funzionare bene. Sperimenta, dunque, cercando una via di mezzo tra i due estremi.

Ora, prendi uno dei due bulloni e avvitane uno fino quasi alla testa nello spezzone del tubicino di plastica trasparente. La lunghezza dello spezzone di tubo deve essere all’incirca uguale a quella dei due bulloni. Pertanto, avvitando il bullone dovrai arrivare quasi a metà del tubicino stesso.

A questo punto, versa la polvere di metallo nel tubicino, in modo che si adagi sulla punta del bullone. Lo spessore della polvere deve essere fra ½ e ¾ di quello del tubo. Ora inizia ad avvitare anche l’altro bullone chiudendo così l’estremità rimasta aperta del tubicino. Ma non avvitarlo al punto da schiacciare la polvere che si trova fra i due bulloni, e nemmeno di toccarla più di tanto.

Infine si può creare un circuito come quello in figura, in cui il coherer permette di far accendere una lampadina, una volta attivato da un impulso elettromagnetico. La lampadina è preferibile a un led perché rende più spettacolare l’esperimento. Inoltre, il led potrebbe far nascere il sospetto che, consumando meno, sia alimentato non dalla pila ma dall’energia del campo elettromagnetico. Ovviamente, al posto della lampadina si può mettere un cicalino o un registratore di impulsi o quant’altro.

Il semplice circuito per l’uso dimostrativo del coherer. (fonte: Sbalordiscienza)

Sia il trasmettitore (accendigas) che il ricevitore (il coherer) vanno collegati ciascuno ad un’antenna costituita da qualche metro di filo disteso per permettere il funzionamento anche a grandi distanze fra trasmettitore e ricevitore. Se ci si accontenta di una distanza di qualche metro, si possono usare dei più ragionevoli spezzoni di 1 m ciascuno. Inoltre, l’altro polo del coherer va collegato alla terra (ad es. un termosifone o la tubatura dell’acqua).

Primo utilizzo e semplici varianti

Ogni volta che viene emessa una forte energia in radiofrequenza, la limatura metallica presente all’interno del contenitore si “attiva”  e chiude il semplice circuito elettrico, facendo accendere la lampadina (o la luce led). Quando il coherer si attiva, la sua resistenza scende a 100 ohm o meno. Dopo che il coherer è stato toccato o scosso, invece, la sua resistenza ritorna così alta da sembrare un circuito aperto.

Naturalmente, affinché il coherer si attivi, dovrete regolare perfettamente la distanza fra i due bulloni in rapporto alla quantità di limatura presente fra essi. Trovare la distanza giusta può richiedere decine di tentativi avvitando o svitando un po’ un bullone e poi premendo sull’accendigas piezolettrico per vedere se il circuito si chiude e la lampadina si accende. Dunque, armatevi di molta pazienza.

Quando si effettuano le regolazioni, occorre fare attenzione a non lasciare che la polvere venga compressa: la polvere, infatti, ha bisogno di spazio per muoversi quando il coherer viene attivato e anche quando viene scosso da voi per disattivarlo. Inoltre, essendo compresso, si abbassa la resistenza della polvere. Dunque, partite da una certa distanza fra i due bulloni e poi stringete poco alla volta.

Provate a fare altri coherer più sensibili usando metalli diversi. Ad esempio, potete impiegare del ferro o dell’acciaio (che contiene ferro). In pratica, potete limare parte di un bullone ottenendo la polvere più fine possibile. Probabilmente, questo metallo sarà più sensibile. Si potrebbe attivare a una distanza massima di un paio di metri usando solo i cavi del circuito della lampadina come antenne.

Polvere di titanio, un metallo leggero che pochi sperimentano.

Anche in questo caso, misurate la resistenza del coherer attivato per misurare in maniera quantitativa la differenza fra i vari modelli che realizzate. Poi misurate la resistenza una volta scosso il coherer, se il vostro multimetro è in grado di rilevarla, essendo di solito molto elevata. Se è misurabile, può darsi che il circuito non si disattivi completamente, e dunque che il coherer non sia della sensibilità voluta.

I coherer storici usavano un mix di polveri di nichel e argento, per cui potete provare anche della limatura di nichel o usare della polvere delle monete da 10 o 20 centesimi, che lo contengono. Con il nichel, dovreste poter innescare un coherer da 3 metri con un piezo-accenditore come trasmettitore. Attenzione, però, a non respirare la polvere di nichel: meglio usare una mascherina protettiva.

Potete provare anche miscele di polveri metalliche diverse. Ed anche lime con granulosità più o meno fine. Alla fine, potrete realizzare vari coherer e compilare la seguente tabella: Lima usataMetallo usato – Resistenza min. – Distanza di accensione – Resistenza max. In questo modo potrete valutare e confrontare quantitativamente i vari coherer realizzati e determinare quelli più sensibili.

Dopo alcuni esperimenti potrete ottenere una miscela con i risultati cercati. Provate, ad esempio, un rapporto approssimativo di 2: 1 tra la polvere di rame e quella di nichel per creare un coherer più sensibile di quello in rame e che non abbia uno stato off in cui la resistenza sia insoddisfacente – cioè non abbastanza elevata – come quella che potrebbe caratterizzare il nichel puro.

Anche le dimensioni fisiche del coherer influenzano la sua sensibilità. Ci sono due misure principali da considerare: la distanza tra gli elettrodi e l’area coperta dalla polvere alle estremità dei bulloni. Man mano che la distanza tra gli elettrodi si riduce, la sensibilità aumenta. Più l’area dell’elettrodo a contatto della polvere è ampia – ovvero il diametro del bullone è grande – maggiore è la sensibilità.

Come funziona e si può usare un coherer?

Tra i 2 bulloni, come sappiamo, c’è della limatura un metallo per cui, quando nelle vicinanze scocca una scintilla o si genera un onda elettromagnetica impulsiva, il passaggio nella limatura della corrente –determinato dall’onda elettromagnetica associata alla scintilla o all’impulso EM – determina microscintille tra i granuli, e quindi deboli catene di microsaldature non permanenti tra gli stessi: perciò la resistenza elettrica della limatura diminuisce di colpo ed essa diventa un vero e proprio conduttore.

La limatura non è normalmente conduttrice di elettricità, ma lo diventa (per “coesione”) se esposta ad un campo elettromagnetico che orienta le particelle metalliche tutte in una direzione (come, appunto, se vi fossero delle microsaldature). Il circuito rimane però chiuso anche dopo l’interruzione del campo elettromagnetico. Branly modificò perciò ingegnosamente  il dispositivo aggiungendovi un martelletto che colpiva il coherer (e attivato dallo stesso), al fine ripristinare la condizione di non conducibilità.

L’intuizione di Marconi fu quella dell’antenna, un apparato per trasferire nello spazio l’energia del generatore di onde elettromagnetiche ideato dal fisico bolognese Augusto Righi e, nell’apparato ricevente, dallo spazio al rivelatore. Per mezzo di un opportuno circuito, il coherer poteva comandare una stampante telegrafica Morse che traccia su carta i punti e le linee del messaggio. Dopo ogni rilevazione di un impulso radio il coherer era leggermente scosso per metterlo in condizione di rilevare un nuovo impulso.

Un ricevitore di Marconi basato sul coherer che comanda una stampante telegrafica.

La sensibilità del coherer dipende dal metallo impiegato e dalla finezza e rarefazione dei granelli. Quanto più rada e fine è la polvere, tanto più sensibile è il dispositivo, specialmente con limature d’oro o d’argento (cioè limature non ossidabili). Inoltre, se l’antenna e la terra (cioè sia dell’accendigas sia del coherer sono di qualche metro di lunghezza, si può rivelare il segnale trasmesso a una trentina di metri di distanza.

Naturalmente i coherer sono dispositivi non in grado di seguire le complesse forme d’onda della trasmissione via radio di segnali audio. Per questo, occorrerà attendere i rivelatori a cristallo ed i moderni diodi rivelatori, tuttavia tale strumento è stato comunque utile per rispondere alla caratteristica trasmissione “on-off” tipica dei primi trasmettitori a scarica elettrica.

Come accennato all’inizio, il coherer può venire impiegato anche come rivelatore di fulmini. A tale scopo, il coherer era stato collegato dal suo inventore Calzecchi-Onesti a una pila, a un campanello ed a un grosso filo steso in aria, o antenna, e ad un altro che andava sottoterra. Quando scoccava un fulmine, anche lontano, l’energia elettromagnetica veniva captata dall’antenna e faceva suonare il campanello, che svolgeva naturalmente il ruolo della lampadina usata nel nostro esperimento.

Infine, gli esperimenti che si possono fare con un coherer sono pressoché infiniti. Infatti, come sottolinea il fisico Pegna, in realtà Il fenomeno del coherer è ancora misterioso. I fatti: (1) Una tensione continua di 3 V, applicata al coherer, non lo manda in conduzione; (2) Un segnale molto più debole costituito da un’onda sinusoidale smorzata lo manda in conduzione; (3) La frequenza dell’onda smorzata non ha importanza: da pochi KHz fino ai GHz; (4) Ed è il più strano: il coherer diventa conduttore a seguito di una scintilla anche
se il circuito non è alimentato (cioè con la pila staccata).

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