Come riprodurre un telegrafo senza fili

Dall’introduzione pratica della telegrafia senza fili nel 1896, in pochi anni sono stati compiuti enormi progressi, non solo nel percorrere grandi distanze, ma nel sintonizzare un certo ricevitore per rispondere a un determinato trasmettitore. Per capire le caratteristiche e le complessità della telegrafia senza fili non può esserci un metodo migliore che costruire un apparato. Telegrafare per circa un chilometro senza fili mediante quello che è noto come il sistema delle onde hertziane non è difficile: è infatti il lato pratico – e non quello teorico della telegrafia senza fili – che dobbiamo e vogliamo affrontare qui.

Le radio AM e FM di oggi sono spesso date per scontate: ti sintonizzi sulla stazione desiderata e ricevi la trasmissione, forte e chiara. Ma dietro la ricezione radio vi sono i principi e le sfide che hanno appassionato gli inventori e i pionieri tra la fine del XIX e l’inizio del XX secolo. In effetti, la ricezione radio moderna è del tutto diversa da quella dei primi giorni dell’era senza fili. Alla fine del 1800 la trasmissione standard era la “telegrafia senza fili wireless”, ed era impossibile di inviare la voce umana attraverso l’aria.

La telegrafia senza fili trasmetteva i punti e i trattini del codice Morse attraverso l’aria in maniera “wireless”. Furono questi esperimenti di telegrafia senza fili a rendere possibile la tecnologia wireless utilizzata oggi. Senza quella tecnologia, non ci sarebbero le radio AM o FM, nessuna comunicazione satellitare e telefoni cellulari senza fili. Ed i primi esperimenti di telegrafia senza fili hanno usato, quasi senza eccezione, delle bobine a induzione con scintilla come trasmettitore.

Invio di un segnale con un telegrafo senza fili negli anni Cinquanta.

Una bobina a induzione con scintilla è un grande trasformatore con un oscillatore meccanico collegato che crea enormi tensioni: decine di migliaia di volt. Attaccato a questa bobina è presente uno spinterometro, che crea fulmini in miniatura e invia il rumore risultante a un’antenna e alla terra. Indubbiamente, hai già sentito l’interferenza da un fulmine e la bobina a scintilla crea identici fulmini, solo su una scala più piccola e più controllata. Questi creano enormi campi elettromagnetici, che vengono quindi trasmessi.

La nascita della telegrafia senza fili

La trasmissione radio con un tale dispositivo fu inizialmente impiegata da Heinrich Rudolf Hertz, che la usò per dimostrare le insolite proprietà dei campi elettromagnetici. Lo abbiamo illustrato nell’articolo Come ripetere gli esperimenti di Hertz, che abbiamo illustrato qui. Con un ricevitore, egli ha mostrato come un segnale potrebbe essere trasmesso attraverso l’aria. Tuttavia, egli aveva dichiarato che non vi era alcun uso pratico di questo principio, oltre a mostrare come funzionano i campi elettromagnetici.

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Poco dopo gli esperimenti di Hertz, Edouard Branly progettò il coherer, un rivelatore sensibile, che fungeva da interruttore quando esposto a un segnale trasmesso. Un coherer è costituito da un piccolo tubo di vetro riempito con varie particelle metalliche che hanno la proprietà insolita di condurre improvvisamente quando esposto a una corrente alternata, ma non se esposto alla corrente continua. Pertanto, i campi elettromagnetici alternati inviati da un trasmettitore a scintilla attivano il dispositivo.

Con un coherer e un trasmettitore a bobina a scintilla per attivarlo, Branly ha creato un ricevitore radio. Questo ricevitore funzionava usando il coherer, una batteria, una stampante Morse e un “tapper” per “resettare” il coherer. Infatti, le particelle del coherer si aggregano quando vengono esposte a un segnale dal trasmettitore. Ciò completò il circuito e consentì alla corrente di fluire verso la stampante Morse, che interpretava ogni punto e trattino ricevuto dall’apparato ricevitore.

Pertanto, la telegrafia senza fili ebbe i suoi inizi. Guglielmo Marconi era stato interessato a dispositivi wireless così affascinanti e aveva installato un piccolo trasmettitore nella sua soffitta. Con l’aiuto di un coherer, poteva far suonare un campanello a pochi metri di distanza. Più tardi, collegò il ricevitore a una stampante Morse e con il suo trasmettitore trasmise messaggi a oltre un chilometro di distanza. Fu quindi introdotta la telegrafia senza fili, che fu brevettata da Marconi negli Stati Uniti il ​​13 luglio 1897.

L’apparato trasmittente e ricevente utilizzato da Marconi. 

Prima di questo brevetto, l’apparecchiatura radio era limitata dalla mancanza di sintonizzazione, il che limitava notevolmente il numero di trasmettitori radio a scintilla che potevano operare in modo simultaneo in un’area geografica senza causare interferenze reciprocamente distruttive (come il trasmettitore di Hertz che abbiamo illustrato qui). Marconi ha affrontato questo difetto con un design più sofisticato, che aveva un circuito sintonizzato sulle antenne sia di trasmissione che di ricezione.

L’esperimento di realizzare un telegrafo senza fili non sintonizzato è relativamente semplice, non al di là delle capacità degli studenti delle scuole superiori. Gli esperimenti con l’elettricità devono essere eseguiti sotto la supervisione di insegnanti o adulti che hanno familiarità con le procedure di sicurezza dell’elettricità. In particolare, tenete presente che gli esperimenti con bobine e condensatori a induzione possono produrre shock ad alta tensione. Ma ecco come realizzare un telegrafo senza fili.

Realizzazione del trasmettitore telegrafico

Lo strumento che invia le onde attraverso lo spazio è definito “trasmettitore”, e questo lo descriverò per primo. Consiste in una normale bobina a induzione o di Ruhmkorff, che fornisce una scintilla di circa 1,2 cm tra i terminali secondari o le sfere di ottone. Tale bobina può essere acquistata dai rivenditori di forniture didattiche per poche decine di euro. Una bobina di dimensioni maggiori può, ovviamente, essere utilizzata con vantaggio, ma il costo aumenta molto rapidamente all’aumentare della dimensione della scintilla.

In primo piano un rocchetto di Ruhmkorff economico, che fornisce una scintilla di 1,2 cm, e sullo sfondo le pile che lo alimentano.

Una bobina con scintilla da 1,2 cm  produrrà ottimi risultati per 200-400 metri sull’acqua, e alcuni hanno trasmesso con essa messaggi a distanze di 800 m. Una volta acquistata o autocostruita la bobina, sarà necessario procurarsi gli “oscillatori”, come vengono definite le sfere di ottone, poiché le bobine di dimensioni più piccole non le includono. Le sfere di ottone dovrebbero essere di circa 1,2 cm di diametro e solide; possono essere adattate ai morsetti dei terminali secondari mediante fili di ottone.

Per far funzionare la bobina saranno necessarie due pile o una batteria. Un normale tasto telegrafico Morse è collegato in serie con la batteria e con la bobina di induzione, come mostrato nel diagramma. Ora, quando il tasto 4 viene premuto, il circuito verrà aperto e chiuso alternativamente – come una campanella elettrica – dall’interruttore 2, e un lampo in miniatura attraversa il traferro isolante tra le sfere o oscillatori, 5, e questa scarica dirompente invia le onde elettromagnetiche nello spazio in ogni direzione.

Schema del trasmettitore di un telegrafo senza fili.

La bobina e il tasto telegrafico possono essere montati su una base di legno larga 25 cm, lunga 40 cm e spessa1,5 cm. Questo, con la batteria, costituisce il trasmettitore wireless completo, ad eccezione di un filo aereo che porta verso l’alto ad un albero alto 9 o 12 metri, oppure il filo può essere sospeso all’esterno di un edificio. All’estremità superiore del filo dovrebbe essere saldata una piastra di rame da 30 cm quadrati: questo è il radiatore e invia le onde nello spazio. Un altro filo, 8, che parte dallo strumento è collegato con una seconda piastra di rame, 9, sepolta nella terra.

Dopodiché, i fili vengono collegati agli oscillatori – uno su entrambi i lati, come mostrato nella figura. I fili dell’antenna e della terra possono essere realizzati un po’ sotto forma di molla a spirale, poiché ciò costituisce una buona connessione e possono essere prontamente rimossi se necessario. Il trasmettitore può essere posizionato su un tavolo o in un altro posto fisso, ma per comodità è bene avere la bobina e il tasto telegrafico montati su una base separata.

Realizzazione del ricevitore telegrafico

Nel dispositivo ricevente ci sono più parti che nel trasmettitore. Per i non addetti ai lavori la parte più misteriosa dell’intero sistema di telegrafia senza fili è la più semplice e la più facile da capire. Mi riferisco al coherer, di cui abbiamo illustrato costruzione e funzionamento in un nostro articolo che trovate qui. La figura qui sotto è una vista schematica di un sistema di ricerca sperimentale economico, facile da regolare e abbastanza sensibile. Un coherer, ridotto alle sue parti più semplici, è costituito da due bulloni di filo forzati in un pezzo di tubo di gomma trasparente, con in mezzo della limatura di ferro.

Esempio di apparato ricevente di un telegrafo senza fili di inizio secolo scorso.

Un coherer dell’epoca in ottone è mostrato in figura, insieme alle viti e alle molle di fermo, e servono per ottenere la regolazione corretta e quindi mantenere le viti in posizione. La limatura può essere ricavata limando un po’ di bullone di ferro acquistato da un ferramenta. La quantità di limatura da utilizzare nel coherer può essere approssimativamente stimata in base al diametro del tubo di gomma che la conterrà. Dopo aver inserito un bullone nel tubo, versate una quantità sufficiente di limatura. Dopodiché, chiudete il tubo di gomma alla sua altra estremità con l’altro bullone.

Il coherer in una figura dell’epoca e in una realizzazione fai-da-te moderna.

L’apparato ricevente comprende anche un relè, un tapper, un generatore di suono e alcune pile o batterie. Come mostrato in figura, il tapper – lo strumento centrale sul retro del coherer – viene ricavato da una vecchia campana elettrica in cui il gong è stato scartato, e serve a scuotere il coherer dopo che è stato attivato dalle onde hertziane ricevute dal trasmettitore. Il relè, a destra, dovrebbe essere avvolto ad alta resistenza, circa 100 ohm. È, come tutte le altre parti dell’apparato tranne il coherer, può essere acquistato da qualsiasi rivenditore di forniture elettriche, quindi non costituisce un problema.

Il buzzer, a sinistra, è un normale buzzer Morse con resistenza di 4 ohm. I magneti del tapper devono essere avvolti a 4 ohm. Ora tutti i componenti dovrebbero essere montati su una base di 20 per 30 cm e collegati come mostra il diagramma: cioè, i terminali del coherer sono collegati in serie con due pile a secco, 2 e il relè, 3. Dal relè un secondo circuito, anch’esso in serie, porta al tapper, 6, quindi a una batteria di tre pile a secco, 5, e poi sul buzzer, 4, e infine di nuovo sul relè, 3. Questo per i due circuiti elettrici.

Schema del ricevitore del telegrafo senza fili.

I fili 7 e 8, che si ramificano dal coherer, non hanno nulla a che fare con i circuiti della batteria locale, ma portano rispettivamente su un albero uguale in altezza a quello all’estremità di trasmissione e giù nel terreno (o alla terra), come precedentemente descritto. Anche questi sono dotati di piastre di rame. Come mostrato in figura, i collegamenti sono tutti realizzati direttamente tra relè, coherer, tapper e batterie per la ragione molto evidente che sono funzionalmente collegati insieme.

Funzioni e regolazione dei componenti

Vediamo ora quali sono le funzioni di ciascuno degli apparecchi che costituiscono il ricevitore, la loro relazione reciproca e infine, nel suo insieme, con il trasmettitore a un chilometro di distanza. Per adattare correttamente il ricevitore al trasmettitore è bene avere entrambi nella stessa stanza – anche se non collegati – e quindi provarli. La relazione del coherer con il circuito relè e la batteria può essere paragonata a quella di un pulsante, il campanello e la sua batteria.

Coherer e pulsante rappresentano normalmente il circuito aperto. Quando si preme il pulsante (cioè il coherer si attiva), il circuito si chiude e la campana suona; quando le onde hertziane emesse dalla lontana bobina trasmittente raggiungono il coherer, infatti, le particelle di limatura metallica si avvicinano – o meglio si avvicinano di più – chiudendo così il circuito e il relè attira la sua armatura ai suoi magneti, che chiudono il secondo circuito, e quindi il tapper e il buzzer diventano operativi.

Una versione un po’ più recente del telegrafo senza fili classico.

Lo scopo del tapper è di disattivare le microsaldature nella limatura dopo che sono state create dalle onde hertziane, altrimenti nessuna nuova onda potrebbe essere rivelata. Il relè è necessario, poiché è necessario un apparecchio molto più sensibile di un normale buzzer telegrafico; questo è fornito da un relè che, oltre ad essere molto più sensibile, ha l’ulteriore vantaggio di azionare una leva o un’armatura delicatamente in bilico, invece di quella pesante usata sul buzzer. I segnali possono essere letti dal solo tapper, ma per produrre punti e trattini – il normale codice Morse – un buzzer è essenziale.

La regolazione del coherer e la sua relazione con il relè non è così difficile come la regolazione finale del buzzer e del tapper, ma se le seguenti regole vengono rispettate attentamente, il risultato sarà un ricevitore di successo. Disporre innanzitutto le viti di regolazione dell’armatura del relè in modo che abbia un gioco libero limitato, quando l’armatura viene trascinata a contatto con la seconda connessione del circuito: occorre avere la tensione della molla in modo tale che abbia “tiro” sufficiente a ritrarre l’armatura quando non c’è corrente che fluisce attraverso le bobine del relè.

Ora collegate le due pile a secco in serie con il coherer. Svitate uno dei bulloni del coherer, quindi avvitate la vite interna, 3, fino a quando la corrente inizia a fluire attraverso il circuito e tira l’armatura del relè verso i magneti. Toccate il coherer con una matita mentre si gira il bullone del coherer per prevenire la coesione prematura, che può verificarsi a causa della pressione. Quando il bilanciamento assoluto è assicurato tra il coherer e il relè, collegate la batteria del secondo circuito, che include il tapper e il buzzer.

Il codice o alfabeto Morse utilizzato a livello internazionale.

Quando l’armatura del relè viene portata in contatto, chiudendo il secondo circuito, dovrebbero funzionare sia il tapper che la buzzer, con il primo che batte sul coherer disattivandolo e il secondo che suona. La regolazione del coherer e del buzzer richiede la massima pazienza, poiché solo con i test più delicati si ottiene la distanza corretta fra i bulloni, come illustrato nel nostro articolo sul coherer. Questo viene fatto dalla vite che regola la molla fissata alla leva del buzzer.

Quando tutto è stato organizzato e il circuito locale del trasmettitore è chiuso, la scintilla passa tra gli oscillatori, le onde vengono inviate in modo invisibile attraverso lo spazio dall’antenna e dalle piastre di terra e, irradiandosi in ogni direzione, una parte minore entra in contatto con la piastra aerea del ricevitore e con quella di terra, dove vengono trasportate fino al coherer e, sotto l’azione delle onde, i grani della limatura si allineano, il circuito del relè viene chiuso, trascinando l’armatura in contatto, chiudendo il secondo circuito, attivando così il tapper che disattiva il coherer.

Allo stesso tempo, la leva del buzzer viene abbassata e, per legge dell’inerzia, continuerà a rimanere abbassata, se una serie di onde viene inviata dal trasmettitore, supponendo che il tasto telegrafico venga tenuto premuto producendo un trattino, nonostante il tapper continui a lavorare indifferentemente; ma la leva del buzzer – lenta nella sua azione – una volta abbassata, rimarrà tale fino a quando non viene ricevuta l’ultima onda e il tapper si aziona per l’ultima volta, interrompendo infine il secondo circuito per un periodo di tempo sufficiente a consentire alla leva pesante di riguadagnare la sua posizione normale.

Un esempio di tasto telegrafico e buzzer per esercitarsi nel codice Morse.

Tutte queste varie azioni richiedono un tempo specifico in cui operare, quindi il tasto di trasmissione deve essere azionato molto lentamente, a ciascun punto e trattino deve essere concesso un periodo di tempo sufficiente per il passaggio di una buona scintilla. In pratica, è possibile inviare solo da 12 a 15 parole al minuto. È anche bene ricordare che più alti sono i fili d’antenna, più lontano i messaggi verranno trasportati. La trasmissione wireless via acqua arriva a una distanza circa 10 volte superiore rispetto a quella su terra. Conoscere bene la telegrafia richiede comunque cura, pazienza e pratica.