Storia della radio

Teorie scientifiche e verifiche

Il fisico scozzese James Clerk Maxwell 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 che 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".

Esperimenti con onde SLF e UHF

David Edward Hughes, otto anni prima degli esperimenti di Hertz e quasi due decadi prima delle dimostrazioni di Guglielmo Marconi, indusse onde elettromagnetiche in un sistema di segnalazione. Hughes emise codice Morse da un apparato ad induzione. Nel 1878, il metodo di trasmissione ad induzione di Hughes utilizzava un "meccanismo trasmittente" per emettere segnali. Nel 1885, T. A. Edison usò un vibratore a magnete per trasmissione ad induzione. Nel 1888, Edison schierò un sistema di segnalazioni lungo la linea ferroviaria di Lehigh Valley. Nel 1891, Edison ottenne il brevetto per questo metodo di comunicazione senza fili.
Dal 1886 al 1888 incluso nei suoi classici esperimenti, Heinrich Hertz provò che le proprietà delle onde radio erano consistenti con la teoria elettromagnetica di Maxwell. Hertz dimostrò che la radiazione radio aveva tutte le proprietà delle onde (ora chiamate onde Hertziane) e scoprì che le equazioni elettromagnetiche avrebbero potuto essere riformulate in un'equazione differenziale e parziale chiamata equazione d'onda.
Delle due forme base di strutture aeree di diffusione senza fili, l'antenna di Hertz era un dipolo di mezza-lunghezza d'onda centro-alimentato (l'altra forma era l'antenna di Tesla). 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. La sua antenna di dipolo differì dall'antenna a quarto di lunghezza d'onda verticale adottata di conseguenza da Tesla ed altri in quanto non era collegata a terra.
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 ad una stretta apertura di scintilla. Una piccola scintilla in questa apertura testimoniava la ricezione di un'onda di 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 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 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 frequenze radio Nikola Tesla fu uno dei primi a brevettare un mezzo per produrre in modo affidabile correnti a radiofrequenza. Il brevetto di Tesla, "Metodo di Azionare Lampade ad Arco" (10 marzo 1891), descrive un alternatore che produceva corrente ad alta-frequenza con circa 10.000 cicli al secondo (il termine ciclo-per-secondo fu cambiato più tardi con "hertz"). La sua innovazione brevettabile era l'eliminazione del suono prodotta da lampade 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 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.

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. 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 alto voltaggio -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 alto voltaggio, 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. 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.
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.

Il lavoro di Marconi

Si dice che Guglielmo Marconi, mentre in vacanza nel 1894, lesse degli esperimenti che Hertz aveva fatto negli anni ‘80 e del lavoro di Nikola Tesla nel libro di questi appena pubblicato: Invenzioni, Ricerche e Scritture. Era a questo punto che Marconi cominciò a capire che le onde radio potevano essere usate per comunicazioni senza fili.
Il primo apparato di Marconi era uno sviluppo dell'apparato di laboratorio di Hertz in un sistema per comunicare. All'inizio usò una trasmittente per suonare un campanello in un ricevitore nel suo laboratorio in soffitta. Condusse poi fuori i suoi esperimenti sul terreno di famiglia vicino Bologna, per comunicare oltre. Sostituì il dipolo verticale di Hertz con un filo verticale collegato ad una lasta di metallo, con il terminale opposto connesso a terra (antenna di Tesla). Dalla parte del ricevitore, Marconi sostituì lo spinterometro con un coesore di polvere di metallo.
La reputazione di Marconi è basata su questi lavori nelle comunicazioni radio e sull'aver commercializzato un sistema pratico. Le sue dimostrazioni dell'uso della radio per comunicazioni senza fili, dotando navi di comunicazioni senza fili salva-vita, stabilendo il primo servizio radio transatlantico, e costruendo le prime stazioni per il servizio ad onde corte britannico, hanno segnato il suo posto nella storia. Marconi e la sua società non erano in campo da soli.
Il Brevetto Marconi include un sistema di due-circuiti per la trasmissione e ricevimento di "onde Hertziane". La trasmittente era un circuito di antenna, con una piastra aerea, una connessa a terra ed uno spinterometro. Segnali indotti nel circuito generavano una scarica attraverso uno spinterometro, producendo oscillazioni che si irradiavano. Il ricevitore conteneva un circuito di antenna, una piastra aerea ed un piastra connessa a terra, ed un coesore. L'apparato di Marconi doveva essere risonante. Questo era fatto dalla determinazione accurata della dimensione delle piastre aeree.
Nel 1901, Marconi rivendicò di aver ricevuto segnali transatlantici in radiofrequenza di giorno ad una lunghezza d'onda di 366 metri (820 kHz). I critici affermano che è più probabile che Marconi ricevette deboli disturbi atmosferici di elettricità statica atmosferica nell'esperimento del 1901. Per la stazione trasmittente in Poldhu, Cornwall usò una trasmittente a spinterometro che poteva produrre segnali solo sotto le frequenze medie e con livelli di potenza alti (una potenza massima in media di 35 chilowatt, ma con picchi dovuti ad impulsi della potenza dei megawatt).