di Mirko Kulig, gennaio 2016

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Introduzione

Il percorso sperimentale proposto in questa pubblicazione è nato dalla preparazione di un’epoca di fisica di 11^a classe.

La lettura di partenza è stato il libro “Felder, Wellen un Zerfall” (Campi, onde e decadimento) pubblicato dal Lehrerseminar für Waldorfpädagogik di Kassel (seminario di pedagogia Waldorf di Kassel). In questo libro viene proposto un percorso che elabora i seguenti argomenti:

• Campi elettrici (elettrostatica)
• Induzione magnetica
• Oscillazioni e onde
• Radiazioni
• Radioattività
• Tecnica dei neutroni

In considerazione della corta durata dell’epoca (2 settimane), era stato deciso di trattare solo il tema delle onde radio. Ho comunque letto il libro intero apprezzandone molto i contenuti.

Essendo in possesso di una macchina elettrostatica di Wimshurst, durante la preparazione dell’epoca l’ho riesumata dai miei armadi e mi sono divertito un po’ facendo i classici esperimenti di elettrostatica (scariche elettriche, moti rotatori, “vento” eletttrico, ecc.). Il tema delle onde radio è già da anni tema di grande interesse per me, ed ho letto molte pubblicazioni alternative, soprattutto su Nikola Tesla e coloro che hanno seguito le sue orme, onde cercare di comprenderne l’origine, le dinamiche e le possibili applicazioni. Malgrado tutte queste letture, mi era ancora poco chiaro il fenomeno originario da cui lo studio delle onde radio aveva avuto inizio.

Ritengo che il contenuto di questa pubblicazione porti luce sulle origini e le manifestazioni del fenomeno contribuendo in questo modo a fare chiarezza su una delle tecnologie fondamentali per il mondo d’oggi (ricordo che la radio, la televisione, i cellulari, il GPS, il Wifi, ecc. sono tutte tecnologie che funzionano utilizzando le onde radio).

Sono cosciente che questo lavoro è da ritenersi incompleto, e se quanto presentato può forse apparire ovvio per radioamatori ed esperti del settore, penso tuttavia che possa fornire spunti di comprensione anche per insegnanti di fisica ed in genere per chi è interessato alla comprensione del fenomeno delle onde radio.

Non sono a conoscenza di altre pubblicazioni che presentano il fenomeno nel modo in cui verrà tentato di fare in questo libro. Tenterò di limitare il più possibile la presentazione delle teorie oggi vigenti concentrandomi sull’esposizione degli esperimenti eseguiti ed il percorso storico-scientifico che l’uomo ha fatto nel processo di scoperta del fenomeno delle onde radio e delle sue applicazioni.

                                                                                                 Mirko Kulig, gennaio 2016

I primi trasmettitori: le scariche elettrostatiche e le scariche elettriche

Durante il percorso di preparazione dell’epoca, una sera ho avuto l’idea di provare a vedere se le scariche elettrostatiche della macchina di Wimshurst potessero essere in qualche modo rilevate con una radio. Da qualche mese avevo in casa una vecchia radio a valvole di mia nonna (Biennophone modello Gandria del 1966) che tenevo più per estetica e per malinconia di quando la sentivo cantare da bambino a casa di mia nonna, che per utilità pratica (ascolto molto raramente la radio).

Per chi non conoscesse il funzionamento della macchina di Wimshurst, includo una breve descrizione. Sul retro della macchina (non visibile nella foto) c’è una manovella girando la quale si mettono in rotazione i due dischi di plexiglas su cui sono montate le placchette di metallo. Mentre i dischi stanno ruotando, ad intervalli regolari si osservano scariche elettrostatiche tra i due elettrodi (la frequenza delle scariche dipende dalla distanza degli elettrodi, che è regolabile). I due contenitori trasparenti che si osservano nella foto sono bottiglie di Leida, accumulatori di carica che permettono scariche più grandi e potenti.

Esperimento 1 – Rumori nella radio

Ho acceso la radio, ho atteso i 20-30 secondi che necessitano le valvole per scaldarsi e cominciare a funzionare correttamente, ho cercato una stazione radio ed ho posizionato la macchina di Wimshurst davanti alla radio (a circa 20 cm). Ruotando i dischi della macchina di Wimshurst e alzando molto il volume della radio, si udiva un debole rumore di interferenza gracchiante, come tanti piccoli scoppiettii. Non si riusciva a capire se le singole scariche elettrostatiche forti (gli elettrodi erano posizionati a circa 1 cm l’uno dall’altro) avessero o no un volume più alto del rumore di interferenza di fondo.

Parzialmente soddisfatto da questa prova, ho cercato su internet se vi era qualche altro ricercatore che avesse fatto esperimenti con una radio e la macchina di Wimshurst. Ho effettivamente trovato un ricercatore che ha fatto esperimenti di questo tipo, e che sostiene che le scariche elettrostatiche si odono molto più forti se si seleziona la banda delle onde medie.

Sono tornato alla mia radio e ho cercato di comprendere quale era l’impostazione giusta. La radio possiede 4 tasti denominati nel seguente modo: LW, MW, KW, UKW. Una rapida ricerca su internet ha fornito la seguente spiegazione:

• LW significa in tedesco Langwellen, o onde lunghe, e sulla radio stessa è indicata la banda di frequenze che va da 150 kHz (kilohertz) ) a 350 kHz.
• MW significa Mittelwellen, o onde medie, e corrisponde alla banda che va da 550 kHz a 1600 kHz.
• KW significa Kurzwellen, o onde corte, e corrisponde alla banda che va da 6 MHz (megahertz) a 18 MHz.
• UKW significa Ultrakurzwellen, o onde ultracorte, e corrisponde alla banda che va da 87 MHz a 104 Mhz.

Vi è poi un’altra differenza importante. Le trasmissioni su onde lunghe (LW), medie e corte avvengono con modulazione AM (Amplitude Modulation, o modulazione d’ampiezza), mentre le trasmissioni su onde ultracorte (UKW) avvengono in modulazione FM (Frequency Modulation, o modulazione di frequenza). Negli approfondimenti alla fine del libro si trovano ulteriori indicazioni sulle modulazioni AM e FM. Quello che si constata è che sulla banda delle onde ultracorte con modulazione FM si trova una grande scelta di emittenti, e la qualità del suono è da buona ad ottima.  Sulle altre bande si trovano relativamente poche emittenti, tendenzialmente di più la sera e di notte che durante il giorno, sono quasi sempre in lingua straniera (ho rilevato emittenti in spagnolo) con qualità sonora bassa. Negli approfondimenti ho incluso ulteriori informazioni in merito alle bande.

Esperimento 2 – Interferenze forti

Ho schiacciato il pulsante LW (onde lunghe) della radio e ho fatto girare i dischi della macchina elettrostatiche. Già a basse rivoluzioni, prima che vi fosse un’effettiva scarica elettrostatica tra gli elettrodi, si sentiva un gran frastuono proveniente dall’altoparlante della radio. Selezionando il tasto MW (onde medie) il frastuono diventava, a parità di volume, ancora più forte. Selezionando il tasto KW (onde corte) il frastuono c’era ancora ma più debole che con le bande LW e MW. Il frastuono era udibile indipendentemente dalla sintonizzazione fine della radio (girando la manopola di sintonizzazione).

In nessuna banda era possibile sentire una differenza in corrispondenza delle scariche elettrostatiche tra gli elettrodi. Soprattutto nella banda MW, era sufficiente far fare ai dischi della macchina elettrostatica una piccola frazione di giro per sentire l’interferenza nella radio.

Esperimento 3 – Interferenze a distanza

Ho quindi selezionato il tasto MW che dava i risultati migliori, ed ho allontanato la macchina a circa 4 m dalla radio. Girando i dischi della macchina elettrostatica si udiva ancora solo un leggero rumore di fondo, ma si poteva sentire un colpo secco proveniente dalla radio in corrispondenza alle scariche tra gli elettrodi. Questa distanza è stata portata fino a circa 9 m (massima estensione del mio salotto) e, seppur più debole, era sempre ancora possibile sentire il colpo secco nella radio in corrispondenza delle scariche elettrostatiche.

Durante queste prove ho fatto le seguenti 2 osservazioni interessanti:

• alcune scariche elettrostatiche non si udivano, o si udivano ad un volume più basso nella radio rispetto ad altre scariche.
• aumentando la distanza tra gli elettrodi e producendo in questo modo scariche più forti e più lunghe non si constatava necessariamente un aumento del volume di ricezione. Le scariche che venivano rilevate dalla radio col massimo volume erano in corrispondenza ad una distanza di circa 1 cm tra gli elettrodi.

La spiegazione di questi fenomeni non è ovvia. Ne parlerò ancora più avanti.

Ho quindi proseguito con altri esperimenti di rilevazione con la radio.

Esperimento 4 – Varie fonti di interferenza

1. Strofinando una bacchetta di PVC con un panno di lana in prossimità della radio sintonizzata sulla banda MW, si possono udire rumori di scariche provenienti dalla radio.
2. Premendo il tasto di un accendino piezoelettrico (quelli che fanno la scintilla elettrica, senza pietra focaia) in prossimità della radio sintonizzata sulla banda MW, si può udire il rumore delle scariche dall’altoparlante della radio.
3. Ho montato in prossimità della radio un piccolo circuito composto da batteria di automobile (12 V), due cavi e la lampadina di un fanale frontale (circa 100 W). Quando il circuito era chiuso (e la lampadina accesa) non si udiva nulla nella radio, ma muovendo uno dei cavi sul polo della batteria, si sentivano delle interferenze nella radio.
4. Talvolta accendendo o spegnendo un interruttore della luce domestica è possibile udire un’interferenza nella radio.
5. Ponendo un motore elettrico acceso qualsiasi (io ho provato un motore da monopattino elettrico da 24 V ed un aspirapolvere) in prossimità della radio, si può udire un rumore proveniente dall’altoparlante della radio simile a quello di un motore.
6. Possiedo una lampada al plasma in cui si è rotta la sfera esterna ed è rimasta l’antenna interna. Accendendola vicino alla radio, si può sentire un grande frastuono dall’altoparlante della radio quando si è sintonizzati su LW o MW. Facendo una sintonizzazione fine della radio, si constata che vi sono frequenze in cui il frastuono è maggiore che in altre. Muovendo la mano o un oggetto in prossimità della lampada, il rumore rilevato dalla radio subisce modulazioni. Si possono sentire leggere interferenze anche con la radio sintonizzata su KW. Allontanando la lampada dalla radio e cercando di sintonizzarsi con la radio, si possono trovare frequenze (nel mio caso a 220 kHz) in cui è rilevabile un’interferenza della lampada al plasma fino a 5 m di distanza. Avvicinando la mano o un altro oggetto alla lampada al plasma, si possono udire nella radio modulazioni dell’interferenza.
7. Avvicinando un oggetto di metallo all’antenna (interna) posizionata dietro al pannello frontale della radio sopra i comandi quando questa è sintonizzata sulla banda MW, si può sentire un aumento dell’interferenza. Lo stesso accade con magneti, Compact Disk e la mano stessa del corpo umano.
8. Computer portatili, smartphone e tablet, se avvicinati all’antenna interna della radio, provocano un gran frastuono.

Per riassumere quanto osservato, possiamo dire che:

• Scariche elettriche ed elettrostatiche possono essere rilevate come segnale sonoro da una radio. La distinzione tra scariche elettriche ed elettrostatiche qui intesa è in base al voltaggio. Le scariche elettrostatiche sono tipicamente nell’ordine delle migliaia o decine di migliaia di Volt, mentre quelle elettriche si manifestano sotto i 1000 Volt (cfr. esperimento della batteria da auto e dell’interruttore della luce). La rilevazione è molto più evidente nelle bande LW, MW e KW rispetto alla banda UKW. Tra queste, la banda che dà i migliori risultati in termini di volume è la banda MW.
• Apparecchi che contengono motori elettrici sono rilevabili dalla radio come segnale sonoro quando si trovano in prossimità della radio.
• Oggetti di vario genere, compreso il corpo umano, possono essere rilevati dalla radio quando si trovano molto vicini all’antenna della radio.
• Apparecchi elettronici sono rilevabili dalla radio quando si trovano in prossimità dell’antenna.

Va specificato che quando si preme il tasto per accendere la luce di casa, tra i collegamenti interni dell’interruttore si crea spesso una scintilla. Lo stesso vale se si collega una lampadina ad una batteria da auto molto carica. In questo ultimo caso comunque, la rilevazione nella radio è udibile anche quando non vi è alcuna scintilla osservabile. Raggruppo questi fenomeni nella stessa categoria di quelli che producono scariche elettrostatiche perché, seppure possiedano voltaggi molto diversi, manifestano lo stesso fenomeno di scarica.

Le lampade al plasma funzionano tipicamente con onde elettriche di frequenza intorno ai 35 kHz e ampiezza di 2-5 kV. Non sorprende quindi che possano essere rilevate dalla radio, anche se la loro frequenza operativa è nettamente al di sotto delle frequenze per cui è predisposta la radio.

In generale, i fenomeni descritti fino a qui che si manifestano in prossimità della radio potrebbero essere spiegati con l’induzione elettrostatica (bacchetta di PVC, macchina elettrostatica vicina alla radio, oggetto metallico vicino all’antenna, ecc.) o l’induzione elettromagnetica (motori elettrici). Rimando agli approfondimenti alla fine del libro per una descrizione più accurata di questi due fenomeni.

La rilevazione delle scariche elettrostatiche a 9 m di distanza però non può essere spiegata attraverso l’induzione elettrostatica o elettromagnetica. A mia conoscenza, non è pensabile avere effetti di questo genere a così grande distanza con i voltaggi generati da una macchina di Wimshurst.

Ho quindi fatto alcune ricerche sui primi sperimentatori che si sono occupati delle onde radio per verificare se qualcuno avesse studiato i fenomeni qui descritti.

Breve storia degli esordi delle ricerche sulle onde radio

I fenomeni di induzione elettrostatica e di induzione elettromagnetica e la relazione esistente tra elettricità e magnetismo erano già conosciuti prima del 1850 grazie alle ricerche di numerosi scienziati, tra cui Von Guericke, Franklin, Volta, Galvani, Ampère, Ohm, Oersted, Faraday, Lenz, ecc.

Nel 1865 Maxwell pubblicò la sua teoria sull’elettromagnetismo in cui veniva postulata l’idea che le onde elettromagnetiche viaggiassero nello spazio alla velocità della luce. Fino a questo punto, il fenomeno delle onde elettromagnetiche con effetti a grande distanza non era ancora stato osservato ufficialmente da nessuno.

Nel 1879 David Edward Hughes, mentre lavorava su una forma primitiva di metal detector, notò che un contatto elettrico non perfetto produceva delle piccole scintille in corrispondenza di scariche elettriche. Dopo aver lavorato per perfezionare il ricevitore, riuscì a captare le scariche fino a 460 m di distanza dalla sorgente. Nel 1880 mostrò le sue scoperte alla Royal Society che però, visto che Hughes non era un fisico, giustificò il fenomeno come semplice induzione elettromagnetica.

Nel 1886, Ernst Heinrich Hertz notò che se scaricava una bottiglia di Leida in una spirale di Riess (una specie di bobina a forma di spirale), si produceva una scintilla tra i poli di una seconda spirale di Riess. Sviluppò quindi un trasmettitore composto da due fili lunghi 1 m posti sullo stesso asse, alle cui estremità esterne erano poste due sfere capacitive di 30 cm di diametro e alle cui estremità interne erano poste due sferette a piccola distanza l’una dall’altra (figura 6).

Applicando un rocchetto di Ruhmkorff (generatore di impulsi ad alta tensione) ai due fili, tra le loro estremità interne si creavano scariche elettriche (spinterometro[1]). Quale ricevitore utilizzò un filo a forma di cerchio con una piccola apertura (figura 7). Nel ricevitore si potevano osservare piccole scariche elettriche attraversare l’apertura dello spinterometro in corrispondenza a quelle prodotte dal trasmettitore.

In figura 8 è rappresentato lo schema utilizzato da Hertz.

Da quanto riportato fino a qui, risulta quindi che non solo il fenomeno di rilevazione remota delle scariche elettrostatiche era conosciuto, ma è stato il fenomeno da cui sono partite le ricerche.

In conseguenza delle ricerche di Hertz e altri, nei primi trent’anni della storia dei sistemi di trasmissione a onde radio il metodo utilizzato per la trasmissione si basava sullo spinterometro. In figura 9 ho incluso lo schema tipico di un trasmettitore di quei tempi.

Osservando i componenti inclusi nel diagramma della figura 9, si constata che diversi elementi sono presenti anche nella macchina di Wimshurst, infatti abbiamo:

• un generatore di alta tensione (rocchetto di Ruhmkorff nel diagramma, dischi rotanti nella macchina di Wimshurst)
• uno spinterometro (gli elettrodi della macchina di Wimshurst)
• le bottiglie di Leida (presenti nella macchina di Wimshurst)

Rimaneva poco chiaro perché una scarica elettrostatica era rilevabile con una radio sintonizzata su frequenze specifiche (e quindi “sensibile” unicamente a onde che giungono sulla frequenza sintonizzata). Lo spunto per una possibile spiegazione mi è giunto dallo studio delle anomalie indicate sopra e che ripeto per chiarezza:

• alcune scariche elettrostatiche non si udivano, o si udivano ad un volume più basso nella radio rispetto ad altre scariche.
• aumentando la distanza tra gli elettrodi e producendo in questo modo scariche più forti e più lunghe non si constatava necessariamente un aumento del volume di ricezione. Le scariche che venivano rilevate dalla radio col massimo volume erano in corrispondenza ad una distanza di circa 1 cm tra gli elettrodi.

Le scariche elettrostatiche possono essere paragonate ad impulsi. Mentre giriamo i dischi della macchina elettrostatica, la differenza di potenziale tra gli elettrodi aumenta sempre più fino a che si annulla di colpo attraverso la scarica elettrostatica. Dalle mie conoscenze dei fenomeni sonori, penso che abbia a che fare con la natura stessa di un impulso. La registrazione sonora del rumore prodotto da una scarica elettrostatica (impulso sonoro) ha questa forma:

Ricordo che quest’onda rappresenta l’onda sonora associata alla scarica elettrostatica, non la scarica stessa. Potrebbe inoltre contenere degli echi della stanza, e la mostro solo a titolo indicativo.

Quello che si osserva, comunque, è che il suono della scarica non è un picco isolato, ma ha una coda che segue il picco. La coda oscillante è composta da diverse frequenze smorzate.

Da alcune ricerche sull’argomento, ho trovato un articolo accademico[2] in cui è stato tentato di misurare la forma d’onda elettrica di una scarica elettrica di 2 kV (kilovolt). L’operazione di misura è difficile perché qualsiasi apparecchio rilevatore collegato agli elettrodi avrà una sua reazione alla scarica, cambiandone in questo modo la forma d’onda. Comunque, le diverse prove descritte nell’articolo sembrano dare indicazioni che anche a livello elettrico succede qualcosa di simile a quanto mostrato per la registrazione sonora. Includo una delle loro rilevazioni a titolo indicativo (scarica di 2 kV).

Da ulteriori ricerche sugli impulsi elettromagnetici, risulta che un impulso comprende tipicamente molte frequenze, a partire da 0 Hz fino ad un valore definito. Questo fatto era già stato mostrato dal fisico tedesco Berend Wilhelm Feddersen nel 1859. Attraverso lo studio delle scariche prodotte da una bottiglia di Leida, mostrò come ogni scarica era composta da oscillazioni smorzate. Queste osservazioni spiegherebbero la rilevazione delle scariche elettrostatiche nelle tre bande LW, MW e KW. Per spiegare le due osservazioni anomale, avanzo quindi l’ipotesi che a dipendenza della distanza degli elettrodi, vi saranno più o meno frequenze nell’impulso corrispondenti alla banda su cui è sintonizzata la radio, e che non ogni scarica genera sempre le stesse frequenze (per questo alcune scariche non sono quasi rilevate dalla radio). Ulteriore ricerca è però necessaria per confermare queste ipotesi.

Dopo questo lavoro di sperimentazione e ricerca che mi aveva permesso di comprendere quali sono i meccanismi di generazione di onde radio, mi sono poi concentrato sui meccanismi di rilevazione.

I primi ricevitori

Esperimento 5 – Ricevitore a bobina

Collegando i due poli di una bobina con 10 spire e 10 cm di diametro ad una lampadina a LED, tenendola davanti alla macchina elettrostatica e spegnendo la luce si può osservare, in corrispondenza alle scariche elettrostatiche, una leggera illuminazione della lampadina a LED. Il fenomeno è osservabile fino ad una distanza di 80 cm dagli elettrodi. L’illuminazione è più evidente se l’asse della bobina è direzionato verso gli elettrodi.

Sul libro del seminario di Kassel veniva proposta la realizzazione di un ricevitore con un componente chiamato coesore (Kohärer in tedesco). Non avendo mai sentito parlare di questo componente, ho fatto alcune ricerche in merito ed ho deciso di provare a realizzarne uno.

La costruzione si è dimostrata alquanto facile. Ho preso un pezzo di tubo di gomma flessibile trasparente di circa 1 cm di diametro esterno e circa 5-8 cm di lunghezza, ho scelto due viti che potevano essere avvitate nel tubo e ho limato una lastra di rame per ottenere della polvere fine di rame. Ho quindi avvitato una vite nel tubo, ho inserito la polvere di rame e ho avvitato la seconda vite all’altra estremità del tubo lasciando uno spazio tra le due viti in cui era contenuta la polvere di rame. Nella figura 13 ho incluso la fotografia di due coesori che ho realizzato (uno con limatura di rame ed uno con limatura di ferro).

Esperimento 6 – Il coesore

Ho realizzato un piccolo circuito composto da tre batterie AAA, una lampadina a LED ed il coesore (figura 14). Dopo aver tarato il coesore (avvitando e svitando una delle viti), il circuito, in condizioni di riposo, era aperto (LED spento). Facendo girare i dischi della macchina elettrostatica in prossimità del circuito, la lampadina LED si accendeva quasi immediatamente (prima delle scariche forti). Era poi necessario dare un colpetto con la mano al coesore per far spegnere il LED, ed il processo poteva essere ripetuto. Allontanando di qualche metro il circuito dalla macchina elettrostatica, la lampadina LED si accendeva solo in corrispondenza delle scariche forti tra gli elettrodi. Non ho constatato differenze di rilievo tra i due coesori costruiti l’uno con polvere di rame e l’altro con polvere di ferro. Durante la taratura ho osservato che se le due viti erano troppo vicine, il coesore si accendeva da solo (prima di qualsiasi scarica elettrostatica), mentre se erano troppo lontane non si accendeva del tutto. Dopo varie prove ho raggiunto un buon funzionamento con 5-6 mm di distanza tra le viti e una quantità di polvere metallica sufficiente a riempire circa fino a metà lo spazio tra le viti. Un’altra osservazione è stata che quando la luce LED si accende in corrispondenza delle scariche elettrostatiche, non sempre essa si accende del tutto. Talvolta si osserva prima una luce debole che con ulteriori scariche elettrostatiche giunge poi alla piena luminosità.

Dopo questo esperimento ho cercato informazioni su come erano fatti i primi rilevatori di onde radio, e nello specifico il coesore.

Il ricevitore utilizzato da Hertz si componeva di una spira di filo di rame con un’apertura attraverso la quale si osservavano piccole scintille.

Già nel 1835 lo scienziato svedese Peter Samuel Munk aveva osservato che in una miscela di polveri di metalli si manifestava un cambiamento di resistenza quando in prossimità veniva scaricata una bottiglia di Leida. Nel 1866 Samuel Alfred Varley aveva utilizzato una proprietà simile per creare uno scaricatore di fulmini sulle linee telegrafiche. L’apparato consisteva in due punte metalliche inserite in un contenitore tra le quali veniva posta polvere di carbone. Una delle punte veniva collegata all’impianto telegrafico e l’altra veniva messa a terra. Ai voltaggi normali del telegrafo l’apparato si comportava come un isolante (non metteva a terra). Nel caso in cui un fulmine colpiva la linea telegrafica, l’apparato diventava conduttore e scaricava a terra il fulmine, salvaguardando in questo modo i componenti elettrici dell’impianto. Nel 1879 Hughes aveva osservato che i granuli metallici dei microfoni che stava sviluppando rispondevano a scariche elettriche generate in prossimità. L’italiano Temistocle Calzecchi-Onesti pubblicò tra il 1884 ed il 1886 una serie di articoli scientifici in cui riportava i suoi esperimenti sulla conduttività di polveri di metalli. Riportò che la polvere di rame inserita tra due elettrodi di ottone conduceva corrente quando si applicavano voltaggi agli elettrodi. Scoprì inoltre che diverse polveri metalliche diventavano conduttive in corrispondenza a scariche elettriche. Questo ultimo fenomeno era osservabile anche ad una certa distanza dalle scariche elettriche.

Il fisico francese Edouard Branly pubblicò nel 1890 il resoconto delle sue ricerche sul comportamento anomalo di polveri metalliche in presenza di scariche elettriche. Riuscì a rilevare le scariche con uno strumento simile al coesore in un’altra stanza a circa 20 metri di distanza. Negli anni che seguirono il fenomeno fu studiato da diversi scienziati e venne coniato il termine coherer (coesore). L’ipotesi che il coesore reagisse alle onde hertziane divenne sempre più una certezza, e nel 1895 Guglielmo Marconi costruì un sistema di telegrafia senza fili che utilizzava onde hertziane ed il cui ricevitore era basato sul coesore. Negli anni seguenti e fino al 1907 il coesore fu il principale componente nei ricevitori di telegrafia senza fili, e fu impiegato nel famoso esperimento di Marconi del 1901 in cui riuscì a trasmettere senza fili la lettera S dell’alfabeto Morse (3 punti) dall’Inghilterra al continente americano (circa 3500 km di distanza). Anche se rimangono dubbi sulla realtà di questa prima trasmissione, l’anno seguente Marconi fece numerose prove ben documentate la cui validità non è messa in discussione.

È interessante notare che il coesore, una volta attivato dalle scariche elettrostatiche, rimane poi attivo (conduttivo) e necessita di un colpo meccanico per ritornare allo stato non conduttivo. I ricevitori a coesore includevano quindi un meccanismo che tramite un relais dava un colpetto al coesore onde renderlo nuovamente non-conduttivo non appena veniva rilevato un segnale (figura 17).

È interessante sapere che il principio di funzionamento del coesore non è ancora capito bene. Viene ipotizzato un processo di microsaldature tra le particelle di metallo durante la rilevazione di radio onde, ma questa rimane un’ipotesi.

Antenne

Esperimento 7 – Amplificazione con antenne

1. Se osserviamo con attenzione l’accendino piezoelettrico dell’esperimento 4b, vediamo che premendo il tasto si crea una scintilla tra un elemento metallico interno e l’armatura esterna dell’accendino. Se colleghiamo un cavetto coccodrillo[3] all’elemento metallico interno dell’accendino (dove nasce la scintilla), osserviamo che diventa possibile rilevare la scintilla con la radio ad una distanza di diversi metri maggiore a quanto si poteva fare senza cavetto.
2. Se proviamo a premere il tasto dell’accendino piezoelettrico in prossimità del circuito con coesore dell’esperimento 6, non accade nulla. Se all’accendino applichiamo il cavo coccodrillo come nell’esperimento 7a, è possibile trovare posizioni nell’intorno del circuito in cui il coesore si attiva facendo accendere la lampadina LED.
3. Se ora colleghiamo due cavetti coccodrillo di 50 cm di lunghezza alle due estremità del coesore e li posizioniamo orizzontalmente allargandoli (figura 18) diventa possibile rilevare col coesore la scarica dell’accendino a diversi metri di distanza (fino a 5-6 m).
4. Ripetendo l’esperimento 6 con la macchina elettrostatica ma col circuito del coesore modificato come nell’esperimento 7c, diventa possibile rilevare le scariche forti della macchina fino a 10 m di distanza con una parete in mezzo.

Esperimento 8 – Antenna di Hertz applicata alla macchina elettrostatica

Ho creato una primitiva antenna su ispirazione dell’esperimento di Hertz descritto sopra. Alle estremità di una sbarra di legno lunga 1 m ho applicato due sfere di metallo di 10 cm di diametro. Le due sfere sono state collegate tramite cavetti coccodrillo una ad un elettrodo della macchina elettrostatica, l’altra all’altro elettrodo. La sbarra è stata posta in posizione orizzontale. Girando i dischi della macchina elettrostatica, sono riuscito a rilevare le scariche elettrostatiche con la radio Biennophone a 15 m di distanza attraverso 2 pareti.

Onde indagare ulteriormente il fenomeno di amplificazione che sembrava manifestarsi applicando prolungamenti di metallo (cavetti coccodrillo, sfere di metallo) sia a trasmettitori che ricevitori, avevo bisogno di una radio mobile.

Cercando negli armadi di casa mia ho trovato una vecchia radio Hitachi a transistor portatile del 1967. Questa radio funziona solo nelle due bande LW e MW. Ho subito verificato che, quando era impostata sulle onde MW, era in grado di rilevare le scariche della macchina elettrostatica in maniera simile alla radio Biennophone.

Esperimento 9 – Ricezione fuori casa

Una persona faceva girare i dischi della macchina elettrostatica con gli elettrodi collegati all’antenna a dipolo dell’esperimento 8. Sono uscito di casa e mi sono allontanato. Sintonizzando la radio quando perdevo il segnale è stato possibile rilevare le scariche elettrostatiche fino a oltre 20 m di distanza dalla macchina attraverso 3 pareti.

Ho poi fatto delle ricerche per valutare i diversi tipi di antenne che esistono. Oltre al tipo già descritto ed utilizzato da Hertz nei suoi primi esperimenti, chiamata antenna a dipolo, esiste una gran quantità di tipologie di antenne diverse. Un altro tipo di antenna alquanto diffuso è la cosiddetta antenna monopolo o antenna Marconi. In questo tipo di antenna, un polo del trasmettitore è collegato ad un conduttore verticale e l’altro è collegato a terra (detto piano di terra). A differenza dell’antenna dipolo che è posta in posizione orizzontale, questa antenna si sviluppa sulla verticale.

Esperimento 10 – Ricezione remota con antenna monopolo

Ho collegato un elettrodo della macchina elettrostatica ad un cavetto coccodrillo lungo circa 70 cm e terminante in una sfera di metallo di 10 cm di diametro. Ho fissato la sfera ad una sbarra di legno posizionata in verticale. Ho collegato l’altro elettrodo della macchina elettrostatica con un cavo alla terra della presa elettrica di casa (in Svizzera è il buco centrale dei tre poli). Attenzione: se si sbaglia il collegamento e si sceglie la fase c’è pericolo di vita! Ho ripetuto l’esperimento 9 con questo impianto. Con un po’ di sintonizzazione fine sulla radio Hitachi portatile, sono riuscito a rilevare le scariche della macchina elettrostatica a 80 m di distanza fuori casa.

Esperimento 11 – Dip meter

Possiedo uno strumento che si chiama Dip meter. In poche parole, è un piccolo generatore di frequenze radio sintonizzabile su tante bande (da alcuni kHz fino a 250 MHz) che si utilizza per dimensionare circuiti oscillanti. Avvicinandolo alla radio e sintonizzando la stessa frequenza (in UKW) sulla radio come pure sul dip meter, si sente un suono nitido proveniente dalla radio. Allontanandolo di qualche decimetro il suono si attenua molto. Se però si avvicina il Dip Meter ad oggetti di metallo lunghi da alcuni decimetri ad alcuni metri presenti nella stanza, il suono nitido ritorna più forte ed è rilevabile anche a diversi metri di distanza.

Riassumendo i risultati degli esperimenti sulle antenne, possiamo dire che prolungamenti di metallo amplificano notevolmente il segnale delle scariche elettrostatiche, permettendone la ricezione a distanze molto maggiori che quando non si utilizza nulla.

La seconda generazione di ricevitori e trasmettitori

Dopo aver con successo ripercorso le origini dello sviluppo della radio con trasmettitori a spinterometro e ricevitori a coesore, mi era chiaro che la limitazione di questa tecnologia è il fatto che è difficile trasmettere segnali sonori. Infatti agli inizi dello sviluppo della tecnologia radio venivano trasmessi solo segnali in codice Morse. Entro pochi decenni però l’evoluzione della radio ha portato rapidamente alla trasmissione e alla ricezione di segnali audio.

Un tipo di ricevitore relativamente facile da costruire era la radio a galena, sviluppata nella prima decade del 1900 da J. C. Bose e G. W. Pickard. I primi prototipi venivano utilizzati per rilevare i segnali Morse dei trasmettitori a spinterometro. La galena (minerale a base di piombo) come pure altri minerali (per es. la pirite) hanno proprietà rettificanti e quindi si adattano bene anche per demodulare segnali audio trasmessi su di una frequenza portante (AM). Questo tipo di radio erano radio passive, non possedevano sistemi di amplificazione. Nei primi 30 anni del 1900 si diffusero ampiamente perché facili da costruire. Il governo americano distribuì pure delle pubblicazioni in cui veniva spiegato come costruirle. Versioni ancora più semplici vennero sviluppate dai soldati durante la seconda guerra mondiale utilizzando una lametta da barba arrugginita che manifestava proprietà simili alla galena e una matita a graffite.

In figura 23 ho incluso una foto del meccanismo a “baffo di gatto” (dall’inglese Cat’s whisker) con cui funzionavano le radio a galena. Un filo di materiale conduttore veniva mosso sulla galena per trovare quei punti del minerale che manifestavano proprietà semiconduttive (vedi approfondimento sul semiconduttore).

In figura 24 una ricostruzione della radio Foxhole, con lametta da barba e matita a graffite, utilizzata durante la seconda guerra mondiale dai soldati.

Ispirandomi a questi modelli, ho quindi cercato di costruire una primitiva radio ricevente.

Esperimento 12 – Ricevitore a onde medie

In figura 25 ho incluso lo schema da me costruito. Ho tentato a lungo di captare qualche stazione radio prima con una lametta da barba scaldata per alcuni secondi fino all’incandescenza, poi con un pezzo di lamiera zincata sottoposta ad un trattamento simile (metodologie apprese da radioamatori e hobbisti su internet). Si riusciva talvolta ad udire qualcosa, ma il segnale era molto debole ed instabile. Più per disperazione che per altro, ho poi provato con un pezzo di pirite che avevo in casa.

Con mia grande sorpresa sono riuscito a captare diverse stazioni radio. Talvolta la ricezione era così buona da riuscire a comprendere le parole che venivano dette e a riconoscere la musica. Il problema più grosso era che la primitiva radio sembrava ricevere diverse stazioni tutte insieme. Non avendo un sistema di amplificazione, i modelli originali prevedavano l’utilizzo di un auricolare ad alta impedenza (> di 2000 Ohm), in uso fino agli anni ’70 ma caduti in disuso nel frattempo. Non possedendo un auricolare di questo genere, ho provato quindi ad utilizzare un altoparlante portatile autoamplificato (di quelli che si usano per iPod o computer portatili) e che ha funzionato. In maniera simile sono riuscito ad utilizzare un altoparlante con amplificatore da chitarra elettrica (inserendo un trasformatore per aumentarne l’impedenza). Per rilevare il segnale bisogna semplicemente muovere un filo di metallo (senza toccarlo con le mani, io ho usato una graffetta per fogli di carta appuntita) sulla superficie del minerale di pirite per trovare i punti in cui si manifesta il fenomeno di semiconduttività.

Quale bobina, ho avvolto 100 spire di filo di rame su di un’anima di cartone per i rotoli di carta da cucina. Ho testato diversi tipi di condensatore, e funzionavano più o meno tutti allo stesso modo. Quale antenna ho usato un cavo per altoparlanti lungo circa 10-12 m, lasciando gli ultimi 2-3 metri

arrotolati (come una bobina). Per la messa a terra mi sono collegato alla terra della presa domestica.

Questo tipo di radio è dimensionata per captare le onde medie (MW) con modulazione AM. Le stazioni radio che ricevevo io però sono trasmesse sulle onde ultracorte (UKW) con modulazione FM. Non mi spiegavo quindi come riuscissi a riceverle. Dopo alcune ricerche ho scoperto che un’altra proprietà delle radio a galena e di minerali simili è di riuscire, attraverso il fenomeno di “slope detection” (vedi approfondimenti) a demodulare anche segnali in modulazione FM. Va inoltre detto che in Svizzera non ci sono più stazioni radio con portante a onde medie e modulazione AM, e diventa quindi difficile ascoltare qualcosa su quella banda. Dalla mia esperienza con le due radio vecchie presentate sopra, sulle onde medie si riceve qualche stazione estera (francesi e spagnole) la sera e di notte. Di giorno non si riceve praticamente nulla su questa banda.

Ho quindi fatto ulteriori ricerche per valutare come fosse possibile migliorare la ricezione delle stazioni trasmesse nella banda UKW (onde ultra corte) e modulazione FM.

Ho trovato su internet il progetto di una radio a galena ottimizzata per questo scopo[4].

Esperimento 13 – Ricevitore FM a onde ultracorte

Ho modificato il circuito come nella figura 27. La bobina di 100 spire utilizzata nell’esperimento 12 è stata sostituita con una bobina di 5 spire. In generale, essendo l’obbiettivo la ricezione di onde molto più corte, è stato tutto ridimensionato rendendolo più piccolo. Anche l’antenna è stata ridotta dai circa 10 m di lunghezza iniziale a meno di un metro. Ho inizialmente collegato i componenti con cavetti coccodrillo, constatando che la ricezione era già così più forte. Il problema principale era la poca selettività, si sentivano diverse stazioni tutte insieme. Ho allora saldato i componenti in modo da rendere il sistema più stabile (figura 26). In questo modo sono riuscito ad aumentare la selettività. Dal circuito andavo con un cavo lungo circa 3-4 m all’amplificatore per chitarra elettrica. Muovendo questo cavo mi sono reso conto che fungeva da sintonizzatore. A dipendenza della forma e posizionamento spaziale del cavo, sono riuscito a ricevere singole stazioni con volume forte. Altre osservazioni sono state le seguenti: allungando l’antenna con cavetti coccodrillo, vi erano notevoli differenze nella potenza del segnale ricevuto. La lunghezza migliore per ricevere le stazioni che trasmettono intorno ai 105 MHz era di 50-70 cm. Inoltre, se ero collegato all’amplificatore da chitarra il collegamento con la terra di casa causava maggiori disturbi, mentre che se ero collegato all’altoparlante autoamplificato per iPod il collegamento a terra aumentava la potenza del segnale. Come verifica finale del fenomeno, ho provato a ricevere con questa radio le scariche elettrostatiche della macchina di Wimshurst, constatando che si sentivano bene a parecchi metri di distanza come accade con la radio Biennophone.

In generale, l’unica cosa che si può fare per migliorare il segnale è di provare varie configurazioni dei diversi parametri in gioco (lunghezza dell’antenna, posizione del cavo “sintonizzatore”, collegamento a terra, ecc.). Penso che in ogni luogo, ed a dipendenza del sistema di amplificazione del segnale sonoro che si usa, bisogna sperimentare con varie combinazioni. Il condensatore variabile da me utilizzato (figura 26) in realtà non serviva quasi a nulla. Penso che l’estensione dei valori di capacità che questo piccolo condensatore variabile (recuperato da una radio più moderna) permette non sia sufficiente a determinare valide variazioni di risonanza del circuito. Ci vorrebbe probabilmente un condensatore con variazione maggiore. Talvolta però ho constatato che quando ero già sintonizzato su di una stazione radio, variando la capacità del condensatore variabile vi era un miglioramento leggero del segnale.

Dopo questi esperimenti sui ricevitori, mi rimaneva da costruire un trasmettitore più moderno basato su di un oscillatore che non fa uso di scariche elettrostatiche.

Esperimento 14 – Oscillatore

Dopo diverse ricerche ho trovato lo schema di un oscillatore molto semplice composto da 4 componenti[5]. Ho smontato alcuni componenti da vecchie radio e ho provato ad assemblare il circuito con cavetti coccodrillo (vedi figura 28). Inizialmente non accadeva nulla. Ho mosso un po’ i vari cavi ed i componenti, e ad un certo punto il circuito ha cominciato a produrre un suono. Muovendo i vari cavi o addirittura solo avvicinando una mano al circuito, la frequenza del suono prodotto variava. Il circuito era estremamente instabile, ma si potevano comunque trovare posizioni dei vari cavi che permettevano la produzione di un suono. Ho collegato il circuito alla terra di casa ed ho acceso la radio Biennophone che si trovava in un altro locale. Sintonizzando la radio nella banda UKW (onde ultra corte), sono riuscito a trovare una frequenza in cui dalla radio si poteva udire il suono prodotto dall’oscillatore nell’altra stanza. Se una persona si muoveva in prossimità dell’oscillatore variandone la frequenza audio prodotta, questa variazione era udibile anche nella radio. Da notare il fatto che se l’oscillatore non era collegato alla terra, non si udiva nulla nella radio. Ho quindi saldato i componenti nella speranza che in questo modo il circuito diventasse più stabile (figura 29). Questo è stato parzialmente il caso, ma spostando l’oscillatore in altri luoghi non sono sempre riuscito a “farlo partire”. Coi componenti saldati inoltre non è più stato possibile ricevere con la radio il suono prodotto. Penso ora che questo accade a causa del fatto che, diminuendo le distanze tra i componenti, aumenta la frequenza radio di risonanza, uscendo in questo modo dalla banda di ricezione UKW (che arriva in genere fino ai 108 MHz). Ho inoltre constatato che dopo alcune ore di sperimentazioni in prossimità del circuito si comincia a sentire una certa pressione alla testa.

Questo oscillatore sembra produrre due bande di oscillazione, una nella banda dei suoni udibili (< 20 kHz), l’altra nella banda delle frequenze radio UKW (ca. 80-110 MHz). Ipotizzo che la banda udibile risulti da battimenti prodotti nel circuito dalle onde UKW.

Considerazioni

Dopo quanto presentato in questo percorso sperimentale sulla radio, si potrebbe continuare la ricerca investigando i sistemi di radio a valvole termoioniche, quelle a transistor, quelle a microchip, il sistema eterodina e quello supereterodina. Rimando ad un’eventuale futura pubblicazione per ulteriori ricerche in questo campo. Penso che con quanto presentato possano essere sperimentati, studiati e approfonditi i fenomeni che hanno dato origine alla ricerca ed agli sviluppi tecnologici della radio. Da quanto sono riuscito a capire durante lo svolgimento di questa ricerca, diversi fenomeni sono ancora oggi poco compresi. Il meccanismo esatto di funzionamento del coesore è ancora, come già detto, poco chiaro. Il come e perché un pezzo di pirite sia in grado di raddrizzare un segnale e demodularlo sia dalla modulazione AM che FM necessita di ulteriori ricerche per essere chiarito bene. Quello che si constata dalla sperimentazione è che questi fenomeni accadono e sono stati utilizzati nei primi decenni di sviluppo delle tecnologie radio per applicazioni pratiche.

Riassumendo quanto presentato, possiamo dire che:

• Scariche elettrostatiche determinano fenomeni remoti rilevabili con il coesore o con radio che utilizzano tecnologie più avanzate (radio a pirite, radio a valvole termoioniche e radio a transistor);
• Le antenne, o prolungamenti costruiti con conduttori, applicate sia ai trasmettitori che ai ricevitori, permettono di amplificare il fenomeno e aumentarne la distanza di rilevazione;
• Quando trasmettitori e ricevitori sono sintonizzati su di una certa frequenza diventa possibile udire segnali audio distinti e complessi (musica, parlato). La sintonizzazione può avvenire tramite modifiche delle proprietà fisiche e spaziali di parti del circuito ricevitore (cfr. esperimento 13);
• Alcuni minerali, come la galena e la pirite, hanno la proprietà di raddrizzare e demodulare i segnali audio trasmessi su di un’onda portante;

La rappresentazione dei fenomeni delle onde radio che mi sono costruito attraverso questo percorso è paragonabile a quella dei segnali sonori, e nello specifico alla generazione di suoni attraverso strumenti a corda.

Ricordo che la scarica elettrostatica appare come un impulso con oscillazioni smorzate di svariate frequenze. Paragono queste scariche con il pizzicare della corda di uno strumento. Una volta pizzicata la corda, questa risuonerà secondo le sue caratteristiche fisiche di lunghezza, tensione e spessore. Se uno di questi parametri cambia, cambierà anche il suono prodotto, ma in maniera indipendente dall’atto stesso di pizzicare (l’atto di pizzicare le corde di uno strumento come l’arpa varia molto poco da una corda all’altra, e principalmente solo perché le corde più grosse necessitano di un po’ più di forza). In maniera analoga, l’idea che mi sono fatto è che la scarica elettrostatica fa risuonare il circuito elettrico alla frequenza che le sue caratteristiche fisiche gli danno (proprietà della bobina, proprietà dei condensatori, lunghezza e forma dell’antenna, ecc.). Queste caratteristiche fisiche faranno risaltare una delle tante frequenze che vengono generate dall’impulso iniziale. Il circuito ricevitore entrerà in risonanza col trasmettitore in maniera analoga ad un diapason che, se sintonizzato sulla stessa frequenza, risuonerà attraverso una stanza al suono prodotto da un diapason “trasmettitore”.

Come una corda di un certo spessore non sarà mai in grado di produrre frequenze troppo lontane dalle sue possibilità di oscillazione, le caratteristiche fisiche ed elettriche di un trasmettitore o di un ricevitore radio determineranno una banda di frequenze in cui vi è possibilità di oscillazione.

Con questa analogia è anche possibile spiegare i trasmettitori moderni a oscillatore (senza scariche elettrostatiche). È teoricamente pensabile dare piccole spinte alla corda con frequenza pari alla frequenza di risonanza della corda determinando in questo modo un aumento della sua oscillazione. In questo senso si pensi all’altalena. Piccole spinte date al momento opportuno (in fase) determineranno un aumento graduale dell’oscillazione dell’altalena. Ritengo che i trasmettitori che funzionano senza scariche elettrostatiche si basino su di un principio analogo.

Rimarrebbe da trattare la grande domanda sugli aspetti più fisici della trasmissione remota di impulsi ed informazioni. La scienza odierna parla di onde elettromagnetiche che si propagano alla velocità della luce. La teoria prevede due onde trasversali accoppiate, una di tipo elettrico e l’altra di tipo magnetico. Queste onde viaggerebbero sullo stesso asse di propagazione ma ruotate di 90° l’una rispetto all’altra. La teoria in questione, che ha origine con James Clerk Maxwell, sarebbe stata confermata sperimentalmente circa 20 anni dopo la sua creazione da Heinrich Hertz. Essendo un tema di grande interesse per me, mi sono procurato i rapporti originali degli esperimenti di Hertz. Non andrò nei dettagli perché non ho ancora terminato questa ricerca, ma da quanto ho potuto constatare fino ad ora, Hertz è partito nei suoi esperimenti avendo bene in chiaro la teoria di Maxwell. Si attendeva quindi i due campi, elettrico e magnetico, ruotati di 90° l’uno rispetto all’altro, e riteneva di avere dimostrato sperimentalmente questo fatto. Aggiungo solo la constatazione che il fenomeno che gli ha permesso di rilevare questi due tipi di campi è esattamente lo stesso, e cioè la scarica nello spinterometro di un ricevitore a forma circolare (cfr. figura 8). Hertz ha constatato che in prossimità del trasmettitore queste scariche avvengono con forza massima quando l’asse del ricevitore circolare è orizzontale con un orientamento specifico, e quando è verticale. Ma in entrambi i casi il fenomeno è sempre lo stesso. Intendo indagare ulteriormente queste ricerche per approfondire il fenomeno, ma penso che questo richiederà lo studio degli scritti di Maxwell come pure di quelli di Faraday, dai cui esperimenti Maxwell è partito per formulare la sua teoria.

Concludo questo lavoro con un corto capitolo in cui vengono descritti esperimenti particolari, sensazionali e poco compresi.

Ulteriori esperimenti interessanti

Esperimento 15 – Trasmissione di energia senza fili

Se si avvicina un tubo fluorescente (le classiche lampadine al neon) alla lampada al plasma descritta nell’esperimento 4f, questo si illumina senza necessità di contatto fisico. Un fenomeno analogo avviene con ogni lampada al plasma che si trova in commercio. Se la lampada al plasma è sufficientemente potente, è possibile toccarne l’antenna con una mano e accendere il tubo fluorescente tenendolo nell’altra mano. Il fenomeno è ancora più evidente se si avvicina il tubo a qualche oggetto metallico, o se viene tenuto in mano all’altra estremità da una seconda persona.

Esperimento 16 – Il magnete fluttuante

Facendo cadere all’interno di un tubo di rame posizionato verticalmente un forte magnete al neodimio, questo cadrà in maniera estremamente rallentata, fluttuando all’interno del tubo e impiegando molti secondi per percorrere 1.5 m di lunghezza del tubo. I risultati migliori si hanno con un magnete cilindrico di diametro poco inferiore al diametro interno del tubo.

Esperimento 17 – Il ponte di acqua

Riempiamo fino al bordo superiore due bicchieri di dimensioni uguali con acqua distillata. Poniamoli uno a contatto dell’altro in un punto sul bordo superiore. Inseriamo in ogni bicchiere un elettrodo di ferro e colleghiamo i due elettrodi ad un generatore di alte tensioni (almeno 25 kV a corrente continua). Si osserva un passaggio di acqua da un bicchiere all’altro. I bicchieri possono ora essere allontanati con cautela, e si osserverà un “ponte di acqua” che collega i due bicchieri e che può essere allungato fino a diversi cm.

Approfondimenti

Modulazione di ampiezza (AM)[6]

Modulare in ampiezza vuol dire far variare l’ampiezza di una portante a radiofrequenza secondo l’ampiezza di una modulante a bassa frequenza.

L’operazione di modulazione di ampiezza si effettua partendo da un segnale elettrico prodotto da un oscillatore a radiofrequenza, cioè alle frequenze usualmente usate nelle trasmissioni radio che vanno dal megahertz in su, e che costituisce la portante.

Di questo ci si serve per portare, appunto, a distanza l’informazione racchiusa nel segnale a bassa frequenza detto modulante.

Il segnale portante è costituito da una sinusoide, mentre la modulante è un segnale analogico, che può essere schematizzato, per semplicità di calcolo, in un’altra sinusoide, per effetto del teorema di Fourier per cui un qualsiasi segnale periodico od aperiodico, può sempre considerarsi come la somma di infinite sinusoidi.

Nello schema seguente sono indicati i tre segnali: modulante, a bassa frequenza, portante, ad alta frequenza, modulato, con la frequenza della portante, ma l’ampiezza che varia secondo la modulante.

Modulazione di frequenza (FM)[7]

In telecomunicazioni la modulazione di frequenza, sigla FM (dall’analogo termine inglese frequency modulation), è una delle tecniche di trasmissione utilizzate per trasmettere informazioni utilizzando la variazione di frequenza dell’onda portante. Appartiene alle modulazioni ad onda continua, ovvero quelle che modulano una portante sinusoidale, e tra queste in particolare appartiene a quelle che effettuano modulazione angolare (non lineare) dato che insiste sulla fase della portante. Nella FM vi è un legame lineare tra deviazione di frequenza e messaggio.

La FM consiste nel modulare la frequenza del segnale radio che si intende utilizzare per la trasmissione (detto portante) in maniera proporzionale all’ampiezza del segnale che si intende trasmettere (modulante).

Rispetto alla modulazione di ampiezza, ha il vantaggio di essere molto meno sensibile ai disturbi e di permettere una trasmissione di miglior qualità. Ha inoltre un’efficienza energetica molto maggiore dato che la potenza del segnale modulato FM è esclusivamente quella della portante, il segnale di informazione cioè non richiede potenza aggiuntiva per essere trasmesso.

Il difetto principale è la necessità di circuiti molto più complessi sia per la generazione del segnale da trasmettere che per la sua ricezione. L’attuale tecnologia ha permesso di superare agevolmente tali problematiche, con il risultato che le trasmissioni in modulazione di frequenza sono sempre più usate a discapito di quelle a modulazione di ampiezza, soprattutto in ambito di broadcasting commerciale.

Le bande di frequenza[8]

Fino al 1930 circa, la parte dello spettro delle onde radio sopra i 30 MHz era praticamente vuota: non esistevano segnali prodotti dall’uomo.

Ai giorni nostri, lo spettro delle frequenze radio è estremamente sfruttato e viene per comodità diviso in varie bande di frequenza dai 3 kHz delle frequenze molto basse (VLF) fino ai 300 GHz delle frequenze estremamente alte (EHF).

Le bande di frequenza sono divise in base alle caratteristiche che ne determinano l’impiego in certi settori piuttosto che in altri.

Vediamo le bande di frequenza e descriviamo le caratteristiche delle varie bande (ELF, VLF-MF, HF, VHF-UHF, SHF-EHF).

ELF: Extremely low frequency = frequenze estremamente basse

Frequenze sotto i 3 kHz, corrispondenti a lunghezze d’onda superiori ai 100 km.

Queste onde sono usate nei sistemi di comunicazione per i sottomarini. L’acqua del mare presenta un assorbimento molto basso per onde tra i 5 e i 100 Hz.

L’effetto di queste onde sulla salute umana è sotto esame al momento. Secondo alcuni studi preliminari le onde ELF e campi magnetici oscillatori che si generano nelle vicinanze delle linee di trasmissione elettrica (o anche dalle coperte elettriche) possono avere effetti negativi sulla salute. Sono stati riportati casi nella letteratura scientifica medica per cui l’esposizione prolungata a campi magnetici di bassa intensità e di bassa frequenza pare potrebbe aumentare il rischio di leucemia, linfoma e tumori al cervello nei bambini.

VLF-LF-MF: Very low frequency, Low frequency, Medium frequency = Frequenze molto basse, frequenze basse, frequenze medie

Frequenze dai 3 kHz ai 3 MHz, ovvero lunghezze d’onda da 100 km a 100 m.

Queste bande di frequenze sono usate per servizi di tipo analogico a stretta larghezza di banda, impiegati nella navigazione radio a lunga distanza, nel telegrafo marittimo e i canali di soccorso (per l’SOS) e per le trasmissioni radio AM (Amplitude Modulation).

Poichè la larghezza di banda per queste frequenze è insufficiente, non sono adatte per i servizi di telecomunicazioni a banda larga quali la televisione e le trasmissioni FM (Frequency Modulation).

Come conseguenza dell’alta conduttività dell’acqua salata, le comunicazioni radio marittime nella banda VLF possono propagarsi come onde di superficie per migliaia di chilometri.

La banda MF (medium frequency) e anche detta MW (medium waves= onde medie)

HF: High Frequency = frequenze alte

Frequenze dai 3 MHz ai 30 MHz, ovvero lunghezze d’onda da 100 ai 10 m.

La banda HF alternativamente chiamata anche SW (short waves= onde corte).

La maggior parte delle radio onde nella banda HF sono allocate ai servizi di telecomunicazione vocale tra punti fissi o mobili che necessitano di larghezze di banda di meno di 12 kHz per la trasmissione.

Le trasmissioni internazionali (onde corte) avvengono in questa banda che è stata suddivisa in sette bande tra 5.9 MHz e 26.1 MHz.

Queste onde si possono propagare nonostante la curvatura della Terra e possono essere ricevute da apparecchi riceventi fuori dalla portata della linea visuale diretta con gli apparecchi trasmittenti grazie alle proprietà riflettenti della ionosfera.

A causa delle variazioni delle condizioni della ionosfera, le trasmissioni in questa banda variano durante il giorno e durante l’anno.

Di notte le comunicazioni fra posti lontani sono migliori, in quanto il solo strato ionosferico riflettente è lo strato più alto, il cosiddetto strato F situato intorno ai 300 Km di altitudine, col minimo di interferenze e assorbimento dei segnali radio.

Durante i massimi del ciclo undecennale delle macchie solari, la radiazione ultravioletta produce una maggiore densità di ioni e quindi degli ulteriori strati ionizzati irregolari che possono persistere anche per parecchi giorni. Questi fenomeni possono produrre disturbi nelle comunicazioni radio, come anche la possibilità di comunicazioni di solito impossibili.

VHF-UHF: Very High Frequency, Ultra High Frequency = frequenze molto alte, frequenze ultra alte

Frequenze dai 30 MHz ai 3 GHz, ovvero lunghezze d’onda da 10 m ai 10 cm.

Le frequenze di questa banda sono ulteriormente suddivise in bande il cui uso è stato regolamentato e allocato a vari servizi: alle trasmissioni radio FM, ai canali della televisione VHF e UHF.

La maggior parte della banda UHF è usata per i collegamenti a microonde e per la telefonia cellulare.

Parte della banda è anche usata per applicazioni di radio-navigazione (strumenti automatici di atterraggio), comunicazioni militari, e controlli radio per il traffico aereo.

Le frequenze usate dai telefonini sono fra 824 e 894 MHz per il sistema analogico AMPS e fra 1.850 e 1.990 GHz per il sistema digitale GSM.

La fascia tra i 1,227 e 1,575 GHz è utilizzata per il sistema globale di posizionamento (GPS) Navstar.

Per completezza, anche se esula dal nostro argomento: ai sistemi di allarme e ai sistemi di apertura telecomandata di porte e simili sono state riservate le frequenze attorno ai 40 MHz.

I radar del controllo del traffico aereo operano alle frequenze tra i 960 MHz e i 1,215 GHz.

Contrariamente ai segnali HF, le onde radio VHF-UHF attraversano la ionosfera senza venire riflesse e possono quindi venire usate per le trasmissioni extraspaziali con i satelliti artificiali.

Ad esempio, le comunicazioni con la stazione spaziale MIR sono fatte entro la banda di frequenza fra i 145 MHz e i 437 MHz.

Infine le onde di questa banda possono anche essere usate per trasmissioni terrestri oltre l’orizzonte utilizzando le irregolarità della troposfera (la parte bassa dell’atmosfera).

Queste irregolarità riflettono le onde in tutte le direzioni: i segnali UHF si propagano in molte direzioni e quindi si disperdono su una vasta area, cosicchè solo una frazione del segnale trasmesso viene ricevuto dal ricevitore. Inoltre, le condizioni meteorologiche variabili fanno sì che il segnale sia parecchio attutito.

L’assorbimento varia anche con la frequenza del segnale e dipende anche dal particolare percorso del segnale radio. Per questo motivo le trasmissioni che dipendono crucialmente dalla diffrazione atmosferica fanno uso di potenti trasmettitori, e di tecniche o combinazioni di tecniche atte a massimizzare la qualità del segnale ricevuto a seconda del posto, del tempo e delle frequenze usate.

SHF-EHF: Super High Frequency, Extremely High Frequency = frequenze super alte, frequenze estremamente alte

Frequenze dai 3 GHz ai 300 GHz, ovvero lunghezze d’onda da 10 cm a 1 mm.

Le onde di queste bande si propagano con forte degradazione del segnale per attenuazione e per cause atmosferiche (vengono riflesse dalle gocce di pioggia). Inoltre subiscono forti perdite di penetrazione, in particolare attorno a pareti ed edifici.

Per questi motivi, queste bande di frequenze sono le bande meno usate per comunicazioni terrestri.

Il vantaggio delle onde in queste bande è che permettono larghezze di banda di vari MHz, necessarie per le comunicazioni digitali ad alta velocità (fino ad 1 Gigabit al secondo).

La banda EHF in particolare viene utilizzata per comunicazioni fra satelliti e per la radionavigazione satellitare, applicazioni per le quali l’attenuazione atmosferica non è molto limitante.

Induzione elettrostatica[9]

L’induzione elettrostatica consiste nell’elettrizzazione dei corpi senza strofinio. Questo fenomeno è dato dal bipolarismo, ovvero dalla presenza in natura di due cariche che si differenziano da un segno positivo o negativo, attraverso le quali è possibile creare un’attrazione se i segni sono opposti, oppure un respingimento se sono uguali.

Induzione elettromagnetica[10]

In fisica, in particolare in elettromagnetismo, la legge di Faraday sull’elettromagnetismo, anche conosciuta come legge dell’induzione elettromagnetica, legge di Faraday-Neumann o legge di Faraday-Henry, è una legge fisica che descrive il fenomeno dell’induzione elettromagnetica, che si verifica quando il flusso del campo magnetico attraverso la superficie delimitata da un circuito elettrico è variabile nel tempo. La legge impone che nel circuito si generi una forza elettromotrice indotta pari all’opposto della variazione temporale del flusso.

Talvolta è detta anche legge di Faraday-Neumann-Lenz, per il fatto che la legge di Lenz è un suo corollario.^[1]

Il fenomeno dell’Induzione elettromagnetica è stato scoperto e codificato in legge nel 1831 dal fisico inglese Michael Faraday ed è attualmente alla base del funzionamento dei comuni motori elettrici, alternatori, generatori elettrici, trasformatori, altoparlanti magnetodinamici, testine fonografiche, microfoni dinamici, pick-up per chitarra magnetici, etc.

Assieme alla legge di Ampère-Maxwell, a essa potenzialmente simmetrica, correla i fenomeni elettrici con quelli magnetici nel caso non stazionario: entrambe sono il punto di forza del passaggio dalle equazioni di Maxwell al campo elettromagnetico.

Semiconduttore[11]

In fisica, materiale che a temperatura ambiente (20 °C) presenta valori di conduttività elettrica compresi tra 104 e 10–6 S/m, intermedi quindi tra quelli propri dei conduttori metallici (dell’ordine di 107 S/m o più) e quelli propri degli isolanti (dell’ordine di 10–11 S/m o meno). Si tratta di una categoria di sostanze abbastanza vasta ed eterogenea, comprendente elementi cristallini (per es., germanio, silicio), composti intermetallici e vari (sia cristallini sia amorfi), nonché alcuni composti organici. I semiconduttori presentano inoltre una spiccata sensibilità alla luce (fotoconduzione, effetto fotovoltaico ecc.), hanno un coefficiente termico di resistività elettrica negativo (la loro conducibilità aumenta all’aumentare della temperatura, mentre per i conduttori metallici avviene il contrario) e la conduttività dipende moltissimo dal maggiore o minore grado di purezza (che non è altrettanto determinante per i conduttori metallici); infine si ha la possibilità di variare con un campo elettrico il loro comportamento da conduttore a isolante (infatti se si applica un campo elettrico alla superficie, esso viene a essere schermato richiamando portatori di carica in superficie, in uno strato avente uno spessore dell’ordine di 10-100 nm nel quale le concentrazioni dei portatori di carica possono essere fatte variare tra i valori tipici di un metallo e quelli di un isolante) e la possibilità di aumentare la mobilità dei portatori di carica per parecchi ordini di grandezza con accorgimenti basati sulla crescita di film aventi spessori di alcuni nanometri.

In relazione alla spiccata dipendenza della conducibilità dalla purezza, si fa distinzione tra i semiconduttori intrinseci, cioè chimicamente puri, e i semiconduttori estrinseci, i quali sono ottenuti dai precedenti per inclusione controllata di una piccola quantità di elementi diversi.

FM slope detection[12]

Il sistema di slope detection (rilevazione di pendenza) è un metodo che può essere utilizzato per demodulare un segnale FM. Non è molto utilizzato a causa del fatto che vi sono sistemi più efficienti.

Il circuito per demodulare un segnale FM con il metodo di slope detection consiste di un circuito sintonizzato su di una frequenza leggermente spostata rispetto alla frequenza portante. Con il variare della frequenza del segnale in funzione della modulazione, il segnale ricevuto varia in su ed in giù sulla pendenza del circuito sintonizzato. Questo determina una variazione di ampiezza in relazione diretta con la variazione di frequenza. Infatti, a questo stadio il segnale possiede sia una variazione di frequenza come pure una di ampiezza.

La fase finale del processo è di demodulare la modulazione d’ampiezza e questo può essere fatto attraverso un semplice diodo.

Bibliografia

• Felder, Wellen und Zerfall – Von den Elektromagnetischen Wellen über die Röntgenstrahlen zur Neutronentechnik

     Manfred von Mackensen, Florian Schulze

• Gesammelt werke von Heinrich Hertz Band II – Untersuchungen über die Ausbreitung der elektrischen Kraft

     Heinrich Hertz, 1894

• Heinrich Hertz, Commemorative Essays on the 100th Anniversary of His Pioneering Experiments on Electromagnetic Waves, Heinrich Hertz Institute, Berlin 1988

• An Investigation of Human Body Electrostatic Discharge, M.A. Kelly, G.E. Servais and T.V. Pfaffenbach, 1993

• http://www.treccani.it/enciclopedia/semiconduttore/

• http://www.sparkbangbuzz.com/

• http://www.instructables.com/id/Simplest-Oscillator-Transmitter/

• http://solomonsmusic.net/FM_CrystalRadio.html

• http://www.ilmondodelletelecomunicazioni.it/argomento.php?id_lezione=24

• http://www.torinoscienza.it/dossier/le_bande_di_frequenza_2336.html

• http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/fm-reception/fm-slope-detector-discriminator.php

• http://vivalascuola.studenti.it/appunti-di-fisica-l-induzione-elettrostatica-172308.html

• Wikipedia inglese e italiano

[1] Lo spinterometro consiste in due elettrodi separati da un’apertura ed è progettato in modo da permettere il passaggio di una scarica elettrica tra di essi.

[2] An Investigation of Human Body Electrostatic Discharge, M.A. Kelly, G.E. Servais and T.V. Pfaffenbach, 1993

[3] Per cavetto coccodrillo si intende un cavo elettrico che alle due estremità possiede dei morsetti a molla simili a piccole bocche di coccodrillo, da cui ne deriva il nome.

[4] http://solomonsmusic.net/FM_CrystalRadio.html

[5] http://www.instructables.com/id/Simplest-Oscillator-Transmitter/

[6] Da http://www.ilmondodelletelecomunicazioni.it/argomento.php?id_lezione=24

[7] Da Wikipedia

[8] Da http://www.torinoscienza.it/dossier/le_bande_di_frequenza_2336.html

[9] Da http://vivalascuola.studenti.it/appunti-di-fisica-l-induzione-elettrostatica-172308.html

[10] Da Wikipedia

[11] Da http://www.treccani.it/enciclopedia/semiconduttore/

[12] Tradotto da http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/fm-reception/fm-slope-detector-discriminator.php