Un transmisor de chispa es un tipo obsoleto de transmisor de radio que genera ondas de radio por medio de una chispa eléctrica . [1] [2] Los transmisores Spark-gap fueron el primer tipo de transmisor de radio, y fueron el tipo principal utilizado durante la era de la telegrafía inalámbrica o "chispa", las primeras tres décadas de la radio , desde 1887 hasta el final de la Primera Guerra Mundial. . [3] [4] El físico alemán Heinrich Hertz construyó los primeros transmisores experimentales de chispa en 1887, con los que demostró la existencia de ondas de radio y estudió sus propiedades.
Una limitación fundamental de los transmisores de chispa es que generan una serie de breves pulsos transitorios de ondas de radio llamadas ondas amortiguadas ; no pueden producir las ondas continuas que se utilizan para transportar audio (sonido) en las transmisiones de radio AM o FM modernas . De modo que los transmisores de chispa no podían transmitir audio y, en cambio, transmitían información por radiotelegrafía ; el operador encendía y apagaba el transmisor con una tecla de telégrafo , creando pulsos de ondas de radio para deletrear mensajes de texto en código Morse .
Guglielmo Marconi desarrolló los primeros transmisores y receptores prácticos por vía de chispas para comunicaciones radiotelegráficas alrededor de 1896. Uno de los primeros usos de los transmisores por vía de chispas fue en los barcos, para comunicarse con la costa y emitir una llamada de socorro si el barco se hundía. Desempeñaron un papel crucial en los rescates marítimos, como el desastre del Titanic RMS de 1912 . Después de la Primera Guerra Mundial, se desarrollaron transmisores de tubo de vacío , que eran más baratos y producían ondas continuas que tenían un mayor alcance, producían menos interferencias y también podían transportar audio, lo que hizo que los transmisores de chispa quedaran obsoletos en 1920. Las señales de radio producidas por los transmisores de chispa son eléctricamente "ruidosos"; tienen un ancho de banda amplio , lo que genera interferencias de radiofrecuencia (RFI) que pueden interrumpir otras transmisiones de radio. Este tipo de emisión de radio está prohibido por el derecho internacional desde 1934. [5] [6]
Teoría de operación
Las ondas electromagnéticas son irradiadas por cargas eléctricas cuando se aceleran . [7] [8] Las ondas de radio , ondas electromagnéticas de radiofrecuencia , pueden ser generadas por corrientes eléctricas variables en el tiempo , que consisten en electrones que fluyen a través de un conductor que repentinamente cambian su velocidad, acelerando así. [8] [9] Una capacitancia descargada a través de una chispa eléctrica a través de un espacio de chispa entre dos conductores fue el primer dispositivo conocido que podía generar ondas de radio. [4] La chispa en sí no produce las ondas de radio, simplemente sirve para excitar las corrientes eléctricas oscilantes de radiofrecuencia resonante en los conductores del circuito adjunto. Los conductores irradian la energía de esta corriente oscilante en forma de ondas de radio. Debido a la inductancia inherente de los conductores de circuito, la descarga de un capacitor a través de una resistencia suficientemente baja (como una chispa) es oscilatoria ; la carga fluye rápidamente hacia adelante y hacia atrás a través del espacio de chispa durante un breve período, cargando los conductores en cada lado alternativamente positivo y negativo, hasta que las oscilaciones se desvanecen. [10] [11]
Un transmisor de vía de chispas práctico consta de estas partes: [10] [12] [13]
- Un transformador de alto voltaje , para transformar la electricidad de bajo voltaje de la fuente de energía, una batería o tomacorriente, a un voltaje lo suficientemente alto (desde unos pocos kilovoltios hasta 75-100 kV en transmisores potentes) para saltar a través del espacio de chispas. El transformador carga el condensador. En los transmisores de baja potencia alimentados por baterías, generalmente se trataba de una bobina de inducción (bobina de Ruhmkorff).
- Uno o más circuitos resonantes ( circuitos sintonizados o circuitos de tanque) que crean oscilaciones eléctricas de radiofrecuencia cuando son excitados por la chispa. Un circuito resonante consta de un condensador (en los primeros días, un tipo llamado tarro de Leyden ) que almacena electricidad de alto voltaje del transformador, y una bobina de alambre llamada inductor o bobina de sintonización, conectados entre sí. Los valores de capacitancia e inductancia determinan la frecuencia de las ondas de radio producidas.
- Los primeros transmisores de vía de chispas anteriores a 1897 no tenían un circuito resonante; la antena realizaba esta función, actuando como resonador . Sin embargo, esto significó que la energía electromagnética producida por el transmisor se disipaba a través de una banda ancha, limitando así su alcance efectivo a unos pocos kilómetros como máximo.
- La mayoría de los transmisores de chispa tenían dos circuitos resonantes acoplados con un transformador de núcleo de aire llamado transformador resonante o transformador de oscilación . [10] A esto se le llamó transmisor acoplado inductivamente . El espacio de chispa y el condensador conectados al devanado primario del transformador formaban un circuito resonante, que generaba la corriente oscilante. La corriente oscilante en el devanado primario creó un campo magnético oscilante que indujo corriente en el devanado secundario . La antena y la tierra se conectaron al devanado secundario. La capacitancia de la antena resonó con el devanado secundario para crear un segundo circuito resonante. Los dos circuitos resonantes se sintonizaron a la misma frecuencia resonante . La ventaja de este circuito fue que la corriente oscilante persistió en el circuito de la antena incluso después de que la chispa se detuvo, creando ondas largas, tintineantes y ligeramente amortiguadas, en las que la energía se concentraba en un ancho de banda más estrecho , creando menos interferencia con otros transmisores.
- Una chispa que actúa como un interruptor controlado por voltaje en el circuito resonante, descargando el capacitor a través de la bobina.
- Una antena , un conductor de metal como un cable elevado, que irradia la potencia de las corrientes eléctricas oscilantes del circuito resonante al espacio en forma de ondas de radio .
- Una tecla de telégrafo para encender y apagar el transmisor para comunicar mensajes por código Morse
Ciclo de operación
El transmisor funciona en un ciclo de repetición rápido en el que el condensador se carga a un voltaje alto por el transformador y se descarga a través de la bobina mediante una chispa a través del espacio de chispa. [10] [14] La chispa impulsiva excita el circuito resonante para que "suene" como una campana, produciendo una breve corriente oscilante que es irradiada como ondas electromagnéticas por la antena. [10] El transmisor repite este ciclo a un ritmo rápido, por lo que la chispa parecía continua y la señal de radio sonaba como un gemido o zumbido en un receptor de radio .
- El ciclo comienza cuando la corriente del transformador carga el condensador, almacenando carga eléctrica positiva en una de sus placas y carga negativa en la otra. Mientras el condensador se está cargando, el espacio de chispa está en su estado no conductor, lo que evita que la carga se escape a través de la bobina.
- Cuando el voltaje en el capacitor alcanza el voltaje de ruptura del espacio de chispa, el aire en el espacio se ioniza , iniciando una chispa eléctrica , reduciendo su resistencia a un nivel muy bajo (generalmente menos de un ohmio ). Esto cierra el circuito entre el condensador y la bobina.
- La carga del condensador se descarga como una corriente a través de la bobina y el espacio de chispa. Debido a la inductancia de la bobina cuando la tensión del condensador llega a cero, la corriente no se detiene sino que sigue fluyendo, cargando las placas del condensador con polaridad opuesta, hasta que la carga se almacena nuevamente en el condensador, en las placas opuestas. Luego, el proceso se repite, con la carga fluyendo en la dirección opuesta a través de la bobina. Esto continúa, lo que resulta en corrientes oscilantes que fluyen rápidamente de un lado a otro entre las placas del condensador a través de la bobina y el espacio de chispa.
- El circuito resonante está conectado a la antena, por lo que estas corrientes oscilantes también fluyen en la antena, cargándola y descargándola. La corriente crea un campo magnético oscilante alrededor de la antena, mientras que el voltaje crea un campo eléctrico oscilante . Estos campos oscilantes se irradian desde la antena hacia el espacio como una onda de radio.
- La energía en el circuito resonante está limitada a la cantidad de energía almacenada originalmente en el condensador. Las ondas de radio radiadas, junto con el calor generado por la chispa, consumen esta energía, lo que hace que las oscilaciones disminuyan rápidamente en amplitud a cero. Cuando la corriente eléctrica oscilante en el circuito primario ha disminuido hasta un punto en el que es insuficiente para mantener ionizado el aire en el espacio de chispa, la chispa se detiene, abriendo el circuito resonante y deteniendo las oscilaciones. En un transmisor con dos circuitos resonantes, las oscilaciones en el circuito secundario y la antena pueden continuar algún tiempo después de que la chispa haya terminado. Luego, el transformador comienza a cargar el condensador nuevamente y todo el ciclo se repite.
El ciclo es muy rápido, tarda menos de un milisegundo. Con cada chispa, este ciclo produce una señal de radio que consiste en una onda sinusoidal oscilante que aumenta rápidamente a una amplitud alta y disminuye exponencialmente a cero, llamada onda amortiguada . [10] La frecuencia de las oscilaciones, que es la frecuencia de las ondas de radio emitidas, es igual a la frecuencia resonante del circuito resonante, determinada por la capacitancia del condensador y la inductancia de la bobina:
El transmisor repite este ciclo rápidamente, por lo que la salida es una cadena repetida de ondas amortiguadas. Esto es equivalente a una señal de radio modulada en amplitud con una frecuencia constante, por lo que podría demodularse en un receptor de radio mediante un detector de AM rectificador , como el detector de cristal o la válvula Fleming que se usaba durante la era de la telegrafía inalámbrica. La frecuencia de repetición (velocidad de chispa) está en el rango de audio , típicamente de 50 a 1000 chispas por segundo, por lo que en los auriculares de un receptor la señal suena como un tono, quejido o zumbido constante. [12]
Para transmitir información con esta señal, el operador enciende y apaga el transmisor rápidamente tocando un interruptor llamado llave telegráfica en el circuito primario del transformador, produciendo secuencias de cadenas cortas (puntos) y largas (guiones) de amortiguadores. ondas, para deletrear mensajes en código Morse . Mientras se presiona la tecla, la chispa se dispara repetidamente, creando una cadena de pulsos de ondas de radio, por lo que en un receptor la presión de la tecla suena como un zumbido; todo el mensaje en código Morse suena como una secuencia de zumbidos separados por pausas. En los transmisores de baja potencia, la llave rompe directamente el circuito primario del transformador de suministro, mientras que en los transmisores de alta potencia, la llave opera un relé de servicio pesado que rompe el circuito primario.
Circuito de carga y tasa de chispa
El circuito que carga los condensadores, junto con el espacio de chispa en sí, determina la velocidad de chispa del transmisor, el número de chispas y los pulsos de onda amortiguada resultantes que produce por segundo, lo que determina el tono de la señal que se escucha en el receptor. La tasa de chispa no debe confundirse con la frecuencia del transmisor, que es el número de oscilaciones sinusoidales por segundo en cada onda amortiguada. Dado que el transmisor produce un pulso de ondas de radio por chispa, la potencia de salida del transmisor era proporcional a la tasa de chispa, por lo que se favorecieron tasas más altas. Los transmisores de chispas generalmente utilizan uno de tres tipos de circuitos de potencia: [10] [12] [15]
Bobina de inducción
Se utilizó una bobina de inducción ( bobina de Ruhmkorff) en transmisores de baja potencia, generalmente de menos de 500 vatios, a menudo alimentados por baterías. Una bobina de inducción es un tipo de transformador alimentado por CC, en el que un contacto de interruptor de brazo vibrante en la bobina llamado interruptor rompe repetidamente el circuito que proporciona corriente al devanado primario, lo que hace que la bobina genere pulsos de alto voltaje. Cuando se enciende la corriente primaria a la bobina, el devanado primario crea un campo magnético en el núcleo de hierro que aleja el brazo interruptor elástico de su contacto, abriendo el interruptor y cortando la corriente primaria. Luego, el campo magnético colapsa, creando un pulso de alto voltaje en el devanado secundario, y el brazo interruptor vuelve a cerrar el contacto nuevamente, y el ciclo se repite. Cada pulso de alto voltaje cargó el capacitor hasta que se disparó el espacio de chispa, lo que resultó en una chispa por pulso. Los interruptores se limitaron a velocidades de chispa bajas de 20 a 100 Hz, sonando como un zumbido bajo en el receptor. En los potentes transmisores de bobina de inducción, en lugar de un interruptor vibratorio, se utilizó un interruptor de turbina de mercurio . Esto podría interrumpir la corriente a velocidades de hasta varios miles de hercios, y la velocidad podría ajustarse para producir el mejor tono.
Transformador de corriente alterna
En transmisores de mayor potencia alimentados por CA, un transformador aumenta el voltaje de entrada hasta el alto voltaje necesario. El voltaje sinusoidal del transformador se aplica directamente al capacitor, por lo que el voltaje en el capacitor varía de un voltaje positivo alto, a cero, a un voltaje negativo alto. El espacio de chispa se ajusta para que las chispas solo ocurran cerca del voltaje máximo, en los picos de la onda sinusoidal de CA , cuando el capacitor está completamente cargado. Dado que la onda sinusoidal de CA tiene dos picos por ciclo, lo ideal es que se produzcan dos chispas durante cada ciclo, por lo que la tasa de chispas fue igual al doble de la frecuencia de la energía de CA (a menudo se produjeron varias chispas durante el pico de cada medio ciclo). La tasa de chispa de los transmisores alimentados por la red eléctrica de 50 o 60 Hz era, por tanto, de 100 o 120 Hz. Sin embargo, las frecuencias de audio más altas cortan mejor la interferencia, por lo que en muchos transmisores el transformador estaba alimentado por un conjunto de motor-alternador , un motor eléctrico con su eje girando un alternador , que producía CA a una frecuencia más alta, generalmente 500 Hz, lo que resultaba en una chispa. frecuencia de 1000 Hz.
Espacio de chispa apagado
La velocidad a la que pueden transmitirse las señales está naturalmente limitada por el tiempo que tarda en extinguirse la chispa. Si, como se describió anteriormente, el plasma conductor no, durante los puntos cero de la corriente alterna, no se enfría lo suficiente como para extinguir la chispa, se mantiene una 'chispa persistente' hasta que la energía almacenada se disipa, permitiendo el funcionamiento práctico solo hasta alrededor de 60ºC. señales por segundo. Si se toman medidas activas para romper el arco (ya sea soplando aire a través de la chispa o alargando el espacio de la chispa), se puede obtener una "chispa apagada" mucho más corta. Un sistema simple de chispa apagada todavía permite varias oscilaciones del circuito del capacitor en el tiempo que tarda la chispa en apagarse. Con el circuito de chispa roto, la frecuencia de transmisión está determinada únicamente por el circuito resonante de la antena, lo que permite una sintonización más sencilla.
Espacio de chispa giratorio
En un transmisor con un espacio de chispa "giratorio" (abajo) , el condensador se cargó con CA desde un transformador de alto voltaje como se muestra arriba, y se descargó mediante un espacio de chispa que constaba de electrodos espaciados alrededor de una rueda que giraba con un motor eléctrico. que producía chispas al pasar por un electrodo estacionario. [10] La velocidad de chispa era igual a las rotaciones por segundo multiplicadas por el número de electrodos de chispa en la rueda. Podría producir velocidades de chispa de hasta varios miles de hercios, y la velocidad podría ajustarse cambiando la velocidad del motor. La rotación de la rueda generalmente se sincronizaba con la onda sinusoidal de CA, por lo que el electrodo en movimiento pasaba por el estacionario en el pico de la onda sinusoidal, iniciando la chispa cuando el condensador estaba completamente cargado, lo que producía un tono musical en el receptor. Cuando se sintonizó correctamente de esta manera, se eliminó la necesidad de enfriamiento externo o enfriamiento del flujo de aire, al igual que la pérdida de energía directamente del circuito de carga (paralelo al capacitor) a través de la chispa.
Historia
La invención del transmisor de radio resultó de la convergencia de dos líneas de investigación.
Uno fue el esfuerzo de los inventores por diseñar un sistema para transmitir señales telegráficas sin cables. Los experimentos de varios inventores habían demostrado que las perturbaciones eléctricas podían transmitirse a distancias cortas a través del aire. Sin embargo, la mayoría de estos sistemas no funcionaban mediante ondas de radio, sino mediante inducción electrostática o inducción electromagnética , que tenían un alcance demasiado corto para ser práctico. [16] En 1866 Mahlon Loomis afirmó haber transmitido una señal eléctrica a través de la atmósfera entre dos cables de 600 pies sostenidos en alto por cometas en las cimas de las montañas a 14 millas de distancia. [16] Thomas Edison estuvo cerca de descubrir la radio en 1875; había generado y detectado ondas de radio a las que llamó "corrientes etéricas" experimentando con circuitos de chispas de alto voltaje, pero por falta de tiempo no siguió con el asunto. [17] David Edward Hughes en 1879 también había tropezado con la transmisión de ondas de radio que recibió con su detector de micrófono de carbono , sin embargo, estaba convencido de que lo que observó era inducción . [17] A ninguno de estos individuos se les atribuye generalmente el descubrimiento de la radio, porque no entendieron el significado de sus observaciones y no publicaron su trabajo antes de Hertz.
La otra fue una investigación realizada por físicos para confirmar la teoría del electromagnetismo propuesta en 1864 por el físico escocés James Clerk Maxwell , ahora llamada ecuaciones de Maxwell . La teoría de Maxwell predijo que una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes podría viajar a través del espacio como una " onda electromagnética ". Maxwell propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, pero nadie sabía cómo confirmarlo, ni generar o detectar ondas electromagnéticas de otras longitudes de onda. En 1883 se teorizó que las cargas eléctricas aceleradas podrían producir ondas electromagnéticas, y George Fitzgerald había calculado la potencia de salida de una antena de cuadro . [18] Fitzgerald en una breve nota publicada en 1883 sugirió que las ondas electromagnéticas podrían generarse prácticamente descargando un condensador rápidamente; el método utilizado en los transmisores de chispa, [19] [20] sin embargo, no hay indicios de que esto haya inspirado a otros inventores.
La división de la historia de los transmisores de chispa en los diferentes tipos siguientes sigue la organización del tema utilizado en muchos libros de texto inalámbricos. [21]
Osciladores hertzianos
El físico alemán Heinrich Hertz en 1887 construyó los primeros transmisores experimentales de chispa durante sus experimentos históricos para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas predichas por James Clerk Maxwell en 1864, en el que descubrió las ondas de radio , [22] [23] [24] [25 ] que fueron llamadas "ondas hertzianas" hasta alrededor de 1910. Hertz se inspiró para probar circuitos excitados por chispas mediante experimentos con "espirales de Reiss", un par de inductores espirales planos con sus conductores terminados en descargadores de chispas. Un condensador de jarra de Leyden descargado a través de una espiral provocaría chispas en el espacio de la otra espiral.
Heinrich Hertz descubriendo ondas de radio con su oscilador de chispa (en la parte trasera)
Dibujo de Hertz de uno de sus osciladores de chispa. (A, A ') antena, (J) bobina de inducción
Oscilador de chispa hertziano, 1902. Se ven antenas que constan de 2 cables que terminan en placas de metal (E) , descarga de chispas (D) , bobina de inducción (A) , batería de automóvil (B) y llave de telégrafo (C) .
Transmisor de 450 MHz de Hertz; un dipolo de 26 cm con espacio de chispas en el foco de un reflector parabólico de chapa
Jagadish Chandra Bose en 1894 fue la primera persona en producir ondas milimétricas ; Su oscilador de chispa (en el recuadro, derecha) generaba ondas de 60 GHz (5 mm) utilizando resonadores de bolas de metal de 3 mm.
Oscilador de chispa de microondas demostrado por Oliver Lodge en 1894. Su bola resonadora de 5 pulgadas producía ondas de alrededor de 12 cm o 2,5 GHz
Ver diagrama de circuito. Los transmisores de Hertz consistían en una antena dipolo hecha de un par de varillas de metal colineales de varias longitudes con un espacio de chispa (S) entre sus extremos internos y bolas o placas de metal para capacitancia (C) unidas a los extremos externos. [22] [25] [24] Los dos lados de la antena se conectaron a una bobina de inducción (bobina de Ruhmkorff) (T), una fuente de alimentación de laboratorio común que producía pulsos de alto voltaje, de 5 a 30 kV. Además de irradiar las ondas, la antena también actuaba como un oscilador armónico ( resonador ) que generaba las corrientes oscilantes. Se aplicaron pulsos de alto voltaje de la bobina de inducción (T) entre los dos lados de la antena. Cada pulso almacenaba carga eléctrica en la capacitancia de la antena, que se descargaba inmediatamente con una chispa a través del espacio de chispas. La chispa excitó breves ondas estacionarias oscilantes de corriente entre los lados de la antena. La antena irradiaba la energía como un pulso momentáneo de ondas de radio; una ola amortiguada . La frecuencia de las ondas era igual a la frecuencia de resonancia de la antena, que estaba determinada por su longitud; actuaba como un dipolo de media onda , que irradiaba ondas aproximadamente el doble de la longitud de la antena. Hertz detectó las ondas observando pequeñas chispas en brechas de chispas micrométricas (M) en bucles de alambre que funcionaban como antenas receptoras resonantes. Oliver Lodge también estaba experimentando con osciladores de chispa en este momento y estuvo cerca de descubrir ondas de radio antes que Hertz, pero su atención se centró en las ondas en los cables, no en el espacio libre. [26] [27]
Hertz y la primera generación de físicos que construyeron estos "osciladores hertzianos", como Lord Rayleigh , George Fitzgerald , Frederick Trouton , Augusto Righi y Oliver Lodge , estaban interesados principalmente en las ondas de radio como fenómeno científico y en gran medida no pudieron prever sus posibilidades. como tecnología de la comunicación. [28] [29] [30] [31] Debido a la influencia de la teoría de Maxwell, su pensamiento estuvo dominado por la similitud entre las ondas de radio y las ondas de luz; pensaban en las ondas de radio como una forma invisible de luz. [29] [30] Por analogía con la luz, asumieron que las ondas de radio solo viajaban en línea recta, por lo que pensaron que la transmisión de radio estaba limitada por el horizonte visual como los métodos de señalización óptica existentes, como el semáforo , y por lo tanto no era capaz de distancias más largas. comunicación. [26] [32] [33] Todavía en 1894, Oliver Lodge especuló que la distancia máxima que se podían transmitir las ondas hertzianas era de media milla. [29]
Para investigar la similitud entre las ondas de radio y las ondas de luz , estos investigadores se concentraron en producir ondas de alta frecuencia de longitud de onda corta con las que podían duplicar experimentos de óptica clásica con ondas de radio, utilizando componentes cuasiópticos como prismas y lentes hechos de cera de parafina , azufre y rejillas de difracción de tono y alambre . [34] Sus antenas cortas generaban ondas de radio en las bandas de VHF , UHF o microondas . En sus diversos experimentos, Hertz produjo ondas con frecuencias de 50 a 450 MHz, aproximadamente las frecuencias utilizadas hoy en día por los transmisores de televisión . Hertz los utilizó para realizar experimentos históricos que demuestran ondas estacionarias , refracción , difracción , polarización e interferencia de ondas de radio. [35] [25] También midió la velocidad de las ondas de radio, mostrando que viajaban a la misma velocidad que la luz. Estos experimentos establecieron que la luz y las ondas de radio eran ambas formas de ondas electromagnéticas de Maxwell , que solo diferían en frecuencia. Augusto Righi y Jagadish Chandra Bose alrededor de 1894 generaron microondas de 12 y 60 GHz respectivamente, utilizando pequeñas bolas de metal como antenas resonadoras. [36] [37]
Las altas frecuencias producidas por los osciladores hertzianos no podían viajar más allá del horizonte. Los resonadores dipolo también tenían baja capacitancia y no podían almacenar mucha carga , lo que limitaba su potencia de salida. [29] Por lo tanto, estos dispositivos no eran capaces de transmitir a larga distancia; su rango de recepción con los receptores primitivos empleados se limitaba típicamente a aproximadamente 100 yardas (100 metros). [29]
Transmisores no sintónicos
Apenas podía concebir que fuera posible que la aplicación [de la radio] a fines útiles hubiera escapado a la atención de científicos tan eminentes.
- Guglielmo Marconi [38]
El pionero de la radio italiana Guglielmo Marconi fue una de las primeras personas en creer que las ondas de radio podrían usarse para comunicaciones de larga distancia, y desarrolló por sí solo los primeros transmisores y receptores de radiotelegrafía prácticos , [31] [39] [40] principalmente combinando y retocando con las invenciones de otros. A partir de los 21 años en la finca de su familia en Italia, entre 1894 y 1901 realizó una larga serie de experimentos para aumentar el rango de transmisión de los osciladores y receptores de chispa de Hertz. [38]
No pudo comunicarse más allá de media milla hasta 1895, cuando descubrió que el rango de transmisión podría aumentarse en gran medida reemplazando un lado de la antena dipolo hertziana en su transmisor y receptor con una conexión a la Tierra y el otro lado con una antena de cable largo suspendida muy por encima del suelo. [42] [31] [43] [44] Estas antenas funcionaban como antenas monopolo de cuarto de onda . [45] La longitud de la antena determinaba la longitud de onda de las ondas producidas y, por tanto, su frecuencia. Las ondas más largas y de baja frecuencia tienen menos atenuación con la distancia. [45] Cuando Marconi probó antenas más largas, que irradiaban ondas de frecuencia más baja, probablemente en la banda MF alrededor de 2 MHz, [44] descubrió que podía transmitir más lejos. [38] Otra ventaja fue que estas antenas verticales irradiaban ondas polarizadas verticalmente , en lugar de las ondas polarizadas horizontalmente producidas por las antenas horizontales de Hertz. [46] Estas ondas polarizadas verticalmente más largas podrían viajar más allá del horizonte, porque se propagaron como una onda terrestre que siguió el contorno de la Tierra. Bajo ciertas condiciones, también podrían llegar más allá del horizonte al reflejarse en capas de partículas cargadas ( iones ) en la atmósfera superior, más tarde llamada propagación de ondas celestes . [33] Marconi no entendió nada de esto en ese momento; simplemente descubrió empíricamente que cuanto más alto estuviera suspendido su antena vertical, más lejos transmitiría.
Después de no interesar al gobierno italiano, en 1896 Marconi se mudó a Inglaterra, donde William Preece, de la Oficina General de Correos británica, financió sus experimentos. [45] [44] [38] Marconi patentó su sistema de radio el 2 de junio de 1896, [41] a menudo considerado la primera patente inalámbrica. [47] [48] En mayo de 1897 transmitió 14 km (8,7 millas), [45] el 27 de marzo de 1899 transmitió a través del Canal de la Mancha , 46 km (28 millas), [38] en el otoño de 1899 extendió el alcance a 136 km (85 millas), [49] y en enero de 1901 había alcanzado 315 km (196 millas). Estas demostraciones de comunicación inalámbrica en código Morse a distancias cada vez más largas convencieron al mundo de que la radio, o "telegrafía inalámbrica", como se la llamaba, no era solo una curiosidad científica, sino una tecnología de comunicación comercialmente útil.
En 1897, Marconi fundó una empresa para producir sus sistemas de radio, que se convirtió en Marconi Wireless Telegraph Company . [45] [38] Su primer gran contrato en 1901 fue con la firma de seguros Lloyd's of London para equipar sus barcos con estaciones inalámbricas. La compañía de Marconi dominó la radio marina durante la era de las chispas. Inspirados por Marconi, a fines de la década de 1890, otros investigadores también comenzaron a desarrollar sistemas de comunicación por radio de chispa competidores; Alexander Popov en Rusia, Eugène Ducretet en Francia, Reginald Fessenden y Lee De Forest en América, [1] y Karl Ferdinand Braun , Adolf Slaby y Georg von Arco en Alemania, quienes en 1903 formaron Telefunken Co., el principal rival de Marconi. [50] [51]
Desventajas
Los transmisores primitivos anteriores a 1897 no tenían circuitos resonantes (también llamados circuitos LC, circuitos de tanque o circuitos sintonizados), la chispa estaba en la antena, que funcionaba como resonador para determinar la frecuencia de las ondas de radio. [38] [52] [47] [53] Estos fueron llamados transmisores "sin sintonizar" o "antena simple". [47] [54]
La salida de potencia promedio de estos transmisores era baja, porque debido a su baja capacitancia e inductancia, la antena era un oscilador altamente amortiguado (en terminología moderna, tenía un factor Q muy bajo ). [55] Durante cada chispa, la energía almacenada en la antena se irradió rápidamente en forma de ondas de radio, por lo que las oscilaciones disminuyeron a cero rápidamente. [56] La señal de radio consistía en breves pulsos de ondas de radio, que se repetían decenas o como mucho unos pocos cientos de veces por segundo, separados por intervalos comparativamente largos sin salida. [47] La potencia radiada dependía de la cantidad de carga eléctrica que pudiera almacenarse en la antena antes de cada chispa, que era proporcional a la capacitancia de la antena. Para aumentar su capacitancia a tierra, las antenas se fabricaron con varios cables paralelos, a menudo con cargas superiores capacitivas, en las antenas "arpa", "jaula", " paraguas ", "L invertida" y " T " características de la "chispa" "era. [57] La única otra forma de aumentar la energía almacenada en la antena era cargarla hasta voltajes muy altos. [58] [47] Sin embargo, el voltaje que podría usarse se limitó a aproximadamente 100 kV por descarga de corona que causó que la carga se filtrara de la antena, particularmente en clima húmedo, y también la energía perdida como calor en la chispa más larga.
Un inconveniente más importante de la gran amortiguación era que las transmisiones de radio eran eléctricamente "ruidosas"; tenían un ancho de banda muy grande . [10] [59] [38] [55] Estos transmisores no producían ondas de una sola frecuencia , sino una banda continua de frecuencias. [60] [59] Eran esencialmente fuentes de ruido de radio que irradiaban energía sobre una gran parte del espectro de radio , lo que hacía imposible que se escucharan otros transmisores. [12] Cuando varios transmisores intentaron operar en la misma área, sus señales generales se superpusieron en frecuencia e interfirieron entre sí. [38] [53] Los receptores de radio utilizados tampoco tenían circuitos resonantes, por lo que no tenían forma de seleccionar una señal de otras además de la amplia resonancia de la antena, y respondían a las transmisiones de todos los transmisores cercanos. [53] Un ejemplo de este problema de interferencia fue una vergonzosa debacle pública en agosto de 1901 cuando Marconi, Lee De Forest y otro grupo intentaron informar sobre la carrera de yates de Nueva York a los periódicos desde barcos con sus transmisores de chispas desajustados. [61] [62] [63] Las transmisiones del código Morse interfirieron y los reporteros en tierra no recibieron ninguna información de las señales distorsionadas.
Transmisores sintónicos
Quedó claro que para que funcionen varios transmisores, tenía que idearse algún sistema de "señalización selectiva" [65] [66] para permitir que un receptor seleccione qué señal de transmisor recibir y rechazar las demás. En 1892 William Crookes había dado un influyente [67] conferencia [68] en la radio en la que sugirió el uso de la resonancia (entonces llamado sintonía ) para reducir el ancho de banda de transmisores y receptores. [47] El uso de un circuito resonante (también llamado circuito sintonizado o circuito tanque) en los transmisores reduciría el ancho de banda de la señal radiada, ocuparía un rango más pequeño de frecuencias alrededor de su frecuencia central, de modo que las señales de los transmisores "sintonizados" a transmitir en diferentes frecuencias ya no se superpondría. Un receptor que tuviera su propio circuito resonante podría recibir un transmisor particular "sintonizando" su frecuencia resonante a la frecuencia del transmisor deseado, de manera análoga a la forma en que un instrumento musical podría sintonizarse en resonancia con otro. [65] Este es el sistema utilizado en todas las radios modernas.
Durante 1897-1900, los investigadores inalámbricos se dieron cuenta de las ventajas de los sistemas "sintónicos" o "sintonizados", y agregaron condensadores ( frascos de Leyden ) e inductores (bobinas de alambre) a los transmisores y receptores, para hacer circuitos resonantes (circuitos sintonizados o circuitos de tanque) . [69] Oliver Lodge , que había estado investigando la resonancia eléctrica durante años, [70] [53] patentó el primer transmisor y receptor "sintónico" en mayo de 1897 [64] [71] [26] [72] [59] Lodge agregó un inductor (bobina) entre los lados de sus antenas dipolo, que resonó con la capacitancia de la antena para hacer un circuito sintonizado. [53] [69] Aunque su circuito complicado no tuvo mucho uso práctico, la patente "sintónica" de Lodge fue importante porque fue el primero en proponer un transmisor y receptor de radio que contenían circuitos resonantes que estaban sintonizados en resonancia entre sí. [53] [69] En 1911, cuando se renovó la patente, la Compañía Marconi se vio obligada a comprarla para proteger su propio sistema sintónico contra demandas por infracción. [69]
El circuito resonante funcionó de manera análoga a un diapasón , almacenando energía eléctrica oscilante, aumentando el factor Q del circuito para que las oscilaciones fueran menos amortiguadas. [69] Otra ventaja fue que la frecuencia del transmisor ya no estaba determinada por la longitud de la antena sino por el circuito resonante, por lo que se podía cambiar fácilmente mediante tomas ajustables en la bobina. La antena se puso en resonancia con el circuito sintonizado utilizando bobinas de carga . La energía en cada chispa, y por lo tanto la potencia de salida, ya no estaba limitada por la capacitancia de la antena sino por el tamaño del capacitor en el circuito resonante. [47] Para aumentar la potencia se utilizaron bancos de condensadores muy grandes. La forma que adoptó el circuito resonante en los transmisores prácticos fue el circuito acoplado inductivamente que se describe en la siguiente sección.
Transmisor de chispa de demostración 1909 acoplado inductivamente, con piezas etiquetadas
Transmisor y receptor de chispa amateur acoplado inductivamente, 1910. El espacio de chispa está en el bulbo de vidrio (centro a la derecha) junto a la bobina de sintonización, en la parte superior de la caja que contiene el condensador de placa de vidrio
Transmisor estándar Marconi acoplado inductivamente en el barco 1902. La distancia entre chispas está en frente de la bobina de inducción, abajo a la derecha. El transformador de oscilación en espiral está en la caja de madera en la pared sobre los frascos de Leyden.
Transmisor de larga distancia Telefunken de 25 kW construido en 1906 en la estación transmisora de Nauen , Nauen, Alemania, que muestra un gran banco de condensadores 360 Leyden jar 400 μF (parte trasera) y chispas verticales (derecha)
Acoplamiento inductivo
Al desarrollar estos transmisores sintónicos, los investigadores encontraron imposible lograr una baja amortiguación con un solo circuito resonante. Un circuito resonante solo puede tener una amortiguación baja (Q alto, ancho de banda estrecho) si es un circuito "cerrado", sin componentes que disipen energía. [73] [59] [70] Pero tal circuito no produce ondas de radio. Un circuito resonante con una antena que irradia ondas de radio (un circuito sintonizado "abierto") pierde energía rápidamente, lo que le da una alta amortiguación (Q bajo, ancho de banda amplio). Había una compensación fundamental entre un circuito que producía oscilaciones persistentes que tenían un ancho de banda estrecho y uno que irradiaba alta potencia. [10]
La solución encontrada por varios investigadores fue utilizar dos circuitos resonantes en el transmisor, con sus bobinas acopladas inductivamente (magnéticamente) , formando un transformador resonante (llamado transformador de oscilación ); [10] [56] [47] esto se llamó un transmisor " acoplado inductivamente ", " circuito acoplado " [54] o " dos circuitos ". [38] [58] [74] Ver diagrama de circuito. El devanado primario del transformador de oscilación ( L1 ) con el condensador ( C1 ) y la chispa ( S ) formaron un circuito resonante "cerrado", mientras que el devanado secundario ( L2 ) se conectó a la antena de alambre ( A ) y a tierra, formando un circuito resonante "abierto" con la capacitancia de la antena ( C2 ). [47] Ambos circuitos se sintonizaron a la misma frecuencia de resonancia . [47] La ventaja del circuito acoplado inductivamente era que el transformador "acoplado débilmente" transfirió la energía oscilante del circuito del tanque al circuito de la antena radiante gradualmente, creando ondas largas de "timbre". [56] [10] Una segunda ventaja era que permitía utilizar una gran capacitancia primaria (C1) que podía almacenar mucha energía, aumentando enormemente la salida de potencia. [56] [47] Los poderosos transmisores transoceánicos a menudo tenían enormes bancos de condensadores de jarras de Leyden que llenaban las habitaciones (ver imágenes arriba) . El receptor en la mayoría de los sistemas también usaba dos circuitos acoplados inductivamente, con la antena como un circuito resonante "abierto" acoplado a través de un transformador de oscilación a un circuito resonante "cerrado" que contenía el detector . Un sistema de radio con un transmisor y un receptor de "dos circuitos" (acoplados inductivamente) se denominaba sistema de "cuatro circuitos".
La primera persona en utilizar circuitos resonantes en una aplicación de radio fue Nikola Tesla , quien inventó el transformador resonante en 1891. [75] En una conferencia de St. Louis en marzo de 1893 [76] había demostrado un sistema inalámbrico que, aunque estaba destinado a transmisión de energía inalámbrica , tenía muchos de los elementos de los sistemas de comunicación por radio posteriores. [77] [78] [47] [69] [79] Un transformador resonante excitado por chispa cargado por capacitancia conectado a tierra (su bobina Tesla ) conectado a una antena monopolo de alambre elevado transmitía ondas de radio, que fueron recibidas a través de la habitación por un equipo similar antena de cable conectada a un receptor que consta de un segundo transformador resonante conectado a tierra sintonizado a la frecuencia del transmisor, que encendía un tubo Geissler . [80] [79] [81] Este sistema, patentado por Tesla el 2 de septiembre de 1897, [82] 4 meses después de la patente "sintónica" de Lodge, era en efecto un transmisor y receptor de radio acoplado inductivamente, el primer uso de los "cuatro circuitos "sistema reivindicado por Marconi en su patente de 1900 (abajo) . [83] [47] [79] [77] Sin embargo, Tesla estaba principalmente interesado en la energía inalámbrica y nunca desarrolló un sistema práctico de comunicación por radio . [84] [85] [80] [47]
Además del sistema de Tesla, los sistemas de radio acoplados inductivamente fueron patentados por Oliver Lodge en febrero de 1898, [86] [87] Karl Ferdinand Braun , [74] [47] [52] [88] en noviembre de 1899, y John Stone Stone en Febrero de 1900. [89] [87] Braun hizo el descubrimiento crucial de que la baja amortiguación requería un "acoplamiento suelto" ( inductancia mutua reducida ) entre las bobinas primaria y secundaria. [90] [47]
Transmisor de potencia acoplado inductivamente de Tesla (izquierda) patentado el 2 de septiembre de 1897 [82]
Transmisor de acoplamiento inductivo de Braun patentado el 3 de noviembre de 1899 [88]
Transmisor acoplado inductivamente de Stone (izquierda) y receptor (derecha) patentados el 8 de febrero de 1900 [89]
Transmisor acoplado inductivamente de Marconi patentado el 26 de abril de 1900. [91]
Al principio, Marconi prestó poca atención a la sintonía, pero en 1900 desarrolló un sistema de radio que incorporaba características de estos sistemas, [90] [52] con un transmisor de dos circuitos y un receptor de dos circuitos, con los cuatro circuitos sintonizados a la misma frecuencia, usando un transformador resonante que llamó el "jigger". [73] [38] [74] A pesar de las patentes anteriores, Marconi en su patente de "cuatro circuitos" o "sintonización maestra" del 26 de abril de 1900 [91] sobre su sistema reclamó derechos sobre el transmisor y receptor acoplados inductivamente. [47] [87] [79] Se le concedió una patente británica, pero la oficina de patentes de Estados Unidos rechazó dos veces su patente por carecer de originalidad. Luego, en una apelación de 1904, un nuevo comisionado de patentes revocó la decisión y concedió la patente, [92] [79] basándose en los estrechos motivos de que la patente de Marconi al incluir una bobina de carga de antena (J en el circuito de arriba) proporcionaba los medios para sintonizar los cuatro circuitos. a la misma frecuencia, mientras que en las patentes de Tesla y Stone esto se hacía ajustando la longitud de la antena. [87] [79] Esta patente le dio a Marconi un casi monopolio de la telegrafía inalámbrica sintónica en Inglaterra y América. [93] [38] Tesla demandó a la empresa de Marconi por infracción de patente, pero no tenía los recursos para continuar con la acción. En 1943, la Corte Suprema de EE. UU. Anuló las afirmaciones de acoplamiento inductivo de la patente de Marconi [94] debido a las patentes anteriores de Lodge, Tesla y Stone, pero esto sucedió mucho después de que los transmisores de chispas se volvieran obsoletos. [87] [79]
El transmisor de chispa acoplado inductivamente o "sintónico" fue el primer tipo que podía comunicarse a distancias intercontinentales, y también el primero que tenía un ancho de banda lo suficientemente estrecho como para que la interferencia entre transmisores se redujera a un nivel tolerable. Se convirtió en el tipo dominante utilizado durante la era de la "chispa". [38] Un inconveniente del transmisor sencillo acoplado inductivamente era que, a menos que las bobinas primaria y secundaria estuvieran acopladas muy débilmente, irradiaba en dos frecuencias. [47] [95] Esto se solucionó con los transmisores de chispa apagada y de intervalo giratorio (abajo) .
En reconocimiento a sus logros en la radio, Marconi y Braun compartieron el Premio Nobel de Física de 1909 . [47]
Primera transmisión de radio transatlántica
Marconi decidió en 1900 intentar la comunicación transatlántica, lo que le permitiría competir con los cables telegráficos submarinos . [49] [97] Esto requeriría un aumento importante en el poder, una apuesta arriesgada para su empresa. Hasta ese momento, sus pequeños transmisores de bobina de inducción tenían una potencia de entrada de 100 a 200 vatios, y el alcance máximo alcanzado era de alrededor de 150 millas. [49] [96] Para construir el primer transmisor de alta potencia, Marconi contrató a un experto en ingeniería de energía eléctrica, el Prof. John Ambrose Fleming del University College de Londres, quien aplicó los principios de la ingeniería de energía. Fleming diseñó un complicado transmisor acoplado inductivamente (ver circuito) con dos descargadores de chispas en cascada (S1, S2) que se disparan a diferentes velocidades y tres circuitos resonantes, impulsados por un alternador de 25 kW (D) accionado por un motor de combustión. [96] [49] [98] El primer espacio de chispa y circuito resonante (S1, C1, T2) generó el alto voltaje para cargar el condensador (C2) que alimenta el segundo espacio de chispa y circuito resonante (S2, C2, T3) , que generó la salida. [98] La tasa de chispas era baja, quizás tan baja como 2 - 3 chispas por segundo. [98] Fleming estimó que la potencia radiada era de alrededor de 10 a 12 kW. [96]
El transmisor fue construido en secreto en la costa de Poldhu , Cornualles , Reino Unido. [96] [49] Marconi estaba presionado por el tiempo porque Nikola Tesla estaba construyendo su propio transmisor de radiotelegrafía transatlántica en Long Island, Nueva York , en un intento por ser el primero [99] (esta era la torre Wardenclyffe , que perdió fondos y fue abandonada inconclusa tras el éxito de Marconi). La antena de transmisión redonda de 400 hilos original de Marconi se derrumbó en una tormenta el 17 de septiembre de 1901 y se apresuró a erigir una antena temporal que consta de 50 hilos suspendidos en forma de abanico de un cable entre dos postes de 160 pies. [96] [98] [99] La frecuencia utilizada no se conoce con precisión, ya que Marconi no midió la longitud de onda ni la frecuencia, pero estaba entre 166 y 984 kHz, probablemente alrededor de 500 kHz. [97] Recibió la señal en la costa de St. John's, Terranova , utilizando un receptor de cohesión sintonizado con una antena de 400 pies suspendida de una cometa . [97] [96] [99] Marconi anunció que la primera transmisión de radio transatlántica tuvo lugar el 12 de diciembre de 1901, desde Poldhu , Cornwall a Signal Hill, Terranova , a una distancia de 2100 millas (3400 km). [97] [99]
El logro de Marconi recibió publicidad mundial y fue la prueba final de que la radio era una tecnología de comunicación práctica. La comunidad científica al principio dudó del informe de Marconi. Prácticamente todos los expertos en tecnología inalámbrica, además de Marconi, creían que las ondas de radio viajaban en línea recta, por lo que nadie (incluido Marconi) entendió cómo las ondas habían logrado propagarse alrededor de la curva de 300 millas de altura de la Tierra entre Gran Bretaña y Terranova. [33] En 1902 Arthur Kennelly y Oliver Heaviside teorizaron independientemente que las ondas de radio se reflejaban en una capa de átomos ionizados en la atmósfera superior, lo que les permitía regresar a la Tierra más allá del horizonte. [33] En 1924 Edward V. Appleton demostró la existencia de esta capa, ahora llamada " capa Kennelly-Heaviside " o "capa E", por la que recibió el Premio Nobel de Física en 1947 .
Fuentes conocedoras de hoy dudan de que Marconi realmente haya recibido esta transmisión. [100] [98] [97] Las condiciones ionosféricas no deberían haber permitido que la señal se recibiera durante el día en ese rango. Marconi sabía que la señal del código Morse a transmitir era la letra 'S' (tres puntos). [97] Él y su asistente podrían haber confundido el ruido de radio atmosférico ("estático") en sus auriculares con los clics del transmisor. [98] [97] Marconi hizo muchas transmisiones transatlánticas posteriores que claramente establecen su prioridad, pero la comunicación transatlántica confiable no se logró hasta 1907 con transmisores más potentes. [98]
Sala de radio del barco con transmisor de chispa apagada Telefunken de 1,5 kW
Circuito sintonizado de transmisor. (arriba) espacio apagado, (centro) transformador de oscilación, frascos de Leyden
Brecha de chispa apagada del transmisor, izquierda. El mango gira un tornillo que ejerce presión sobre la pila de electrodos cilíndricos, lo que permite ajustar los anchos de los espacios.
Sección transversal de la parte de la vía de chispas apagada, que consta de discos de metal (F) separados por delgadas arandelas de mica aislante (M) para crear múltiples vías de chispas microscópicas (S) en serie
Un potente transmisor de chispa apagada en Australia. Los 6 cilindros en frente de los frascos de Leyden son los descargadores de chispas apagados.
Transmisores de chispa apagada
El transmisor acoplado inductivamente tenía una forma de onda de salida más complicada que el transmisor no sintónico, debido a la interacción de los dos circuitos resonantes. Los dos circuitos sintonizados acoplados magnéticamente actuaron como un oscilador acoplado , produciendo latidos (ver gráficos superiores) . La energía de radiofrecuencia oscilante pasó rápidamente de un lado a otro entre los circuitos resonantes primario y secundario mientras continuaba la chispa. [102] [95] [103] Cada vez que la energía regresaba al primario, parte se perdía en forma de calor en la chispa. [103] [95] Además, a menos que el acoplamiento fuera muy flojo, las oscilaciones hicieron que el transmisor transmitiera en dos frecuencias separadas. [95] [104] Dado que la banda de paso estrecha del circuito resonante del receptor solo podía sintonizarse en una de estas frecuencias, la potencia radiada en la otra frecuencia se desperdició.
Este molesto reflujo de energía al circuito primario podría prevenirse extinguiendo (apagando) la chispa en el instante correcto, después de que toda la energía de los capacitores se haya transferido al circuito de la antena. [101] [104] Inventores intentado varios métodos para lograr esto, tales como chorros de aire y Elihu Thomson 's reventón magnético . [95] [104]
En 1906, el físico alemán Max Wien desarrolló un nuevo tipo de brecha de chispas , [105] llamada serie o brecha apagada . [106] [107] [108] [103] Un espacio apagado consistía en una pila de electrodos cilíndricos anchos separados por anillos espaciadores aislantes delgados para crear muchas brechas de chispas estrechas en serie, [107] de alrededor de 0.1-0.3 mm (0.004– 0,01 pulg.). [106] El área de superficie amplia de los electrodos terminó la ionización en el espacio rápidamente enfriándolo después de que se detuvo la corriente. En el transmisor acoplado inductivamente, los espacios estrechos extinguieron ("apagaron") la chispa en el primer punto nodal ( Q ) cuando la corriente primaria bajó momentáneamente a cero después de que toda la energía se transfirió al devanado secundario (ver gráfico inferior) . [101] Dado que sin la chispa no podría fluir corriente en el circuito primario, esto efectivamente desacopla el secundario del circuito primario, permitiendo que el circuito resonante secundario y la antena oscilen completamente libre del circuito primario después de eso (hasta la siguiente chispa). Esto produjo una potencia de salida centrada en una sola frecuencia en lugar de dos frecuencias. También eliminó la mayor parte de la pérdida de energía en la chispa, produciendo ondas de "timbre" largas muy ligeramente amortiguadas, con disminuciones de sólo 0,08 a 0,25 [109] (una Q de 12-38) y, en consecuencia, una muy "pura", estrecha señal de radio de ancho de banda. Otra ventaja fue la rápida extinción que permitió reducir el tiempo entre chispas, lo que permitió utilizar velocidades de chispa más altas de alrededor de 1000 Hz, que tenían un tono musical en el receptor que penetraba mejor la estática de radio. El transmisor de intervalo apagado se denominó sistema de "chispa de canto". [109] [106]
El gigante inalámbrico alemán Telefunken Co., el rival de Marconi, adquirió los derechos de patente y utilizó la chispa apagada en sus transmisores. [108] [106] [103]
Transmisores de espacio rotatorio
Un segundo tipo de descarga de chispas que tuvo un efecto de extinción similar fue la "brecha giratoria", inventada por Tesla en 1896 [110] [111] y aplicada a transmisores de radio por Reginald Fessenden y otros. [15] [95] Consistía en múltiples electrodos igualmente espaciados alrededor de un rotor de disco girado a alta velocidad por un motor, que creaba chispas al pasar por un electrodo estacionario. [10] [58] Al usar la velocidad correcta del motor, los electrodos que se separan rápidamente extinguieron la chispa después de que la energía se transfirió al secundario. [10] [15] [95] La rueda giratoria también mantuvo los electrodos más fríos, algo importante en los transmisores de alta potencia.
Un espacio de chispa giratorio típico utilizado en transmisores de baja potencia
Transmisor de chispa giratorio pequeño, 1918
Transmisor de chispa rotativo de 1 kilovatio, 1914.
El transmisor de chispa giratorio síncrono de 35 kW de Fessenden , construido en 1905 en Brant Rock, Massachusetts, con el que logró la primera comunicación transatlántica bidireccional en 1906 en 88 kHz.
Transmisor de espacio giratorio de 100 kW de la Marina de los EE. UU. Construido por Fessenden en 1913 en Arlington, Virginia. Transmitió en 113 kHz a Europa y transmitió la primera señal horaria de radio de los EE. UU.
Había dos tipos de transmisores de chispa rotativos: [15] [10] [95] [98]
- No sincrónico : en los espacios rotatorios anteriores, el motor no estaba sincronizado con la frecuencia del transformador de CA, por lo que la chispa se produjo en momentos aleatorios en el ciclo de CA del voltaje aplicado al capacitor. El problema con esto era que el intervalo entre las chispas no era constante. [15] El voltaje en el capacitor cuando un electrodo en movimiento se acercó al electrodo estacionario varió aleatoriamente entre cero y el voltaje de CA pico. El momento exacto en que comenzó la chispa varió según la longitud del espacio que la chispa podría saltar, que dependía del voltaje. La variación de fase aleatoria resultante de sucesivas ondas amortiguadas dio como resultado una señal que tenía un sonido de "silbido" o "raspado" en el receptor. [12]
- Síncrono : En este tipo, inventado por Fessenden alrededor de 1904, el rotor era girado por un motor síncrono en sincronismo con los ciclos de la tensión CA al transformador, por lo que la chispa se producía en los mismos puntos de la onda sinusoidal de tensión en cada ciclo. Por lo general, se diseñó para que hubiera una chispa en cada medio ciclo, ajustado para que la chispa ocurriera en el voltaje máximo cuando el capacitor estaba completamente cargado. [12] Por lo tanto, la chispa tenía una frecuencia constante igual a un múltiplo de la frecuencia de línea de CA, lo que creaba armónicos con la frecuencia de línea. Se dijo que la brecha sincrónica producía un tono más musical y fácil de escuchar en el receptor, que cortaba mejor la interferencia. [12]
Para reducir la interferencia causada por las señales "ruidosas" del creciente número de transmisores de chispa, la "Ley para regular las comunicaciones por radio" del Congreso de los EE. UU. De 1912 requirió que " la disminución logarítmica por oscilación en los trenes de ondas emitidos por el transmisor no exceda de dos décimas " [58] [10] [112] (esto equivale a un factor Q de 15 o más). Prácticamente los únicos transmisores de chispa que podían satisfacer esta condición eran los tipos de chispa apagada y de separación giratoria de arriba, [58] y dominaron la telegrafía inalámbrica durante el resto de la era de las chispas.
Sistema de chispa temporizada de Marconi
En 1912, en sus centrales de alta potencia, Marconi desarrolló un perfeccionamiento del descargador rotatorio llamado sistema de "chispa temporizada", que generaba lo que probablemente era lo más cercano a una onda continua que las chispas podían producir. [113] [114] [115] [116] Usó varios circuitos resonantes idénticos en paralelo, con los condensadores cargados por una dínamo de CC . Estos se descargaron secuencialmente mediante múltiples ruedas de descarga giratorias en el mismo eje para crear ondas amortiguadas superpuestas que se desplazaron progresivamente en el tiempo, que se agregaron en el transformador de oscilación para que la salida fuera una superposición de ondas amortiguadas. La velocidad de la rueda de descarga se controló de modo que el tiempo entre chispas fuera igual a un múltiplo entero del período de la onda. Por tanto, las oscilaciones de los sucesivos trenes de ondas estaban en fase y se reforzaban entre sí. El resultado fue esencialmente una onda sinusoidal continua, cuya amplitud variaba con una ondulación a la velocidad de chispa. Este sistema era necesario para dar a las estaciones transoceánicas de Marconi un ancho de banda lo suficientemente estrecho como para que no interfirieran con otros transmisores en la estrecha banda VLF . Los transmisores de chispa temporizados lograron el rango de transmisión más largo de todos los transmisores de chispa, pero estos gigantes representaron el fin de la tecnología de chispas.
La era de la "chispa"
La primera aplicación de la radio fue en los barcos, para mantenerse en contacto con la costa y enviar una llamada de socorro si el barco se hundía. [119] La Compañía Marconi construyó una serie de estaciones costeras y en 1904 estableció la primera llamada de socorro en código Morse, las letras CQD , utilizadas hasta la Segunda Convención Radiotelegráfica Internacional en 1906 en la que se acordó SOS . El primer rescate marino significativo debido a la radiotelegrafía fue el hundimiento del crucero de lujo RMS Republic el 23 de enero de 1909 , en el que se salvaron 1500 personas.
Radiofrecuencias utilizadas por transmisores de chispas durante la era de la telegrafía inalámbrica [120] | |||
---|---|---|---|
Usos | Frecuencia (kilohercios) | Longitud de onda (metros) | Rango de potencia típico (kW) |
Aficionado | > 1500 | <200 | 0,25 - 0,5 |
Buques | 500, 660, 1000 | 600, 450, 300 | 1 - 10 |
Armada | 187,5 - 500 | 1600 - 600 | 5 - 20 |
Estaciones terrestres de tamaño moderado | 187,5 - 333 | 1600 - 900 | 5 - 20 |
Estaciones transoceánicas | 15 - 187,5 | 20 000 - 1600 | 20 - 500 |
Los transmisores de chispas y los receptores de cristal que se usaban para recibirlos eran lo suficientemente simples como para que fueran ampliamente construidos por aficionados. Durante las primeras décadas del siglo XX, este nuevo y emocionante pasatiempo de alta tecnología atrajo a una comunidad cada vez mayor de " radioaficionados ", muchos de ellos adolescentes, que usaban sus equipos caseros de forma recreativa para contactar a aficionados lejanos y charlar con ellos mediante el código Morse y retransmitir mensajes. [121] [122] transmisores de aficionados de baja potencia ( "cajas chirrido") se construyen a menudo con " temblor " bobinas de encendido de los automóviles tempranos tales como el Ford Modelo T . [121] En los EE. UU. Antes de 1912 no había regulación gubernamental de la radio, y prevalecía una atmósfera caótica del "salvaje oeste", con estaciones que transmitían sin tener en cuenta otras estaciones en su frecuencia e interfiriendo deliberadamente entre sí. [123] [124] El creciente número de transmisores de chispa de banda ancha no sintónicos creó una congestión incontrolada en las ondas de radio, lo que interfirió con las estaciones inalámbricas comerciales y militares. [124]
El hundimiento del RMS Titanic el 14 de abril de 1912 aumentó el aprecio del público por el papel de la radio, pero la pérdida de vidas llamó la atención sobre el estado desorganizado de la nueva industria de la radio y provocó una regulación que corrigió algunos abusos. [122] A pesar de que el Titanic de operador de radiocomunicaciones CQD llamadas de socorro citados buques que rescataron a 705 sobrevivientes, la operación de rescate se retrasó cuatro horas porque el barco más cercano, el SS Californian , sólo unas pocas millas de distancia, no oyó el Titanic ' llamada s como su El operador de radio se había ido a la cama. Esto fue considerado responsable de la mayoría de las 1500 muertes. Las regulaciones internacionales existentes requerían que todos los barcos con más de 50 pasajeros llevaran equipos inalámbricos, pero después del desastre, las regulaciones posteriores obligaron a los barcos a tener suficientes oficiales de radio para poder mantener una vigilancia de radio las 24 horas. En la Ley de Radio de 1912 de EE. UU., Se requerían licencias para todos los transmisores de radio, la amortiguación máxima de los transmisores se limitaba a una disminución de 0,2 para sacar del aire viejos transmisores ruidosos no sintónicos, y los aficionados estaban restringidos principalmente a las frecuencias no utilizadas por encima de 1,5 MHz. . [112] [124]
Los transmisores de chispas más grandes eran potentes estaciones de radiotelegrafía transoceánica con una potencia de entrada de 100 a 300 kW. [125] [126] A partir de 1910, los países industriales construyeron redes globales de estas estaciones para intercambiar tráfico de telegramas comerciales y diplomáticos con otros países y comunicarse con sus colonias de ultramar. [127] [128] [129] Durante la Primera Guerra Mundial , la radiotelegrafía de larga distancia se convirtió en una tecnología defensiva estratégica, ya que se comprendió que una nación sin radio podía ser aislada por un enemigo cortando sus cables telegráficos submarinos . [128] La mayoría de estas redes fueron construidas por las dos corporaciones inalámbricas gigantes de la época: la Compañía Británica Marconi , que construyó la Cadena Inalámbrica Imperial para unir las posesiones del Imperio Británico , y la Compañía Alemana Telefunken, que era dominante fuera del Imperio Británico. [127] Los transmisores Marconi utilizaron el descargador rotativo de chispa temporizada, mientras que los transmisores Telefunken utilizaron su tecnología de descarga de chispas apagadas. Se utilizaron máquinas de cinta de papel para transmitir texto en código Morse a alta velocidad. Para lograr un alcance máximo de alrededor de 3000 a 6000 millas, las estaciones transoceánicas transmiten principalmente en la banda de muy baja frecuencia (VLF), desde 50 kHz hasta tan solo 15-20 kHz. A estas longitudes de onda, incluso las antenas más grandes eran eléctricamente cortas , una pequeña fracción de una longitud de onda de alto, por lo que tenían una baja resistencia a la radiación (a menudo por debajo de 1 ohmio), por lo que estos transmisores requerían un enorme paraguas de alambre y antenas planas de hasta varios kilómetros de largo con grandes capacitivos cargas superiores, para lograr una eficiencia adecuada. La antena requería una gran bobina de carga en la base, de 6 a 10 pies de altura, para que resonara con el transmisor.
El oscilador de chispa también se usó en aplicaciones que no eran de radio, y continuó mucho después de que se volviera obsoleto en la radio. En forma de bobina Tesla y bobina Oudin , se utilizó hasta la década de 1940 en el campo médico de la diatermia para el calentamiento corporal profundo. [130] [131] Se aplicaron directamente al cuerpo del paciente altos voltajes oscilantes de cientos de miles de voltios a frecuencias de 0,1 - 1 MHz desde una bobina Tesla. El tratamiento no fue doloroso, porque las corrientes en el rango de radiofrecuencia no provocan la reacción fisiológica de una descarga eléctrica . En 1926, William T. Bovie descubrió que las corrientes de RF aplicadas a un bisturí podían cortar y cauterizar tejido en operaciones médicas, y los osciladores de chispa se usaban como generadores de electrocirugía o "Bovies" hasta la década de 1980. [132]
Ondas continuas
Aunque su amortiguación se había reducido tanto como era posible, los transmisores de chispa seguían produciendo ondas amortiguadas , que debido a su gran ancho de banda provocaban interferencias entre los transmisores. [4] [60] La chispa también hizo un ruido muy fuerte durante el funcionamiento, produjo gas de ozono corrosivo , erosionó los electrodos de la chispa y podría ser un peligro de incendio. A pesar de sus inconvenientes, la mayoría de los expertos en tecnología inalámbrica creían junto con Marconi que el impulsivo "latigazo" de una chispa era necesario para producir ondas de radio que se comunicaran a largas distancias.
Desde el principio, los físicos sabían que otro tipo de forma de onda, las ondas sinusoidales continuas (CW), tenían ventajas teóricas sobre las ondas amortiguadas para la transmisión de radio. [133] [55] Debido a que su energía se concentra esencialmente en una sola frecuencia, además de no causar casi ninguna interferencia a otros transmisores en frecuencias adyacentes, los transmisores de onda continua podrían transmitir distancias más largas con una potencia de salida determinada. [60] También podrían modularse con una señal de audio para transportar sonido. [60] El problema era que no se conocían técnicas para generarlos. Los esfuerzos descritos anteriormente para reducir la amortiguación de los transmisores de chispa pueden verse como intentos de hacer que su salida se acerque más al ideal de una onda continua, pero los transmisores de chispas no podrían producir verdaderas ondas continuas. [55]
A partir de 1904, los transmisores de onda continua se desarrollaron utilizando nuevos principios, que competían con los transmisores de chispa. Las ondas continuas se generaron primero mediante dos tecnologías de corta duración: [60]
- El transmisor convertidor de arco (arco de Poulsen), inventado por Valdemar Poulsen en 1904, utilizó la resistencia negativa de un arco eléctrico continuo en una atmósfera de hidrógeno para excitar oscilaciones en un circuito resonante .
- El transmisor de alternador Alexanderson , desarrollado entre 1906 y 1915 por Reginald Fessenden y Ernst Alexanderson , era un enorme generador de corriente alterna giratoria ( alternador ) impulsado por un motor eléctrico a una velocidad lo suficientemente alta como para producir una corriente de radiofrecuencia en el rango de frecuencia muy baja .
Estos transmisores, que podían producir potencias de hasta un megavatio , reemplazaron lentamente al transmisor de chispa en las estaciones de radiotelegrafía de alta potencia. Sin embargo, los transmisores de chispa siguieron siendo populares en las estaciones de comunicación de dos vías porque la mayoría de los transmisores de onda continua no eran capaces de un modo llamado funcionamiento de "interrupción" o "escucha". Con un transmisor de chispa, cuando la tecla de telégrafo estaba entre los símbolos Morse, la onda portadora se apagaba y el receptor se encendía, para que el operador pudiera escuchar un mensaje entrante. Esto permitió que la estación receptora, o una tercera estación, interrumpiera o "interrumpiera" una transmisión en curso. Por el contrario, estos primeros transmisores de CW tenían que funcionar de forma continua; la onda portadora no se apagó entre símbolos, palabras u oraciones del código Morse, sino que simplemente se desafinó, por lo que un receptor local no podría funcionar mientras el transmisor estuviera encendido. Por lo tanto, estas estaciones no podían recibir mensajes hasta que se apagaba el transmisor.
Obsolescencia
Todas estas primeras tecnologías fueron reemplazadas por el oscilador electrónico de retroalimentación de tubo de vacío , inventado en 1912 por Edwin Armstrong y Alexander Meissner , que utilizó el tubo de vacío de triodo inventado en 1906 por Lee De Forest . [1] Los osciladores de tubo de vacío eran una fuente mucho más barata de ondas continuas y podían modularse fácilmente para transportar sonido. Debido al desarrollo de los primeros tubos transmisores de alta potencia al final de la Primera Guerra Mundial, en la década de 1920 los transmisores de tubo reemplazaron el convertidor de arco y los transmisores de alternador, así como el último de los viejos y ruidosos transmisores de chispa.
La Convención Internacional de Radiotelegrafía de 1927 en Washington, DC vio una batalla política para finalmente eliminar la radio de chispa. [6] Los transmisores de chispa estaban obsoletos durante mucho tiempo en este punto, y las audiencias de radiodifusión y las autoridades de aviación se quejaban de la interrupción en la recepción de radio que causaban los ruidosos transmisores de chispas marinas. Pero los intereses marítimos lucharon vigorosamente contra una prohibición general de las olas amortiguadas, debido al gasto de capital que se requeriría para reemplazar el antiguo equipo de chispas que todavía se usaba en barcos más antiguos. La Convención prohibió la concesión de licencias para nuevos transmisores terrestres de chispas después de 1929. [134] La emisión de radio de onda amortiguada, llamada Clase B, fue prohibida después de 1934, excepto para uso de emergencia en barcos. [5] [134] Este vacío legal permitió a los armadores evitar reemplazar los transmisores de chispa, que se mantuvieron como transmisores de respaldo de emergencia en los barcos durante la Segunda Guerra Mundial.
Legado
Un legado de los transmisores de chispas es que los operadores de radio fueron apodados regularmente "Sparky" mucho después de que los dispositivos dejaron de usarse. Incluso hoy en día, el verbo alemán funken , literalmente, "encender", también significa "enviar un mensaje de radio".
En la década de 1950, una compañía japonesa de juguetes, Matsudaya, produjo una línea de camiones de juguete, botes y robots baratos con control remoto llamada Radicon, que usaba un transmisor de chispa de baja potencia en el controlador como una forma económica de producir las señales de control de radio. [135] [136] Las señales fueron recibidas en el juguete por un receptor de cohesión .
Los osciladores de chispa todavía se utilizan para generar el alto voltaje de alta frecuencia necesario para iniciar los arcos de soldadura en la soldadura por arco de tungsteno con gas . [137] Todavía se utilizan potentes generadores de impulsos de chispas para simular EMP .
Ver también
- Historia de la radio
- Invención de la radio
- Radioaficionado
- Radio antigua
- Lógico
- Radio de cristal
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Otras lecturas
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enlaces externos
- Alternador, arco y chispa
- Fessenden y la historia temprana de la radiociencia
- Breve historia de la chispa
- Transmisor Massie Spark El Museo de Steam e Inalámbrico de Nueva Inglaterra
- "Los Sonidos de un Transmisor de Chispa con audio" . Archivado desde el original el 18 de julio de 2011.
- La revisión de Sparks Telegraph Key
- Tecnología de radio de uso común alrededor de 1914
- Historial y funcionamiento del transmisor de chispa