Teoria onde radio

[PietroBaima]

Guarda, da fisico terra terra ti volevo portare un paio di esempi per capire, dal principio, il funzionamento di un telecomando.
Oggi i telecomandi hanno a bordo una tecnologia molto avanzata, implementata soprattutto per avere più canali, per essere codificati, non copiabili, ecc... ecc...

Ma come sono nati?

beh, dobbiamo andare a parlare del signor Calzecchi Onesti e dell'invenzione del coesore.

Il coesore non è altro che un tubetto di vetro entro il quale è stato praticato il vuoto (coesori non sotto vuoto funzionano per un po', ma poi l'aria li ossida e non funzionano più).
Dentro questo tubetto è posta della limatura metallica tra due elettrodi.
Se misuri la resistenza tra gli elettrodi noterai che è molto alta, dell'ordine della decina di megaohm.
Se però avvicini al tubetto un accendigas (di quelli che fanno le scintille) e gli fai generare qualche scintilla in prossimità del tubetto noterai che la resistenza crolla a valori intorno al centinaio di ohm.

Hai appena costruito il componente principale del telegrafo senza fili di Marconi!

Io avevo effettivamente provato a costruire un coesore, con un tubetto di una penna bic e due viti.
Ho dovuto lavorare... il giusto, per farlo funzionare!!
naturalmente non ho praticato il vuoto, ma, come dicevo, per un po' questi aggeggi funzionano.
Meno limatura metallica metterai, meglio funzionerà il dispositivo.
Più corto farai il dispositivo, meglio funzionerà.

Se poi riesci a collegare un estremo del coesore ad una antenna e l'altro ad un tubo dell'acqua fredda avrai un sistema che ti avverte quando arrivano i temporali !

Ti disegno uno schema, che ti sembrerà rudimentale, ma sappi che la radiotecnica è nata da qui:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Hai appena fatto un telecomando!
Facendo qualche scintilla con il tuo accendigas notarai che la resistenza del coesore crolla.

Noterai anche di più. Il coesore ha memoria. Una volta che si è coeso, la resistenza resta bassa.
Per "resettarlo" dovrai percuoterlo, dandogli qualche colpetto sopra.
Osserverai che dopo ritornerà ad avere una resistenza alta.

Ti metto anche un filmato YouTube che ho trovato che ti fa vedere l'esperimento realizzato:



Naturalmente dopo aver fatto questo, vorremmo che il nostro telecomando ci desse un contatto sfruttabile.
Marconi usò il coesore per far scattare un relè (inventato da poco, all'epoca) per far suonare un campanello: era nato il telegrafo senza fili.

Fece così:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Dove la linea tratteggiata che ho disegnato dal relè al coesore significa che l'ancora del relè, quando scattava, dava un colpetto al coesore che lo resettava. In questo modo quando si smetteva di trasmettere il campanello smetteva di suonare.

L'evoluzione di questo sistema è la possibilità di avere diversi canali, per realizzare questo si "caricava" il coesore di un gruppo LC, che aprendosi, alla risonanza, faceva chiudere il coesore.
Ma per farlo serviva un trasmettitore a banda un po' più stretta del nostro accendigas.
Una scintilla irradia in una banda molto ampia, ma la densità di potenza per unità di frequenza è molto modesta, e il coesore necessità di una certa potenza per chiudersi.
Inoltre conta che questi sistemi hanno rendimenti bassissimi, alcuni di loro anche inferiori all'1%.
Per l'epoca, però, era fantastico avere a disposizione qualcosa che funzionasse senza fili.
(naturalmente non per le poste italiane, che rifiutarono il brevetto; così Marconi andò a depositarlo in Inghilterra. Inutile dire che, pochi anni dopo, la Marconi Wireless Telegraphs forniva tutti i trasmettitori per le navi inglesi e qualche anno più tardi realizzava un trasmettitore per comunicare in America, poi per accendere le luci a Sidney dalla Cornovaglia, realizzando le prime radiocomunicazioni intercontinentali...)

Se ti interessa nella prossima puntata vediamo i trasmettitori dell'epoca e come funzionano.

I dispositivi che abbiamo oggi nelle nostre tasche devono dire grazie a questi loro antenati, se possono funzionare perfettamente...


Pietro

[pierinter]

Pazzesco!! È affascinante!
Mi sto prendendo!

Quindi in sostanza questo coesore è stato un po il primissimo stadio ricevente,possiamo dire.
Da li come si è andati avanti?

[pierinter]

Come si è riusciti , con il coesore, a traspostare informazione ?
Sfruttando la variazione di resistenza ?

E da li, come ci si è evoluti verso le radio un po' più moderne ?

[PietroBaima]

Mi fa piacere l'essere riuscito ad incuriosirti.
In effetti volevo raccontarti ancora un po' di cose.
Purtroppo adesso sto seguendo altri thread, appena mi libero (spero più tardi stasera)
aggiungo qualcosa al racconto

Ciao
Pietro.

[pierinter]

Si beh, quando hai tempo :)
Tanto stasera mi alleno e rispondo sul tardi :)

[PietroBaima]

Scusa, ma sotto Natale il tempo è sempre meno di quanto si pensi

Stavolta parliamo di trasmettitori.
Per fare un trasmettitore di tipo Marconi, quindi tra i primi che riuscivano a trasmettere onde elettromagnetiche, l'unico modo tecnologicamente disponibile, all'epoca, era quello di fare quello che oggi chiameremmo survoltore, in pratica un circuito che riesce a generare tensioni davvero molto alte, che veniva usato per creare delle scintille molto potenti.

Abbiamo subito qualche domanda da farci:

• perché abbiamo bisogno di un survoltore?
• perché producendo scintille irradiamo onde elettromagnetiche?
• come costruiamo un trasmettitore con il survoltore?

Le equazioni di Maxwell (niente paura, non le scrivo ) prevedono che ad ogni variazione di campo elettrico corrisponde una variazione di campo magnetico, ma anche viceversa. Più veloce è la variazione di campo elettrico, più grande sarà il campo magnetico generato, ma anche viceversa.
Questo prevede la teoria.

Quindi? quindi se riesco a var variare velocemente un campo elettrico produco un campo magnetico, il quale produrrà un campo elettrico e via via così discorrendo. Ho quindi generato un'onda elettromagnetica!

Questa osservazione (di Maxwell) colpì molto Hertz, il quale si ingegnò per produrre un dispositivo che potesse generare onde elettromagnetiche.
Hertz pensò ad un fenomeno che conosceva: la scintilla. Caricando una bottiglia di Leida (cioè il nome che, all'epoca, veniva dato ad un condensatore per alte tensioni) con una tensione piuttosto alta, essa poteva essere scaricata istantaneamente avvicinando i terminali, in modo che si producesse una scintilla.
Era evidente che fosse avvenuta una variazione rapida di campo elettrico (associata alla tensione della bottiglia), il quale aveva originato un campo magnetico (associata alla corrente che era passata). Era quindi nata un'onda elettromagnetica.
Più scintille nell'unità di tempo vengono generate, maggiore è la frequenza di trasmissione.

Un modo per produrre tensioni molto elevate con potenze anche non piccole è quello di usare un rocchetto di Ruhmkorff.
Come funziona?
Questo è uno schema elettrico di principio:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

si vede che il circuito è formato da un autotrasformatore e da un interruttore normalmente chiuso, sul quale vale la pena di spendere qualche parola.

Quando il circuito viene alimentato il nucleo si magnetizza, dopodichè attrae una delle due lamelle dell'interruttore, il quale apre il circuito al primario. In questo modo, per la legge di Lenz (per ora chiamiamola così) si crea una tensione davvero molto alta al secondario. Questa tensione è utilizzata per creare una scintilla tra due bacchette metalliche, chiamate spinterometro.
In genere questo interruttore dovrebbe essere posto in un bagno d'olio, per evitare che le scintille scocchino ai suoi capi, assorbendo energia che invece dovrebbe essere utilizzata per la scintilla al secondario.

Lo spinterometro è formato da da due bacchette metalliche terminate da due sferette, che sono utilizzate per creare un condensatore, in modo che si accumuli della carica che verrà rilasciata rapidamente allo scoccare della scintilla. E' molto importante che la scintilla sia la più brusca possibile, infatti più è brusca la scintilla, maggiore sarà l'irradiazione.

Qui c'è un video che mostra il funzionamento del rocchetto:



Un altro modo per generare alte tensioni è quello di costruire un trasformatore di Tesla. Il circuito è più complicato, in questo caso, ma si ottiene un rendimento migliore e anche tensioni più alte.
Tesla sfrutto il fenomeno della risonanza, per ottenere tensioni davvero molto alte, in alcuni casi anche decine di MV.

Il trasformatore di Tesla sfrutta, anch'esso, uno spinterometro, ma per generare la frequenza di eccitazione di un trasformatore risonante in forte salita.

Ecco uno schema semplificato:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Qui c'è il video di un trasformatore di Tesla funzionante (avvolto da qualche 'coiler', come si fanno chiamare coloro che si divertono a costruirli).

La luce che viene emessa nella parte inferiore del dispositivo è la scintilla dello spark gap.



Come si può vedere viene creato anche del plasma (il fulmine) che genera spostamento dell'aria (il suono tipico della scarica elettrica) ma anche una discreta quantità di raggi X (cosa meno nota, anche a molti coiler )

ATTENZIONE:

Questo non è il solito discaimer dove si dice: lavorare con alte tensioni è pericoloso.

Non perché non lo sia, piuttosto perché vorrei spiegare il motivo per il quale è pericoloso.

Molti dicono: lavorare con un rocchetto di Ruhmkorff non è molto pericoloso,ma lo è lavorare con un trasformatore di Tesla.
Non è così. E' pericoloso lavorare con entrambi.

Di solito si dice: lavorare con correnti ad alta frequenza non è affatto pericoloso, a causa dell'effetto pelle. La corrente, a causa di questo effetto, tende a defluire lungo il corpo e non a penetrare al suo interno e, in questo modo, non risulta pericolosa.
In questa affermazione sono presenti diversi errori:

• L'effetto pelle è presente, ma il corpo non è isotropo, e questo fa sì che la corrente possa penetrare anche in profondità, per esempio guidata dalle vene o dalle arterie (e le vene e le arterie arrivano al cuore). La buona notizia è che la corrente scorre solo sulle pareti di vene e arterie, quella brutta è che, arrivata al cuore, può benissimo provare fibrillazione atrio-ventricolare, anche grazie ad alcuni effetti non lineari;
• Sebbene uno non potrebbe morire per tetanizzazione, perché la frequenza è troppo alta, se la potenza è alta potrebbe morire a causa delle ustioni che la corrente causa per effetto joule: come preferite morire? In alta frequenza ustionati o in bassa tetanizzati?
• Il pericolo maggiore per una bobina di Tesla è proprio il "circuito di ignizione" (come lo chiamava Tesla), cioè il circuito dove c'è lo spark gap. Le potenze in gioco sono qui molto alte, ed è facile, per uno sperimentatore disattento, avvicinarsi troppo allo spark-gap. Facendo così si crea un effetto poco piacevole e indesiderato dai coiler perché riduce l'efficienza: si accoppia il circuito di ignizione al circuito risonante.
  Può capitare che gli archi generati dal trasformatore risonante si scarichino non a terra, ma sul circuito primario. Questo potrebbe rovinare il trasformatore o semplicemente ridurne l'efficienza.
  In un caso o nell'altro, non mi piacerebbe fare la parte della capacità di accoppiamento tra i due circuiti
  Sebbene quando la potenza del "Tesla Coil" è bassa è possibile avvicinarsi al toro, bisogna sempre fare molta attenzione a non avvicinarsi al circuito di ignizione.
  Se le potenze in gioco sono alte non c'è nulla da fare, non bisogna avvicinarsi.

In genere questi dispositivi devono essere costruiti da personale esperto, il quale comunque opera sempre o dentro gabbie di Faraday, oppure con degli appositi giubbotti protettivi (che sono delle gabbie di Faraday tessute).

La prossima volta, digerito questo, rispondiamo alle domande:

• come costruiamo un trasmettitore con il survoltore?
• come ne miglioriamo la selettività, in modo da irradiare in una banda più piccola (e quindi con più potenza per unità di banda)?

Ciao da Pietro.

[mir]

...il tempo è sempre meno di quanto si pensi

ti credo PietroBaima, se rispondi ad ogni topic con questi contenuti,ti ci vorranno giornate di 48 ore

[pierinter]

Ahahah si effettivamente :) Tra 10 minuti mi leggo tutto :)
Ho appena preso la Reflex e mi sto divertendo un sacco, ma ora interrompo

[pierinter]

Capito tutto.

Ma lo schema che mi hai disegnato del survoltore, non va già bene per funzionare da trasmettitore ?
Se io riesco a generare una scintilla (brusca variazione del campo elettrico, quindi magnetico, quindi elettrico quindi magnetico ecc ecc )a questo punto ho generato un'onda.

Onda che non potrebbe in teoria essere captata da una antennina ? in questo modo, se all'antenna attacco un'altra bottiglia di Leida, dovrei essere in grado di riproporre su questo condensatore la stessa variazione dello stadio trasmittente,generando anche qui una scintilla.

Oppure, credo, potrebbe anche essere captata dal circuito ricevitore che avevi disegnato nel post precedente, quello con coesore, relè e campanello.

Sono fuori strada, almeno in linea teorica ?

Grazie mille.
Raffotech

[clavicordo]

Forse non servirà a niente, ma provo a scrivere qualche spunto qualitativo di teoria.
il nostro pierinter dice

L'informazione deve però essere contenuta nel segnale già prima della modulazione

E ha ragione. Non a caso infatti il segnale di partenza x(t) è detto "sorgente" (dell'informazione). Può essere la voce di una persona, i dati numerici di una nota spese, o un'immagine. L'informazione è sempre "variazione" di qualche grandezza fisica: pressione dell'aria (suono), intensità e colore della luce riflessa (scrittura), temperatura, etc.
Tecnicamente, comunicare significa far muovere il segnale sorgente da un punto a un altro dello spazio, lungo un percorso che vien chiamato "canale", verso un destinatario. Il canale può essere ad esempio un filo elettrico, lo spazio aperto, il muro di una casa: il termine ha quindi un significato diverso da quello comune di "canale radio o televisivo". Qui il canale è il supporto fisico del segnale. Far muovere, propagare un segnale in modo efficiente in un canale significa in termini tecnici "adattare il segnale al canale". Per fare una comunicazione elettrica, il segnale sorgente deve essere prima convertito in segnale elettrico.
Questo verrà poi "mappato" (trasformato) in un altro segnale elettrico, le cui caratteristiche lo rendono adatto a viaggiare su uno specifico canale: l'"adattamento" è proprio questa mappatura (e relativa "de-mappatura" alla ricezione). Il processo di adattamento può essere attuato in molti modi, tenendo conto che deve provvedere a proteggere l'informazione dal rumore, sempre più o meno presente in qualsiasi canale: il processo si chiama anche "codifica di canale".
Una possibile mappatura, tra le più semplici, la prima storicamente utilizzata per trasmettere via radio, è la modulazione, in particolare la modulazione d'ampiezza. Quest'ultima è in grado di "traslare" tutte le frequenze del segnale sorgente (la sua "banda di frequenza"), aumentandole di un valore fisso, corrispondente alla frequenza di un altro segnale, detto "portante". Il ricevitore dovrà avere un filtro centrato sulla frequenza della portante con larghezza di banda circa uguale al doppio (non addentriamoci sul perché!) di quella del segnale sorgente; dovrà poi "demodulare" il segnale per riportarlo nella banda di partenza e inviarlo al dispositivo inverso del microfono, l'altoparlante. "Sintonizzarsi" significa predisporre un filtro passa-banda centrato sulla portante e di larghezza giusta per la banda del segnale di partenza: non minore, perché si perderebbe informazione; non maggiore, perché si riceverebbero anche altre informazioni indesiderate.
La tecnologia digitale ha reso possibile realizzare mappature di moltissimi tipi (alcune molto complicate) ma il principio è sempre lo stesso.