Transmissor de centelha - Spark-gap transmitter
Um transmissor de centelha é um tipo obsoleto de transmissor de rádio que gera ondas de rádio por meio de uma faísca elétrica . Os transmissores Spark-gap foram o primeiro tipo de transmissor de rádio, e foram o principal tipo usado durante a telegrafia sem fio ou era "faísca", as três primeiras décadas do rádio , de 1887 até o final da Primeira Guerra Mundial . O físico alemão Heinrich Hertz construiu os primeiros transmissores de centelha em 1887, com os quais provou a existência de ondas de rádio e estudou suas propriedades.
Uma limitação fundamental dos transmissores de centelha é que eles geram uma série de breves pulsos transientes de ondas de rádio chamadas ondas amortecidas ; eles são incapazes de produzir as ondas contínuas usadas para transportar áudio (som) na moderna transmissão de rádio AM ou FM . Portanto, os transmissores de intervalo de centelha não podiam transmitir áudio e, em vez disso, transmitiam informações por radiotelegrafia ; o operador ligava e desligava o transmissor com uma tecla telegráfica , criando pulsos de ondas de rádio para soletrar mensagens de texto em código Morse .
Os primeiros transmissores e receptores de centelhagem práticos para comunicação por radiotelegrafia foram desenvolvidos por Guglielmo Marconi por volta de 1896. Um dos primeiros usos para transmissores de centelhador foi em navios, para se comunicar com a costa e transmitir um pedido de socorro se o navio estivesse afundando. Eles desempenharam um papel crucial em resgates marítimos, como o desastre do Titanic em 1912 RMS . Após a Primeira Guerra Mundial, foram desenvolvidos transmissores de válvula a vácuo , que eram mais baratos e produziam ondas contínuas de maior alcance, produziam menos interferência e também podiam transportar áudio, tornando os transmissores de faísca obsoletos em 1920. Os sinais de rádio produzidos por transmissores de centelhagem são eletricamente "barulhentos"; eles têm uma largura de banda ampla , criando interferência de radiofrequência (RFI) que pode interromper outras transmissões de rádio. Este tipo de emissão de rádio é proibido pelo direito internacional desde 1934.
Teoria de Operação
As ondas eletromagnéticas são irradiadas por cargas elétricas quando são aceleradas . As ondas de rádio , ondas eletromagnéticas de radiofrequência , podem ser geradas por correntes elétricas que variam no tempo , consistindo em elétrons fluindo através de um condutor que muda repentinamente de velocidade, acelerando assim.
Uma capacitância descarregada através de uma faísca elétrica através de um centelhador entre dois condutores foi o primeiro dispositivo conhecido que poderia gerar ondas de rádio. A faísca em si não produz as ondas de rádio, ela serve meramente para excitar correntes elétricas oscilantes de radiofrequência ressonantes nos condutores do circuito conectado. Os condutores irradiam a energia nesta corrente oscilante como ondas de rádio.
Devido à indutância inerente dos condutores do circuito, a descarga de um capacitor por meio de uma resistência baixa o suficiente (como uma faísca) é oscilatória ; a carga flui rapidamente para a frente e para trás através da centelha por um breve período, carregando os condutores em cada lado alternadamente positivo e negativo, até que as oscilações desapareçam.
Um transmissor de centelhador prático consiste nas seguintes partes:
- Um transformador de alta voltagem , para transformar a eletricidade de baixa voltagem da fonte de alimentação, uma bateria ou tomada elétrica, em uma voltagem alta o suficiente (de alguns quilovolts a 75-100 quilovolts em transmissores poderosos) para pular o centelhador. O transformador carrega o capacitor. Em transmissores de baixa potência alimentados por baterias, geralmente era uma bobina de indução (bobina de Ruhmkorff).
- Um ou mais circuitos ressonantes ( circuitos sintonizados ou circuitos tanque) que criam oscilações elétricas de radiofrequência quando excitados pela faísca. Um circuito ressonante consiste em um capacitor (nos primeiros dias, um tipo chamado jarro de Leyden ) que armazena eletricidade de alta tensão do transformador e uma bobina de fio chamada indutor ou bobina de sintonia, conectados entre si. Os valores de capacitância e indutância determinam a freqüência das ondas de rádio produzidas.
- Os primeiros transmissores de centelhador antes de 1897 não tinham um circuito ressonante; a antena desempenhava essa função, agindo como ressonador . No entanto, isso significava que a energia eletromagnética produzida pelo transmissor era dissipada por uma banda larga, limitando assim seu alcance efetivo a alguns quilômetros no máximo.
- A maioria dos transmissores de faísca tinha dois circuitos ressonantes acoplados a um transformador de núcleo de ar chamado de transformador ressonante ou transformador de oscilação . Isso foi chamado de transmissor
Ciclo de operação
O transmissor funciona em um ciclo de repetição rápida no qual o capacitor é carregado em alta tensão pelo transformador e descarregado através da bobina por uma faísca através do centelhador. A faísca impulsiva excita o circuito ressonante para "tocar" como um sino, produzindo uma breve corrente oscilante que é irradiada como ondas eletromagnéticas pela antena. O transmissor repete esse ciclo em uma taxa rápida, de modo que a faísca parecia contínua e o sinal de rádio soava como um zumbido ou zumbido em um receptor de rádio .
- O ciclo começa quando a corrente do transformador carrega o capacitor, armazenando carga elétrica positiva em uma de suas placas e carga negativa na outra. Enquanto o capacitor está carregando, o centelhador está em seu estado não condutor, evitando que a carga escape pela bobina.
- Quando a tensão no capacitor atinge a tensão de ruptura do centelhador, o ar no espaço se ioniza , iniciando uma faísca elétrica , reduzindo sua resistência a um nível muito baixo (geralmente menos de um ohm ). Isso fecha o circuito entre o capacitor e a bobina.
- A carga no capacitor é descarregada como uma corrente através da bobina e da centelha. Devido à indutância da bobina quando a tensão do capacitor chega a zero a corrente não para, mas continua fluindo, carregando as placas do capacitor com polaridade oposta, até que a carga seja armazenada novamente no capacitor, nas placas opostas. Em seguida, o processo se repete, com a carga fluindo na direção oposta através da bobina. Isso continua, resultando em correntes oscilantes fluindo rapidamente para frente e para trás entre as placas do capacitor através da bobina e do centelhador.
- O circuito ressonante é conectado à antena, de forma que essas correntes oscilantes também fluam na antena, carregando-a e descarregando-a. A corrente cria um campo magnético oscilante ao redor da antena, enquanto a voltagem cria um campo elétrico oscilante . Esses campos oscilantes se irradiam da antena para o espaço como uma onda de rádio.
- A energia no circuito ressonante é limitada à quantidade de energia originalmente armazenada no capacitor. As ondas de rádio irradiadas, junto com o calor gerado pela centelha, esgota essa energia, fazendo com que as oscilações diminuam rapidamente em amplitude até zero. Quando a corrente elétrica oscilante no circuito primário diminui a um ponto em que é insuficiente para manter o ar ionizado no centelhador, a centelha para, abrindo o circuito ressonante e parando as oscilações. Em um transmissor com dois circuitos ressonantes, as oscilações no circuito secundário e na antena podem continuar algum tempo após o término da centelha. Em seguida, o transformador começa a carregar o capacitor novamente e todo o ciclo se repete.
O ciclo é muito rápido, levando menos de um milissegundo. Com cada faísca, esse ciclo produz um sinal de rádio que consiste em uma onda sinusoidal oscilante que aumenta rapidamente para uma amplitude alta e diminui exponencialmente para zero, chamada de onda amortecida . A frequência das oscilações, que é a frequência das ondas de rádio emitidas, é igual à frequência ressonante do circuito ressonante, determinada pela capacitância do capacitor e a indutância da bobina:
O transmissor repete esse ciclo rapidamente, de modo que a saída é uma sequência repetitiva de ondas amortecidas. Isso é equivalente a um sinal de rádio modulado em amplitude com uma frequência constante, de modo que poderia ser demodulado em um receptor de rádio por um detector AM retificador , como o detector de cristal ou a válvula de Fleming usada durante a era da telegrafia sem fio. A frequência de repetição (taxa de faíscas) está na faixa de áudio , normalmente de 50 a 1000 faíscas por segundo, portanto, nos fones de ouvido do receptor, o sinal soa como um tom constante, gemido ou zumbido.
Para transmitir informações com este sinal, o operador liga e desliga o transmissor rapidamente tocando em um interruptor chamado chave telegráfica no circuito primário do transformador, produzindo sequências de sequências curtas (ponto) e longas (traços) de amortecimento ondas, para soletrar mensagens em código Morse . Enquanto a tecla é pressionada, o centelhador dispara repetidamente, criando uma sequência de pulsos de ondas de rádio, portanto, em um receptor, o pressionamento da tecla soa como um zumbido; toda a mensagem em código Morse soa como uma sequência de zumbidos separados por pausas. Em transmissores de baixa potência, a chave interrompe diretamente o circuito primário do transformador de alimentação, enquanto em transmissores de alta potência a chave opera um relé de serviço pesado que interrompe o circuito primário.
Circuito de carga e taxa de ignição
O circuito que carrega os capacitores, junto com o próprio centelhador, determina a taxa de centelha do transmissor, o número de faíscas e os pulsos de onda amortecida resultantes que ele produz por segundo, o que determina o tom do sinal ouvido no receptor. A taxa de ignição não deve ser confundida com a frequência do transmissor, que é o número de oscilações sinusoidais por segundo em cada onda amortecida. Como o transmissor produz um pulso de ondas de rádio por centelha, a potência de saída do transmissor era proporcional à taxa de centelha, portanto, taxas mais altas eram favorecidas. Os transmissores de faísca geralmente usam um dos três tipos de circuitos de energia:
Bobina de indução
Uma bobina de indução ( bobina de Ruhmkorff) foi usada em transmissores de baixa potência, geralmente menos de 500 watts, geralmente alimentados por bateria. Uma bobina de indução é um tipo de transformador alimentado por CC, no qual um contato de interruptor de braço vibratório na bobina, denominado interruptor, interrompe repetidamente o circuito que fornece corrente ao enrolamento primário, fazendo com que a bobina gere pulsos de alta tensão. Quando a corrente primária para a bobina é ligada, o enrolamento primário cria um campo magnético no núcleo de ferro que puxa o braço do interruptor elástico para longe de seu contato, abrindo a chave e cortando a corrente primária. Em seguida, o campo magnético entra em colapso, criando um pulso de alta tensão no enrolamento secundário, e o braço do interruptor volta a fechar o contato novamente, e o ciclo se repete. Cada pulso de alta tensão carregou o capacitor até que a centelha disparou, resultando em uma centelha por pulso. Os interruptores foram limitados a baixas taxas de ignição de 20–100 Hz, soando como um zumbido baixo no receptor. Em potentes transmissores de bobina de indução, em vez de um interruptor vibratório, foi usado um interruptor de turbina de mercúrio . Isso poderia interromper a corrente em taxas de até vários milhares de hertz, e a taxa poderia ser ajustada para produzir o melhor tom.
Transformador AC
Em transmissores de alta potência alimentados por CA, um transformador eleva a tensão de entrada até a alta tensão necessária. A tensão senoidal do transformador é aplicada diretamente ao capacitor, de modo que a tensão no capacitor varia de uma alta tensão positiva, a zero, a uma alta tensão negativa. A centelha é ajustada para que as faíscas ocorram somente próximo à tensão máxima, nos picos da onda senoidal CA , quando o capacitor estava totalmente carregado. Uma vez que a onda senoidal AC tem dois picos por ciclo, o ideal é que ocorram duas faíscas durante cada ciclo, de modo que a taxa de centelha seja igual a duas vezes a frequência da energia AC (frequentemente, várias faíscas ocorrem durante o pico de cada meio ciclo). A taxa de ignição dos transmissores alimentados por uma rede elétrica de 50 ou 60 Hz era, portanto, de 100 ou 120 Hz. No entanto, frequências de áudio mais altas cortam melhor a interferência, então em muitos transmissores o transformador era alimentado por um conjunto motor-alternador , um motor elétrico com seu eixo girando um alternador , que produzia CA em uma frequência mais alta, geralmente 500 Hz, resultando em uma faísca taxa de 1000 Hz.
Faísca apagada
A velocidade na qual os sinais podem ser transmitidos é naturalmente limitada pelo tempo que a faísca leva para se apagar. Se, conforme descrito acima, o plasma condutivo não resfriar, durante os pontos zero da corrente alternada, o suficiente para extinguir a faísca, uma 'faísca persistente' é mantida até que a energia armazenada seja dissipada, permitindo operação prática apenas até cerca de 60 sinais por segundo. Se medidas ativas forem tomadas para quebrar o arco (seja soprando ar através da faísca ou aumentando o intervalo da faísca), uma "faísca extinta" muito mais curta pode ser obtida. Um sistema simples de faísca extinta ainda permite várias oscilações do circuito do capacitor no tempo que leva para a faísca ser apagada. Com o circuito da centelha interrompido, a frequência de transmissão é determinada exclusivamente pelo circuito ressonante da antena, que permite um ajuste mais simples.
Centelha giratória
Em um transmissor com uma centelha "rotativa" (abaixo) , o capacitor foi carregado por CA de um transformador de alta tensão como acima, e descarregado por uma centelha que consiste em eletrodos espaçados ao redor de uma roda que foi girada por um motor elétrico, que produziu faíscas ao passar por um eletrodo estacionário. A taxa de ignição era igual às rotações por segundo vezes o número de eletrodos de ignição na roda. Ele pode produzir taxas de faísca de até vários milhares de hertz, e a taxa pode ser ajustada alterando a velocidade do motor. A rotação da roda costumava ser sincronizada com a onda senoidal AC de forma que o eletrodo em movimento passasse pelo estacionário no pico da onda senoidal, iniciando a centelha quando o capacitor estava totalmente carregado, o que produzia um tom musical no receptor. Quando sintonizado corretamente dessa maneira, a necessidade de resfriamento externo ou fluxo de ar de extinção foi eliminada, assim como a perda de energia diretamente do circuito de carga (paralelo ao capacitor) através da faísca.
História
A invenção do rádio transmissor resultou da convergência de duas linhas de pesquisa.
Um foram os esforços dos inventores para criar um sistema para transmitir sinais telegráficos sem fios. Experimentos feitos por vários inventores mostraram que distúrbios elétricos podem ser transmitidos a curtas distâncias pelo ar. No entanto, a maioria desses sistemas funcionava não por ondas de rádio, mas por indução eletrostática ou indução eletromagnética , que tinha um alcance muito curto para ser prático. Em 1866, Mahlon Loomis afirmou ter transmitido um sinal elétrico através da atmosfera entre dois fios de 600 pés mantidos no alto por pipas no topo de montanhas a 14 milhas de distância. Thomas Edison esteve perto de descobrir o rádio em 1875; ele gerou e detectou ondas de rádio que chamou de "correntes etéricas", experimentando circuitos de faísca de alta voltagem, mas, devido à falta de tempo, não deu continuidade ao assunto. David Edward Hughes em 1879 também tropeçou na transmissão de ondas de rádio que ele recebeu com seu detector de microfone de carbono , no entanto, ele foi persuadido de que o que observou foi indução . Em geral, nenhum desses indivíduos recebe o crédito pela descoberta do rádio, porque não compreenderam o significado de suas observações e não publicaram seu trabalho antes da Hertz.
A outra foi uma pesquisa de físicos para confirmar a teoria do eletromagnetismo proposta em 1864 pelo físico escocês James Clerk Maxwell , agora chamada de equações de Maxwell . A teoria de Maxwell previa que uma combinação de campos elétricos e magnéticos oscilantes poderia viajar através do espaço como uma " onda eletromagnética ". Maxwell propôs que a luz consistia em ondas eletromagnéticas de comprimento de onda curto, mas ninguém sabia como confirmar isso, ou gerar ou detectar ondas eletromagnéticas de outros comprimentos de onda. Em 1883, teorizou-se que cargas elétricas aceleradas poderiam produzir ondas eletromagnéticas, e George Fitzgerald calculou a potência de saída de uma antena circular . Fitzgerald, em uma breve nota publicada em 1883, sugeriu que ondas eletromagnéticas poderiam ser geradas praticamente descarregando um capacitor rapidamente; o método usado em transmissores de faísca, porém não há indicação de que isso tenha inspirado outros inventores.
A divisão da história dos transmissores de faísca nos diferentes tipos abaixo segue a organização do assunto usado em muitos livros de texto sem fio.
Osciladores hertzianos
O físico alemão Heinrich Hertz em 1887 construiu os primeiros transmissores de intervalo de faísca experimentais durante seus experimentos históricos para demonstrar a existência de ondas eletromagnéticas previstas por James Clerk Maxwell em 1864, nas quais ele descobriu ondas de rádio , que eram chamadas de "ondas hertzianas" até cerca de 1910. A Hertz foi inspirada a experimentar circuitos excitados por centelha por meio de experimentos com "espirais Reiss", um par de indutores espirais planos com seus condutores terminando em centelhadores. Um capacitor de jar de Leyden descarregado através de uma espiral, causaria faíscas na lacuna da outra espiral.
Heinrich Hertz descobrindo ondas de rádio com seu oscilador de centelha (atrás)
O desenho de Hertz de um de seus osciladores de centelha. (A, A ') antena, (J) bobina de indução
Oscilador de centelha Hertzian, 1902. São visíveis antenas consistindo de 2 fios que terminam em placas de metal (E) , centelha (D) , bobina de indução (A) , bateria automática (B) e chave telegráfica (C) .
Transmissor de 450 MHz da Hertz; um dipolo de 26 cm com centelha no foco de um refletor parabólico de folha de metal
Jagadish Chandra Bose em 1894 foi a primeira pessoa a produzir ondas milimétricas ; seu oscilador de centelha (na caixa, à direita) gerou ondas de 60 GHz (5 mm) usando ressonadores de esfera de metal de 3 mm.
Oscilador de faísca de micro-ondas demonstrado por Oliver Lodge em 1894. Sua bola ressonadora de 5 polegadas produzia ondas de cerca de 12 cm ou 2,5 GHz
Veja o diagrama do circuito. Os transmissores da Hertz consistiam em uma antena dipolo feita de um par de hastes de metal colineares de vários comprimentos com um centelhador (S) entre suas extremidades internas e bolas de metal ou placas de capacitância (C) fixadas nas extremidades externas. Os dois lados da antena foram conectados a uma bobina de indução ( bobina Ruhmkorff) (T) uma fonte de energia comum de laboratório que produzia pulsos de alta tensão, 5 a 30 kV. Além de irradiar as ondas, a antena também agia como um oscilador harmônico ( ressonador ) que gerava as correntes oscilantes. Pulsos de alta tensão da bobina de indução (T) foram aplicados entre os dois lados da antena. Cada pulso armazenava carga elétrica na capacitância da antena, que era imediatamente descarregada por uma faísca através do centelhador. A faísca excitou breves ondas estacionárias oscilantes de corrente entre os lados da antena. A antena irradiava a energia como um pulso momentâneo de ondas de rádio; uma onda amortecida . A frequência das ondas era igual à frequência de ressonância da antena, que era determinada pelo seu comprimento; agia como um dipolo de meia onda , que irradiava ondas com aproximadamente o dobro do comprimento da antena. A Hertz detectou as ondas observando minúsculas faíscas em centelhas (M) em loops de fio que funcionavam como antenas receptoras ressonantes. Oliver Lodge também estava experimentando com osciladores de faísca nesta época e chegou perto de descobrir ondas de rádio antes de Hertz, mas seu foco estava em ondas em fios, não no espaço livre.
Hertz e a primeira geração de físicos que construíram esses "osciladores hertzianos", como Jagadish Chandra Bose , Lord Rayleigh , George Fitzgerald , Frederick Trouton , Augusto Righi e Oliver Lodge , estavam principalmente interessados em ondas de rádio como um fenômeno científico, e falharam amplamente antever suas possibilidades como tecnologia de comunicação. Devido à influência da teoria de Maxwell, seu pensamento foi dominado pela semelhança entre ondas de rádio e ondas de luz; eles pensavam nas ondas de rádio como uma forma invisível de luz. Por analogia com a luz, eles presumiram que as ondas de rádio viajavam apenas em linhas retas, então eles pensaram que a transmissão de rádio era limitada pelo horizonte visual como os métodos de sinalização ótica existentes, como o semáforo e, portanto, não era capaz de comunicação de longa distância. Ainda em 1894, Oliver Lodge especulou que a distância máxima que as ondas hertzianas podiam ser transmitidas era de meia milha.
Para investigar a semelhança entre ondas de rádio e ondas de luz , esses pesquisadores se concentraram na produção de ondas de alta frequência de comprimento de onda curto, com as quais eles poderiam duplicar experimentos ópticos clássicos com ondas de rádio, usando componentes quasi-opticos , como prismas e lentes feitas de cera de parafina , enxofre e grades de difração de passo e fio . Suas antenas curtas geravam ondas de rádio nas bandas de VHF , UHF ou de microondas . Em seus vários experimentos, Hertz produziu ondas com frequências de 50 a 450 MHz, aproximadamente as frequências usadas hoje por transmissores de televisão aberta . Hertz os usou para realizar experimentos históricos demonstrando ondas estacionárias , refração , difração , polarização e interferência de ondas de rádio. Ele também mediu a velocidade das ondas de rádio, mostrando que viajavam na mesma velocidade da luz. Esses experimentos estabeleceram que as ondas de luz e de rádio eram ambas formas de ondas eletromagnéticas de Maxwell , diferindo apenas na frequência. Augusto Righi e Jagadish Chandra Bose por volta de 1894 geraram microondas de 12 e 60 GHz respectivamente, usando pequenas bolas de metal como antenas ressonadoras.
As altas frequências produzidas pelos osciladores hertzianos não podiam viajar além do horizonte. Os ressonadores dipolares também tinham baixa capacitância e não podiam armazenar muita carga , limitando sua potência de saída. Portanto, esses dispositivos não eram capazes de transmissão de longa distância; seu alcance de recepção com os receptores primitivos empregados era tipicamente limitado a cerca de 100 jardas (100 metros).
Transmissores não sintônicos
Eu dificilmente poderia conceber a possibilidade de que a aplicação [do rádio] a propósitos úteis pudesse ter escapado à atenção de tais cientistas eminentes.
- Guglielmo Marconi
O pioneiro do rádio italiano Guglielmo Marconi foi uma das primeiras pessoas a acreditar que as ondas de rádio poderiam ser usadas para comunicação de longa distância e, sozinho, desenvolveu os primeiros transmissores e receptores de radiotelegrafia práticos , principalmente combinando e mexendo com as invenções de outros. Começando aos 21 anos na propriedade de sua família na Itália, entre 1894 e 1901 ele conduziu uma longa série de experimentos para aumentar o alcance de transmissão dos osciladores e receptores de centelha da Hertz.
Ele foi incapaz de se comunicar além de meia milha até 1895, quando descobriu que o alcance da transmissão poderia ser aumentado muito substituindo um lado da antena dipolo Hertziana em seu transmissor e receptor por uma conexão com a Terra e o outro lado por um antena de fio longo suspensa bem acima do solo. Essas antenas funcionaram como antenas monopolo de um quarto de onda . O comprimento da antena determinava o comprimento de onda das ondas produzidas e, portanto, sua frequência. Ondas de frequência mais longas e mais baixas têm menos atenuação com a distância. Como Marconi experimentou antenas mais longas, que irradiavam ondas de frequência mais baixa, provavelmente na banda de MF em torno de 2 MHz, ele descobriu que poderia transmitir mais. Outra vantagem era que essas antenas verticais irradiavam ondas polarizadas verticalmente , em vez das ondas polarizadas horizontalmente produzidas pelas antenas horizontais da Hertz. Essas ondas mais polarizadas verticalmente poderiam viajar além do horizonte, porque se propagaram como uma onda terrestre que seguiu o contorno da Terra. Sob certas condições, eles também podem ir além do horizonte refletindo em camadas de partículas carregadas ( íons ) na atmosfera superior, mais tarde chamada de propagação de ondas celestes . Marconi não entendeu nada disso na época; ele simplesmente descobriu empiricamente que quanto mais alta sua antena vertical estivesse suspensa, mais longe ela transmitiria.
Depois de não interessar ao governo italiano, em 1896 Marconi mudou-se para a Inglaterra, onde William Preece, do General Post Office britânico, financiou seus experimentos. Marconi patenteou seu sistema de rádio em 2 de junho de 1896, frequentemente considerado a primeira patente sem fio. Em maio de 1897 ele transmitiu 14 km (8,7 milhas), em 27 de março de 1899 ele transmitiu através do Canal da Mancha , 46 km (28 milhas), no outono de 1899 ele estendeu o alcance para 136 km (85 milhas), e em janeiro de 1901 ele atingiu 315 km (196 milhas). Essas demonstrações de comunicação em código Morse sem fio a distâncias cada vez maiores convenceram o mundo de que o rádio, ou "telegrafia sem fio", como era chamada, não era apenas uma curiosidade científica, mas uma tecnologia de comunicação comercialmente útil.
Em 1897, Marconi abriu uma empresa para produzir seus sistemas de rádio, que se tornou a Marconi Wireless Telegraph Company . Seu primeiro grande contrato em 1901 foi com a seguradora Lloyd's de Londres para equipar seus navios com estações sem fio. A empresa de Marconi dominou o rádio marítimo durante a era da centelha. Inspirados por Marconi, no final da década de 1890, outros pesquisadores também começaram a desenvolver sistemas de comunicação de rádio de faísca concorrentes; Alexander Popov na Rússia, Eugène Ducretet na França, Reginald Fessenden e Lee De Forest na América, e Karl Ferdinand Braun , Adolf Slaby e Georg von Arco na Alemanha, que em 1903 formou a Telefunken Co., principal rival de Marconi.
Desvantagens
Os transmissores primitivos anteriores a 1897 não tinham circuitos ressonantes (também chamados de circuitos LC, circuitos tanque ou circuitos sintonizados), o centelhador estava na antena, que funcionava como ressonador para determinar a frequência das ondas de rádio. Eles foram chamados de transmissores "não sintonizados" ou "antena plana".
A potência média de saída desses transmissores era baixa porque, devido à sua baixa capacitância e indutância, a antena era um oscilador altamente amortecido (na terminologia moderna, tinha fator Q muito baixo ). Durante cada centelha, a energia armazenada na antena era rapidamente irradiada como ondas de rádio, de modo que as oscilações decaíam para zero rapidamente. O sinal de rádio consistia em breves pulsos de ondas de rádio, repetindo-se dezenas ou no máximo algumas centenas de vezes por segundo, separados por intervalos comparativamente longos sem saída. A energia irradiada dependia de quanta carga elétrica poderia ser armazenada na antena antes de cada faísca, que era proporcional à capacitância da antena. Para aumentar sua capacitância para o terra, as antenas foram feitas com vários fios paralelos, muitas vezes com cargas superiores capacitivas, nas antenas "harpa", "gaiola", " guarda-chuva ", "L invertido" e " T " características do "faísca" "era. A única outra maneira de aumentar a energia armazenada na antena era carregá-la até tensões muito altas. No entanto, a tensão que poderia ser usada era limitada a cerca de 100 kV pela descarga corona que causava o vazamento de carga da antena, particularmente em tempo úmido, e também perda de energia na forma de calor na centelha mais longa.
Uma desvantagem mais significativa do grande amortecimento era que as transmissões de rádio eram eletricamente "ruidosas"; eles tinham uma largura de banda muito grande . Esses transmissores não produziram ondas de uma única frequência , mas uma faixa contínua de frequências. Eles eram essencialmente fontes de ruído de rádio irradiando energia por uma grande parte do espectro de rádio , o que tornava impossível que outros transmissores fossem ouvidos. Quando vários transmissores tentaram operar na mesma área, seus sinais amplos se sobrepuseram em frequência e interferiram uns nos outros. Os receptores de rádio usados também não tinham circuitos ressonantes, então não tinham como selecionar um sinal de outros além da ampla ressonância da antena e respondiam às transmissões de todos os transmissores nas proximidades. Um exemplo desse problema de interferência foi um embaraçoso desastre público em agosto de 1901, quando Marconi, Lee De Forest e outro grupo tentaram relatar a corrida de iates de Nova York para jornais de navios com seus transmissores de faísca desafinados. As transmissões em código Morse interferiram e os repórteres em terra não conseguiram receber nenhuma informação dos sinais distorcidos.
Transmissores sintônicos
Ficou claro que para múltiplos transmissores operarem, algum sistema de "sinalização seletiva" teve que ser planejado para permitir que um receptor selecione qual sinal do transmissor receber e rejeite os outros. Em 1892, William Crookes deu uma palestra influente sobre rádio em que sugeriu o uso de ressonância (então chamada de sintonia ) para reduzir a largura de banda de transmissores e receptores. O uso de um circuito ressonante (também chamado de circuito sintonizado ou circuito tanque) em transmissores estreitaria a largura de banda do sinal irradiado, ocuparia uma faixa menor de frequências em torno de sua frequência central, de modo que os sinais dos transmissores "sintonizados" para transmitir em diferentes as frequências não se sobreporiam mais. Um receptor que tivesse seu próprio circuito ressonante poderia receber um transmissor específico "sintonizando" sua frequência ressonante com a frequência do transmissor desejado, de forma análoga à maneira como um instrumento musical poderia ser sintonizado em ressonância com outro. Este é o sistema usado em todos os rádios modernos.
Durante 1897-1900, os pesquisadores sem fio perceberam as vantagens dos sistemas "sintônicos" ou "sintonizados" e adicionaram capacitores ( potes de Leyden ) e indutores (bobinas de fio) aos transmissores e receptores, para fazer circuitos ressonantes (circuitos sintonizados ou circuitos tanque) . Oliver Lodge , que pesquisou ressonância elétrica por anos, patenteou o primeiro transmissor e receptor "sintônico" em maio de 1897. Lodge adicionou um indutor (bobina) entre os lados de suas antenas dipolo, que ressoou com a capacitância da antena para fazer um circuito sintonizado. Embora seu complicado circuito não tivesse muito uso prático, a patente "sintônica" de Lodge foi importante porque foi a primeira a propor um transmissor e receptor de rádio contendo circuitos ressonantes sintonizados em ressonância entre si. Em 1911, quando a patente foi renovada, a Marconi Company foi forçada a comprá-la para proteger seu próprio sistema sintônico contra processos de violação.
O circuito ressonante funcionava de forma análoga a um diapasão , armazenando energia elétrica oscilante, aumentando o fator Q do circuito para que as oscilações fossem menos amortecidas. Outra vantagem era que a frequência do transmissor não era mais determinada pelo comprimento da antena, mas pelo circuito ressonante, de forma que podia ser facilmente alterada por torneiras ajustáveis na bobina. A antena foi colocada em ressonância com o circuito sintonizado usando bobinas de carregamento . A energia em cada faísca e, portanto, a saída de potência, não era mais limitada pela capacitância da antena, mas pelo tamanho do capacitor no circuito ressonante. Para aumentar a potência, bancos de capacitores muito grandes foram usados. A forma que o circuito ressonante assumia nos transmissores práticos era o circuito acoplado indutivamente, descrito na próxima seção.
Transmissor de centelha indutivamente acoplado de demonstração 1909, com peças rotuladas
Receptor e transmissor de faísca acoplado indutivamente amador, 1910. O centelhador está no bulbo de vidro (centro à direita) próximo à bobina de sintonia, no topo da caixa contendo o capacitor de placa de vidro
Transmissor padrão Marconi indutivamente acoplado na nave 1902. O centelhador fica na frente da bobina de indução, inferior direito. O transformador de oscilação em espiral está na caixa de madeira na parede acima dos potes de Leyden.
Transmissor de longa distância Telefunken 25 kW construído em 1906 na Estação Transmissora de Nauen , Nauen, Alemanha, mostrando um grande banco de capacitores de 400 μF do jarro de 360 μF (traseiro) e centelhadores verticais (direita)
Acoplamento indutivo
Ao desenvolver esses transmissores sintônicos, os pesquisadores descobriram que é impossível atingir um baixo amortecimento com um único circuito ressonante. Um circuito ressonante só pode ter baixo amortecimento (Q alto, largura de banda estreita) se for um circuito "fechado", sem componentes de dissipação de energia. Mas esse circuito não produz ondas de rádio. Um circuito ressonante com uma antena que irradia ondas de rádio (um circuito sintonizado "aberto") perde energia rapidamente, proporcionando um alto amortecimento (Q baixo, largura de banda ampla). Havia uma troca fundamental entre um circuito que produzia oscilações persistentes com largura de banda estreita e um que irradiava alta potência.
A solução encontrada por vários pesquisadores foi utilizar dois circuitos ressonantes no transmissor, com suas bobinas acopladas indutivamente (magneticamente) , formando um transformador ressonante (denominado transformador de oscilação ); isso foi chamado de transmissor " indutivamente acoplado ", " circuito acoplado " ou " dois circuitos ". Veja o diagrama do circuito. O enrolamento primário do transformador de oscilação ( L1 ) com o capacitor ( C1 ) e centelha ( S ) formaram um circuito ressonante "fechado", enquanto o enrolamento secundário ( L2 ) foi conectado à antena de fio ( A ) e aterramento, formando um circuito ressonante "aberto" com a capacitância da antena ( C2 ). Ambos os circuitos foram sintonizados na mesma frequência de ressonância . A vantagem do circuito indutivamente acoplado era que o transformador "fracamente acoplado" transferia gradualmente a energia oscilante do circuito do tanque para o circuito da antena radiante, criando longas ondas de "toque". Uma segunda vantagem era que permitia o uso de uma grande capacitância primária (C1) que poderia armazenar muita energia, aumentando enormemente a potência de saída. Transmissores transoceânicos potentes geralmente tinham enormes bancos de capacitores de jarra de Leyden enchendo as salas (veja as fotos acima) . O receptor na maioria dos sistemas também usa dois circuitos acoplados indutivamente, com a antena um circuito ressonante "aberto" acoplado através de um transformador de oscilação a um circuito ressonante "fechado" contendo o detector . Um sistema de rádio com um transmissor e receptor de "dois circuitos" (acoplados indutivamente) era chamado de sistema de "quatro circuitos".
A primeira pessoa a usar circuitos ressonantes em uma aplicação de rádio foi Nikola Tesla , que inventou o transformador ressonante em 1891. Em uma palestra em St. Louis, em março de 1893, ele demonstrou um sistema sem fio que, embora fosse destinado à transmissão de energia sem fio , tinha muitos dos elementos dos sistemas de comunicação de rádio posteriores. Um transformador ressonante excitado por centelha carregado com capacitância aterrado (sua bobina de Tesla ) conectado a uma antena monopolo de fio elevado transmitiu ondas de rádio, que foram recebidas pela sala por uma antena de fio semelhante ligada a um receptor que consiste em um segundo transformador ressonante aterrado sintonizado em a frequência do transmissor, que iluminou um tubo Geissler . Este sistema, patenteado por Tesla em 2 de setembro de 1897, 4 meses após a patente "sintônica" de Lodge, era na verdade um transmissor e receptor de rádio indutivamente acoplado, o primeiro uso do sistema de "quatro circuitos" reivindicado por Marconi em sua patente de 1900 (abaixo) . No entanto, Tesla estava principalmente interessado em energia sem fio e nunca desenvolveu um sistema de comunicação de rádio prático .
Além do sistema de Tesla, sistemas de rádio indutivamente acoplados foram patenteados por Oliver Lodge em fevereiro de 1898, Karl Ferdinand Braun , em novembro de 1899, e John Stone Stone em fevereiro de 1900. Braun fez a descoberta crucial de que o baixo amortecimento exigia "acoplamento solto" (reduzido indutância mútua ) entre as bobinas primária e secundária.
Transmissor de potência indutivamente acoplado (à esquerda) patenteado em 2 de setembro de 1897
Transmissor indutivamente acoplado da Braun patenteado em 3 de novembro de 1899
Transmissor indutivamente acoplado (à esquerda) e receptor (à direita) de Stone patenteado em 8 de fevereiro de 1900
O transmissor indutivamente acoplado de Marconi patenteado em 26 de abril de 1900.
Marconi a princípio prestou pouca atenção à sintonia, mas em 1900 desenvolveu um sistema de rádio incorporando recursos desses sistemas, com um transmissor de dois circuitos e um receptor de dois circuitos, com todos os quatro circuitos sintonizados na mesma frequência, usando um transformador ressonante que ele chamou de " jigger ". Apesar das patentes anteriores acima, Marconi em sua patente de 26 de abril de 1900 "quatro circuitos" ou "sintonia mestre" em seu sistema reivindicou direitos sobre o transmissor e o receptor acoplados indutivamente. Foi concedida uma patente britânica, mas o escritório de patentes dos Estados Unidos rejeitou duas vezes sua patente por falta de originalidade. Então, em um recurso de 1904, um novo comissário de patentes reverteu a decisão e concedeu a patente, com base no estreito fundamento de que a patente de Marconi, incluindo uma bobina de carregamento de antena (J no circuito acima), fornecia os meios para sintonizar os quatro circuitos na mesma frequência, enquanto nas patentes Tesla e Stone, isso era feito ajustando o comprimento da antena. Esta patente deu a Marconi um quase monopólio da telegrafia sem fio sintônica na Inglaterra e na América. A Tesla processou a empresa de Marconi por violação de patente, mas não tinha recursos para prosseguir com a ação. Em 1943, a Suprema Corte dos Estados Unidos invalidou as reivindicações de acoplamento indutivo da patente de Marconi devido às patentes anteriores de Lodge, Tesla e Stone, mas isso veio muito depois que os transmissores de faísca se tornaram obsoletos.
O transmissor de centelha indutivamente acoplado ou "sintônico" foi o primeiro tipo que poderia se comunicar em distâncias intercontinentais, e também o primeiro que tinha largura de banda suficientemente estreita para que a interferência entre os transmissores fosse reduzida a um nível tolerável. Tornou-se o tipo dominante usado durante a era da "faísca". Uma desvantagem do transmissor acoplado indutivamente simples era que, a menos que as bobinas primária e secundária estivessem fracamente acopladas, ele irradiava em duas frequências. Isso foi remediado pelos transmissores de centelha apagada e de espaçamento rotativo (abaixo) .
Em reconhecimento às suas realizações no rádio, Marconi e Braun compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 1909 .
Primeira transmissão de rádio transatlântica
Marconi decidiu em 1900 tentar a comunicação transatlântica, o que lhe permitiria competir com cabos telegráficos submarinos . Isso exigiria um grande aumento de poder, uma aposta arriscada para sua empresa. Até então, seus pequenos transmissores de bobina de indução tinham uma potência de entrada de 100 - 200 watts, e o alcance máximo alcançado era de cerca de 150 milhas. Para construir o primeiro transmissor de alta potência, Marconi contratou um especialista em engenharia de energia elétrica, o Prof. John Ambrose Fleming, da University College de Londres, que aplicou os princípios da engenharia de energia. Fleming projetou um transmissor acoplado indutivamente complicado (ver circuito) com dois centelhadores em cascata (S1, S2) disparando em taxas diferentes e três circuitos ressonantes, alimentados por um alternador de 25 kW (D) acionado por um motor de combustão. O primeiro centelhador e circuito ressonante (S1, C1, T2) gerou a alta tensão para carregar o capacitor (C2) alimentando o segundo centelhador e o circuito ressonante (S2, C2, T3) , que gerou a saída. A taxa de faíscas era baixa, talvez tão baixa quanto 2-3 faíscas por segundo. Fleming estimou que a potência irradiada era de cerca de 10 - 12 kW.
O transmissor foi construído em segredo na costa de Poldhu , Cornwall , Reino Unido. Marconi estava com falta de tempo porque Nikola Tesla estava construindo seu próprio transmissor de radiotelegrafia transatlântica em Long Island, Nova York , em uma tentativa de ser o primeiro (esta foi a torre Wardenclyffe , que perdeu financiamento e foi abandonada sem acabamento após o sucesso de Marconi). A antena de transmissão original redonda de 400 fios de Marconi desabou em uma tempestade em 17 de setembro de 1901 e ele ergueu apressadamente uma antena temporária consistindo de 50 fios suspensos em forma de leque de um cabo entre dois postes de 160 pés. A frequência usada não é conhecida com precisão, pois Marconi não mediu comprimento de onda ou frequência, mas ficou entre 166 e 984 kHz, provavelmente em torno de 500 kHz. Ele recebeu o sinal na costa de St. John's, Newfoundland , usando um receptor coerente desafinado com uma antena de fio de 400 pés suspensa em uma pipa . Marconi anunciou que a primeira transmissão de rádio transatlântica ocorreu em 12 de dezembro de 1901, de Poldhu , Cornwall a Signal Hill, Newfoundland , uma distância de 2100 milhas (3400 km).
A conquista de Marconi recebeu publicidade mundial e foi a prova final de que o rádio era uma tecnologia de comunicação prática. A comunidade científica inicialmente duvidou do relatório de Marconi. Praticamente todos os especialistas em wireless além de Marconi acreditavam que as ondas de rádio viajavam em linha reta, então ninguém (incluindo Marconi) entendeu como as ondas conseguiram se propagar ao redor da curva de 300 milhas da Terra entre a Grã-Bretanha e a Terra Nova. Em 1902, Arthur Kennelly e Oliver Heaviside teorizaram independentemente que as ondas de rádio eram refletidas por uma camada de átomos ionizados na atmosfera superior, permitindo-lhes retornar à Terra além do horizonte. Em 1924, Edward V. Appleton demonstrou a existência dessa camada, agora chamada de " camada Kennelly-Heaviside " ou "camada E", pela qual recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1947 .
Fontes conhecedoras hoje duvidam se Marconi realmente recebeu esta transmissão. As condições ionosféricas não deveriam permitir que o sinal fosse recebido durante o dia naquela faixa. Marconi sabia que o sinal do código Morse a ser transmitido era a letra 'S' (três pontos). Ele e seu assistente podem ter confundido ruído atmosférico de rádio ("estática") em seus fones de ouvido com os cliques do transmissor. Marconi fez muitas transmissões transatlânticas subsequentes que estabelecem claramente sua prioridade, mas a comunicação transatlântica confiável não foi alcançada até 1907 com transmissores mais poderosos.
Sala de rádio do navio com transmissor de faísca extinta Telefunken de 1,5 kW
Circuito sintonizado do transmissor. (topo) lacuna extinta, transformador de oscilação (centro) , potes de Leyden
Extinguiu a lacuna da centelha do transmissor, à esquerda. A alça gira um parafuso que exerce pressão sobre a pilha de eletrodos cilíndricos, permitindo que as larguras dos intervalos sejam ajustadas.
Seção transversal da porção do centelhador extinto, consistindo em discos de metal (F) separados por finas arruelas de mica isolantes (M) para fazer múltiplos centelhadores microscópicos (S) em série
Um poderoso transmissor de faísca extinta na Austrália. Os 6 cilindros na frente dos frascos de Leyden são os centelhadores apagados.
Transmissores de faísca extinta
O transmissor acoplado indutivamente tinha uma forma de onda de saída mais complicada do que o transmissor não sintônico, devido à interação dos dois circuitos ressonantes. Os dois circuitos sintonizados magneticamente acoplados agiam como um oscilador acoplado , produzindo batidas (veja os gráficos no topo) . A energia oscilante da radiofrequência foi passada rapidamente para a frente e para trás entre os circuitos ressonantes primário e secundário enquanto a faísca continuasse. Cada vez que a energia retornava ao primário, parte se perdia na forma de calor na centelha. Além disso, a menos que o acoplamento fosse muito frouxo, as oscilações faziam com que o transmissor transmitisse em duas frequências separadas. Como a banda passante estreita do circuito ressonante do receptor só poderia ser sintonizada em uma dessas frequências, a energia irradiada na outra frequência foi desperdiçada.
Este incômodo refluxo de energia para o circuito primário poderia ser evitado extinguindo (apagando) a faísca no instante certo, depois que toda a energia dos capacitores fosse transferida para o circuito da antena. Inventores tentaram vários métodos para realizar este, tais como jactos de ar e Eliú Thomson 's ruptura magnético .
Em 1906, um novo tipo de centelha foi desenvolvido pelo físico alemão Max Wien , chamado de série ou lacuna extinta . Uma lacuna extinta consistia em uma pilha de eletrodos cilíndricos largos separados por finos anéis espaçadores de isolamento para criar muitos centelhadores estreitos em série, de cerca de 0,1–0,3 mm (0,004–0,01 pol.). A ampla área de superfície dos eletrodos encerrou a ionização na lacuna rapidamente, resfriando-a depois que a corrente parou. No transmissor acoplado indutivamente, as lacunas estreitas extinguiram ("apagaram") a faísca no primeiro ponto nodal ( Q ) quando a corrente primária momentaneamente foi a zero após toda a energia ter sido transferida para o enrolamento secundário (ver gráfico inferior) . Visto que sem a centelha nenhuma corrente poderia fluir no circuito primário, isso desacoplou efetivamente o circuito secundário do circuito primário, permitindo que o circuito ressonante secundário e a antena oscilarem completamente livres do circuito primário depois disso (até a próxima centelha). Esta potência de saída produzida centrada em uma única frequência em vez de duas frequências. Ele também eliminou a maior parte da perda de energia na faísca, produzindo ondas de "toque" longas muito ligeiramente amortecidas, com decréscimos de apenas 0,08 a 0,25 (um Q de 12-38) e, conseqüentemente, um sinal de rádio de largura de banda estreita muito "puro" . Outra vantagem foi a rápida extinção que permitiu a redução do tempo entre as faíscas, permitindo o uso de taxas de faíscas mais elevadas, em torno de 1000 Hz, que tinham um tom musical no receptor que penetrava melhor na estática do rádio. O transmissor de gap apagado foi chamado de sistema de "faísca cantante".
A gigante sem fio alemã Telefunken Co., rival de Marconi, adquiriu os direitos de patente e usou a centelha apagada em seus transmissores.
Transmissores de gap rotativos
Um segundo tipo de centelha que teve um efeito de extinção semelhante foi a "lacuna rotativa", inventada por Tesla em 1896 e aplicada a transmissores de rádio por Reginald Fessenden e outros. Consistia em vários eletrodos igualmente espaçados em torno de um rotor de disco girado em alta velocidade por um motor, que criava faíscas ao passar por um eletrodo estacionário. Usando a velocidade correta do motor, os eletrodos de separação rápida extinguiram a faísca depois que a energia foi transferida para o secundário. A roda giratória também manteve os eletrodos mais frios, importante em transmissores de alta potência.
Um centelhador rotativo típico usado em transmissores de baixa potência
Transmissor de faísca rotativa pequeno, 1918
Transmissor de centelha rotativa de 1 quilowatt, 1914.
Transmissor de gap rotativo de 100 kW da Marinha dos EUA, construído por Fessenden em 1913 em Arlington, Virgínia. Ele transmitiu em 113 kHz para a Europa e transmitiu o primeiro sinal horário de rádio dos Estados Unidos.
Havia dois tipos de transmissor de centelha rotativo:
- Não síncrono : Nos intervalos rotativos anteriores, o motor não estava sincronizado com a frequência do transformador CA, de modo que a centelha ocorria em momentos aleatórios no ciclo CA da tensão aplicada ao capacitor. O problema com isso era que o intervalo entre as faíscas não era constante. A tensão no capacitor quando um eletrodo em movimento se aproximou do eletrodo estacionário variou aleatoriamente entre zero e o pico de tensão CA. O momento exato em que a faísca começou variou dependendo do comprimento da lacuna que a faísca poderia pular, que dependia da voltagem. A variação de fase aleatória resultante de ondas amortecidas sucessivas resultou em um sinal que tinha um som de "assobio" ou "áspero" no receptor.
- Síncrono : neste tipo, inventado por Fessenden por volta de 1904, o rotor era girado por um motor síncrono em sincronismo com os ciclos da tensão CA do transformador, de forma que a centelha ocorria nos mesmos pontos da onda senoidal da tensão a cada ciclo. Normalmente ele era projetado para que houvesse uma centelha a cada meio ciclo, ajustado para que a centelha ocorresse no pico de tensão quando o capacitor estava totalmente carregado. Assim, a centelha tinha uma frequência constante igual a um múltiplo da frequência da linha CA, que criava harmônicos com a frequência da linha. Dizia-se que a lacuna síncrona produzia um tom mais musical e facilmente ouvido no receptor, que cortava melhor a interferência.
Para reduzir a interferência causada pelos sinais "ruidosos" do número crescente de transmissores de faísca, o "Act to Regulate Radio Communication" de 1912 do Congresso dos EUA exigia que " o decréscimo logarítmico por oscilação nos trens de ondas emitidos pelo transmissor não excedesse dois décimos "(isso é equivalente a um fator Q de 15 ou maior). Praticamente os únicos transmissores de faísca que poderiam satisfazer essa condição eram os tipos de centelha apagada e lacuna rotativa acima, e eles dominaram a telegrafia sem fio pelo resto da era da centelha.
Sistema de centelha cronometrada de Marconi
Em 1912, em suas usinas de alta potência, Marconi desenvolveu um refinamento do descarregador rotativo denominado sistema de "centelha cronometrada", que gerava o que provavelmente era o mais próximo de uma onda contínua que as faíscas podiam produzir. Ele usou vários circuitos ressonantes idênticos em paralelo, com os capacitores carregados por um dínamo DC . Estes foram descarregados sequencialmente por várias rodas de descarga rotativas no mesmo eixo para criar ondas amortecidas sobrepostas deslocadas progressivamente no tempo, que foram adicionadas no transformador de oscilação de forma que a saída fosse uma sobreposição de ondas amortecidas. A velocidade da roda do descarregador foi controlada de forma que o tempo entre as faíscas fosse igual a um múltiplo inteiro do período da onda. Portanto, as oscilações dos sucessivos trens de ondas estavam em fase e reforçavam-se mutuamente. O resultado foi essencialmente uma onda sinusoidal contínua, cuja amplitude variava com uma ondulação na taxa de ignição. Esse sistema foi necessário para dar às estações transoceânicas de Marconi uma largura de banda estreita o suficiente para que não interferissem com outros transmissores na banda estreita de VLF . Os transmissores de faísca cronometrados alcançaram o maior alcance de transmissão de todos os transmissores de faísca, mas esses gigantes representaram o fim da tecnologia de faísca.
A era da "faísca"
A primeira aplicação do rádio foi em navios, para manter contato com a costa e enviar um pedido de socorro se o navio estivesse afundando. A Marconi Company construiu uma série de estações costeiras e em 1904 estabeleceu a primeira chamada de socorro em código Morse, as letras CQD , usadas até a Segunda Convenção Radiotelegráfica Internacional em 1906, na qual o SOS foi acordado. O primeiro salvamento marítimo significativo devido à radiotelegrafia foi o naufrágio em 23 de janeiro de 1909 do luxuoso transatlântico RMS Republic , no qual 1.500 pessoas foram salvas.
| Frequências de rádio usadas por transmissores de faísca durante a era da telegrafia sem fio | |||
|---|---|---|---|
| Usos | Frequência (quilohertz) |
Comprimento de onda (metros) |
Faixa de potência típica (kW) |
| Amador | > 1500 | <200 | 0,25 - 0,5 |
| Navios | 500, 660, 1000 | 600, 450, 300 | 1 - 10 |
| Marinha | 187,5 - 500 | 1600 - 600 | 5 - 20 |
| Estações terrestres de tamanho moderado | 187,5 - 333 | 1600 - 900 | 5 - 20 |
| Estações transoceânicas | 15 - 187,5 | 20.000 - 1.600 | 20 - 500 |
Os transmissores de faísca e os receptores de cristal usados para recebê-los eram simples o suficiente para serem amplamente construídos por amadores. Durante as primeiras décadas do século 20, esse novo e excitante hobby de alta tecnologia atraiu uma comunidade crescente de " rádios amadores ", muitos deles adolescentes, que usavam seus aparelhos caseiros para entrar em contato com amadores distantes e conversar com eles em código Morse e retransmissão mensagens. Transmissores de baixa potência amadores ( "caixas squeak") foram construídas muitas vezes com " Trembler " bobinas de ignição de automóveis adiantados tais como o Ford Modelo T . Nos Estados Unidos, antes de 1912, não havia regulamentação governamental para o rádio, e prevalecia uma atmosfera caótica de "oeste selvagem", com estações transmitindo sem levar em conta as outras estações em sua frequência e interferindo deliberadamente umas nas outras. A expansão do número de transmissores de faísca de banda larga não sintônica criou um congestionamento descontrolado nas ondas de rádio, interferindo em estações sem fio comerciais e militares.
O naufrágio do RMS Titanic em 14 de abril de 1912 aumentou a apreciação do público pelo papel do rádio, mas a perda de vidas chamou a atenção para o estado desorganizado da nova indústria do rádio e gerou regulamentação que corrigiu alguns abusos. Embora o Titanic do operador de rádio CQD chamadas de socorro convocou o RMS Carpathia que resgatou 705 sobreviventes, a operação de resgate foi adiado quatro horas porque o navio mais próximo, o SS Californian , apenas algumas milhas de distância, não ouvir o Titanic ' chamada s como seu rádio operador tinha ido para a cama. Este foi considerado responsável pela maioria das 1.500 mortes. Os regulamentos internacionais existentes exigiam que todos os navios com mais de 50 passageiros transportassem equipamento sem fio, mas após o desastre os regulamentos subsequentes determinaram que os navios tivessem oficiais de rádio em número suficiente para que uma vigilância por rádio 24 horas pudesse ser mantida. Na Lei de Rádio dos EUA de 1912, as licenças eram exigidas para todos os transmissores de rádio, o amortecimento máximo dos transmissores era limitado a um decréscimo de 0,2 para tirar antigos transmissores não-sintônicos ruidosos do ar, e os amadores eram principalmente restritos às frequências não utilizadas acima de 1,5 MHz .
Os maiores transmissores de faísca eram poderosas estações de radiotelegrafia transoceânica com potência de entrada de 100 - 300 kW. Começando por volta de 1910, os países industrializados construíram redes globais dessas estações para trocar o tráfego de telegramas diplomáticos e comerciais com outros países e se comunicar com suas colônias ultramarinas. Durante a Primeira Guerra Mundial , a radiotelegrafia de longa distância tornou-se uma tecnologia defensiva estratégica, pois se percebeu que uma nação sem rádio poderia ser isolada por um inimigo cortando seus cabos telegráficos submarinos . A maioria dessas redes foi construída pelas duas gigantescas corporações sem fio da época: a British Marconi Company , que construiu a Imperial Wireless Chain para ligar as possessões do Império Britânico , e a German Telefunken Co., que dominava fora do Império Britânico. Os transmissores Marconi usaram o descarregador rotativo de centelha cronometrada, enquanto os transmissores Telefunken usaram sua tecnologia de centelha apagada. Máquinas de fita de papel foram usadas para transmitir texto em código Morse em alta velocidade. Para atingir um alcance máximo de cerca de 3.000 - 6.000 milhas, as estações transoceânicas transmitiam principalmente na banda de frequência muito baixa (VLF), de 50 kHz a 15 - 20 kHz. Nesses comprimentos de onda, mesmo as maiores antenas eram eletricamente curtas , uma pequena fração de um comprimento de onda de altura e, portanto, tinham baixa resistência à radiação (muitas vezes abaixo de 1 ohm), então esses transmissores exigiam um guarda - chuva de fio enorme e antenas planas de até vários quilômetros de comprimento com grande capacidade capacitiva cargas superiores, para alcançar a eficiência adequada. A antena exigia uma grande bobina de carga na base, de 6 a 10 pés de altura, para torná-la ressonante com o transmissor.
O oscilador de abertura de faísca também foi usado em aplicações não de rádio, continuando muito depois de se tornar obsoleto no rádio. Na forma da bobina de Tesla e da bobina de Oudin , foi usada até a década de 1940 no campo médico da diatermia para aquecimento corporal profundo. Altas tensões oscilantes de centenas de milhares de volts em frequências de 0,1 - 1 MHz de uma bobina de Tesla foram aplicadas diretamente no corpo do paciente. O tratamento não foi doloroso, porque correntes na faixa de radiofrequência não causam a reação fisiológica de choque elétrico . Em 1926, William T. Bovie descobriu que as correntes de RF aplicadas a um bisturi podiam cortar e cauterizar o tecido em operações médicas, e os osciladores de faísca eram usados como geradores de eletrocirurgia ou "Bovies" ainda na década de 1980.
Ondas contínuas
Embora seu amortecimento tenha sido reduzido o máximo possível, os transmissores de faísca ainda produziam ondas amortecidas , que devido à sua grande largura de banda causavam interferência entre os transmissores. A faísca também fez um ruído muito alto durante a operação, produziu gás ozônio corrosivo , corroeu os eletrodos da faísca e pode ser um risco de incêndio. Apesar de suas desvantagens, a maioria dos especialistas em wireless acreditava, junto com Marconi, que o "whipcrack" impulsivo de uma faísca era necessário para produzir ondas de rádio que se comunicariam por longas distâncias.
Desde o início, os físicos sabiam que outro tipo de forma de onda, ondas sinusoidais contínuas (CW), tinha vantagens teóricas sobre ondas amortecidas para transmissão de rádio. Como sua energia é essencialmente concentrada em uma única frequência, além de causar quase nenhuma interferência em outros transmissores em frequências adjacentes, os transmissores de onda contínua podem transmitir distâncias mais longas com uma determinada potência de saída. Eles também podem ser modulados com um sinal de áudio para transportar o som. O problema era que nenhuma técnica era conhecida para gerá-los. Os esforços descritos acima para reduzir o amortecimento dos transmissores de faísca podem ser vistos como tentativas de fazer sua saída se aproximar do ideal de uma onda contínua, mas os transmissores de faísca não poderiam produzir ondas contínuas verdadeiras.
Começando por volta de 1904, os transmissores de onda contínua foram desenvolvidos usando novos princípios, que competiam com os transmissores de faísca. As ondas contínuas foram geradas primeiro por duas tecnologias de curta duração:
- O transmissor conversor de arco (arco de Poulsen), inventado por Valdemar Poulsen em 1904, usava a resistência negativa de um arco elétrico contínuo em uma atmosfera de hidrogênio para excitar oscilações em um circuito ressonante .
- O transmissor do alternador Alexanderson , desenvolvido entre 1906 e 1915 por Reginald Fessenden e Ernst Alexanderson , era um enorme gerador rotativo de corrente alternada ( alternador ) acionado por um motor elétrico a uma velocidade alta o suficiente para produzir corrente de radiofrequência na faixa de frequência muito baixa .
Esses transmissores, que poderiam produzir saídas de potência de até um megawatt , lentamente substituíram o transmissor de faísca em estações de radiotelegrafia de alta potência. No entanto, os transmissores de faísca permaneceram populares em estações de comunicação bidirecional porque a maioria dos transmissores de onda contínua não era capaz de um modo denominado operação de "interrupção" ou "escuta". Com um transmissor de faísca, quando a chave do telégrafo estava entre os símbolos de Morse, a onda portadora era desligada e o receptor ligado, para que o operador pudesse ouvir uma mensagem recebida. Isso permitiu que a estação receptora, ou uma terceira estação, interrompesse ou "interrompesse" uma transmissão em andamento. Em contraste, esses primeiros transmissores CW tinham que operar continuamente; a onda portadora não foi desligada entre os símbolos do código Morse, palavras ou frases, mas apenas desafinada, de forma que um receptor local não poderia operar enquanto o transmissor estivesse ligado. Portanto, essas estações não podiam receber mensagens até que o transmissor fosse desligado.
Obsolescência
Todas essas tecnologias iniciais foram substituídas pelo oscilador eletrônico de feedback de tubo de vácuo , inventado em 1912 por Edwin Armstrong e Alexander Meissner , que usava o tubo de vácuo triodo inventado em 1906 por Lee De Forest . Os osciladores de tubo de vácuo eram uma fonte muito mais barata de ondas contínuas e podiam ser facilmente modulados para transportar som. Devido ao desenvolvimento dos primeiros tubos transmissores de alta potência no final da Primeira Guerra Mundial, na década de 1920 os transmissores de tubo substituíram o conversor de arco e os transmissores do alternador, bem como o último dos antigos transmissores de faísca barulhentos.
A Convenção Internacional de Radiotelégrafo de 1927 em Washington, DC viu uma batalha política para finalmente eliminar o rádio de faísca. Os transmissores de faísca estavam obsoletos há muito tempo, e as audiências de rádio e as autoridades da aviação reclamaram da interrupção da recepção de rádio que os barulhentos transmissores marinhos de faísca estavam causando. Mas os interesses da navegação lutaram vigorosamente contra uma proibição geral de ondas amortecidas, devido ao dispêndio de capital que seria necessário para substituir o antigo equipamento de faísca que ainda estava sendo usado em navios mais antigos. A Convenção proibiu o licenciamento de novos transmissores de faísca terrestre após 1929. A emissão de rádio por ondas amortecidas, chamada Classe B, foi proibida após 1934, exceto para uso de emergência em navios. Essa brecha permitiu aos armadores evitar a substituição dos transmissores de faísca, que foram mantidos como transmissores de backup de emergência em navios durante a Segunda Guerra Mundial.
Legado
Um legado dos transmissores de centelha é que os operadores de rádio eram regularmente apelidados de "Sparky" muito depois de os dispositivos terem deixado de ser usados. Ainda hoje, o verbo alemão funken , literalmente, "acender", também significa "enviar uma mensagem de rádio".
Na década de 1950, uma empresa de brinquedos japonesa, a Matsudaya, produziu uma linha de caminhões, barcos e robôs de brinquedo com controle remoto baratos , chamada Radicon, que usava um transmissor de faísca de baixa potência no controlador como uma forma barata de produzir os sinais de controle de rádio. Os sinais foram recebidos no brinquedo por um receptor coerente .
Os osciladores de centelhagem ainda são usados para gerar alta tensão de alta frequência necessária para iniciar arcos de soldagem na soldagem a arco de gás tungstênio . Potentes geradores de pulso de centelhagem ainda são usados para simular EMPs .
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Morecroft, John Harold (1921). "Spark Telegraphy" . Princípios de Radiocomunicação . Nova York: Wiley. pp. 275-363 . Recuperado em 12 de setembro de 2015 .
- Zenneck, Jonathan (1915). Telegrafia sem fio . Traduzido por Alfred E. Seelig. Nova York: McGraw-Hill Book Company . Recuperado em 14 de setembro de 2015 .
links externos
- Alternador, arco e faísca
- Fessenden e a História da Rádio Ciência
- Breve história da faísca
- Massie Spark Transmitter O novo England Wireless and Steam Museum
- "Os sons de um transmissor de faísca com áudio" . Arquivado do original em 18 de julho de 2011.
- The Sparks Telegraph Key Review
- Tecnologia de rádio em uso comum por volta de 1914
- Histórico e operação do transmissor de centelhagem