ISSN 0351-6652 Letnik 28 (2000/2001) Številka 4 Strani 226-233
Janez Strnad: STO LET RADIA
Ključne besede: fizika, električno nihanje, Heinrich Hertz, Guglielmo Marconi, radijski valovi, radiotelegraf, radio.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/28/1445-Strnad.pdf
© 2001 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije © 2010 DMFA - založništvo
STO LET RADIA
Leta 2000 je Lilo liekaj pomembnih fizikalnih, obletnic. Najpomembnejša je stoletnica Planckove zamisli o energijskih kvantih, ki je uvedla kvantno fiziko in pozneje pripeljala do kvantne mehanike. V njeni senci je ostala stoletnica radia. Za to je nekaj razlogov. Začetka ra.dia ni mogoče povezati z določenim datumom, kot je 14. december 1900, ko je Planck svojo zamisel razkril na zasedanju berlinske podružnice Nemškega fizikalnega društva. Poleg tega radio ni pripeljal do novih osnovnih spoznanj v fiziki. Je pa radio tako močno vplival na naše življenje, da je vredno na kratko osvetliti njegove začetke.
Prve začetke lahko vidimo v raziskovanju električnega nihanja. William Hyde Wollaston je leta 18.01, torej pred dvesto leti, učinek toka, ki ga je po sklenjenem električnem krogu pognala Voltova baterija, primerjal z učinkom kratkotrajnega toka, ko je po enakem krogu izpraznil naelektreno leidensko steklenico - tedanji kondezator. Pri elektrolizi vode je opazil, da se je v drugem primeru na eni in na drugi elektrodi nabrala mešanica vodika in kisika. Po tem je sklepal, da je tok ubral zdaj eno zdaj drugo smer, Joseph Henry je leta 1842 opazoval indukcijo pri praznjenju Ieidenske steklenice in po nihanju magnetnice ob krogu sklepal, da je "glavnemu toku v eni smeri sledilo nekaj odbitih tokov nazaj in naprej, šibkejših od prejšnjih''. Hermann von Heimholt z je leta 1847 pribil, da se pri praznjenju kondenzatorja pojavi lok v eno in drugo stran kot "nihanje, ki postaja vse šibkejše". Po letu 1853 je lord Kelvin za nihajni krog iz kondenzatorja s kapaciteto C in tuljave z induktivnostjo L izpeljal frekvenco v — 1/2n{LCy/2. Beirrend Willhelm Feddersen je okoli let,a "i860 z osciloskopom na. vrteče se zrcalo opazoval časovni potek isker pri praznjenju kondenzatorja. Vodnik v nihajnem krogu so prekinili in krajišči oblikovali v konici. Z mikrometrskim vijakom so uravnavali razmik med konicama in opazovali iskre med njima.
Helmholtz je uporabil nihajni krog s tuljavo z razmeroma veliko induktivnostjo in kondenzator z majhno kapaciteto. Poskuse je leta 1885 povzel njegov nekdanji asistent Heinrich Ilertz. Nihanje v nihajnem krogu z iskriščem je zaznaval tako. da mu je približal drug nihajni krog v obliki ovoja z iskriščem. Z mikrometrskim vijakom je spreminjal razmik ined konicama v sprejemnem krogu in z največjim razmikom, pri katerem so še preskakovale iskre, ocenil, kako močno je nihanje. Ugotovil je, da so bile iskre daljše, če je oddajnemu krogu dodal ravno žico s kovinskama telesoma na krajiščih kot oddajno anteno. Največja dolžina isker v iskrišču se je spreminjala, ko je spreminjal obseg sprejemnega nihajnega kroga.
Tako je opazoval resonanco električnega nihanja v sprejemnem krogu z nihanjem v oddajnem krogu.
S prilagajanjem naprav in okoliščin pri poskusili je dosegel, da je vpliv nihanja v oddajnem krogu segel do sprejemnega kroga v oddaljenosti več kot deset metrov. Proti koncu leta 1887 je naredil poskus, pri katerem so st1 valovi odbili na pločevini in je nastalo stoječe valovanje. To valovanje je otipal s sprejemnim krogom in tioločil valovno dolžino 9,6 metra. Tako je odkril radijske valove. Novo vrsto poskusov je naredil z valovi z valovno dolžino 66 centimetrov. V goriščno črto v parabolični valj zvite pločevine je postavil oddajno anteno in dobil vzporeden curek valovanja. Z njim je opazoval odboj, lom in pojave, značilne za valovanje. O Hertzevih poskusili in o njihovem pomenu pri uveljavljanju Maxwellove elektrodinamike je poročal članek Ob stoletnici smrti Heinricha Hcrt.za, Presek 21 (1993/94) 226.
Zdaj gre za drugo posledico Hertzevih poskusov, ki so jih kmalu ponovili Oliver Lodge v Angliji, Augusto Righi v Italiji, Aleksandr Popov v Rusiji in Eduard Branly v Franciji. Spočetka nihče ni pomislil na to, da bi lahko radijske valove uporabil za prenašanje sporočil na. daljavo. To se danes zdi nenavadno, ker seje več raziskovalcev ukvarjalo z žičnim telegrafom in telefonom. George Fitzgerald je celo zapisal, da ni mogoče ■'povzročiti z električnimi silami valovne motnje v etru". Tudi Hertz naj bi na vprašanje iniinchenskega inženirja odgovoril, da njegovih valov ne bo mogoče izkoristiti za prenašanje sporočil. Ni jasno, ali je tako mislil zaradi velike razlike med frekvenco radijskih valov in frekvenco zvoka ali zaradi močnega dušenja električnega nihanja. Med prvimi je William Crookes leta 1892 omenil možnost, da bi z radijskimi valovi prenašali sporočila z Morsovimi znaki.
Zaznavanje valov z opazovanjem isker v sprejemnem krogu v odvisnosti od razdalje med konicama je bilo zamudno in nenatančno. Ze nekaj časa so vedeli, da se upor kovinskega pr;iška ali opilkov na izolatorski ploščici ali v stekleni cevki izrazito zmanjša, ko v bližini izpraznijo kondenzator. Pojav je podrobneje obdelal Branly, ki je leta 1890 zapisal: 1LCe sestavimo krog iz Daniellovega člena, občutljivega galvanometra, kovinskega vodnika in ebonitne ploščice z na,nesenimi bakrenimi opilki ali cevke z opilki, je tok večinoma zanemarljivo majhen. Upor pa se sunkovito zmanjša, kar opazimo po velikem odklonu galvanometra, če blizu kroga povzročimo eno ali več razelektritev." Pri poskusih je uporabil opilke iz železa, aluminija, kadmija, antimona, cinka in bizmuta. Štiri leta pozneje je objavil še eno razpravo, ne da bi pojav povezal z radijskimi valovi. To je tega leta storil Lodge, ki je uvedel kovinske opilke v stekleni cevki kot nekakšen ojačevalnik. Imenoval ga je koherer in menil, da je precej
pripravnejši od iskrišča. Pojava pozneje niso podrobneje raziskali, ker so koherer po petih letih nehali uporabljati in je danes popolnoma pozabljen. Kovinski koščki se v električnim polju delno uredijo, tako da se poveča, površina, na kateri se med seboj dotikajo, in se zaradi tega zmanjša upor.
Po Hertzevi smrti leta 1894 je o njegovih poskusih bral Guglielmo Marconi, ki je pozneje zapisal: "Zazdelo se mi je, da bi bilo mogoče pošiljati sporočila preko znatnih razdalj, če bi sevanje ojačili, razvili in nadzorovali. Moja glavna težava je bila v tem, da je bila zamisel v svoji logiki tako preprosta. Težko sem verjel, da je ni uresničil že kdo drug. Mislil sem, da je veliko zrelih znanstvenikov sledilo istemu razmišljanju in prišlo do skoraj podobnih sklepov. Že spočetka se mi je zazdela tako resnična, da nisem mogel dojeti, daje za druge popolnoma fantastična.11
Marconi je v Bologni leta 1895 ponovil Hertzeve poskuse in ugotovil, da bo s Hertzevimi valovi mogoče prenašati sporočila in da se bodo ti valovi obnesli veliko bolje od svetlobnih signalov. Uporabil je izpopolnjeni koherer, v katerem je med srebrni elektrodi v stekleni cevki dal nikljeve in srebrove opilke (slika 1). Izkoristil je resonanco med oddajnim ter sprejemnim nihajnim krogom in prenašal sporočila na razdaljo poldrugega kilometra. Koherer je vključil v krog z Voltovo baterijo in občutljivim telegrafskim relejem, ki je v drugem krogu sprožil magnet v pisalniku ali zvonec. Za krajši ali daljši čas je sklenil tipkalno stikalo v oddajnem krogu in tako povzročil, da je oddajnik oddajal sunke radijskih valov krajši ali daljši čas. Tako je dobil pike in črtice (slika 2).
Slika 1. Marconi je v koherer je imel v stekleni cevi med srebrnima elektrodama (osenčeno) srebrove in nikljeve opilke. Koherer je deloval kot nekakšen ojačevalnik: ko so skozenj speljali visokofrekvenčni tok iz sprejemne antene, se mu je zmanjšal npor, tako da se je povečal tok.
Postopno je uvedel še druge izboljšave. Ozemljil je eno krajišče oddajnega kroga in drugo krajišče priključil na visoko oddajno anteno, v katero je vezal kovinsko telo s čim večjo kapaciteto (slika 3). Z dva metra visoko anteno s kositrno kocko z robom 30 centimetrov je dosegel razdaljo
(pika)
(črtica)
Slika 2. Z radijskimi valovi so prenašali Morsove znake. Oddajna postaja je oddajala kratkotrajne sunke radijskih vaiov ali pa jih ni oddajala. Sunke so sestavili v pike ■
ali črte - in i?, njih ohlikovali črke, na primer S ■ ■ ■ in O---. Poziv na pomoč
se je na primer glasil SOS: ...---... (shematično). - Pred sto leti je
Marconi kot prvo sporočilo s cornvvallske obale preko Atlantika na Novo Fundlandijo prenesel znak za črko S,
B —
i777777777?.! //.////7777/777.V, V/, •..■/!•>. JLj ',7'/?
i, L,'.-
w
Slika Oddajni (levo) in sprejemni (desno) krog G. Marconija iz leta	navpični
anteni s kovinskim telesom s čim večjo kapaciteto (osenčeno) A, steber M, induktor I, baterija B. stikalo s tipko K, iskrišče S, ozemljitev E, koherer T, tuljava CC, galvanski Člen G. Induktor je nekakšen transformator, pri katerem enosmerni tok na primarni strani prekinjamo in dobimo na sekundarni strani sunke visoke napetosti. Dandanes za vsako postajo kot značilen podatek navedemo valovno dolžino, spočetka pa to ni bilo v navadi.
30 metrov, s štiri metrsko anteno razdaljo 100 metrov in z osem metrsko anteno razdaljo 400 metrov, Če je uporabil kositrno kocko z robom en motor pa celo 2400 metrov. Leta 1896 je prenašal sporočila lia razdaljo 2800 metrov in je napravo patentiral. Uvidel je, da v Italiji nima dovolj možnosti za razvoj in se je preselil v Anglijo. Tam je leta 1897 prenašal sporočila najprej na razdaljo več kot šest, kilometrov in na,to še na. razdaljo 14 kilometrov.
Rusi zatrjujejo, da je Popov že pred Marconijem leta 1895 predaval o možnosti radijskega prenosa. Naslednje leto je tak prenos demonstriral na zasedanju ruskega fiziko-kemijskega društva med kemijsko in fizikalno predavalnico univerze v Peterburgu na razdalji 2-50 metrov. Pri tem je uporabil navpični žici kot, oddajno in sprejemno ansteno. Naslednje leto naj bi prenašal sporočila med ladjama v oddaljenosti pet kilometrov. Leta 1899 so na ta način prenesli sporočilo na razdaljo 43 kilometrov pri reševanju skupine ribičev v Baltiku. Italijani poudarjajo zasluge Righija, ki je meril z valovi z valovno dolžino 10,6 in pozneje 7,5 centimetra. Pri razvoju radia je sodeloval tudi Nikola Tesla., ki je neodvisno od Popova uporabil navpično žico kot anteno, uvedel anteno s polovično valovno dolžino, predlagal dvojni nihajni krog v oddajniku in sprejemniku ter leta 1898 na daljavo krmaril ladjico. Izumil je Teslov transformator z iskriščem, s katerim je delal poskuse z visokofrekvenčnim tokom in pokazal, da človeku ne škodi. Zamislil si je celo, da bi z radijskimi valovi namesto z daljnovodom - prenašal električno energijo. Poskusi pa niso dali zaželenih rezultatov in jih je moral pozneje zaradi pomanjkanja denarja opustiti.
Nekateri so menili, da Marconi v resnici ni odkril nič novega, in se je le okoristil z delom drugih. To je bilo slišati posebno leta 1909, ko si je delil Nobelovo nagrado za fiziko s Ferdinandom Braunom, odkriteljem katodne cevi. Marconi je v Nobelovem predavanju priznal, da ni nikoli študiral fizike ali elektrotehnike in da je poslušal samo en tečaj fizike, da pa je zasledoval delo Hertza, Righija in Branlyja. Nepristranski opazovalec je tedaj zapisal, "da bi se brez Marconijeve zagnanosti, zmožnosti in podjetnosti radio ne mogel komercialno uveljaviti, ne bi prekril Zemlje s svojimi postajami in ne bi dosegel vpliva, ki ga ima".
Od leta 1898 Marconi ni vezal kohererja med anteno in zemljo, ampak v sekundarno tuljavo transformatorja, katerega primarna tuljava je bila priključena med sprejemno anteno in zemljo. Tako je bolje izkoristil resonanco in dosegel, da je sprejemna antena z uglašenim nihajnim krogom sporočilo sprejela, druge sprejemne antene z neuglašenim krogom pa sporočila niso zaznale. Po številnih poskusih v Italiji in Angliji je Marconi leta 1899 prenašal sporočila že na razdaljo 64 kilometrov med
Fizika
231
Anglijo in Francijo. Se naprej je izpopolnjeval naprave. Leta 1899 je povečal kapaciteto oddajnih anten tako, da je ob njih napel ozcmljene prevodnike in zaporedno z njimi veza! tuljave (slika 4a). Marconi je pač na vse načine poskušal povečati doseg svojega oddajnika. Med temi načini so bili tudi taki, ki se morda danes zdijo nekoliko nenavadni. Podobno so ravnali tudi drugi, npr. Braun. Marconi je zmanjšal še dušenje v nihajnem kroga in tako bolje izkoristil resonanco. Nihajnemu krogu z močnim dušenjem namreč ustreza široka resonančna krivulja, krogu z manjšim dušenjem pa ožja. V krogih z manjšim dušenjem je tako resonanca postala pomembnejša. Z manj dušenim nihajnim krogom je bilo mogoče zaznati valove na večji razdalji. Na isto oddajno anteno je priključil več različno uglašenih nihajnih krogov. Marconijeva naprava je leta 1900 imela toliko novosti, da jo je znova patentiral (sliki 4b),
(a)
(b)
O
o
o o o

wmr
-t—
-CED-
n	E
7TTTfflnTi
Slika 4. V Marconijevem sprejemnem krogu iz leta 1898 je hila antena A preko primarne tuljave transformatorja j1 priključena na zemljo E, sekundama tuljava ¡ž pa je bila vključena v nihajni krog s kohererjem in kondenzatorje m (a). Oddajnik iz leta 1900 je vseboval krog z baterijo a, stikalo s tipko b in primarno tnljavo c. Baterija je pognala tok po krogu, ko so sklenili stikalo. Drugi krog je vseboval sekundarno tuljavo, is k r išče B, kondenzator e in še tuljavo d, ki je bila induktivno sklopljena s tuljavo v oddajni anteni A (b).
Pri prenašanju sporočil na zelo veliko oddaljenost so pričakovali nekaj težav, od katerih pa se nekatere sploh niso pojavile. Tako npr. ukrivljenost zemeljskega površja ni motila. Na začetku leta 1901 je Marconi prenašal
sporočila med krajema na angleški obali v oddaljenosti 300 kilometrov, čeprav anteni nista bili višji od 100 metrov. Zaradi ukrivljenosti površja se je med njima pojavila 1B00 metrov visoka ovira, ki pa radijskih valov ni zmotila. Potovali so ob zemeljskem površju. Proti koncu leta 1901, torej pred sto leti, je prvič prenašal sporočila čez Atlantik. Oddajna antena na angleški obali je vsebovala veliko žic, ki so bile napete pahljačasto med zgradbo in 00 metrov dolgim vodoravnim nosilcem v višini 48 metrov (slika 5a). Dotlej je uporabljal v oddajniku razmeroma majhno električno moč, zdaj pa je moč dosegla 25 kW. Sprejemna postaja je bila na obali Nove Fundlandije. Naslednje leto je iz iste oddajne postaje prenašal sporočila do angleške raziskovalne ladje, ki je plula proti ameriški obali. Pri tem seje pokazalo, daje ponoči prenos precej manj moten kot podnevi. Motnje so se pojavile tudi zvečer in zjutraj, ko so radijski valovi prešli iz osvetljenega dela zemeljskega površja v neosvetljeni del ali obratno. Marconi je to pripisal toku naelekt.renih delcev s Sonca. Naslednje leto je ponovil poskuse med omenjeno oddajno postajo in križarko, ki mu jo je dal na voljo italijanski kralj. Tega leta so izmenjali prve uradne brzojavke čez Atlantik. Spomladi 1903 je londonski Times začel vsak dan objavljati novice, ki jih je po radiu dobil iz ZDA. Tedaj so že zgradili oddajne in sprejemne antene z več stolpi (slika 5) in antene, ki so oddajale v eni smeri močneje kot v drugih.
Slika 5. Oddajna antena v Poldhuju na cornwaUski obali Anglije, s katero so leta tiSDl prvič prenesti sporočilo z radj sk i mi valovi preko Atlantika do postaje na Novi Fnndlandiji (a), in fotografija ene od poznejših anten s štirimi stolpi (b).
Beseda radio se je uveljavila šele med letoma 1910 in 1915 kot okrajšava za radiotelegraf. Ne gre pozabiti, da so vse opisane naprave oddajale sporočila le v Morsovi abecedi. To so bile predhodnice radia, ki prenaša govor in glasbo in katerega razvoj bo opisal prispevek v naslednji številki. Do danes je veliko naprav, ki so jih nekdaj uporabljali pri radijskem prenosu, zatonilo v pozabo. Glavna zamisel pa se je razvijala dalje in se tako razvila, da si je življenje brez radia težko zamisliti.
Janez Strnad