Spark -gap -sender - Spark-gap transmitter

Induktivt koblet gnistgapssender med lav effekt utstilt i Electric Museum, Frastanz , Østerrike. Gnistgapet er inne i esken med det transparente dekselet øverst i midten.

En gnistgapssender er en foreldet type radiosender som genererer radiobølger ved hjelp av en elektrisk gnist . Spark-gap-sendere var den første typen radiosendere, og var hovedtypen som ble brukt under den trådløse telegrafi- eller "gnist" -tiden, de tre første tiårene med radio , fra 1887 til slutten av første verdenskrig . Den tyske fysikeren Heinrich Hertz bygde de første eksperimentelle gnistgapssenderne i 1887, som han beviste eksistensen av radiobølger og studerte deres egenskaper.

En grunnleggende begrensning for gnistgapssendere er at de genererer en serie korte forbigående pulser av radiobølger som kalles dempede bølger ; de klarer ikke å produsere de kontinuerlige bølgene som brukes til å transportere lyd (lyd) i moderne AM- eller FM -radiosending. Så gnistgap-sendere kunne ikke overføre lyd, og i stedet overføre informasjon med radiotelegrafi ; operatøren slo på og av senderen med en telegrafnøkkel , og skapte pulser av radiobølger for å stave tekstmeldinger i morsekode .

De første praktiske gnistgapssenderne og mottakerne for radiotelegrafi-kommunikasjon ble utviklet av Guglielmo Marconi rundt 1896. En av de første bruksområdene for gnistgapssendere var på skip, for å kommunisere med land og kringkaste et nødanrop hvis skipet synket. De spilte en avgjørende rolle i maritime redninger som 1912 RMS Titanic -katastrofen. Etter første verdenskrig ble det utviklet vakuumrørsendere , som var billigere og produserte kontinuerlige bølger som hadde større rekkevidde, produserte mindre forstyrrelser og også kunne bære lyd, noe som gjorde gnistsendere foreldet innen 1920. Radiosignalene produsert av gnistgapssendere er elektrisk "støyende"; de har en bred båndbredde , og skaper radiofrekvensinterferens (RFI) som kan forstyrre andre radiooverføringer. Denne typen radioutslipp har vært forbudt etter internasjonal lov siden 1934.

Operasjonsteori

Elektromagnetiske bølger utstråles av elektriske ladninger når de akselereres . Radiobølger , elektromagnetiske bølger med radiofrekvens , kan genereres av tidsvarierende elektriske strømmer , bestående av elektroner som strømmer gjennom en leder som plutselig endrer hastigheten og dermed akselererer.

En kapasitans som ble utladet gjennom en elektrisk gnist over et gnistgap mellom to ledere var den første enheten som er kjent som kan generere radiobølger. Gnisten i seg selv produserer ikke radiobølgene, den tjener bare til å stimulere resonante radiofrekvente oscillerende elektriske strømmer i lederne i den vedlagte kretsen. Lederne utstråler energien i denne oscillerende strømmen som radiobølger.

På grunn av kretsledernes iboende induktans er utladningen av en kondensator gjennom en lav nok motstand (for eksempel en gnist) oscillerende ; ladningen flyter raskt frem og tilbake gjennom gnistgapet i en kort periode og lader lederne på hver side vekselvis positivt og negativt, til svingningene dør bort.

Billeddiagram over en enkel gnistgapssender fra en hobbybok for gutter fra 1917, som viser eksempler på de tidlige elektroniske komponentene som ble brukt. Det er typisk for lavstrømssenderne som er bygget av tusenvis av amatører i denne perioden for å utforske den spennende nye teknologien til radio.

En praktisk gnistgapssender består av disse delene:

• En høyspent transformator , for å omforme den lave spenning av strøm fra strømkilden, et batteri eller elektrisk uttak, til en høy nok spenning (fra noen få kilovolt til 75-100 kilovolt i kraftigere sendere) for å hoppe over gnistgapet. Transformatoren lader kondensatoren. I lavstrømssendere drevet av batterier var dette vanligvis en induksjonsspole (Ruhmkorff-spole).
• En eller flere resonanskretser (avstemte kretser eller tankkretser) som skaper elektriske svingninger i radiofrekvensen når de blir eksitert av gnisten. En resonanskrets består av en kondensator (i begynnelsen en type som kalles en Leyden-krukke ) som lagrer høyspent elektrisitet fra transformatoren, og en trådspole kalt en induktor eller tuningspole, koblet sammen. Verdiene for kapasitans og induktans bestemmer frekvensen til radiobølgene som produseres.
  • De tidligste gnistgapssenderne før 1897 hadde ikke en resonanskrets; antennen utførte denne funksjonen og fungerte som en resonator . Dette betydde imidlertid at den elektromagnetiske energien produsert av senderen ble spredt over et bredt bånd, og dermed begrenset dens effektive rekkevidde til noen få kilometer.
  • De fleste gnistsendere hadde to resonanskretser koblet sammen med en luftkjernetransformator kalt en resonant transformator eller svingningstransformator . Dette ble kalt en induktivt koblet sender. Gnistgapet og kondensatoren koblet til transformatorens primære vikling laget en resonanskrets, som genererte den oscillerende strømmen. Den oscillerende strømmen i primærviklingen skapte et oscillerende magnetfelt som induserte strøm i sekundærviklingen . Antennen og bakken var koblet til sekundærviklingen. Antennens kapasitans resonerte med sekundærviklingen for å lage en andre resonanskrets. De to resonanskretsene var innstilt på samme resonansfrekvens . Fordelen med denne kretsen var at den oscillerende strømmen vedvarte i antennekretsen selv etter at gnisten stoppet, og skapte lange, ringende, lett dempede bølger, der energien ble konsentrert i en smalere båndbredde , noe som skapte mindre interferens til andre sendere.
• Et gnistgap som fungerer som en spenningsstyrt bryter i resonanskretsen, som tømmer kondensatoren gjennom spolen.
• En antenne , en metallleder som en forhøyet ledning, som utstråler kraften i de oscillerende elektriske strømmer fra resonanskretsen til rommet som radiobølger .
• En telegrafnøkkel for å slå senderen på og av for å kommunisere meldinger med Morse -kode

Driftssyklus

Senderen fungerer i en hurtig repeterende syklus der kondensatoren lades til en høy spenning av transformatoren og tømmes gjennom spolen av en gnist over gnistgapet. Den impulsive gnisten stimulerer resonanskretsen til å "ringe" som en bjelle, og produserer en kort oscillerende strøm som utstråles som elektromagnetiske bølger av antennen. Senderen gjentar denne syklusen med en rask hastighet, slik at gnisten virket kontinuerlig, og radiosignalet hørtes ut som en sutring eller summen i en radiomottaker .

Demonstrasjon av den restaurerte 1907 Massie Wireless Station gnistgapssenderen

Lyd fra Massie gnistgapoverføring Morsekode for " CQ DE PJ"

1. Syklusen begynner når strømmen fra transformatoren lader opp kondensatoren, lagrer positiv elektrisk ladning på en av platene og negativ ladning på den andre. Mens kondensatoren lader gnistgapet i sin ikke -ledende tilstand, og forhindrer at ladningen slipper ut gjennom spolen.
2. Når spenningen på kondensatoren når nedbrytningsspenningen til gnistgapet, ioniserer luften i gapet , starter en elektrisk gnist , og reduserer motstanden til et veldig lavt nivå (vanligvis mindre enn en ohm ). Dette lukker kretsen mellom kondensatoren og spolen.
3. Ladningen på kondensatoren utlades som en strøm gjennom spolen og gnistgapet. På grunn av spolens induktans når kondensatorspenningen når null, stopper ikke strømmen, men fortsetter å strømme og lader kondensatorplatene med en motsatt polaritet, til ladningen er lagret i kondensatoren igjen, på de motsatte platene. Deretter gjentas prosessen, med ladningen som strømmer i motsatt retning gjennom spolen. Dette fortsetter, noe som resulterer i at oscillerende strømmer flyter raskt frem og tilbake mellom platene på kondensatoren gjennom spolen og gnistgapet.
4. Resonanskretsen er koblet til antennen, så disse oscillerende strømningene strømmer også inn i antennen, lader og tømmer den. Strømmen skaper et oscillerende magnetfelt rundt antennen, mens spenningen skaper et oscillerende elektrisk felt . Disse oscillerende feltene stråler vekk fra antennen ut i verdensrommet som en radiobølge.
5. Energien i resonanskretsen er begrenset til mengden energi som opprinnelig ble lagret i kondensatoren. De utstrålte radiobølgene, sammen med varmen som genereres av gnisten, bruker opp denne energien, noe som får svingningene til å avta raskt i amplitude til null. Når den oscillerende elektriske strømmen i primærkretsen har redusert til et punkt der det er utilstrekkelig til å holde luften i gnistgapet ionisert, stopper gnisten, åpner resonanskretsen og stopper svingningene. I en sender med to resonanskretser kan svingningene i den sekundære kretsen og antennen fortsette en stund etter at gnisten er avsluttet. Deretter begynner transformatoren å lade kondensatoren igjen, og hele syklusen gjentas.

Syklusen er veldig rask, tar mindre enn et millisekund. Med hver gnist produserer denne syklusen et radiosignal bestående av en oscillerende sinusformet bølge som øker raskt til en høy amplitude og synker eksponentielt til null, kalt en dempet bølge . Den frekvens av de svingninger, som er frekvensen av de utsendte radiobølger, er lik resonansfrekvensen til resonanskretsen, bestemt ved kapasiteten av kondensatoren og induktansen av spolen: ${\ displaystyle f}$ ${\ displaystyle C}$ ${\ displaystyle L}$

${\ displaystyle f = {\ frac {1} {2 \ pi}} {\ sqrt {\ frac {1} {LC}}} \,}$

Senderen gjentar denne syklusen raskt, så utgangen er en repeterende streng av dempede bølger. Dette tilsvarer et radiosignalamplitude modulert med en jevn frekvens, så den kan demoduleres i en radiomottaker av en oppretter AM -detektor , for eksempel krystalldetektoren eller Fleming -ventilen som ble brukt i den trådløse telegrafitiden. Den hyppighet av repetisjon (gnist rate) er i den audio- område, typisk 50 til 1000 gnister per sekund, slik at i en mottakers øretelefoner de signal som en jevn tone, hvin, eller innlegg.

For å overføre informasjon med dette signalet, slår operatøren på og av senderen raskt ved å trykke på en bryter som kalles en telegrafnøkkel i transformatorens hovedkrets, og produserer sekvenser med korte (prikk) og lange (bindestrøm) strenger av dempet bølger, for å stave ut meldinger i morsekode . Så lenge du trykker på tasten, utløses gnistgapet gjentatte ganger, og det dannes en rekke pulser av radiobølger, så i en mottaker høres tastetrykket som en buzz; hele Morsekodemeldingen høres ut som en rekke buzzes atskilt med pauser. I laveffektsendere bryter nøkkelen direkte hovedkretsen til forsyningstransformatoren, mens nøkkelen i høyspenningssendere driver et kraftig relé som bryter hovedkretsen.

Ladekrets og gnistfrekvens

Kretsen som lader kondensatorene, sammen med selve gnistgapet, bestemmer gnisthastigheten til senderen, antall gnister og resulterende dempede bølgepulser den produserer per sekund, som bestemmer tonen til signalet som høres i mottakeren. Gnistfrekvensen skal ikke forveksles med frekvensen til senderen, som er antall sinusformede svingninger per sekund i hver dempet bølge. Siden senderen produserer en puls av radiobølger per gnist, var senderenes utgangseffekt proporsjonal med gnistfrekvensen, så høyere frekvenser ble foretrukket. Gnistsendere brukte vanligvis en av tre typer strømkretser:

Induksjonsspole

En induksjonsspole (Ruhmkorff coil) ble brukt i sendere med lav effekt, vanligvis mindre enn 500 watt, ofte batteridrevne. En induksjonsspole er en type transformator drevet av DC, der en vibrerende armbryterkontakt på spolen kalt en avbryter gjentatte ganger bryter kretsen som gir strøm til primærviklingen, noe som får spolen til å generere pulser med høy spenning. Når hovedstrømmen til spolen slås på, skaper primærviklingen et magnetfelt i jernkjernen som trekker den fjærende avbryterarmen bort fra kontakten, åpner bryteren og kutter hovedstrømmen. Deretter kollapser magnetfeltet og skaper en høyspenningspuls i sekundærviklingen, og avbryterarmen springer tilbake for å lukke kontakten igjen, og syklusen gjentas. Hver puls med høy spenning ladet opp kondensatoren til gnistgapet avfyrte, noe som resulterte i en gnist per puls. Avbrytere var begrenset til lave gnistfrekvenser på 20–100 Hz, og hørtes ut som en lav sum i mottakeren. I kraftige induksjonsspolesendere ble det i stedet for en vibrerende avbryter brukt en kvikksølvturbineavbryter . Dette kan bryte strømmen med hastigheter opp til flere tusen hertz, og frekvensen kan justeres for å gi den beste tonen.

AC transformator

I sendere med høyere effekt som drives av vekselstrøm, går en transformator inngangsspenningen opp til den høye spenningen som trengs. Sinusformet spenning fra transformatoren tilføres direkte til kondensatoren, så spenningen på kondensatoren varierer fra en høy positiv spenning, til null, til en høy negativ spenning. Gnistgapet justeres slik at gnister bare oppstår nær maksimal spenning, ved toppene i AC sinusbølgen , når kondensatoren var fulladet. Siden AC -sinusbølgen har to topper per syklus, oppsto det ideelt to gnister i løpet av hver syklus, så gnistfrekvensen var lik to ganger frekvensen av vekselstrømmen (ofte oppsto flere gnister i løpet av toppen av hver halvsyklus). Gnistfrekvensen til sendere drevet av 50 eller 60 Hz strøm var dermed 100 eller 120 Hz. Imidlertid kuttet høyere lydfrekvenser bedre interferens, så i mange sendere ble transformatoren drevet av et motor-dynamo- sett, en elektrisk motor med akselen som dreier en generator , som produserte vekselstrøm ved en høyere frekvens, vanligvis 500 Hz, noe som resulterte i en gnist frekvens på 1000 Hz.

Slokket gnistgap

Hastigheten med hvilken signaler kan overføres er naturlig begrenset av tiden det tar før gnisten er slukket. Hvis, som beskrevet ovenfor, det konduktive plasmaet ikke, under nullpunktene til vekselstrømmen, avkjøles nok til å slukke gnisten, opprettholdes en "vedvarende gnist" til den lagrede energien forsvinner, og tillater praktisk drift opptil opptil 60 signaler per sekund. Hvis det iverksettes aktive tiltak for å bryte buen (enten ved å blåse luft gjennom gnisten eller ved å forlenge gnistgapet), kan det oppnås en mye kortere "slukket gnist". Et enkelt slukket gnistsystem tillater fremdeles flere svingninger av kondensatorkretsen i tiden det tar for gnisten å slukke. Når gnistkretsen er brutt, bestemmes overføringsfrekvensen utelukkende av antenneresonanskretsen, noe som muliggjør enklere tuning.

Roterende gnistgap

I en sender med et "roterende" gnistgap (nedenfor) ble kondensatoren ladet av vekselstrøm fra en høyspenningstransformator som ovenfor, og utladet av et gnistgap bestående av elektroder med et mellomrom rundt et hjul som ble spunnet av en elektrisk motor, som produserte gnister da de passerte en stasjonær elektrode. Gnistfrekvensen var lik rotasjonene per sekund ganger antallet gnistelektroder på hjulet. Det kan produsere gnistfrekvenser på opptil flere tusen hertz, og hastigheten kan justeres ved å endre motorens hastighet. Rotasjonen av hjulet ble vanligvis synkronisert med AC -sinusbølgen, slik at den bevegelige elektroden passerte den stasjonære på sinusbølgeens topp, og startet gnisten da kondensatoren var fulladet, noe som ga en musikalsk tone i mottakeren. Ved riktig innstilling på denne måten ble behovet for ekstern kjøling eller slukking av luftstrømmen eliminert, det samme var tapet av strøm direkte fra ladekretsen (parallelt med kondensatoren) gjennom gnisten.

Historie

Oppfinnelsen av radiosenderen skyldes konvergens mellom to forskningslinjer.

Det ene var oppfinnernes forsøk på å lage et system for å overføre telegrafsignaler uten ledninger. Eksperimenter fra en rekke oppfinnere hadde vist at elektriske forstyrrelser kunne overføres korte avstander gjennom luften. Imidlertid fungerte de fleste av disse systemene ikke av radiobølger, men av elektrostatisk induksjon eller elektromagnetisk induksjon , som hadde for kort rekkevidde til å være praktisk. I 1866 hevdet Mahlon Loomis å ha sendt et elektrisk signal gjennom atmosfæren mellom to 600 fot ledninger som ble holdt oppe av drager på fjelltopper 14 miles fra hverandre. Thomas Edison var nær ved å oppdage radio i 1875; han hadde generert og oppdaget radiobølger som han kalte "eteriske strømmer" og eksperimenterte med høyspent gnistkrets, men på grunn av mangel på tid forfulgte ikke saken. David Edward Hughes i 1879 hadde også snublet over radiobølgesending som han mottok med sin karbonmikrofondetektor , men han ble overbevist om at det han observerte var induksjon . Ingen av disse personene blir vanligvis kreditert for oppdagelsen av radio, fordi de ikke forsto betydningen av observasjonene og ikke publiserte arbeidet sitt før Hertz.

Den andre var forskning fra fysikere for å bekrefte teorien om elektromagnetisme som ble foreslått i 1864 av den skotske fysikeren James Clerk Maxwell , nå kalt Maxwells ligninger . Maxwells teori spådde at en kombinasjon av oscillerende elektriske og magnetiske felt kunne bevege seg gjennom rommet som en " elektromagnetisk bølge ". Maxwell foreslo at lyset besto av elektromagnetiske bølger med kort bølgelengde, men ingen visste hvordan de kunne bekrefte dette, eller generere eller oppdage elektromagnetiske bølger med andre bølgelengder. I 1883 ble det teoretisert at akselererte elektriske ladninger kunne produsere elektromagnetiske bølger, og George Fitzgerald hadde beregnet utgangseffekten til en sløyfeantenne . Fitzgerald i et kort notat publisert i 1883 antydet at elektromagnetiske bølger praktisk talt kunne genereres ved å tømme en kondensator raskt; metoden som brukes i gnistsendere, men det er ingen indikasjon på at dette inspirerte andre oppfinnere.

Inndelingen av gnistsendernes historie i de forskjellige typene nedenfor følger organiseringen av emnet som brukes i mange trådløse lærebøker.

Hertziske oscillatorer

Den tyske fysikeren Heinrich Hertz bygde i 1887 de første eksperimentelle gnistgapssenderne under hans historiske eksperimenter for å demonstrere eksistensen av elektromagnetiske bølger spådd av James Clerk Maxwell i 1864, der han oppdaget radiobølger , som ble kalt "hertziske bølger" til rundt 1910. Hertz ble inspirert til å prøve tenn opphisset kretser av eksperimenter med "Reiss spiraler", et par flate spiral inductors med sine ledere slutter i gnistgap. En kondensator fra Leyden -krukke som slippes ut gjennom den ene spiralen, ville forårsake gnister i gapet til den andre spiralen.

• 

  Heinrich Hertz oppdager radiobølger med gnistoscillatoren (bak)

• 

  Hertz tegning av en av gnistoscillatorene hans. (A, A ') antenne, (J) induksjonsspole

• 

  Hertzian gnistoscillator, 1902. Synlig er antenne som består av 2 ledninger som ender med metallplater (E) , gnistgap (D) , induksjonsspole (A) , autobatteri (B) og telegrafnøkkel (C) .

• 

  Hertz 450 MHz sender; en 26 cm dipol med gnistgap i fokus på en parabolsk reflektor i metall

• 

  Jagadish Chandra Bose i 1894 var den første personen som produserte millimeterbølger ; gnistoscillatoren hans (i boksen til høyre) genererte 60 GHz (5 mm) bølger ved hjelp av 3 mm metallkule -resonatorer.

• 

  Mikrobølgeovn-oscillator demonstrert av Oliver Lodge i 1894. Dens 5-tommers resonatorball produserte bølger på rundt 12 cm eller 2,5 GHz

Hertz første oscillator: et par kobbertråder på en meter med et 7,5 mm gnistgap mellom dem, som ender med 30 cm sinkkuler. Da 20 000 volt pulser fra en induksjonsspole (ikke vist) ble påført, produserte den bølger med en frekvens på omtrent 50 MHz.

Se kretsdiagram. Hertzs ​​sendere besto av en dipolantenne laget av et par kollinære metallstenger av forskjellige lengder med et gnistgap (S) mellom deres indre ender og metallkuler eller -plater for kapasitans (C) festet til de ytre endene. De to sidene av antennen var koblet til en induksjonsspole (Ruhmkorff coil) (T) en felles laboratoriekraftkilde som produserte pulser med høy spenning, 5 til 30 kV. I tillegg til å utstråle bølgene, fungerte antennen også som en harmonisk oscillator ( resonator ) som genererte oscilleringsstrømmene. Høyspenningspulser fra induksjonsspolen (T) ble påført mellom de to sidene av antennen. Hver puls lagret elektrisk ladning i antennens kapasitans, som umiddelbart ble utladet av en gnist over gnistgapet. Gnisten begeistret korte oscillerende stående bølger av strøm mellom sidene av antennen. Antennen utstrålte energien som en kortvarig puls av radiobølger; en dempet bølge . Frekvensen til bølgene var lik resonansfrekvensen til antennen, som ble bestemt av lengden; den fungerte som en halvbølge dipol , som utstrålte bølger omtrent dobbelt så lang som antennen. Hertz oppdaget bølgene ved å observere ørsmå gnister i mikrometer gnistgap (M) i trådsløyfer som fungerte som resonansmottakende antenner. Oliver Lodge eksperimenterte også med gnistoscillatorer på dette tidspunktet og var nær ved å oppdage radiobølger før Hertz, men fokuset var på bølger på ledninger, ikke i ledig plass.

Krets av Hertz gnistoscillator og mottaker

Hertz og den første generasjonen fysikere som bygde disse "hertziske oscillatorene", som Jagadish Chandra Bose , Lord Rayleigh , George Fitzgerald , Frederick Trouton , Augusto Righi og Oliver Lodge , var hovedsakelig interessert i radiobølger som et vitenskapelig fenomen, og mislyktes stort sett å forutse sine muligheter som kommunikasjonsteknologi. På grunn av påvirkningen fra Maxwells teori ble tankegangen dominert av likheten mellom radiobølger og lysbølger; de tenkte på radiobølger som en usynlig form for lys. I analogi med lys antok de at radiobølger bare reiste i rette linjer, så de trodde radiooverføring var begrenset av den visuelle horisonten som eksisterende optiske signalmetoder som semafor , og derfor ikke var i stand til kommunikasjon over lengre avstander. Så sent som i 1894 spekulerte Oliver Lodge i at maksimal avstand Hertzian -bølger kunne overføres var en halv mil.

For å undersøke likheten mellom radiobølger og lysbølger , konsentrerte disse forskerne seg om å produsere høyfrekvente bølgelengder med kort bølgelengde som de kunne kopiere klassiske optiske eksperimenter med radiobølger ved å bruke kvasioptiske komponenter som prismer og linser laget av parafinvoks , svovel og stignings- og tråddiffraksjonsgitter . Deres korte antenner genererte radiobølger i VHF- , UHF- eller mikrobølgebåndene . I sine forskjellige eksperimenter produserte Hertz bølger med frekvenser fra 50 til 450 MHz, omtrent frekvensene som brukes i dag av kringkastede fjernsynssendere . Hertz brukte dem til å utføre historiske eksperimenter som demonstrerte stående bølger , brytning , diffraksjon , polarisering og interferens av radiobølger. Han målte også hastigheten på radiobølger, og viste at de reiste i samme hastighet som lys. Disse eksperimentene viste at lys- og radiobølger begge var former for Maxwells elektromagnetiske bølger , som bare var forskjellige i frekvens. Augusto Righi og Jagadish Chandra Bose rundt 1894 genererte mikrobølger på henholdsvis 12 og 60 GHz, ved bruk av små metallkuler som resonator-antenner.

De høye frekvensene produsert av hertziske oscillatorer kunne ikke bevege seg utover horisonten. Dipolresonatorene hadde også lav kapasitans og kunne ikke lagre mye ladning , noe som begrenset effekten. Derfor var disse enhetene ikke i stand til å overføre langdistanse; mottaksområdet deres med de primitive mottakerne som ble brukt, var vanligvis begrenset til omtrent 100 meter.

Ikke-syntoniske sendere

Jeg kunne knapt tenke meg at [radioens] søknad til nyttige formål kunne ha sluppet unna slike fremtredende forskere.

-  Guglielmo Marconi

Italiensk radio pioner Guglielmo Marconi var en av de første menneskene til å tro at radiobølger kan brukes for lang avstand kommunikasjon, og egenhendig utviklet de første praktiske radiotelegrafi sendere og mottakere , hovedsakelig ved å kombinere og fiksing og triksing med oppfinnelser av andre. Fra en alder av 21 år på familiens eiendom i Italia, gjennomførte han mellom 1894 og 1901 en lang rekke eksperimenter for å øke overføringsområdet for Hertz gnistoscillatorer og mottakere.

Evolusjon av Marconis monopolantenne fra Hertzs ​​dipolantenne

Hertz's dipoloscillator

Marconi prøvde først å forstørre dipolantennen med 6 × 6 fot metallplater "kapasitetsområder" (t) , 1895 Metallplater og gnistballer som ikke er vist i målestokk.

Marconis første monopolantennesender, 1895. Den ene siden av gnistgapet jordet, den andre festet til en metallplate (W) .

Gjenopprettelse av Marconis første monopolsender

Tidlige vertikale antenner. (A) Marconi fant suspensjon av metallplatens "kapasitetsområde" høyt over bakken, økt rekkevidde. (B) Han fant ut at en enkel forhøyet ledning fungerte like bra. (CF) Senere forskere fant at flere parallelle ledninger var en bedre måte å øke kapasitansen. "Burantenner" (EF) fordelte strømmen mer likt mellom ledninger, noe som reduserte motstanden

Han klarte ikke å kommunisere utover en halv mil før 1895, da han oppdaget at overføringsområdet kan økes sterkt ved å erstatte den ene siden av den hertziske dipolantennen i senderen og mottakeren med en forbindelse til jorden og den andre siden med en lang trådantenne hengt høyt over bakken. Disse antennene fungerte som kvartbølgede monopolantenner . Lengden på antennen bestemte bølgelengden til bølgene som ble produsert og dermed deres frekvens. Lengre bølger med lavere frekvens har mindre demping med avstanden. Da Marconi prøvde lengre antenner, som utstrålte bølger med lavere frekvens, sannsynligvis i MF -båndet rundt 2 MHz, fant han ut at han kunne sende videre. En annen fordel var at disse vertikale antennene utstrålte vertikalt polariserte bølger, i stedet for de horisontalt polariserte bølgene produsert av Hertz horisontale antenner. Disse lengre vertikalt polariserte bølgene kunne bevege seg utover horisonten, fordi de forplantet seg som en bakkebølge som fulgte jordens kontur. Under visse forhold kunne de også nå utover horisonten ved å reflektere lag av ladede partikler ( ioner ) i den øvre atmosfæren, senere kalt skywave -forplantning . Marconi forsto ikke noe av dette den gangen; han fant ganske enkelt empirisk ut at jo høyere den vertikale antennen var suspendert, jo lenger ville den overføre.

Marconi i 1901 med sin tidlige gnistsender (høyre) og coherer -mottaker (til venstre) , som spilte inn morsekodesymbolene med en blekklinje på et papirbånd.

Britiske postkontorere undersøker Marconis sender (senter) og mottaker (nederst) under en demonstrasjon 1897. Stangen som støtter den vertikale trådantennen er synlig i midten.

Marconis sender i juli 1897. (venstre) 4 ball Righi gnistgap, (høyre) Induksjonsspole, telegrafnøkkel og batteriboks.

Fransk ikke-syntonisk sender som ble brukt til kommunikasjon fra land til land rundt 1900. Den hadde en rekkevidde på omtrent 10 kilometer.

Etter å ha unnlatt å interessere den italienske regjeringen, flyttet Marconi i 1896 til England, hvor William Preece fra det britiske generalpostkontoret finansierte eksperimentene sine. Marconi patenterte radiosystemet sitt 2. juni 1896, ofte betraktet som det første trådløse patentet. I mai 1897 sendte han 14 km (8,7 miles), 27. mars 1899 sendte han over Den engelske kanal , 46 km (28 miles), høsten 1899 utvidet han rekkevidden til 136 km (85 miles), og i januar 1901 sendte han hadde nådd 315 km. Disse demonstrasjonene av trådløs morsekommunikasjon på stadig lengre avstander overbeviste verden om at radio, eller "trådløs telegrafi" som det ble kalt, ikke bare var en vitenskapelig nysgjerrighet, men en kommersielt nyttig kommunikasjonsteknologi.

I 1897 startet Marconi et selskap for å produsere radiosystemene sine, som ble Marconi Wireless Telegraph Company . Hans første store kontrakt i 1901 var med forsikringsselskapet Lloyd's of London for å utstyre skipene sine med trådløse stasjoner. Marconis selskap dominerte marin radio gjennom gnisttiden. På slutten av 1890 -tallet begynte andre forskere å inspirere av Marconi også å utvikle konkurrerende gnistradiokommunikasjonssystemer; Alexander Popov i Russland, Eugène Ducretet i Frankrike, Reginald Fessenden og Lee De Forest i Amerika, og Karl Ferdinand Braun , Adolf Slaby og Georg von Arco i Tyskland som i 1903 dannet Telefunken Co., Marconis viktigste rival.

Ulemper

Krets av Marconis monopolsender og alle andre sendere før 1897.

De primitive senderne før 1897 hadde ingen resonanskretser (også kalt LC -kretser, tankkretser eller avstemte kretser), gnistgapet var i antennen, som fungerte som resonator for å bestemme frekvensen til radiobølgene. Disse ble kalt "usyntoniserte" eller "vanlige antenner" -sendere.

Gjennomsnittlig effekt for disse senderne var lav, fordi antennen på grunn av den lave kapasitansen og induktansen var en svært dempet oscillator (i moderne terminologi hadde den en veldig lav Q -faktor ). Under hver gnist ble energien lagret i antennen raskt utstrålt som radiobølger, så svingningene forfallet til null raskt. Radiosignalet besto av korte pulser av radiobølger, som gjentok titalls eller høyst noen hundre ganger i sekundet, atskilt med relativt lange intervaller uten utgang. Strålen som ble utstrålt var avhengig av hvor mye elektrisk ladning som kunne lagres i antennen før hver gnist, som var proporsjonal med antennens kapasitans . For å øke kapasiteten til bakken ble det laget antenner med flere parallelle ledninger, ofte med kapasitive toploads, i "harpen", "buret", " paraplyen ", "invertert-L" og " T " antennen som er karakteristisk for "gnisten" "æra. Den eneste andre måten å øke energien som er lagret i antennen, var å lade den opp til veldig høye spenninger. Imidlertid var spenningen som kunne brukes begrenset til omtrent 100 kV ved koronautladning som forårsaket lading av antennen, spesielt i vått vær, og også energi tapt som varme i den lengre gnisten.

En mer signifikant ulempe ved den store dempingen var at radiosendingene var elektrisk "bråkete"; de hadde en veldig stor båndbredde . Disse senderne produserte ikke bølger med en enkelt frekvens , men et kontinuerlig frekvensbånd. De var i hovedsak radiostøykilder som utstrålte energi over en stor del av radiospekteret , noe som gjorde det umulig for andre sendere å bli hørt. Når flere sendere forsøkte å operere i det samme området, overlappet deres brede signaler i frekvens og forstyrret hverandre. De radiomottakere som brukes også hadde ingen resonanskretser, slik at de hadde ingen måte for å velge et signal fra andre enn den bred resonans av antennen, og svarte til sendingene fra alle sendere i nærheten. Et eksempel på dette interferensproblemet var en pinlig offentlig debacle i august 1901 da Marconi, Lee De Forest og en annen gruppe forsøkte å rapportere New York Yacht Race til aviser fra skip med deres uskiftede gnistsendere. Morse -kodeoverføringene forstyrret, og reporterne på land klarte ikke å motta informasjon fra de forvrengte signalene.

Syntoniske sendere

Sender (nederst) og mottaker (øverst) av det første "syntoniske" radiosystemet, fra Lodge's patent fra 1897

Det ble klart at for at flere sendere skulle fungere, måtte et system for "selektiv signalering" utarbeides for å la en mottaker velge hvilket sendersignal som skal mottas, og avvise de andre. I 1892 hadde William Crookes holdt et innflytelsesrikt foredrag om radio der han foreslo å bruke resonans (den gang kalt syntoni ) for å redusere båndbredden til sendere og mottakere. Ved å bruke en resonanskrets (også kalt avstemt krets eller tankkrets) i sendere vil begrense båndbredden til det utstrålte signalet, ville det oppta et mindre frekvensområde rundt senterfrekvensen, slik at signalene fra senderne "innstilt" for å sende på forskjellige frekvenser ville ikke lenger overlappe hverandre. En mottaker som hadde sin egen resonanskrets, kunne motta en bestemt sender ved å "tune" sin resonansfrekvens til frekvensen til den ønskede senderen, analogt med måten et musikkinstrument kan stilles inn på resonans med en annen. Dette er systemet som brukes i all moderne radio.

I løpet av 1897-1900 innså trådløse forskere fordelene med "syntoniske" eller "avstemte" systemer, og la til kondensatorer ( Leyden-krukker ) og induktorer (trådspoler) til sendere og mottakere, for å lage resonanskretser (avstemte kretser eller tankkretser) . Oliver Lodge , som hadde forsket på elektrisk resonans i årevis, patenterte den første "syntoniske" senderen og mottakeren i mai 1897, og Lodge innførte en induktor (spole) mellom sidene på dipolantennene, som resonerte med kapasiteten til antennen for å lage en innstilt krets. Selv om den kompliserte kretsen hans ikke så mye praktisk bruk, var Lodges "syntoniske" patent viktig fordi den var den første som foreslo en radiosender og mottaker som inneholdt resonanskretser som var innstilt på resonans med hverandre. I 1911 da patentet ble fornyet, ble Marconi Company tvunget til å kjøpe det for å beskytte sitt eget syntoniske system mot overtredelsesdrakter.

Resonanskretsen fungerte analogt med en stemmegaffel , lagret oscillerende elektrisk energi og økte Q -faktoren til kretsen, slik at svingningene ble mindre dempet. En annen fordel var at frekvensen til senderen ikke lenger ble bestemt av lengden på antennen, men av resonanskretsen, så den kan lett endres med justerbare kraner på spolen. Antennen ble brakt i resonans med den avstemte kretsen ved hjelp av lastespoler . Energien i hver gnist, og dermed effekten, var ikke lenger begrenset av antennens kapasitans, men av størrelsen på kondensatoren i resonanskretsen. For å øke effekten ble det brukt svært store kondensatorbanker. Formen som resonanskretsen tok i praktiske sendere var den induktivt koblede kretsen beskrevet i neste avsnitt.

• 

  Demonstrasjon induktivt koblet gnisttransmitter 1909, med deler merket

• 

  Amatør induktivt koblet gnistsender og mottaker, 1910. Gnistgapet er i glasspære (midt til høyre) ved siden av tuningspolen, på toppen av esken som inneholder glassplatekondensator

• 

  Standard Marconi induktivt koblet sender på skipet 1902. Gnistgap er foran induksjonsspolen, nede til høyre. Spiralsvingningstransformatoren er i trekassen på veggen over Leyden -glassene.

• 

  Telefunken 25 kW langdistansesender bygget 1906 på Nauen Transmitter Station , Nauen, Tyskland, og viser store 360 ​​Leyden jar 400 μF kondensatorbank (bak) og vertikale gnistgap (høyre)

Induktiv kobling

Ved utviklingen av disse syntoniske senderne fant forskerne det umulig å oppnå lav demping med en enkelt resonanskrets. En resonanskrets kan bare ha lav demping (høy Q, smal båndbredde) hvis den er en "lukket" krets, uten energidisponerende komponenter. Men en slik krets produserer ikke radiobølger. En resonanskrets med en antenne som utstråler radiobølger (en "åpen" avstemt krets) mister energi raskt og gir den høy demping (lav Q, bred båndbredde). Det var en grunnleggende avveining mellom en krets som produserte vedvarende svingninger som hadde smal båndbredde, og en som utstrålte høy effekt.

Induktivt koblet gnistsender. C2 er ikke en faktisk kondensator, men representerer kapasitansen mellom antennen A og jord.

Løsningen funnet av en rekke forskere var å bruke to resonanskretser i senderen, med spolene induktivt (magnetisk) koblet , og lage en resonant transformator (kalt en oscillasjonstransformator ); dette ble kalt en " induktivt koblet ", " koblet krets " eller " to krets " sender. Se kretsdiagram. Den primære vikling av svingn transformator ( L1 ) med kondensatoren ( C1 ) og gnistgapet ( S ) som danner en "lukket" resonanskretsen, mens sekundærviklingen ( L2 ) er koplet til antenneledningen ( A ) og jord, forming en "åpen" resonanskrets med kapasitansen til antennen ( C2 ). Begge kretsene ble innstilt på samme resonansfrekvens . Fordelen med den induktivt koblede kretsen var at den "løst koblede" transformatoren gradvis overførte tankkretsens oscillerende energi til den utstrålende antennekretsen og skapte lange "ringende" bølger. En annen fordel var at den tillot en stor primær kapasitans (C1) som kunne lagre mye energi, noe som økte effekten enormt. Kraftige transoceaniske sendere hadde ofte store Leyden -kondensatorbanker som fylte rom (se bilder ovenfor) . Mottakeren i de fleste systemer brukte også to induktivt koblede kretser, med antennen en "åpen" resonanskrets som er koblet gjennom en oscillasjonstransformator til en "lukket" resonanskrets som inneholder detektoren . Et radiosystem med en "to krets" (induktivt koblet) sender og mottaker ble kalt et "firekrets" system.

Den første personen som brukte resonanskretser i en radioapplikasjon, var Nikola Tesla , som oppfant resonanttransformatoren i 1891. På et St. Louis -foredrag i mars 1893 hadde han demonstrert et trådløst system som, selv om det var beregnet på trådløs kraftoverføring , hadde mange av elementene i senere radiokommunikasjonssystemer. En jordet kapasitansbelastet gnist-opphisset resonanttransformator (hans Tesla-spole ) festet til en forhøyet monopol-antenne overført radiobølger, som ble mottatt over rommet av en lignende trådantenne festet til en mottaker som består av en andre jordet resonanttransformator innstilt på senderens frekvens, som tente et Geissler -rør . Dette systemet, patentert av Tesla 2. september 1897, fire måneder etter Loges "syntoniske" patent, var i realiteten en induktivt koblet radiosender og mottaker, den første bruken av "fire krets" -systemet som Marconi hevdet i sitt 1900 -patent (nedenfor) . Men Tesla var hovedsakelig interessert i trådløs strøm og aldri utviklet en praktisk radio kommunikasjonssystemet.

I tillegg til Teslas system ble induktivt koblede radiosystemer patentert av Oliver Lodge i februar 1898, Karl Ferdinand Braun , i november 1899 og John Stone Stone i februar 1900. Braun gjorde den avgjørende oppdagelsen at lav demping krevde "løs kobling" (redusert gjensidig induktans ) mellom primær- og sekundærspolen.

• 

  Teslas induktivt koblede kraftsender (til venstre) patenterte 2. september 1897

• 

  Brauns induktivt koblede sender patenterte 3. november 1899

• 

  Stones induktivt koblede sender (venstre) og mottaker (høyre) patenterte 8. februar 1900

• 

  Marconis induktivt koblede sender patenterte 26. april 1900.

Marconi tok først lite hensyn til syntoni, men innen 1900 utviklet et radiosystem som inneholder funksjoner fra disse systemene, med en to kretssender og to kretsmottakere, med alle fire kretsene innstilt på samme frekvens, ved hjelp av en resonans transformator han kalte " jigger ". Til tross for de ovennevnte patenter, hevdet Marconi i sitt "fire krets" eller "master tuning" patent på systemet sitt 26. april 1900 rettigheter til den induktivt koblede senderen og mottakeren. Dette ble tildelt et britisk patent, men det amerikanske patentkontoret avviste to ganger at patentet hans manglet originalitet. Så i en 1904 appell en ny patent kommisjonæren rever avgjørelsen og innvilget patentet, på de smale begrunnelse at Marconi patent ved å inkludere en antenne lasting pole (J i kretsen ovenfor) med midler slik at avstemnings de fire kretser til den samme frekvens, mens i Tesla og Stone -patentene ble dette gjort ved å justere lengden på antennen. Dette patentet ga Marconi et nesten monopol på syntonisk trådløs telegrafi i England og Amerika. Tesla saksøkte Marconis selskap for patentbrudd, men hadde ikke ressurser til å forfølge handlingen. I 1943 ugyldiggjorde USAs høyesterett de induktive koblingskravene til Marconis patent på grunn av de tidligere patentene til Lodge, Tesla og Stone, men dette kom lenge etter at gnistsendere var blitt foreldet.

Den induktivt koblede eller "syntoniske" gnistsenderen var den første typen som kunne kommunisere på interkontinentale avstander, og også den første som hadde tilstrekkelig smal båndbredde til at interferens mellom sendere ble redusert til et tålelig nivå. Det ble den dominerende typen som ble brukt under "gnisten" -tiden. En ulempe med den vanlige induktivt koblede senderen var at med mindre de primære og sekundære spolene var veldig løst koblet, strålte den på to frekvenser. Dette ble utbedret av sendere med slukket gnist og roterende gap (nedenfor) .

Som anerkjennelse for deres prestasjoner innen radio delte Marconi og Braun Nobelprisen i fysikk fra 1909 .

Første transatlantiske radiooverføring

Marconis sendestasjon i Poldhu, Cornwall, som viser den originale 400-leders vertikale sylindriske antennen som kollapset

Den midlertidige antennen som ble brukt i den transatlantiske overføringen, en vifteformet 50-tråds antenne.

Krets av Poldhu -sender. Flemings nysgjerrige design med dobbelt gnistgap ble ikke brukt i påfølgende sendere.

Marconi bestemte seg i 1900 for å prøve transatlantisk kommunikasjon, noe som ville tillate ham å konkurrere med undersjøiske telegrafkabler . Dette vil kreve en større oppgradering av makten, et risikabelt spill for hans selskap. Fram til den tiden hadde hans små induksjonsspolesendere en inngangseffekt på 100 - 200 watt, og maksimal rekkevidde var rundt 150 miles. For å bygge den første høykraftsenderen hyret Marconi en ekspert innen elektroteknikk, prof. John Ambrose Fleming fra University College, London, som brukte prinsipper for kraftteknikk. Fleming designet en komplisert induktivt koblet sender (se krets) med to kaskade gnistgap (S1, S2) som avfyrte med forskjellige hastigheter, og tre resonanskretser, drevet av en 25 kW generator (D) dreid av en forbrenningsmotor. Den første gnistgapet og resonanskretsen (S1, C1, T2) genererte høyspenningen for å lade kondensatoren (C2) som drev den andre gnistgapet og resonanskretsen (S2, C2, T3) , som genererte utgangen. Gnistfrekvensen var lav, kanskje så lav som 2 - 3 gnister i sekundet. Fleming anslår at den utstrålte effekten var rundt 10 - 12 kW.

Senderen ble bygget i hemmelighet på kysten i Poldhu , Cornwall , Storbritannia. Marconi ble presset for lenge fordi Nikola Tesla bygde sin egen transatlantiske radiotelegrafisender på Long Island, New York , i et forsøk på å være først (dette var Wardenclyffe -tårnet , som mistet finansiering og ble forlatt uferdig etter Marconis suksess). Marconis originale runde 400-tråds sendeantenne kollapset i en storm 17. september 1901, og han reiste raskt en midlertidig antenne bestående av 50 ledninger suspendert i en vifteform fra en kabel mellom to 160 fot poler. Frekvensen som brukes er ikke kjent nøyaktig, ettersom Marconi ikke målte bølgelengde eller frekvens, men den var mellom 166 og 984 kHz, sannsynligvis rundt 500 kHz. Han mottok signalet på kysten av St. John's, Newfoundland ved hjelp av en ustemt coherer -mottaker med en 400 ft. Trådantenne suspendert fra en drage . Marconi kunngjorde at den første transatlantiske radiooverføringen fant sted 12. desember 1901, fra Poldhu , Cornwall til Signal Hill, Newfoundland , en avstand på 3400 km.

Marconis prestasjon fikk verdensomspennende publisitet, og var det siste beviset på at radio var en praktisk kommunikasjonsteknologi. Det vitenskapelige samfunnet tvilte først på Marconis rapport. Nesten alle trådløse eksperter i tillegg til Marconi mente at radiobølger reiste i rette linjer, så ingen (inkludert Marconi) forsto hvordan bølgene hadde klart å spre seg rundt den 300 kilometer høye kurven på jorden mellom Storbritannia og Newfoundland. I 1902 teoretiserte Arthur Kennelly og Oliver Heaviside uavhengig av hverandre at radiobølger ble reflektert av et lag ioniserte atomer i den øvre atmosfæren, slik at de kunne komme tilbake til jorden utover horisonten. I 1924 demonstrerte Edward V. Appleton eksistensen av dette laget, nå kalt " Kennelly-Heaviside-laget " eller "E-laget", som han mottok Nobelprisen i fysikk fra 1947 for .

Kunnskapsrike kilder i dag tviler på om Marconi faktisk mottok denne overføringen. Ionosfæriske forhold burde ikke ha tillatt at signalet ble mottatt i løpet av dagen på dette området. Marconi visste at morsekodesignalet som skulle overføres var bokstaven 'S' (tre prikker). Han og hans assistent kunne ha forvekslet atmosfærisk radiostøy ("statisk") i øretelefonene med klikkene på senderen. Marconi foretok mange påfølgende transatlantiske overføringer som tydelig fastslår hans prioritet, men pålitelig transatlantisk kommunikasjon ble ikke oppnådd før i 1907 med kraftigere sendere.

• 

  Send radiorom med 1,5 kW Telefunken-slukket gnistsender

• 

  Tunet krets på senderen. (øverst) slukket gap, (midten) svingningstransformator, Leyden -krukker

• 

  Slokket gnistgap fra senderen, venstre. Håndtaket snur en skrue som setter press på stabelen med sylindriske elektroder, slik at gapbreddene kan justeres.

• 

  Tverrsnitt av delen av slukket gnistgap, bestående av metallskiver (F) atskilt med tynne isolerende glimmerskiver (M) for å lage flere mikroskopiske gnistgap (S) i serie

• 

  En kraftig gnistsender i Australia. De 6 sylindrene foran Leyden -glassene er de slukte gnistgapene.

Sendere med slukket gnist

Vanlig induktivt koblet sender

Sender med slukket gnist

Den induktivt koblede senderen hadde en mer komplisert utgangsbølgeform enn den ikke-syntoniske senderen, på grunn av samspillet mellom de to resonanskretsene. De to magnetisk koblede avstemte kretsene fungerte som en koblet oscillator og produserte slag (se toppgrafer) . Den oscillerende radiofrekvensenergien ble ført raskt frem og tilbake mellom de primære og sekundære resonanskretsene så lenge gnisten fortsatte. Hver gang energien kom tilbake til primæren, gikk noe tapt som varme i gnisten. I tillegg, med mindre koblingen var veldig løs, forårsaket svingningene at senderen sendte på to separate frekvenser. Siden det smale passbåndet til mottakerens resonanskrets bare kunne stilles inn på en av disse frekvensene, ble strømmen som ble utstrålt ved den andre frekvensen bortkastet.

Denne plagsomme tilbakestrømmen av energi til den primære kretsen kan forhindres ved å slukke (slukke) gnisten i riktig øyeblikk, etter at all energien fra kondensatorene ble overført til antennekretsen. Oppfinnere forsøkt ulike metoder for å oppnå dette, så som luftblåsere og Elihu Thomson 's magnetiske utblåsning .

I 1906 ble en ny type gnistgap utviklet av den tyske fysikeren Max Wien , kalt serien eller slukket gap. Et slukket gap besto av en stabel med brede sylindriske elektroder atskilt med tynne isolerende avstandsringer for å skape mange smale gnistgap i serie, på rundt 0,1–0,3 mm (0,004–0,01 in). Det brede overflatearealet til elektrodene avsluttet ioniseringen i gapet raskt ved å avkjøle det etter at strømmen stoppet. I den induktivt koblede senderen slukket ("slukket") de smale hullene gnisten ved det første knutepunktet ( Q ) da primærstrømmen momentant gikk til null etter at all energien var overført til sekundærviklingen (se nedre graf) . Siden uten gnisten ingen strøm kunne strømme i den primære kretsen, koblet dette effektivt sekundæren fra primærkretsen, slik at den sekundære resonanskretsen og antennen kunne oscillere helt fri for den primære kretsen etter det (til neste gnist). Dette produserte utgangseffekten sentrert på en enkelt frekvens i stedet for to frekvenser. Det eliminerte også det meste av energitapet i gnisten, og produserte veldig lett dempede, lange "ringende" bølger, med nedganger på bare 0,08 til 0,25 (et Q på 12-38) og følgelig et veldig "rent", smalt båndbreddsradiosignal . En annen fordel var den raske slukkingen som gjorde at tiden mellom gnister kunne reduseres, slik at høyere gnisthastigheter på rundt 1000 Hz kunne brukes, noe som hadde en musikalsk tone i mottakeren som penetrerte radiostatisk bedre. Den slukkede gapesenderen ble kalt "syngnisten" -systemet.

Den tyske trådløse giganten Telefunken Co., Marconis rival, skaffet seg patentrettighetene og brukte det slukne gnistgapet i sine sendere.

Roterende gapesendere

En annen type gnistgap som hadde en lignende slukkende effekt var "rotasjonsgapet", oppfunnet av Tesla i 1896 og påført radiosendere av Reginald Fessenden og andre. Den besto av flere elektroder med jevnt mellomrom rundt en skiverotor rotert med høy hastighet av en motor, noe som skapte gnister da de passerte en stasjonær elektrode. Ved å bruke riktig motorhastighet slukket de raskt separerende elektrodene gnisten etter at energien hadde blitt overført til sekundæren. Det roterende hjulet holdt også elektrodene kjøligere, viktige i høyeffektsendere.

• 

  Et typisk gnistgap som brukes i sendere med lav effekt

• 

  Liten roterende gnistsender, 1918

• 

  1 kilowatt gnistgiver, 1914.

• 

  Fessendens 35 kW synkrone roterende gnistsender, bygget 1905 i Brant Rock, Massachusetts, som han oppnådde den første 2 -veis transatlantiske kommunikasjonen i 1906 på 88 kHz.

• 

  US Navy 100 kW roterende gapesender bygget av Fessenden i 1913 i Arlington, Virginia. Den sendte på 113 kHz til Europa, og sendte USAs første radiotidssignal.

Det var to typer roterende gnistsender:

• Ikke -synkron : I de tidligere rotasjonsgapene var ikke motoren synkronisert med frekvensen til vekselstrømstransformatoren, så gnisten oppstod tilfeldig i vekselstrømssyklusen til spenningen som ble påført kondensatoren. Problemet med dette var at intervallet mellom gnistene ikke var konstant. Spenningen på kondensatoren når en elektrode i bevegelse nærmet seg den stasjonære elektroden varierte tilfeldig mellom null og toppspenningen. Den nøyaktige tiden da gnisten startet varierte avhengig av gaplengden gnisten kunne hoppe, noe som var avhengig av spenningen. Den resulterende tilfeldig fasevariasjon av påfølgende dempede bølger resulterte i et signal som hadde en "hvesende" eller "raspende" lyd i mottakeren.
• Synkron : I denne typen, oppfunnet av Fessenden rundt 1904, ble rotoren dreid av en synkron motor i synkronisering med syklusene til AC -spenningen til transformatoren, så gnisten oppstod på de samme punktene i spenningssinusbølgen hver syklus. Vanligvis ble den designet slik at det var en gnist hver halvsyklus, justert slik at gnisten oppstod ved toppspenningen når kondensatoren var fulladet. Dermed hadde gnisten en jevn frekvens lik et multiplum av AC -linjefrekvensen, noe som skapte harmoniske med linjefrekvensen. Det synkrone gapet ble sagt å produsere en mer musikalsk, lett hørt tone i mottakeren, som kuttet gjennom forstyrrelser bedre.

For å redusere forstyrrelser forårsaket av de "bråkete" signalene fra det voksende antallet gnistsendere, krevde USAs kongress "Act to Regulate Radio Communication" fra 1912 at " den logaritmiske reduksjonen per oscillasjon i bølgetogene som sendes av senderen ikke skal overstige to tideler "(dette tilsvarer en Q -faktor på 15 eller høyere). Nesten de eneste gnistsenderne som kunne tilfredsstille denne tilstanden var typene gnist- og rotasjonsgap ovenfor, og de dominerte trådløs telegrafi for resten av gnisttiden.

Marconis tidsbestemte gnistsystem

I 1912 utviklet Marconi i sine kraftverkstasjoner en forbedring av den roterende utladeren kalt "timed gnist" -systemet, som genererte det som sannsynligvis var nærmest en kontinuerlig bølge som gnister kunne produsere. Han brukte flere identiske resonanskretser parallelt, med kondensatorene ladet av en DC -dynamo . Disse ble tømt sekvensielt av flere roterende utladningshjul på samme aksel for å skape overlappende dempede bølger som ble skiftet gradvis i tid, som ble lagt sammen i oscillasjonstransformatoren, slik at utgangen var en superposisjon av dempede bølger. Hastigheten til utladingshjulet ble kontrollert slik at tiden mellom gnister var lik et heltall av bølgeperioden. Derfor var svingninger av de påfølgende bølgetogene i fase og forsterket hverandre. Resultatet var i hovedsak en kontinuerlig sinusformet bølge, hvis amplitude varierte med en krusning ved gnistfrekvensen. Dette systemet var nødvendig for å gi Marconis transoceaniske stasjoner en smal nok båndbredde til at de ikke forstyrret andre sendere på det smale VLF -båndet. Tidsbestemte gnisttransmittere oppnådde det lengste overføringsområdet for alle gnistsendere, men disse lammene representerte slutten på gnistteknologien.

Senderbygning, som viser de 36 matelinjene som mater strøm til den 3600 fot lange flate trådantennen.

5 ft diameter primær spole av oscillasjonstransformator, bestående av 3 omdreininger med spesialisert litztråd en fot tykk

De tre 5 fot roterende gnistutladningshjulene til "timed spark" -systemet.

Marconi 300 kW transatlantisk tidsbestemt gnistsender bygget 1916 i Carnarvon , Wales , en av de kraftigste gnistsenderne som noen gang er bygget. Under første verdenskrig sendte den telegramtrafikk med 200 ord per minutt på 21,5 kHz til mottakere i Belmar, New Jersey. Gnistens brøl kunne angivelig høres en kilometer unna. September 1918 overførte den den første trådløse meldingen fra Storbritannia til Australia, en avstand på 15.200 km (9.439 miles). I 1921 ble den erstattet av Alexanderson dynamosendere.

"Gnisten" -tiden

Den første applikasjonen av radio var på skip, for å holde kontakten med land, og sende ut en nødanrop hvis skipet sank. Marconi Company bygde en rekke landstasjoner og etablerte i 1904 den første nødkallingen fra Morse, bokstavene CQD , som ble brukt frem til den andre internasjonale radiotelegrafiske konvensjonen i 1906 der SOS ble avtalt. Den første betydelige marine redningen på grunn av radiotelegrafi var den 23. januar 1909 senkingen av luksusfartøyet RMS Republic , der 1500 mennesker ble reddet.

Gnistransmittere og krystallmottakerne som ble brukt til å motta dem var enkle nok til at de ble bygget mye av hobbyfolk. I løpet av de første tiårene av 1900 -tallet tiltrukket denne spennende nye høyteknologiske hobbyen et voksende fellesskap av " radioamatører ", mange av dem tenåringsgutter, som brukte hjemmebyggede sett rekreasjonsmessig til å kontakte fjerne amatører og chatte med dem ved morsekode og stafett. meldinger. Lavt strømforbruk amatørsendere ( "Piper bokser") ble ofte bygget med " trembler " tennspoler fra tidlige biler som Ford Model T . I USA før 1912 var det ingen myndighetsregulering av radio, og en kaotisk "vill vest" -atmosfære rådet, med stasjoner som sendte uten hensyn til andre stasjoner på frekvensen, og bevisst forstyrret hverandre. Det økende antallet ikke-syntoniske bredbånd gnistsendere skapte ukontrollert overbelastning i luftbølgene, noe som forstyrret kommersielle og militære trådløse stasjoner.

Den RMS  Titanic sank 14 april 1912 økt offentlig forståelse for rollen som radio, men tap av liv brakt oppmerksomhet til uorganisert tilstand av den nye radiobransjen, og bedt om forskrift som rettet noen overgrep. Selv om Titanic radiooperatørens cqd nødanrop tilkalte RMS  Karpatene som reddet 705 overlevende ble redningsaksjonen forsinket fire timer fordi nærmeste skipet, SS Californian , bare noen få miles unna, hørte ikke Titanic ' s samtale som sin radio operatøren hadde lagt seg. Dette ble holdt ansvarlig for de fleste av de 1500 dødsfallene. Eksisterende internasjonale forskrifter krevde at alle skip med mer enn 50 passasjerer skulle bære trådløst utstyr, men etter katastrofen har påfølgende forskrifter mandatskip med nok radiooffiserer slik at en radioklokke døgnet rundt kan holdes. I den amerikanske radioloven fra 1912 var det nødvendig med lisenser for alle radiosendere, maksimal demping av sendere var begrenset til en reduksjon på 0,2 for å få gamle støyende ikke-syntoniske sendere fra luften, og amatører var hovedsakelig begrenset til ubrukte frekvenser over 1,5 MHz .

Telefunken 100 kW transoceanisk slukket gnistsender på Nauen Transmitter Station , Nauen , Tyskland var den kraftigste radiosenderen i verden da den ble bygget i 1911

De største gnistsenderne var kraftige transoceaniske radiotelegrafistasjoner med inngangseffekt på 100 - 300 kW. Fra rundt 1910 bygde industriland globale nettverk av disse stasjonene for å utveksle kommersiell og diplomatisk telegramtrafikk med andre land og kommunisere med sine utenlandske kolonier. Under første verdenskrig ble langdistanse radiotelegrafi en strategisk defensiv teknologi, ettersom det ble innsett at en nasjon uten radio kunne isoleres av en fiende som kuttet ubåtstelegrafkablene . De fleste av disse nettverkene ble bygget av de to gigantiske trådløse selskapene i sin tid: British Marconi Company , som konstruerte Imperial Wireless Chain for å koble eiendelene til det britiske imperiet , og det tyske Telefunken Co. som var dominerende utenfor det britiske imperiet. Marconi -sendere brukte den tidsbestemte gnistrotasjonsladeren, mens Telefunken -sendere brukte teknologien for slukking av gnistgap. Papirbåndmaskiner ble brukt til å overføre Morse -kode tekst med høy hastighet. For å oppnå et maksimalt område på rundt 3000 - 6000 miles, sendte transoceaniske stasjoner hovedsakelig i meget lavfrekvente (VLF) bånd, fra 50 kHz til så lavt som 15 - 20 kHz. Ved disse bølgelengdene var selv de største antennene elektrisk korte , en liten brøkdel av en bølgelengde høye og hadde lav strålingsresistens (ofte under 1 ohm), så disse senderne krevde enorme trådparaplyer og flattopantenner opp til flere miles lange med stor kapasitiv toploads, for å oppnå tilstrekkelig effektivitet. Antennen krevde en stor lastespole ved basen, 6 - 10 fot høy, for å få den til å resonere med senderen.

Gnistgaposcillatoren ble også brukt i ikke -radioapplikasjoner, og fortsatte lenge etter at den ble foreldet i radio. I form av Tesla -spolen og Oudin -spolen ble den brukt til 1940 -tallet på det medisinske feltet diatermi for dyp kroppsoppvarming. Høye oscillerende spenninger på hundretusenvis av volt ved frekvenser på 0,1 - 1 MHz fra en Tesla -spole ble direkte påført pasientens kropp. Behandlingen var ikke smertefull, fordi strømmer i radiofrekvensområdet ikke forårsaker den fysiologiske reaksjonen av elektrisk støt . I 1926 oppdaget William T. Bovie at RF -strømmer påført en skalpell kunne kutte og cauterisere vev i medisinske operasjoner, og gnistoscillatorer ble brukt som elektrokirurgiske generatorer eller "Bovies" så sent som på 1980 -tallet.

Kontinuerlige bølger

Selv om dempningen deres var redusert så mye som mulig, produserte gnistsendere fremdeles dempede bølger , som på grunn av deres store båndbredde forårsaket forstyrrelser mellom sendere. Gnisten gjorde også en veldig høy lyd under drift, produserte etsende ozongass , tærte gnistelektrodene og kan være brannfare. Til tross for ulempene trodde de fleste trådløse eksperter sammen med Marconi at den impulsive "whipcrack" av en gnist var nødvendig for å produsere radiobølger som ville kommunisere lange avstander.

Fra begynnelsen visste fysikere at en annen type bølgeform, kontinuerlige sinusformede bølger (CW), hadde teoretiske fordeler i forhold til dempede bølger for radiooverføring. Fordi energien deres hovedsakelig er konsentrert ved en enkelt frekvens, i tillegg til å forårsake nesten ingen interferens med andre sendere på tilstøtende frekvenser, kan kontinuerlige bølgesendere overføre lengre avstander med en gitt utgangseffekt. De kan også moduleres med et lydsignal for å bære lyd. Problemet var at ingen teknikker var kjent for å generere dem. Innsatsen beskrevet ovenfor for å redusere demping av gnistsendere kan ses på som forsøk på å gjøre deres utgangstilnærming nærmere idealet om en kontinuerlig bølge, men gnistsendere kunne ikke produsere ekte kontinuerlige bølger.

Fra ca 1904 ble kontinuerlige bølgesendere utviklet etter nye prinsipper, som konkurrerte med gnistsendere. Kontinuerlige bølger ble først generert av to kortlivede teknologier:

• Den lysbue-omformer (Poulsen arc) transmitter, oppfunnet av Valdemar Poulsen i 1904 brukt negative motstand av en sammenhengende elektrisk lysbue i en hydrogenatmosfære for å eksitere oscillasjoner i en resonanskrets .
• Den Alex dynamo senderen, utvikles mellom 1906 og 1915 av Reginald Fessenden og Ernst Alex , var en stor roterende vekselstrømgenerator ( dynamo ) drives av en elektrisk motor ved en tilstrekkelig høy hastighet at det produseres radiofrekvent strøm i det meget lave frekvensområde.

Disse senderne, som kunne produsere effekt på opptil en megawatt , erstattet sakte gnistsenderen i radiotelegrafistasjoner med høy effekt. Imidlertid forble gnistsendere populære på toveiskommunikasjonsstasjoner fordi de fleste kontinuerlige bølgesendere ikke var i stand til en modus som kalles "bryt inn" eller "lytt inn" -operasjon. Med en gnistsender, når telegrafnøkkelen var oppe mellom morsesymboler, ble bærebølgen slått av og mottakeren slått på, slik at operatøren kunne lytte etter en innkommende melding. Dette tillot mottakerstasjonen, eller en tredje stasjon, å avbryte eller "bryte inn" til en pågående overføring. Derimot måtte disse tidlige CW -senderne operere kontinuerlig; den bærebølgen ble ikke slått av mellom morse tegn, ord eller setninger, men bare trimmet, så en lokal mottaker ikke kunne operere så lenge senderen ble drevet opp. Derfor kunne disse stasjonene ikke motta meldinger før senderen ble slått av.

Forældelse

Alle disse tidlige teknologiene ble erstattet av den elektroniske oscillatoren for tilbakemelding på vakuumrøret , oppfunnet i 1912 av Edwin Armstrong og Alexander Meissner , som brukte triodevakuumrøret som ble oppfunnet i 1906 av Lee De Forest . Vakuumrøroscillatorer var en langt billigere kilde til kontinuerlige bølger, og kunne lett moduleres for å bære lyd. På grunn av utviklingen av de første kraftige senderørene ved slutten av første verdenskrig, erstattet rørsenderne på 1920-tallet lysbueomformeren og dynamosenderne, samt den siste av de gamle bråkete gnistsenderne.

Den internasjonale radiotelegrafkonvensjonen i 1927 i Washington, DC så en politisk kamp for endelig å eliminere gnistradio. Gnistsendere var lenge foreldet på dette tidspunktet, og kringkastingsradiopublikum og luftfartsmyndigheter klaget over forstyrrelsen i radiomottaket som bråkete gamle gnistsendere forårsaket. Men skipsfartsinteressene kjempet kraftig mot et totalforbud mot dempede bølger, på grunn av investeringene som ville kreves for å erstatte gammelt gnistutstyr som fremdeles ble brukt på eldre skip. Konvensjonen forbød lisensiering av nye landgnistsendere etter 1929. Dempet bølgeradioutslipp, kalt klasse B, ble forbudt etter 1934, bortsett fra i nødstilfeller på skip. Dette smutthullet tillot skipsredere å unngå å bytte gnistsendere, som ble oppbevart som nødsendingssendere på skip gjennom andre verdenskrig.

Legacy

En arv fra gnistgapssendere er at radiooperatører regelmessig fikk tilnavnet "Sparky" lenge etter at enhetene sluttet å brukes. Selv i dag, den tyske verb Funken , bokstavelig talt, "for å gnist", betyr også "for å sende en radiomelding".

På 1950-tallet produserte et japansk leketøyselskap, Matsudaya, en serie med billige fjernstyrte leketøybiler, båter og roboter kalt Radicon, som brukte en gnistsender med lav effekt i kontrolleren som en billig måte å produsere radiokontrollsignalene på. Signalene ble mottatt i leken av en sammenhengende mottaker.

Gnistgaposcillatorer brukes fortsatt til å generere høyfrekvent høyspenning som er nødvendig for å starte sveisebuer i gass ​​wolfram lysbuesveising . Kraftige gnistgappulsgeneratorer brukes fremdeles for å simulere EMP -er .

Se også

• Radioens historie
• Oppfinnelse av radio
• Amatørradio
• Antikk radio
• Coherer
• Krystallradio

Referanser

Videre lesning

• Morecroft, John Harold (1921). "Spark Telegraphy" . Prinsipper for radiokommunikasjon . New York: Wiley. s. 275–363 . Hentet 12. september 2015 .
• Zenneck, Jonathan (1915). Trådløs telegrafi . Oversatt av Alfred E. Seelig. New York: McGraw-Hill Book Company . Hentet 14. september 2015 .

Eksterne linker

• Dynamo, lysbue og gnist
• Fessenden og radiovitenskapens tidlige historie
• Kort historie om gnist
• Massie Spark Transmitter Det nye England Wireless and Steam Museum
• "Lyden av en gnistsender med lyd" . Arkivert fra originalen 18. juli 2011.
• The Sparks Telegraph Key Review
• Radioteknologi i vanlig bruk rundt 1914
• Spark gap transmitter historie og drift