Transmisor de chispa

Type of radio transmitter

Transmisor de chispa acoplado inductivamente de baja potencia en exposición en el Museo de Electricidad de Frastanz , Austria. La chispa se encuentra dentro de la caja con la tapa transparente en la parte superior central.

Un transmisor de chispa es un tipo obsoleto de transmisor de radio que genera ondas de radio por medio de una chispa eléctrica . ^{[1] [2]} Los transmisores de chispa fueron el primer tipo de transmisor de radio, y fueron el tipo principal utilizado durante la era de la telegrafía inalámbrica o "chispa", las primeras tres décadas de la radio , desde 1887 hasta el final de la Primera Guerra Mundial. ^{[3] [4]} El físico alemán Heinrich Hertz construyó los primeros transmisores de chispa experimentales en 1887, con los que demostró la existencia de ondas de radio y estudió sus propiedades.

Una limitación fundamental de los transmisores de chispa es que generan una serie de pulsos transitorios breves de ondas de radio llamados ondas amortiguadas ; no pueden producir las ondas continuas que se utilizan para transportar audio (sonido) en la transmisión de radio AM o FM moderna . Por lo tanto, los transmisores de chispa no podían transmitir audio y, en su lugar, transmitían información por radiotelegrafía ; el operador encendía y apagaba el transmisor con una llave telegráfica , lo que creaba pulsos de ondas de radio para deletrear mensajes de texto en código Morse .

Los primeros transmisores y receptores de chispas prácticos para la comunicación por radiotelegrafía fueron desarrollados por Guglielmo Marconi alrededor de 1896. Uno de los primeros usos de los transmisores de chispas fue en los barcos, para comunicarse con la costa y transmitir una llamada de socorro si el barco se estaba hundiendo. Desempeñaron un papel crucial en rescates marítimos como el desastre del RMS Titanic de 1912. Después de la Primera Guerra Mundial, se desarrollaron transmisores de tubo de vacío , que eran menos costosos y producían ondas continuas que tenían un mayor alcance, producían menos interferencias y también podían transmitir audio, lo que hizo que los transmisores de chispas quedaran obsoletos en 1920. Las señales de radio producidas por transmisores de chispas son eléctricamente "ruidosas"; tienen un ancho de banda amplio , lo que crea interferencias de radiofrecuencia (RFI) que pueden interrumpir otras transmisiones de radio. Este tipo de emisión de radio está prohibido por la ley internacional desde 1934. ^{[5] [6]}

Teoría del funcionamiento

Las ondas electromagnéticas son radiadas por cargas eléctricas cuando se aceleran . ^{[7] [8]} Las ondas de radio , ondas electromagnéticas de radiofrecuencia , pueden generarse mediante corrientes eléctricas variables en el tiempo , que consisten en electrones que fluyen a través de un conductor que cambian repentinamente su velocidad, acelerándose así. ^{[8] [9]}

Una capacitancia cargada eléctricamente descargada a través de una chispa eléctrica a través de un espacio de chispa entre dos conductores fue el primer dispositivo conocido que podía generar ondas de radio. ^{[10] : p.3} La chispa en sí no produce las ondas de radio, simplemente sirve como un interruptor de acción rápida para excitar corrientes eléctricas oscilantes de radiofrecuencia resonantes en los conductores del circuito conectado. Los conductores irradian la energía de esta corriente oscilante en forma de ondas de radio.

Debido a la inductancia inherente de los conductores de circuito, la descarga de un capacitor a través de una resistencia suficientemente baja (como una chispa) es oscilatoria ; la carga fluye rápidamente de un lado a otro a través del espacio entre chispas durante un breve período, cargando los conductores de cada lado alternativamente de forma positiva y negativa, hasta que las oscilaciones desaparecen. ^{[11] [12]}

Diagrama gráfico de un transmisor de chispas sencillo de un libro de pasatiempos para niños de 1917, que muestra ejemplos de los primeros componentes electrónicos utilizados. Es un ejemplo típico de los transmisores de baja potencia fabricados en casa por miles de aficionados durante este período para explorar la nueva y emocionante tecnología de la radio.

Un transmisor de chispa práctico consta de estas partes: ^{[11] [13] [14] [15]}

• Un transformador de alto voltaje , para transformar la electricidad de bajo voltaje de la fuente de energía, una batería o una toma eléctrica, a un voltaje lo suficientemente alto (desde unos pocos kilovoltios hasta 75-100 kilovoltios en transmisores potentes) para saltar a través del espacio de chispa. El transformador carga el condensador. En los transmisores de baja potencia alimentados por baterías, esto era generalmente una bobina de inducción (bobina de Ruhmkorff).
• Uno o más circuitos resonantes (circuitos sintonizados o circuitos tanque) que crean oscilaciones eléctricas de radiofrecuencia cuando se excitan con la chispa. Un circuito resonante consta de un condensador (antiguamente llamado botella de Leyden ) que almacena electricidad de alto voltaje del transformador y una bobina de cable llamada inductor o bobina de sintonización, conectados entre sí. Los valores de la capacitancia y la inductancia determinan la frecuencia de las ondas de radio producidas.
  • Los primeros transmisores de chispas anteriores a 1897 no tenían un circuito resonante; la antena cumplía esta función, actuando como un resonador . Sin embargo, esto significaba que la energía electromagnética producida por el transmisor se disipaba en una banda ancha, lo que limitaba su alcance efectivo a unos pocos kilómetros como máximo.
  • La mayoría de los transmisores de chispa tenían dos circuitos resonantes acoplados entre sí con un transformador de núcleo de aire llamado transformador resonante o transformador de oscilación . ^[11] Esto se llamaba transmisor acoplado inductivamente . El espacio de chispa y el condensador conectados al devanado primario del transformador formaban un circuito resonante, que generaba la corriente oscilante. La corriente oscilante en el devanado primario creaba un campo magnético oscilante que inducía corriente en el devanado secundario . La antena y la tierra estaban conectadas al devanado secundario. La capacitancia de la antena resonaba con el devanado secundario para formar un segundo circuito resonante. Los dos circuitos resonantes estaban sintonizados a la misma frecuencia resonante . La ventaja de este circuito era que la corriente oscilante persistía en el circuito de la antena incluso después de que la chispa se detuviera, creando ondas largas, resonantes y ligeramente amortiguadas, en las que la energía se concentraba en un ancho de banda más estrecho , creando menos interferencias para otros transmisores.
• Un espacio de chispa que actúa como un interruptor controlado por voltaje en el circuito resonante, descargando el capacitor a través de la bobina.
• Una antena , un conductor metálico como un cable elevado, que irradia la potencia de las corrientes eléctricas oscilantes del circuito resonante hacia el espacio en forma de ondas de radio .
• Una llave telegráfica para encender y apagar el transmisor para comunicar mensajes mediante código Morse.

Ciclo de operación

El transmisor funciona en un ciclo de repetición rápida en el que el condensador se carga a un alto voltaje por el transformador y se descarga a través de la bobina por una chispa a través del espacio de chispa. ^{[11] [16]} La chispa impulsiva excita el circuito resonante para que "suene" como una campana, produciendo una breve corriente oscilante que se irradia como ondas electromagnéticas por la antena. ^[11] El transmisor repite este ciclo a un ritmo rápido, por lo que la chispa parecía continua y la señal de radio sonaba como un gemido o zumbido en un receptor de radio .

Demostración del transmisor de chispa de la estación inalámbrica Massie de 1907 restaurado

Audio de la transmisión de chispa Massie

Código morse de " CQ DE PJ"

1. El ciclo comienza cuando la corriente proveniente del transformador carga el capacitor, almacenando carga eléctrica positiva en una de sus placas y carga negativa en la otra. Mientras el capacitor se carga, el bujía se encuentra en estado no conductor, lo que impide que la carga escape a través de la bobina.
2. Cuando el voltaje del capacitor alcanza el voltaje de ruptura del espacio de chispa, el aire en el espacio se ioniza , iniciando una chispa eléctrica , reduciendo su resistencia a un nivel muy bajo (generalmente menos de un ohmio ). Esto cierra el circuito entre el capacitor y la bobina.
3. La carga del condensador se descarga como una corriente a través de la bobina y el bujía. Debido a la inductancia de la bobina, cuando el voltaje del condensador llega a cero, la corriente no se detiene, sino que sigue fluyendo, cargando las placas del condensador con una polaridad opuesta, hasta que la carga se almacena nuevamente en el condensador, en las placas opuestas. Luego, el proceso se repite, con la carga fluyendo en la dirección opuesta a través de la bobina. Esto continúa, lo que da como resultado corrientes oscilantes que fluyen rápidamente de ida y vuelta entre las placas del condensador a través de la bobina y el bujía.
4. El circuito resonante está conectado a la antena, por lo que estas corrientes oscilantes también fluyen en la antena, cargándola y descargándola. La corriente crea un campo magnético oscilante alrededor de la antena, mientras que el voltaje crea un campo eléctrico oscilante . Estos campos oscilantes se irradian desde la antena hacia el espacio como una onda electromagnética ; una onda de radio.
5. La energía en el circuito resonante está limitada a la cantidad de energía almacenada originalmente en el condensador. Las ondas de radio radiadas, junto con el calor generado por la chispa, consumen esta energía, lo que hace que las oscilaciones disminuyan rápidamente en amplitud hasta cero. Cuando la corriente eléctrica oscilante en el circuito primario ha disminuido hasta un punto en el que es insuficiente para mantener ionizado el aire en el espacio de chispa, la chispa se detiene, abriendo el circuito resonante y deteniendo las oscilaciones. En un transmisor con dos circuitos resonantes, las oscilaciones en el circuito secundario y la antena pueden continuar durante algún tiempo después de que la chispa haya terminado. Luego, el transformador comienza a cargar el condensador nuevamente y todo el ciclo se repite.

El ciclo es muy rápido, dura menos de un milisegundo. Con cada chispa, este ciclo produce una señal de radio que consiste en una onda sinusoidal oscilante que aumenta rápidamente hasta una gran amplitud y disminuye exponencialmente hasta cero, llamada onda amortiguada . ^[11] La frecuencia de las oscilaciones, que es la frecuencia de las ondas de radio emitidas, es igual a la frecuencia resonante del circuito resonante, determinada por la capacitancia del condensador y la inductancia de la bobina: ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle L}$

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

El transmisor repite este ciclo rápidamente, por lo que la salida es una cadena repetida de ondas amortiguadas. Esto es equivalente a una señal de radio modulada en amplitud con una frecuencia constante, por lo que podría ser demodulada en un receptor de radio por un detector rectificador de AM , como el detector de cristal o la válvula Fleming utilizados durante la era de la telegrafía inalámbrica. La frecuencia de repetición (tasa de chispa) está en el rango de audio , típicamente de 50 a 1000 chispas por segundo, por lo que en los auriculares de un receptor la señal suena como un tono constante, un gemido o un zumbido. ^[13]

Para transmitir información con esta señal, el operador enciende y apaga rápidamente el transmisor tocando un interruptor llamado tecla telegráfica en el circuito primario del transformador, produciendo secuencias de cadenas cortas (punto) y largas (raya) de ondas amortiguadas, para deletrear mensajes en código Morse . Mientras se presiona la tecla, el chispero se dispara repetidamente, creando una cadena de pulsos de ondas de radio, por lo que en un receptor la pulsación de la tecla suena como un zumbido; todo el mensaje en código Morse suena como una secuencia de zumbidos separados por pausas. En los transmisores de baja potencia, la tecla interrumpe directamente el circuito primario del transformador de alimentación, mientras que en los transmisores de alta potencia, la tecla opera un relé de alta resistencia que interrumpe el circuito primario.

Circuito de carga y tasa de chispa

El circuito que carga los condensadores, junto con el propio espacio de chispa, determina la frecuencia de chispa del transmisor, el número de chispas y los pulsos de onda amortiguados resultantes que produce por segundo, lo que determina el tono de la señal que se escucha en el receptor. La frecuencia de chispa no debe confundirse con la frecuencia del transmisor, que es el número de oscilaciones sinusoidales por segundo en cada onda amortiguada. Dado que el transmisor produce un pulso de ondas de radio por chispa, la potencia de salida del transmisor era proporcional a la frecuencia de chispa, por lo que se favorecían frecuencias más altas. Los transmisores de chispa generalmente usaban uno de los tres tipos de circuitos de potencia: ^{[11] [13] [17] : p.359–362}

Bobina de inducción

En los transmisores de baja potencia, normalmente de menos de 500 vatios, que a menudo funcionaban con pilas, se utilizaba una bobina de inducción (bobina de Ruhmkorff). Una bobina de inducción es un tipo de transformador alimentado por corriente continua, en el que un contacto de interruptor de brazo vibratorio en la bobina, llamado interruptor, interrumpe repetidamente el circuito que proporciona corriente al devanado primario, lo que hace que la bobina genere pulsos de alto voltaje. Cuando se activa la corriente primaria de la bobina, el devanado primario crea un campo magnético en el núcleo de hierro que aleja el brazo elástico del interruptor de su contacto, abriendo el interruptor y cortando la corriente primaria. Luego, el campo magnético colapsa, creando un pulso de alto voltaje en el devanado secundario, y el brazo del interruptor vuelve a cerrar el contacto de nuevo, y el ciclo se repite. Cada pulso de alto voltaje cargaba el condensador hasta que se disparaba el chispero, lo que daba como resultado una chispa por pulso. Los interruptores se limitaban a tasas de chispa bajas de 20 a 100 Hz, que sonaban como un zumbido bajo en el receptor. En los potentes transmisores de bobina de inducción, en lugar de un interruptor vibratorio, se utilizaba un interruptor de turbina de mercurio . Este podía interrumpir la corriente a velocidades de hasta varios miles de hercios y la velocidad podía ajustarse para producir el mejor tono.

Transformador de corriente alterna

En los transmisores de mayor potencia alimentados por CA, un transformador eleva el voltaje de entrada hasta el alto voltaje necesario. El voltaje sinusoidal del transformador se aplica directamente al capacitor, por lo que el voltaje en el capacitor varía desde un alto voltaje positivo, a cero, a un alto voltaje negativo. El espacio entre chispas se ajusta de modo que las chispas solo se produzcan cerca del voltaje máximo, en los picos de la onda sinusoidal de CA , cuando el capacitor está completamente cargado. Dado que la onda sinusoidal de CA tiene dos picos por ciclo, lo ideal es que se produzcan dos chispas durante cada ciclo, por lo que la tasa de chispas es igual al doble de la frecuencia de la alimentación de CA ^[15] (a menudo se producen múltiples chispas durante el pico de cada medio ciclo). La tasa de chispas de los transmisores alimentados por una red eléctrica de 50 o 60 Hz es, por tanto, de 100 o 120 Hz. Sin embargo, las frecuencias de audio más altas cortan mejor las interferencias, por lo que en muchos transmisores el transformador era alimentado por un conjunto motor-alternador , un motor eléctrico con su eje girando un alternador , que producía CA a una frecuencia más alta, generalmente 500 Hz, lo que resultaba en una tasa de chispa de 1000 Hz. ^[15]

Espacio entre chispas extinguido

La velocidad a la que se pueden transmitir las señales está naturalmente limitada por el tiempo que tarda la chispa en extinguirse. Si, como se ha descrito anteriormente, el plasma conductor no se enfría lo suficiente durante los puntos cero de la corriente alterna para extinguir la chispa, se mantiene una "chispa persistente" hasta que se disipa la energía almacenada, lo que permite un funcionamiento práctico sólo hasta unas 60 señales por segundo. ^{[ cita requerida ]} Si se toman medidas activas para romper el arco (ya sea soplando aire a través de la chispa o alargando el espacio entre chispas), se puede obtener una "chispa extinguida" mucho más corta. ^{[ cita requerida ]} Un sistema simple de chispa extinguida todavía permite varias oscilaciones del circuito del condensador en el tiempo que tarda la chispa en extinguirse. Con el circuito de chispa interrumpido, la frecuencia de transmisión está determinada únicamente por el circuito resonante de la antena, lo que permite una sintonización más sencilla.

Espacio entre chispas rotatorio

En un transmisor con un espacio de chispa "rotativo" (abajo) , el condensador se cargaba con corriente alterna desde un transformador de alto voltaje como el anterior y se descargaba mediante un espacio de chispa que consistía en electrodos espaciados alrededor de una rueda que giraba mediante un motor eléctrico, que producía chispas al pasar por un electrodo estacionario. ^{[11] [15]} La tasa de chispa era igual a las rotaciones por segundo multiplicadas por el número de electrodos de chispa en la rueda. Podía producir tasas de chispa de hasta varios miles de hercios, y la tasa se podía ajustar cambiando la velocidad del motor. La rotación de la rueda generalmente se sincronizaba con la onda sinusoidal de corriente alterna , de modo que el electrodo móvil pasaba por el estacionario en el pico de la onda sinusoidal, iniciando la chispa cuando el condensador estaba completamente cargado, lo que producía un tono musical en el receptor. Cuando se sintonizaba correctamente de esta manera, se eliminaba la necesidad de enfriamiento externo o flujo de aire de extinción, al igual que la pérdida de energía directamente del circuito de carga (paralelo al condensador) a través de la chispa.

Historia

La invención del transmisor de radio fue resultado de la convergencia de dos líneas de investigación.

Uno de ellos fueron los intentos de los inventores de idear un sistema para transmitir señales telegráficas sin cables. Los experimentos de varios inventores habían demostrado que las perturbaciones eléctricas podían transmitirse a cortas distancias a través del aire. Sin embargo, la mayoría de estos sistemas no funcionaban mediante ondas de radio, sino mediante inducción electrostática o inducción electromagnética , que tenían un alcance demasiado corto para ser prácticos. ^[18] En 1866, Mahlon Loomis afirmó haber transmitido una señal eléctrica a través de la atmósfera entre dos cables de 600 pies sostenidos en el aire por cometas en cimas de montañas a 14 millas de distancia. ^[18] Thomas Edison había estado cerca de descubrir la radio en 1875; había generado y detectado ondas de radio que llamó "corrientes etéreas" experimentando con circuitos de chispa de alto voltaje, pero debido a la falta de tiempo no investigó el asunto. ^{[17] : p.259–261} David Edward Hughes en 1879 también se había topado con la transmisión de ondas de radio que recibió con su detector de micrófono de carbono , sin embargo, estaba convencido de que lo que observó era inducción . ^{[17] : p.259–261} A ninguno de estos individuos se le suele atribuir el descubrimiento de la radio, porque no comprendieron el significado de sus observaciones y no publicaron su trabajo antes de Hertz.

La otra fue la investigación de los físicos para confirmar la teoría del electromagnetismo propuesta en 1864 por el físico escocés James Clerk Maxwell , ahora llamada ecuaciones de Maxwell . La teoría de Maxwell predijo que una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes podría viajar a través del espacio como una " onda electromagnética ". Maxwell propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, pero nadie sabía cómo confirmar esto, o generar o detectar ondas electromagnéticas de otras longitudes de onda. Para 1883 se teorizó que las cargas eléctricas aceleradas podían producir ondas electromagnéticas, y George Fitzgerald había calculado la potencia de salida de una antena de bucle . ^[19] Fitzgerald en una breve nota publicada en 1883 sugirió que las ondas electromagnéticas podrían generarse prácticamente descargando un condensador rápidamente; el método utilizado en los transmisores de chispa, ^{[20] [21]} sin embargo no hay indicios de que esto inspirara a otros inventores.

La división de la historia de los transmisores de chispa en los diferentes tipos que aparecen a continuación sigue la organización del tema utilizada en muchos libros de texto sobre radiofrecuencia. ^[22]

Osciladores hertzianos

El físico alemán Heinrich Hertz construyó en 1887 los primeros transmisores experimentales de chispa durante sus experimentos históricos para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas predichas por James Clerk Maxwell en 1864, en los que descubrió las ondas de radio , ^{[23] [24] : p.3-4  [25] [17] : p.19, 260, 331–332} que se llamaron "ondas hertzianas" hasta aproximadamente 1910. Hertz se inspiró para probar circuitos excitados por chispas mediante experimentos con "espirales de Reiss", un par de inductores espirales planos con sus conductores terminados en chispas. Un condensador de botella de Leyden descargado a través de una espiral, causaría chispas en el espacio de la otra espiral.

• 
  Heinrich Hertz descubre las ondas de radio con su oscilador de chispa (atrás)
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  Dibujo de Hertz de uno de sus osciladores de chispa. (A, A') antena, (J) bobina de inducción
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  Oscilador de chispa hertziano, 1902. Se ven una antena que consta de dos cables terminados en placas de metal (E) , un espacio de chispa (D) , una bobina de inducción (A) , una batería de automóvil (B) y una llave de telégrafo (C) .
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  Transmisor de 450 MHz de Hertz; un dipolo de 26 cm con chispa en el foco de un reflector parabólico de chapa metálica
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  Jagadish Chandra Bose en 1894 fue la primera persona en producir ondas milimétricas ; su oscilador de chispa (en el recuadro, a la derecha) generó ondas de 60 GHz (5 mm) utilizando resonadores de bolas de metal de 3 mm.
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  Oscilador de chispa de microondas demostrado por Oliver Lodge en 1894. Su bola resonadora de 5 pulgadas producía ondas de alrededor de 12 cm o 2,5 GHz.

El primer oscilador de Hertz: un par de cables de cobre de un metro de largo con una distancia entre ellos de 7,5 mm y que terminaban en esferas de cinc de 30 cm. Cuando se aplicaban pulsos de 20.000 voltios desde una bobina de inducción (no mostrada) , producía ondas con una frecuencia de aproximadamente 50 MHz.

Ver diagrama de circuito. Los transmisores de Hertz consistían en una antena dipolo hecha de un par de varillas metálicas colineales de varias longitudes con un espacio de chispa (S) entre sus extremos internos y bolas o placas metálicas para capacitancia (C) unidas a los extremos externos. ^{[23] [17] : p.19, 260, 331–332  [25]} Los dos lados de la antena estaban conectados a una bobina de inducción (bobina de Ruhmkorff) (T), una fuente de energía de laboratorio común que producía pulsos de alto voltaje, de 5 a 30 kV. Además de radiar las ondas, la antena también actuaba como un oscilador armónico ( resonador ) que generaba las corrientes oscilantes. Los pulsos de alto voltaje de la bobina de inducción (T) se aplicaban entre los dos lados de la antena. Cada pulso almacenaba carga eléctrica en la capacitancia de la antena, que se descargaba inmediatamente mediante una chispa a través del espacio de chispa. La chispa excitaba breves ondas estacionarias oscilantes de corriente entre los lados de la antena. La antena irradiaba la energía como un pulso momentáneo de ondas de radio; una onda amortiguada . La frecuencia de las ondas era igual a la frecuencia resonante de la antena, que estaba determinada por su longitud; actuaba como un dipolo de media onda , que irradiaba ondas de aproximadamente el doble de longitud de la antena (por ejemplo, un dipolo de 1 metro de largo generaría ondas de radio de 150 MHz). Hertz detectó las ondas observando pequeñas chispas en los huecos de chispa micrométricos (M) en bucles de cable que funcionaban como antenas receptoras resonantes. Oliver Lodge también estaba experimentando con osciladores de chispa en esta época y estuvo cerca de descubrir las ondas de radio antes que Hertz, pero su enfoque estaba en las ondas en cables, no en el espacio libre. ^{[26] [17] : p.226}

Circuito del oscilador de chispa y receptor de Hertz. El interruptor (I) y el condensador en el circuito primario de la bobina de inducción producían una cadena continua de ondas amortiguadas. Hertz solía utilizar un pulsador, que creaba una única chispa y un pulso de ondas de radio al pulsarlo, lo que producía una única chispa en su receptor.

Hertz y la primera generación de físicos que construyeron estos "osciladores hertzianos", como Jagadish Chandra Bose , Lord Rayleigh , George Fitzgerald , Frederick Trouton , Augusto Righi y Oliver Lodge , estaban principalmente interesados ​​en las ondas de radio como un fenómeno científico , y en gran medida no previeron sus posibilidades como tecnología de comunicación. ^{[27] : p.54, 98  [24] : p.5-9, 22  [17] : p.260, 263–265  [28]} Debido a la influencia de la teoría de Maxwell, su pensamiento estaba dominado por la similitud entre las ondas de radio y las ondas de luz; pensaban en las ondas de radio como una forma invisible de luz. ^{[24] : p.5-9, 22  [17] : p.260, 263–265} Por analogía con la luz, asumieron que las ondas de radio solo viajaban en línea recta, por lo que pensaron que la transmisión de radio estaba limitada por el horizonte visual como los métodos de señalización óptica existentes como el semáforo , y por lo tanto no era capaz de comunicarse a mayor distancia. ^{[26] [29] [30]} En 1894, Oliver Lodge especuló que la distancia máxima a la que se podían transmitir las ondas hertzianas era media milla. ^{[24] : p.5-9, 22}

Para investigar la similitud entre las ondas de radio y las ondas de luz , estos investigadores se concentraron en producir ondas de alta frecuencia de longitud de onda corta con las que pudieran duplicar los experimentos de óptica clásica con ondas de radio, utilizando componentes cuasiópticos como prismas y lentes hechos de cera de parafina , azufre y rejillas de difracción de tono y alambre . ^{[17] : p.476-484} Sus antenas cortas generaron ondas de radio en las bandas VHF , UHF o microondas . En sus diversos experimentos, Hertz produjo ondas con frecuencias de 50 a 450 MHz, aproximadamente las frecuencias utilizadas hoy en día por los transmisores de televisión abierta . Hertz las utilizó para realizar experimentos históricos que demostraban las ondas estacionarias , la refracción , la difracción , la polarización y la interferencia de las ondas de radio. ^{[31] [17] : p.19, 260, 331–332} También midió la velocidad de las ondas de radio, demostrando que viajaban a la misma velocidad que la luz. Estos experimentos establecieron que las ondas de luz y de radio eran ambas formas de ondas electromagnéticas de Maxwell , diferenciándose sólo en la frecuencia. Augusto Righi y Jagadish Chandra Bose alrededor de 1894 generaron microondas de 12 y 60 GHz respectivamente, utilizando pequeñas bolas de metal como antenas resonadoras. ^{[32] [17] : p.291-308}

Las altas frecuencias producidas por los osciladores hertzianos no podían viajar más allá del horizonte. Los resonadores dipolares también tenían baja capacitancia y no podían almacenar mucha carga , lo que limitaba su potencia de salida. ^{[24] : p.5-9, 22} Por lo tanto, estos dispositivos no eran capaces de transmitir a larga distancia; su rango de recepción con los receptores primitivos empleados estaba limitado típicamente a aproximadamente 100 yardas (100 metros). ^{[24] : p.5-9, 22}

Transmisores no sintónicos

Apenas podía concebir que la aplicación de la radio a fines útiles pudiera haber escapado a la atención de científicos tan eminentes.

—Guglielmo  Marconi ^[33]

El pionero de la radio italiano Guglielmo Marconi fue una de las primeras personas en creer que las ondas de radio podían usarse para la comunicación a larga distancia y desarrolló por sí solo los primeros transmisores y receptores de radiotelegrafía prácticos , ^{[28] [34] [24] : ch.1&2} principalmente combinando y experimentando con las invenciones de otros. A los 21 años, en la finca de su familia en Italia, entre 1894 y 1901, llevó a cabo una larga serie de experimentos para aumentar el rango de transmisión de los osciladores de chispa y receptores de Hertz. ^[33]

Evolución de la antena monopolo de Marconi a partir de la antena dipolo de Hertz

No pudo comunicarse más allá de media milla hasta 1895, cuando descubrió que el rango de transmisión podía aumentarse en gran medida reemplazando un lado de la antena dipolo hertziana en su transmisor y receptor con una conexión a la Tierra y el otro lado con una antena de alambre larga suspendida muy por encima del suelo. ^{[24] : p.20-21  [28] [36] : 195–218  [37]} Estas antenas funcionaban como antenas monopolares de cuarto de onda . ^[38] La longitud de la antena determinaba la longitud de onda de las ondas producidas y, por lo tanto, su frecuencia. Las ondas más largas y de menor frecuencia tienen menos atenuación con la distancia. ^[38] Cuando Marconi probó antenas más largas, que irradiaban ondas de menor frecuencia, probablemente en la banda MF alrededor de 2 MHz, ^[37] descubrió que podía transmitir más lejos. ^[33] Otra ventaja era que estas antenas verticales irradiaban ondas polarizadas verticalmente , en lugar de las ondas polarizadas horizontalmente producidas por las antenas horizontales de Hertz. ^[39] Estas ondas polarizadas verticalmente más largas podían viajar más allá del horizonte, porque se propagaban como una onda terrestre que seguía el contorno de la Tierra. Bajo ciertas condiciones, también podían llegar más allá del horizonte al reflejarse en capas de partículas cargadas ( iones ) en la atmósfera superior, lo que más tarde se denominó propagación de ondas ionosféricas . ^[30] Marconi no entendía nada de esto en ese momento; simplemente descubrió empíricamente que cuanto más alta estuviera suspendida su antena vertical, más lejos transmitiría.

Después de no interesar al gobierno italiano, en 1896 Marconi se mudó a Inglaterra, donde William Preece de la Oficina General de Correos Británica financió sus experimentos. ^{[38] [37] [33]} Marconi solicitó una patente para su sistema de radio el 2 de junio de 1896, ^[35] a menudo considerada la primera patente inalámbrica. ^{[17] : p.352-353, 355–358  [40]} En mayo de 1897 transmitió 14 km (8,7 millas), ^[38] el 27 de marzo de 1899 transmitió a través del Canal de la Mancha , 46 km (28 millas), ^[33] en el otoño de 1899 amplió el alcance a 136 km (85 millas), ^{[24] : p.60-61} y en enero de 1901 había alcanzado los 315 km (196 millas). Estas demostraciones de comunicación inalámbrica en código Morse a distancias cada vez mayores convencieron al mundo de que la radio, o "telegrafía inalámbrica", como se la llamaba, no era sólo una curiosidad científica sino una tecnología de comunicación comercialmente útil.

En 1897, Marconi fundó una empresa para producir sus sistemas de radio, que se convirtió en la Marconi Wireless Telegraph Company . ^{[38] [33]} y la comunicación por radio comenzó a usarse comercialmente alrededor de 1900. Su primer gran contrato en 1901 fue con la compañía de seguros Lloyd's de Londres para equipar sus barcos con estaciones inalámbricas. La compañía de Marconi dominó la radio marina durante la era de la chispa. Inspirados por Marconi, a fines de la década de 1890, otros investigadores también comenzaron a desarrollar sistemas de comunicación por radio de chispa que competían con ellos; Alexander Popov en Rusia, Eugène Ducretet en Francia, Reginald Fessenden y Lee de Forest en Estados Unidos, ^[1] y Karl Ferdinand Braun , Adolf Slaby y Georg von Arco en Alemania, quienes en 1903 formaron la Telefunken Co., el principal rival de Marconi. ^{[41] [42]}

Desventajas

Circuito del transmisor monopolo de Marconi y todos los demás transmisores anteriores a 1897.

Los transmisores primitivos anteriores a 1897 no tenían circuitos resonantes (también llamados circuitos LC, circuitos tanque o circuitos sintonizados), el chispero estaba en la antena, que funcionaba como resonador para determinar la frecuencia de las ondas de radio. ^{[33] [43] [17] : p.352-353, 355–358  [44]} Estos fueron llamados transmisores "no sintonizados" o "de antena simple". ^{[17] : p.352-353, 355–358  [45]}

La potencia media de salida de estos transmisores era baja, porque debido a su baja capacitancia la antena era un oscilador altamente amortiguado (en la terminología moderna, tenía un factor Q muy bajo ). ^{[10] : p.4–7, 32–33} Durante cada chispa, la energía almacenada en la antena se irradiaba rápidamente en forma de ondas de radio, por lo que las oscilaciones se reducían a cero rápidamente. ^[46] La señal de radio consistía en breves pulsos de ondas de radio, que se repetían decenas o como máximo unos cientos de veces por segundo, separados por intervalos comparativamente largos sin salida. ^{[17] : p.352-353, 355–358} La potencia radiada dependía de la cantidad de carga eléctrica que se pudiera almacenar en la antena antes de cada chispa, que era proporcional a la capacitancia de la antena. Para aumentar su capacitancia a tierra, las antenas se hicieron con múltiples cables paralelos, a menudo con cargas superiores capacitivas, en las antenas de "arpa", "jaula", " paraguas ", "L invertida" y " T " características de la era de la "chispa". ^[47] La ​​única otra forma de aumentar la energía almacenada en la antena era cargándola hasta voltajes muy altos. ^{[48] [17] : p.352-353, 355–358} Sin embargo, el voltaje que se podía usar estaba limitado a aproximadamente 100 kV por la descarga de corona que causaba que la carga se filtrara de la antena, particularmente en clima húmedo, y también se perdía energía como calor en la chispa más larga.

Ancho de banda de emisión de un transmisor de chispa que muestra la intensidad de la señal en función de la longitud de onda en metros

Un inconveniente más significativo de la gran amortiguación era que las transmisiones de radio eran eléctricamente "ruidosas"; tenían un ancho de banda muy grande . ^{[11] [24] : p.90-93  [33] [36] : 72–75} Estos transmisores no producían ondas de una sola frecuencia , sino una banda continua de frecuencias. ^{[36] : 72–75  [24] : p.90-93} Eran esencialmente fuentes de ruido de radio que irradiaban energía sobre una gran parte del espectro de radio , lo que hacía imposible que se escucharan otros transmisores. ^[13] Cuando varios transmisores intentaban operar en la misma área, sus señales amplias se superponían en frecuencia e interferían entre sí. ^{[33] [44]} Los receptores de radio utilizados tampoco tenían circuitos resonantes, por lo que no tenían forma de seleccionar una señal de otras además de la amplia resonancia de la antena, y respondían a las transmisiones de todos los transmisores en las cercanías. ^[44] Un ejemplo de este problema de interferencia fue una vergonzosa debacle pública en agosto de 1901 cuando Marconi, Lee de Forest y GW Pickard intentaron informar sobre la New York Yacht Race a los periódicos desde barcos con sus transmisores de chispa no sintonizados. ^{[49] [50] [51]} Las transmisiones en código Morse interfirieron y los periodistas en tierra no recibieron ninguna información de las señales distorsionadas.

Transmisores sintónicos

Transmisor (abajo) y receptor (arriba) del primer sistema de radio "sintónico", de la patente de Lodge de 1897 ^[52]

Quedó claro que para que operaran múltiples transmisores, debía idearse algún sistema de "señalización selectiva" ^{[53] [54] que permitiera a un receptor seleccionar la señal de qué transmisor recibir y rechazar las demás. En 1892,} William Crookes había dado una influyente ^[55] conferencia ^[56] sobre radio en la que sugirió usar resonancia (entonces llamada sintonía ) para reducir el ancho de banda de transmisores y receptores. ^{[17] : p.352-353, 355–358} El uso de un circuito resonante (también llamado circuito sintonizado o circuito tanque) en los transmisores estrecharía el ancho de banda de la señal radiada, ocuparía un rango más pequeño de frecuencias alrededor de su frecuencia central, de modo que las señales de los transmisores "sintonizados" para transmitir en diferentes frecuencias ya no se superpondrían. Un receptor que tuviera su propio circuito resonante podría recibir un transmisor particular "sintonizando" su frecuencia resonante con la frecuencia del transmisor deseado, de manera análoga a la forma en que un instrumento musical podría sintonizarse en resonancia con otro. ^[53] Este es el sistema utilizado en todas las radios modernas.

Durante el período de 1897 a 1900, los investigadores inalámbricos se dieron cuenta de las ventajas de los sistemas "sintónicos" o "sintonizados", y agregaron condensadores ( botellas de Leyden ) e inductores (bobinas de alambre) a los transmisores y receptores, para hacer circuitos resonantes (circuitos sintonizados o circuitos tanque). ^{[36] : p. 125-136, 254–255, 259} Oliver Lodge , que había estado investigando la resonancia eléctrica durante años, ^{[36] : p.108-109  [44]} patentó el primer transmisor y receptor "sintónico" en mayo de 1897 ^{[52] [57] [26] [36] : p.130–143  [24] : p.90-93} Lodge agregó un inductor (bobina) entre los lados de sus antenas dipolo, que resonaba con la capacitancia de la antena para hacer un circuito sintonizado. ^{[44] [36] : p. 125-136, 254–255, 259} Aunque su complicado circuito no tuvo mucho uso práctico, la patente "sintónica" de Lodge fue importante porque fue la primera en proponer un transmisor y receptor de radio que contenía circuitos resonantes que estaban sintonizados para resonar entre sí. ^{[44] [36] : p. 125-136, 254–255, 259} En 1911, cuando se renovó la patente, la Compañía Marconi se vio obligada a comprarla para proteger su propio sistema sintónico contra demandas por infracción. ^{[36] : p. 125-136, 254–255, 259}

El circuito resonante funcionaba de forma análoga a un diapasón , almacenando energía eléctrica oscilante, aumentando el factor Q del circuito para que las oscilaciones estuvieran menos amortiguadas. ^{[36] : p. 125-136, 254–255, 259} Otra ventaja era que la frecuencia del transmisor ya no estaba determinada por la longitud de la antena sino por el circuito resonante, por lo que podía cambiarse fácilmente mediante tomas ajustables en la bobina. La antena se ponía en resonancia con el circuito sintonizado utilizando bobinas de carga . La energía en cada chispa, y por lo tanto la potencia de salida, ya no estaba limitada por la capacitancia de la antena sino por el tamaño del condensador en el circuito resonante. ^{[17] : p.352-353, 355–358} Para aumentar la potencia se utilizaban bancos de condensadores muy grandes. La forma que adoptaba el circuito resonante en los transmisores prácticos era el circuito acoplado inductivamente descrito en la siguiente sección.

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  Demostración de transmisor de chispa acoplado inductivamente 1909, con piezas etiquetadas
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  Transmisor y receptor de chispa acoplado inductivamente para aficionados, 1910. El espacio entre chispas está en una ampolla de vidrio (centro a la derecha) junto a la bobina de sintonización, en la parte superior de la caja que contiene el condensador de placa de vidrio.
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  Transmisor acoplado inductivamente de Marconi estándar en un barco en 1902. El bujía se encuentra delante de la bobina de inducción, abajo a la derecha. El transformador de oscilación en espiral se encuentra en la caja de madera en la pared sobre las botellas de Leyden.
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  Transmisor de larga distancia Telefunken de 25 kW construido en 1906 en la estación transmisora ​​de Nauen , Nauen, Alemania, que muestra un gran banco de condensadores de 400 μF con frascos de Leyden de 360 ​​grados (parte trasera) y descargadores de chispas verticales (derecha)

Acoplamiento inductivo

Al desarrollar estos transmisores sintónicos, los investigadores descubrieron que era imposible lograr una amortiguación baja con un solo circuito resonante. Un circuito resonante solo puede tener una amortiguación baja (Q alto, ancho de banda estrecho) si es un circuito "cerrado", sin componentes que disipen energía. ^{[58] [24] : p.90-93  [36] : p.108-109} Pero un circuito de este tipo no produce ondas de radio. Un circuito resonante con una antena que irradia ondas de radio (un circuito sintonizado "abierto") pierde energía rápidamente, lo que le da una amortiguación alta (Q bajo, ancho de banda amplio). Había una disyuntiva fundamental entre un circuito que producía oscilaciones persistentes que tenían un ancho de banda estrecho y uno que irradiaba alta potencia. ^[11]

Transmisor de chispa acoplado inductivamente. C2 no es un capacitor real, sino que representa la capacitancia entre la antena A y tierra.

La solución encontrada por varios investigadores fue utilizar dos circuitos resonantes en el transmisor, con sus bobinas acopladas inductivamente (magnéticamente) , formando un transformador resonante (llamado transformador de oscilación ); ^{[11] [46] [17] : p.352-353, 355–358} esto se llamó un transmisor " acoplado inductivamente ", " circuito acoplado " ^[45] o " de dos circuitos ". ^{[33] [48] [24] : p.98-100} Ver diagrama del circuito. El devanado primario del transformador de oscilación ( L1 ) con el condensador ( C1 ) y el chispero ( S ) formaban un circuito resonante "cerrado" que generaba las oscilaciones, mientras que el devanado secundario ( L2 ) estaba conectado a la antena de cable ( A ) y a tierra, formando un circuito resonante "abierto" con la capacitancia de la antena ( C2 ). ^{[17] : p.352-353, 355–358} Ambos circuitos estaban sintonizados a la misma frecuencia resonante . ^{[17] : p.352-353, 355–358} La ventaja del circuito acoplado inductivamente era que el transformador "flojamente acoplado" transfería la energía oscilante del circuito del tanque al circuito de la antena radiante gradualmente, creando largas ondas "resonantes". ^{[46] [11]} Una segunda ventaja era que permitía utilizar una gran capacitancia primaria (C1) que podía almacenar mucha energía, aumentando enormemente la potencia de salida. ^{[46] [17] : p.352-353, 355–358} Los potentes transmisores transoceánicos a menudo tenían enormes bancos de condensadores de botella de Leyden que llenaban las habitaciones (ver imágenes de arriba) . En la mayoría de los sistemas, el receptor también utilizaba dos circuitos acoplados inductivamente, con la antena como un circuito resonante "abierto" acoplado a través de un transformador de oscilación a un circuito resonante "cerrado" que contenía el detector . Un sistema de radio con un transmisor y un receptor de "dos circuitos" (acoplados inductivamente) se denominaba sistema de "cuatro circuitos".

La primera persona en utilizar circuitos resonantes en una aplicación de radio fue Nikola Tesla , quien inventó el transformador resonante en 1891. ^[59] En una conferencia de marzo de 1893 en St. Louis, ^[60] había demostrado un sistema inalámbrico que, aunque estaba destinado a la transmisión inalámbrica de energía , tenía muchos de los elementos de los sistemas de comunicación por radio posteriores. ^{[61] [62] [17] : p.352-353, 355–358  [36] : p. 125-136, 254–255, 259  [63] Un} transformador resonante excitado por chispa cargado por capacitancia conectado a tierra (su bobina de Tesla ) conectado a una antena monopolar de alambre elevada transmitía ondas de radio, que eran recibidas al otro lado de la habitación por una antena de alambre similar conectada a un receptor que consistía en un segundo transformador resonante conectado a tierra sintonizado a la frecuencia del transmisor, que encendía un tubo Geissler . ^{[64] [63] [65]} Este sistema, patentado por Tesla el 2 de septiembre de 1897, ^[66] 4 meses después de la patente "sintónica" de Lodge, era en efecto un transmisor y receptor de radio acoplado inductivamente, el primer uso del sistema de "cuatro circuitos" reivindicado por Marconi en su patente de 1900 (abajo) . ^{[67] [17] : p.352-353, 355–358  [63] [61]} Sin embargo, Tesla estaba principalmente interesado en la energía inalámbrica y nunca desarrolló un sistema práctico de comunicación por radio. ^{[68] [69] [64] [17] : p.352-353, 355–358}

Además del sistema de Tesla, los sistemas de radio acoplados inductivamente fueron patentados por Oliver Lodge en febrero de 1898, ^{[70] [71]} Karl Ferdinand Braun , ^{[24] : p.98-100  [17] : p.352-353, 355–358  [43] [72]} en noviembre de 1899, y John Stone Stone en febrero de 1900. ^{[73] [71]} Braun hizo el descubrimiento crucial de que la baja amortiguación requería un "acoplamiento flexible" ( inductancia mutua reducida ) entre las bobinas primaria y secundaria. ^{[74] [17] : p.352-353, 355–358}

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  El transmisor de potencia acoplado inductivamente de Tesla (izquierda) fue patentado el 2 de septiembre de 1897 ^[66]
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  El transmisor acoplado inductivamente de Braun fue patentado el 3 de noviembre de 1899 ^[72]
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  El transmisor acoplado inductivamente (izquierda) y el receptor (derecha) de Stone fueron patentados el 8 de febrero de 1900 ^[73]
• 
  Transmisor acoplado inductivamente de Marconi patentado el 26 de abril de 1900. ^[75]

Marconi al principio prestó poca atención a la sintonía, pero en 1900 desarrolló un sistema de radio que incorporaba características de estos sistemas, ^{[74] [43]} con un transmisor de dos circuitos y un receptor de dos circuitos, con los cuatro circuitos sintonizados a la misma frecuencia, utilizando un transformador resonante que llamó "jigger". ^{[58] [33] [24] : p.98-100} A pesar de las patentes anteriores mencionadas anteriormente, Marconi en su patente de "cuatro circuitos" o "sintonización maestra" del 26 de abril de 1900 ^[75] sobre su sistema reclamó derechos sobre el transmisor y el receptor acoplados inductivamente. ^{[17] : p.352-353, 355–358  [71] [63]} Esto recibió una patente británica, pero la oficina de patentes de EE. UU. rechazó dos veces su patente por falta de originalidad. En 1904, un nuevo comisionado de patentes revocó la decisión y concedió la patente, ^{[76] [63]} con el argumento estricto de que la patente de Marconi, al incluir una bobina de carga de antena (J en el circuito anterior), proporcionaba los medios para sintonizar los cuatro circuitos a la misma frecuencia, mientras que en las patentes de Tesla y Stone esto se hacía ajustando la longitud de la antena. ^{[71] [63]} Esta patente le dio a Marconi un cuasi monopolio de la telegrafía inalámbrica sintónica en Inglaterra y Estados Unidos. ^{[77] [33]} Tesla demandó a la empresa de Marconi por infracción de patente, pero no tenía los recursos para llevar adelante la acción. En 1943, la Corte Suprema de los Estados Unidos invalidó las reivindicaciones de acoplamiento inductivo de la patente de Marconi ^[78] debido a las patentes anteriores de Lodge, Tesla y Stone, pero esto ocurrió mucho después de que los transmisores de chispa se volvieran obsoletos. ^{[71] [63]}

El transmisor de chispa acoplado inductivamente o "sintónico" fue el primer tipo que podía comunicarse a distancias intercontinentales, y también el primero que tenía un ancho de banda lo suficientemente estrecho como para que la interferencia entre transmisores se redujera a un nivel tolerable. Se convirtió en el tipo dominante utilizado durante la era de la "chispa". ^[33] Un inconveniente del transmisor acoplado inductivamente simple era que, a menos que las bobinas primaria y secundaria estuvieran acopladas de manera muy débil, radiaba en dos frecuencias. ^{[17] : p.352-353, 355–358  [79]} Esto se solucionó con los transmisores de chispa apagada y de espacio rotatorio (abajo) .

En reconocimiento a sus logros en la radio, Marconi y Braun compartieron el Premio Nobel de Física de 1909. ^{[17] : p.352-353, 355–358}

Primera transmisión de radio transatlántica

Circuito del transmisor Poldhu. ^[80] El curioso diseño de doble chispa de Fleming no se utilizó en transmisores posteriores.

Vista del transmisor de Poldhu

Marconi decidió en 1900 intentar la comunicación transatlántica, lo que le permitiría dominar el transporte marítimo atlántico y competir con los cables telegráficos submarinos . ^{[24] : p.60-61  [17] : p.387-392} Esto requeriría un importante aumento de potencia, una apuesta arriesgada para su empresa. Hasta ese momento, sus pequeños transmisores de bobina de inducción tenían una potencia de entrada de 100 a 200 vatios, y el alcance máximo alcanzado era de alrededor de 150 millas. ^{[24] : p.60-61  [80]} Para construir el primer transmisor de alta potencia, Marconi contrató a un experto en ingeniería de energía eléctrica, el profesor John Ambrose Fleming del University College de Londres, quien aplicó principios de ingeniería de energía. Fleming diseñó un complicado transmisor acoplado inductivamente (ver circuito) con dos descargadores de chispas en cascada (S1, S2) que se disparaban a diferentes velocidades y tres circuitos resonantes, alimentados por un alternador de 25 kW (D) activado por un motor de combustión. ^{[80] [24] : p.60-61  [81]} El primer circuito resonante y de descarga de chispas (S1, C1, T2) generó el alto voltaje para cargar el capacitor (C2) que alimentaba el segundo circuito resonante y de descarga de chispas (S2, C2, T3) , que generaba la salida. ^[81] La tasa de chispas era baja, quizás tan baja como 2 - 3 chispas por segundo. ^[81] Fleming estimó que la potencia radiada era de alrededor de 10 - 12 kW. ^[80]

El transmisor fue construido en secreto en la costa de Poldhu , Cornwall , Reino Unido. ^{[80] [24] : p.60-61} Marconi estaba presionado por el tiempo porque Nikola Tesla estaba construyendo su propio transmisor de radiotelegrafía transatlántica en Long Island, Nueva York , en un intento de ser el primero ^{[24] : p.286-288} (esta era la Torre Wardenclyffe , que perdió financiación y fue abandonada sin terminar después del éxito de Marconi). La antena transmisora ​​original redonda de 400 cables de Marconi se derrumbó en una tormenta el 17 de septiembre de 1901 y rápidamente erigió una antena temporal que consistía en 50 cables suspendidos en forma de abanico de un cable entre dos postes de 160 pies. ^{[80] [81] [24] : p.286-288} La frecuencia utilizada no se conoce con precisión, ya que Marconi no midió la longitud de onda ni la frecuencia, pero estaba entre 166 y 984 kHz, probablemente alrededor de 500 kHz. ^{[17] : p.387-392} Recibió la señal en la costa de St. John's, Terranova, utilizando un receptor de coherencia no sintonizado con una antena de alambre de 400 pies suspendida de una cometa . ^{[17] : p.387-392  [80] [24] : p.286-288} Marconi anunció que la primera transmisión de radio transatlántica tuvo lugar el 12 de diciembre de 1901, desde Poldhu , Cornualles a Signal Hill, Terranova , una distancia de 2100 millas (3400 km). ^{[17] : p.387-392  [24] : p.286-288}

El logro de Marconi recibió publicidad mundial y fue la prueba final de que la radio era una tecnología de comunicación práctica. La comunidad científica al principio dudó del informe de Marconi. Prácticamente todos los expertos en radiofrecuencia, excepto Marconi, creían que las ondas de radio viajaban en línea recta, por lo que nadie (incluido Marconi) entendía cómo las ondas habían logrado propagarse alrededor de la curva de 300 millas de altura de la Tierra entre Gran Bretaña y Terranova. ^[30] En 1902, Arthur Kennelly y Oliver Heaviside teorizaron de forma independiente que las ondas de radio se reflejaban en una capa de átomos ionizados en la atmósfera superior, lo que les permitía regresar a la Tierra más allá del horizonte. ^[30] En 1924, Edward V. Appleton demostró la existencia de esta capa, ahora llamada " capa Kennelly-Heaviside " o "capa E", por la que recibió el Premio Nobel de Física de 1947 .

Fuentes bien informadas dudan hoy de que Marconi haya recibido realmente esta transmisión. ^{[82] [81] [17] : p.387-392} Las condiciones ionosféricas no deberían haber permitido que la señal se recibiera durante el día a esa distancia. Marconi sabía que la señal de código Morse que se debía transmitir era la letra "S" (tres puntos). ^{[17] : p.387-392} Él y su asistente podrían haber confundido el ruido atmosférico de radio ("estática") en sus auriculares con los clics del transmisor. ^{[81] [17] : p.387-392} Marconi realizó muchas transmisiones transatlánticas posteriores que establecen claramente su prioridad, pero la comunicación transatlántica confiable no se logró hasta 1907 con transmisores más potentes. ^[81]

Transmisores de chispa apagada

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  Sala de radio de barco con transmisor de chispa apagada Telefunken de 1,5 kW
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  Circuito sintonizado del transmisor. (arriba) espacio extinguido, (centro) transformador de oscilación, frascos de Leyden
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  Espacio entre electrodos extinguido del transmisor, a la izquierda. La manija hace girar un tornillo que ejerce presión sobre la pila de electrodos cilíndricos, lo que permite ajustar el ancho del espacio entre electrodos.
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  Sección transversal de una porción de espacio de chispa extinguido, que consta de discos de metal (F) separados por delgadas arandelas de mica aislante (M) para formar múltiples espacios de chispa microscópicos (S) en serie
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  Un potente transmisor de chispa apagada en Australia. Los 6 cilindros que se encuentran frente a las botellas de Leyden son los bujías apagadas.

El transmisor acoplado inductivamente tenía una forma de onda de salida más complicada que el transmisor no sintónico, debido a la interacción de los dos circuitos resonantes. Los dos circuitos sintonizados acoplados magnéticamente actuaron como un oscilador acoplado , produciendo pulsaciones (ver gráficos superiores) . La energía de radiofrecuencia oscilante pasó rápidamente de ida y vuelta entre los circuitos resonantes primario y secundario mientras continuó la chispa. ^{[84] [79] [85]} Cada vez que la energía regresó al primario, algo se perdió como calor en la chispa. ^{[85] [79]} Además, a menos que el acoplamiento fuera muy flojo, las oscilaciones hicieron que el transmisor transmitiera en dos frecuencias separadas. ^{[79] [86]} Dado que la banda de paso estrecha del circuito resonante del receptor solo podía sintonizarse a una de estas frecuencias, la potencia radiada en la otra frecuencia se desperdició.

Este molesto reflujo de energía al circuito primario podría evitarse extinguiendo (apagando) la chispa en el instante adecuado, después de que toda la energía de los condensadores se transfiriera al circuito de la antena. ^{[83] [86]} Los inventores probaron varios métodos para lograr esto, como ráfagas de aire y el estallido magnético de Elihu Thomson . ^{[79] [86]}

En 1906, el físico alemán Max Wien desarrolló un nuevo tipo de chispa , ^[87] llamada chispa en serie o chispa apagada . ^{[88] [89] [90] [85]} Una chispa apagada consistía en una pila de electrodos cilíndricos anchos separados por anillos espaciadores aislantes delgados para crear muchas chispas estrechas en serie, ^[89] de alrededor de 0,1–0,3 mm (0,004–0,01 pulgadas). ^[88] La amplia superficie de los electrodos terminaba la ionización en la chispa rápidamente al enfriarla después de que la corriente se detuviera. En el transmisor acoplado inductivamente, las chispas estrechas extinguían ("apagaban") la chispa en el primer punto nodal ( Q ) cuando la corriente primaria pasaba momentáneamente a cero después de que toda la energía se había transferido al devanado secundario (ver gráfico inferior) . ^[83] Como sin la chispa no podía circular corriente en el circuito primario, esto desacopló efectivamente el circuito secundario del primario, permitiendo que el circuito resonante secundario y la antena oscilaran completamente libres del circuito primario después de eso (hasta la siguiente chispa). Esto produjo una potencia de salida centrada en una sola frecuencia en lugar de dos frecuencias. También eliminó la mayor parte de la pérdida de energía en la chispa, produciendo ondas "resonantes" largas y muy ligeramente amortiguadas, con decrementos de solo 0,08 a 0,25 ^[91] (un Q de 12-38) y, en consecuencia, una señal de radio de ancho de banda estrecho y muy "pura". Otra ventaja fue que la extinción rápida permitió reducir el tiempo entre chispas, lo que permitió utilizar tasas de chispa más altas de alrededor de 1000 Hz, que tenían un tono musical en el receptor que penetraba mejor la estática de la radio. El transmisor de espacio extinguido se denominó sistema de "chispa cantante". ^{[91] [88]}

El gigante alemán de las comunicaciones inalámbricas Telefunken Co., rival de Marconi, adquirió los derechos de patente y utilizó el espacio de chispa extinguido en sus transmisores. ^{[90] [88] [85]}

Transmisores de espacio rotatorio

A second type of spark gap that had a similar quenching effect^[15] was the "rotary gap", invented by Tesla in 1896^[92][93] and applied to radio transmitters by Reginald Fessenden and others.^{[17]: p.359–362 [79]} It consisted of multiple electrodes equally spaced around a disk rotor spun at high speed by a motor, which created sparks as they passed by a stationary electrode.^[11][48] By using the correct motor speed, the rapidly separating electrodes extinguished the spark after the energy had been transferred to the secondary.^{[15][11][17]: p.359–362 [79]} The rotating wheel also kept the electrodes cooler, important in high-power transmitters.

• 
  A typical rotary spark gap used in low-power transmitters
• 
  Small rotary spark transmitter, 1918
• 
  1 kilowatt rotary spark transmitter, 1914.
• 
  Fessenden's 35 kW synchronous rotary spark transmitter, built 1905 at Brant Rock, Massachusetts, with which he achieved the first 2 way transatlantic communication in 1906 on 88 kHz.
• 
  US Navy 100 kW rotary gap transmitter built by Fessenden in 1913 at Arlington, Virginia. It transmitted on 113 kHz to Europe, and broadcast the US's first radio time signal.

There were two types of rotary spark transmitter:^{[15][17]: p.359–362 [11][79][81]}

• Nonsynchronous: In the earlier rotary gaps, the motor was not synchronized with the frequency of the AC transformer, so the spark occurred at random times in the AC cycle of the voltage applied to the capacitor. The problem with this was the interval between the sparks was not constant.^{[17]: p.359–362} The voltage on the capacitor when a moving electrode approached the stationary electrode varied randomly between zero and the peak AC voltage. The exact time when the spark started varied depending on the gap length the spark could jump, which depended on the voltage. The resulting random phase variation of successive damped waves resulted in a signal that had a "hissing" or "rasping" sound in the receiver.^[13]
• Synchronous: In this type, invented by Fessenden around 1904, the rotor was turned by a synchronous motor in synchronism with the cycles of the AC voltage to the transformer, so the spark occurred at the same points of the voltage sine wave each cycle. Usually it was designed so there was one spark each half cycle, adjusted so the spark occurred at the peak voltage when the capacitor was fully charged.^[13] Thus the spark had a steady frequency equal to a multiple of the AC line frequency, which created harmonics with the line frequency. The synchronous gap was said to produce a more musical, easily heard tone in the receiver, which cut through interference better.^[13]

To reduce interference caused by the "noisy" signals of the burgeoning numbers of spark transmitters, the 1912 US Congress "Act to Regulate Radio Communication" required that "the logarithmic decrement per oscillation in the wave trains emitted by the transmitter shall not exceed two tenths"^[48][11][94] (this is equivalent to a Q factor of 15 or greater). Virtually the only spark transmitters which could satisfy this condition were the quenched-spark and rotary gap types above,^[48] and they dominated wireless telegraphy for the rest of the spark era.

Marconi's timed spark system

In 1912 in his high-power stations Marconi developed a refinement of the rotary discharger called the "timed spark" system, which generated what was probably the nearest to a continuous wave that sparks could produce.^{[95][96][17]: p.399} He used several identical resonant circuits in parallel, with the capacitors charged by a DC dynamo.^[97] These were discharged sequentially by multiple rotary discharger wheels on the same shaft to create overlapping damped waves shifted progressively in time, which were added together in the oscillation transformer so the output was a superposition of damped waves. The speed of the discharger wheel was controlled so that the time between sparks was equal to an integer multiple of the wave period. Therefore, oscillations of the successive wave trains were in phase and reinforced each other. The result was essentially a continuous sinusoidal wave, whose amplitude varied with a ripple at the spark rate. This system was necessary to give Marconi's transoceanic stations a narrow enough bandwidth that they didn't interfere with other transmitters on the narrow VLF band. Timed spark transmitters achieved the longest transmission range of any spark transmitters, but these behemoths represented the end of spark technology.^{[17]: p.399}

Marconi 300 kW transatlantic timed spark transmitter built 1916 at Carnarvon, Wales, one of the most powerful spark transmitters ever built. During World War I it transmitted telegram traffic at 200 words per minute on 21.5 kHz to receivers in Belmar, New Jersey.^[98] The roar of the spark could reportedly be heard a kilometer away. On 22 September 1918 it transmitted the first wireless message from Britain to Australia, a distance of 15,200 km (9,439 miles).^[99] In 1921 it was replaced by Alexanderson alternator transmitters.

The "spark" era

The first application of radio was on ships, to keep in touch with shore, and send out a distress call if the ship were sinking.^[100] The Marconi Company built a string of shore stations and in 1904 established the first Morse code distress call, the letters CQD, used until the Second International Radiotelegraphic Convention in 1906 at which SOS was agreed on. The first significant marine rescue due to radiotelegraphy was the 23 January 1909 sinking of the luxury liner RMS Republic, in which 1500 people were saved.

Spark transmitters and the crystal receivers used to receive them were simple enough that they were widely built by hobbyists.^[15] During the first decades of the 20th century this exciting new high tech hobby attracted a growing community of "radio amateurs", many of them teenage boys, who used their homebuilt sets recreationally to contact distant amateurs and chat with them by Morse code, and relay messages.^[102][103] Low-power amateur transmitters ("squeak boxes") were often built with "trembler" ignition coils from early automobiles such as the Ford Model T.^[102] In the US prior to 1912 there was no government regulation of radio, and a chaotic "wild west" atmosphere prevailed, with stations transmitting without regard to other stations on their frequency, and deliberately interfering with each other.^{[103][104][105]} The expanding numbers of non-syntonic broadband spark transmitters created uncontrolled congestion in the airwaves, interfering with commercial and military wireless stations.^[105]

The RMS Titanic sinking 14 April 1912 increased public appreciation for the role of radio, but the loss of life brought attention to the disorganized state of the new radio industry,^[106] and prompted regulation which corrected some abuses.^[103] Although the Titanic radio operator's CQD distress calls summoned the RMS Carpathia which rescued 705 survivors, the rescue operation was delayed four hours because the nearest ship, the SS Californian, only a few miles away, did not hear the Titanic's call as its radio operator had gone to bed. This was held responsible for most of the 1500 deaths. Existing international regulations required all ships with more than 50 passengers to carry wireless equipment, but after the disaster subsequent regulations mandated ships have enough radio officers so that a round-the-clock radio watch could be kept. US President Taft and the public heard reports of chaos on the air the night of the disaster, with amateur stations interfering with official naval messages and passing false information.^[106][107] In response Congress passed the 1912 Radio Act, in which licenses were required for all radio transmitters, maximum damping of transmitters was limited to a decrement of 0.2 to get old noisy non-syntonic transmitters off the air, and amateurs were mainly restricted to the unused frequencies above 1.5 MHz and output power of 1 kilowatt.^{[94][105][15]}

Telefunken 100 kW transoceanic quenched spark transmitter at Nauen Transmitter Station, Nauen, Germany was the most powerful radio transmitter in the world when it was built in 1911

The largest spark transmitters were powerful transoceanic radiotelegraphy stations with input power of 100 - 300 kW.^[108][109] Beginning about 1910, industrial countries built global networks of these stations to exchange commercial and diplomatic telegram traffic with other countries and communicate with their overseas colonies.^{[110][111][112]} During World War I, radio became a strategic defensive technology, as it was realized a nation without long distance radiotelegraph stations could be isolated by an enemy cutting its submarine telegraph cables.^[111] Most of these networks were built by the two giant wireless corporations of the age: the British Marconi Company, which constructed the Imperial Wireless Chain to link the possessions of the British Empire, and the German Telefunken Co. which was dominant outside the British Empire.^[110] Marconi transmitters used the timed spark rotary discharger, while Telefunken transmitters used its quenched spark gap technology. Paper tape machines were used to transmit Morse code text at high speed. To achieve a maximum range of around 3000 – 6000 miles, transoceanic stations transmitted mainly in the very low frequency (VLF) band, from 50 kHz to as low as 15 – 20 kHz. At these wavelengths even the largest antennas were electrically short, a tiny fraction of a wavelength tall, and so had low radiation resistance (often below 1 ohm), so these transmitters required enormous wire umbrella and flattop antennas up to several miles long with large capacitive toploads, to achieve adequate efficiency. The antenna required a large loading coil at the base, 6 – 10 feet tall, to make it resonant with the transmitter.

Continuous waves

Although their damping had been reduced as much as possible, spark transmitters still produced damped waves, which due to their large bandwidth caused interference between transmitters.^{[4][36]: p.72-79} The spark also made a very loud noise when operating, produced corrosive ozone gas, eroded the spark electrodes, and could be a fire hazard.^[15] Despite its drawbacks, most wireless experts believed along with Marconi that the impulsive "whipcrack" of a spark was necessary to produce radio waves that would communicate long distances.^{[17]: p.374 [27]: p.78}

From the beginning, physicists knew that another type of waveform, continuous sinusoidal waves (CW), had theoretical advantages over damped waves for radio transmission.^{[113][10]: p.4–7, 32–33} Because their energy is essentially concentrated at a single frequency, in addition to causing almost no interference to other transmitters on adjacent frequencies, continuous wave transmitters could transmit longer distances with a given output power.^{[36]: p.72-79} They could also be modulated with an audio signal to carry sound.^{[36]: p.72-79} The problem was no techniques were known for generating them. The efforts described above to reduce the damping of spark transmitters can be seen as attempts to make their output approach closer to the ideal of a continuous wave, but spark transmitters could not produce true continuous waves.^{[10]: p.4–7, 32–33}

Beginning about 1904, continuous wave transmitters were developed using new principles, which competed with spark transmitters. Continuous waves were first generated by two short-lived technologies:^{[36]: p.72-79}

• The arc converter (Poulsen arc) transmitter, invented by Valdemar Poulsen in 1904 used the negative resistance of a continuous electric arc in a hydrogen atmosphere to excite oscillations in a resonant circuit.
• The Alexanderson alternator transmitter, developed between 1906 and 1915 by Reginald Fessenden and Ernst Alexanderson, was a huge rotating alternating current generator (alternator) driven by an electric motor at a high enough speed that it produced radio frequency current in the very low frequency range.

These transmitters, which could produce power outputs of up to one megawatt, slowly replaced the spark transmitter in high-power radiotelegraphy stations. However spark transmitters remained popular in two way communication stations because most continuous wave transmitters were not capable of a mode called "break in" or "listen in" operation.^[114] With a spark transmitter, when the telegraph key was up between Morse symbols the carrier wave was turned off and the receiver was turned on, so the operator could listen for an incoming message. This allowed the receiving station, or a third station, to interrupt or "break in" to an ongoing transmission. In contrast, these early CW transmitters had to operate continuously; the carrier wave was not turned off between Morse code symbols, words, or sentences but just detuned, so a local receiver could not operate as long as the transmitter was powered up. Therefore, these stations could not receive messages until the transmitter was turned off.

Obsolescence

Marconi 2 kilowatt ship spark transmitter, 1920.

All these early technologies were superseded by the vacuum tube feedback electronic oscillator, invented in 1912 by Edwin Armstrong and Alexander Meissner, which used the triode vacuum tube invented in 1906 by Lee de Forest.^[1] Vacuum tube oscillators were a far cheaper source of continuous waves, and could be easily modulated to carry sound. Due to the development of the first high-power transmitting tubes by the end of World War I, in the 1920s tube transmitters replaced the arc converter and alternator transmitters, as well as the last of the old noisy spark transmitters.

The 1927 International Radiotelegraph Convention in Washington, D.C. saw a political battle to finally eliminate spark radio.^[6] Spark transmitters were obsolete at this point, and broadcast radio audiences and aviation authorities were complaining of the disruption to radio reception that noisy legacy marine spark transmitters were causing. But shipping interests vigorously fought a blanket prohibition on damped waves, due to the capital expenditure that would be required to replace spark equipment that was still being used on older ships. The Convention prohibited licensing of new land spark transmitters after 1929.^[115] Damped wave radio emission, called Class B, was banned after 1934 except for emergency use on ships.^[5][115] This loophole allowed shipowners to avoid replacing spark transmitters, which were kept as emergency backup transmitters on ships through World War II.

Legacy

One legacy of spark-gap transmitters is that radio operators were regularly nicknamed "Sparky" long after the devices ceased to be used. Even today, the German verb funken, literally, "to spark", also means "to send a radio message".

The spark gap oscillator was also used in nonradio applications, continuing long after it became obsolete in radio. In the form of the Tesla coil and Oudin coil it was used until the 1940s in the medical field of diathermy for deep body heating.^[116][117] High oscillating voltages of hundreds of thousands of volts at frequencies of 0.1 - 1 MHz from a Tesla coil were applied directly to the patient's body. The treatment was not painful, because currents in the radio frequency range do not cause the physiological reaction of electric shock. In 1926 William T. Bovie discovered that RF currents applied to a scalpel could cut and cauterize tissue in medical operations, and spark oscillators were used as electrosurgery generators or "Bovies" as late as the 1980s.^[118]

In the 1950s a Japanese toy company, Matsudaya, produced a line of cheap remote control toy trucks, boats and robots called Radicon, which used a low-power spark transmitter in the controller as an inexpensive way to produce the radio control signals.^[119][120] The signals were received in the toy by a coherer receiver.

Spark gap oscillators are still used to generate high-frequency high voltage needed to initiate welding arcs in gas tungsten arc welding.^[121] Powerful spark gap pulse generators are still used to simulate EMPs.

See also

• History of radio
• Invention of radio
• Amateur radio
• Antique radio
• Coherer
• Crystal radio

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Further reading

• Morecroft, John Harold (1921). "Spark Telegraphy". Principles of Radio Communication. New York: Wiley. pp. 275–363. Retrieved September 12, 2015.
• Zenneck, Jonathan (1915). Wireless Telegraphy. Translated by Alfred E. Seelig. New York: McGraw-Hill Book Company. Retrieved September 14, 2015.

External links

• Alternator, Arc and Spark
• Fessenden and the Early History of Radio Science
• Brief history of spark
• Massie Spark Transmitter The new England Wireless and Steam Museum
• "The Sounds of a Spark Transmitter with audio". Archived from the original on July 18, 2011.
• The Sparks Telegraph Key Review
• Radio Technology in common use circa 1914
• Spark gap transmitter history & operation