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]
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]
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Un transmisor de chispa práctico consta de estas partes: [11] [13] [14] [15]
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 .
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:
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.
El circuito que carga los condensadores, junto con el propio espacio entre chispas, determina la frecuencia de chispas 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 chispas 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 chispas, por lo que se favorecían frecuencias más altas. Los transmisores de chispas generalmente usaban uno de los tres tipos de circuitos de potencia: [11] [13] [17] : p.359–362
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.
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]
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.
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.
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]
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.
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 detectaba 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
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
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]
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]
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 se llamaban 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.
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.
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.
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]
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 St. Louis en marzo de 1893, [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
![El transmisor de potencia acoplado inductivamente de Tesla (izquierda) fue patentado el 2 de septiembre de 1897[66]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cf/US_Patent_645576_Nikola_Tesla_1897_System_of_transmission_of_electrical_energy.png/1280px-US_Patent_645576_Nikola_Tesla_1897_System_of_transmission_of_electrical_energy.png)
![El transmisor acoplado inductivamente de Braun fue patentado el 3 de noviembre de 1899[72]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/ce/British_patent_22,020-Karl_Ferdinand_Braun-filed_3_November_1899-fig._2.png/1280px-British_patent_22,020-Karl_Ferdinand_Braun-filed_3_November_1899-fig._2.png)
![El transmisor acoplado inductivamente de Stone (izquierda) y el receptor (derecha) patentados el 8 de febrero de 1900[73]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/56/US_Patent_714756-John_Stone_Stone-Method_of_selective_electric_signaling_1900_figs_5&6.png/1280px-US_Patent_714756-John_Stone_Stone-Method_of_selective_electric_signaling_1900_figs_5&6.png)
![Transmisor acoplado inductivamente de Marconi patentado el 26 de abril de 1900.[75]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0b/Spark_gap_transmitter-Marconi_patent_763772_fig_1.png/1280px-Spark_gap_transmitter-Marconi_patent_763772_fig_1.png)
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
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 , Cornualles , 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]
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]
Un segundo tipo de espacio entre chispas que tenía un efecto de extinción similar [15] era el "espacio giratorio", inventado por Tesla en 1896 [92] [93] y aplicado a los transmisores de radio por Reginald Fessenden y otros. [17] : p.359–362 [79] Consistía en múltiples electrodos espaciados equitativamente alrededor de un rotor de disco girado a alta velocidad por un motor, que creaba chispas al pasar por un electrodo estacionario. [11] [48] Al usar la velocidad correcta del motor, los electrodos que se separaban rápidamente extinguían la chispa después de que la energía se hubiera transferido al secundario. [15] [11] [17] : p.359–362 [79] La rueda giratoria también mantenía los electrodos más fríos, lo que es importante en los transmisores de alta potencia.
Había dos tipos de transmisores de chispa rotatorios: [15] [17] : p.359–362 [11] [79] [81]
Para reducir la interferencia causada por las señales "ruidosas" de la creciente cantidad de transmisores de chispa, la "Ley para regular las comunicaciones por radio" del Congreso de los Estados Unidos de 1912 exigió que " la disminución logarítmica por oscilación en los trenes de ondas emitidos por el transmisor no exceda de dos décimas " [48] [11] [94] (esto es equivalente a un factor Q de 15 o mayor). Virtualmente los únicos transmisores de chispa que podían satisfacer esta condición eran los tipos de chispa apagada y de espacio rotatorio mencionados anteriormente [48] , y dominaron la telegrafía inalámbrica durante el resto de la era de la chispa.
En 1912, en sus estaciones de alta potencia, Marconi desarrolló un refinamiento del descargador rotatorio llamado sistema de "chispa temporizada", que generaba lo que probablemente era lo más cercano a una onda continua que las chispas podían producir. [95] [96] [17] : p.399 Utilizó varios circuitos resonantes idénticos en paralelo, con los condensadores cargados por una dinamo de CC . [97] Estos se descargaban secuencialmente mediante múltiples ruedas de descargador rotatorio en el mismo eje para crear ondas amortiguadas superpuestas desplazadas progresivamente en el tiempo, que se sumaban en el transformador de oscilación para que la salida fuera una superposición de ondas amortiguadas. La velocidad de la rueda de descargador se controlaba de modo que el tiempo entre chispas fuera igual a un múltiplo entero del período de onda. Por lo tanto, las oscilaciones de los trenes de ondas sucesivos estaban en fase y se reforzaban entre sí. El resultado era esencialmente una onda sinusoidal continua, cuya amplitud variaba con una ondulación a la velocidad de la chispa. Este sistema era necesario para dar a las estaciones transoceánicas de Marconi un ancho de banda lo suficientemente estrecho como para que no interfirieran con otros transmisores en la estrecha banda VLF . Los transmisores de chispa temporizada consiguieron el mayor alcance de transmisión de todos los transmisores de chispa, pero estos gigantes representaron el fin de la tecnología de chispa. [17] : p.399
La primera aplicación de la radio fue en los barcos, para mantenerse en contacto con la costa y enviar una llamada de socorro si el barco se hundía. [100] La Compañía Marconi construyó una serie de estaciones costeras y en 1904 estableció la primera llamada de socorro en código Morse, las letras CQD , utilizadas hasta la Segunda Convención Radiotelegráfica Internacional en 1906 en la que se acordó el SOS . El primer rescate marítimo significativo debido a la radiotelegrafía fue el hundimiento del transatlántico de lujo RMS Republic el 23 de enero de 1909 , en el que se salvaron 1500 personas.
Los transmisores de chispa y los receptores de cristal utilizados para recibirlos eran lo suficientemente simples como para que los aficionados los construyeran ampliamente. [15] Durante las primeras décadas del siglo XX, este nuevo y emocionante pasatiempo de alta tecnología atrajo a una creciente comunidad de " radioaficionados ", muchos de ellos adolescentes, que usaban sus equipos caseros de manera recreativa para contactar a aficionados distantes y charlar con ellos mediante código Morse y transmitir mensajes. [102] [103] Los transmisores de aficionados de baja potencia ("cajas de chirridos") a menudo se construían con bobinas de encendido " temblorosas " de los primeros automóviles , como el Ford Modelo T. [102] En los EE. UU. antes de 1912 no había regulación gubernamental de la radio, y prevalecía una atmósfera caótica de "salvaje oeste", con estaciones transmitiendo sin tener en cuenta a otras estaciones en su frecuencia e interfiriendo deliberadamente entre sí. [103] [104] [105] El creciente número de transmisores de chispa de banda ancha no sintónicos creó una congestión incontrolada en las ondas de radio, interfiriendo con estaciones inalámbricas comerciales y militares. [105]
El hundimiento del RMS Titanic el 14 de abril de 1912 aumentó la apreciación pública por el papel de la radio, pero la pérdida de vidas atrajo la atención sobre el estado desorganizado de la nueva industria de la radio, [106] e impulsó la regulación que corrigió algunos abusos. [103] Aunque las llamadas de socorro CQD del operador de radio del Titanic convocaron al RMS Carpathia que rescató a 705 sobrevivientes, la operación de rescate se retrasó cuatro horas porque el barco más cercano, el SS Californian , a solo unas millas de distancia, no escuchó la llamada del Titanic ya que su operador de radio se había ido a la cama. Esto fue considerado responsable de la mayoría de las 1500 muertes. Las regulaciones internacionales existentes requerían que todos los barcos con más de 50 pasajeros llevaran equipo inalámbrico, pero después del desastre, las regulaciones posteriores ordenaron que los barcos tuvieran suficientes oficiales de radio para que se pudiera mantener una vigilancia de radio las 24 horas. El presidente estadounidense Taft y el público escucharon informes de caos en el aire la noche del desastre, con estaciones de aficionados interfiriendo con los mensajes navales oficiales y transmitiendo información falsa. [106] [107] En respuesta, el Congreso aprobó la Ley de Radio de 1912, en la que se exigían licencias para todos los transmisores de radio, la amortiguación máxima de los transmisores se limitaba a un decremento de 0,2 para sacar del aire a los viejos transmisores no sintónicos ruidosos, y los aficionados estaban restringidos principalmente a las frecuencias no utilizadas por encima de 1,5 MHz y una potencia de salida de 1 kilovatio. [94] [105] [15]
Los transmisores de chispa más grandes eran potentes estaciones de radiotelegrafía transoceánica con una potencia de entrada de 100 a 300 kW. [108] [109] A partir de 1910, los países industriales construyeron redes globales de estas estaciones para intercambiar tráfico telegráfico comercial y diplomático con otros países y comunicarse con sus colonias de ultramar. [110] [111] [112] Durante la Primera Guerra Mundial , la radio se convirtió en una tecnología defensiva estratégica, ya que se dio cuenta de que una nación sin estaciones radiotelegráficas de larga distancia podría quedar aislada si un enemigo cortaba sus cables telegráficos submarinos . [111] La mayoría de estas redes fueron construidas por las dos corporaciones inalámbricas gigantes de la época: la británica Marconi Company , que construyó la Imperial Wireless Chain para unir las posesiones del Imperio Británico , y la alemana Telefunken Co., que era dominante fuera del Imperio Británico. [110] Los transmisores Marconi usaban el descargador rotatorio de chispa temporizada, mientras que los transmisores Telefunken usaban su tecnología de chispa apagada. Se usaban máquinas de cinta de papel para transmitir texto en código Morse a alta velocidad. Para alcanzar un alcance máximo de alrededor de 3000 a 6000 millas, las estaciones transoceánicas transmitían principalmente en la banda de frecuencias muy bajas (VLF), desde 50 kHz hasta 15 a 20 kHz. En estas longitudes de onda, incluso las antenas más grandes eran eléctricamente cortas , una fracción minúscula de una longitud de onda de altura, y por lo tanto tenían una baja resistencia a la radiación (a menudo por debajo de 1 ohmio), por lo que estos transmisores requerían enormes antenas de paraguas de alambre y antenas planas de hasta varios kilómetros de largo con grandes cargas superiores capacitivas, para lograr una eficiencia adecuada. La antena requería una gran bobina de carga en la base, de 6 a 10 pies de altura, para que resonara con el transmisor.
Aunque su amortiguación se había reducido tanto como fuera posible, los transmisores de chispa todavía producían ondas amortiguadas , que debido a su gran ancho de banda causaban interferencias entre transmisores. [4] [36] : p.72-79 La chispa también hacía un ruido muy fuerte al operar, producía gas ozono corrosivo , erosionaba los electrodos de chispa y podía ser un peligro de incendio. [15] A pesar de sus inconvenientes, la mayoría de los expertos en tecnología inalámbrica creían junto con Marconi que el "latigazo" impulsivo de una chispa era necesario para producir ondas de radio que comunicaran largas distancias. [17] : p.374 [27] : p.78
Desde el principio, los físicos sabían que otro tipo de forma de onda, las ondas sinusoidales continuas (CW), tenían ventajas teóricas sobre las ondas amortiguadas para la transmisión de radio. [113] [10] : p.4–7, 32–33 Debido a que su energía se concentra esencialmente en una sola frecuencia, además de no causar casi ninguna interferencia a otros transmisores en frecuencias adyacentes, los transmisores de onda continua podían transmitir distancias más largas con una potencia de salida dada. [36] : p.72-79 También podían modularse con una señal de audio para transportar sonido. [36] : p.72-79 El problema era que no se conocían técnicas para generarlas. Los esfuerzos descritos anteriormente para reducir la amortiguación de los transmisores de chispa pueden verse como intentos de hacer que su salida se acerque más al ideal de una onda continua, pero los transmisores de chispa no podían producir verdaderas ondas continuas. [10] : p.4–7, 32–33
A partir de 1904, se desarrollaron transmisores de onda continua utilizando nuevos principios que competían con los transmisores de chispa. Las ondas continuas se generaron primero mediante dos tecnologías de corta duración: [36] : p.72-79
Estos transmisores, que podían producir potencias de salida de hasta un megavatio , reemplazaron lentamente al transmisor de chispa en las estaciones de radiotelegrafía de alta potencia. Sin embargo, los transmisores de chispa siguieron siendo populares en las estaciones de comunicación bidireccional porque la mayoría de los transmisores de onda continua no eran capaces de un modo llamado operación de "interrupción" o "escucha". [114] Con un transmisor de chispa, cuando la clave telegráfica estaba arriba entre símbolos Morse, la onda portadora se apagaba y el receptor se encendía, por lo que el operador podía escuchar un mensaje entrante. Esto permitía a la estación receptora, o a una tercera estación, interrumpir o "interrumpir" una transmisión en curso. En contraste, estos primeros transmisores de CW tenían que operar continuamente; la onda portadora no se apagaba entre símbolos de código Morse, palabras u oraciones, sino que simplemente se desafinaba, por lo que un receptor local no podía funcionar mientras el transmisor estuviera encendido. Por lo tanto, estas estaciones no podían recibir mensajes hasta que se apagara el transmisor.
Todas estas tecnologías tempranas fueron reemplazadas por el oscilador electrónico de retroalimentación de tubo de vacío , inventado en 1912 por Edwin Armstrong y Alexander Meissner , que usaba el tubo de vacío de triodo inventado en 1906 por Lee de Forest . [1] Los osciladores de tubo de vacío eran una fuente mucho más barata de ondas continuas y podían modularse fácilmente para transportar sonido. Debido al desarrollo de los primeros tubos de transmisión de alta potencia a fines de la Primera Guerra Mundial, en la década de 1920 los transmisores de tubo reemplazaron a los transmisores de convertidor de arco y alternador, así como al último de los viejos transmisores de chispa ruidosos.
La Convención Radiotelegráfica Internacional de 1927 en Washington, DC fue testigo de una batalla política para eliminar finalmente la radio de chispa. [6] Los transmisores de chispa estaban obsoletos en este punto, y las audiencias de radiodifusión y las autoridades de aviación se quejaban de la interrupción de la recepción de radio que los transmisores de chispa marinos ruidosos heredados estaban causando. Pero los intereses del transporte marítimo lucharon vigorosamente contra una prohibición general de las ondas amortiguadas, debido al gasto de capital que se requeriría para reemplazar el equipo de chispa que todavía se usaba en los barcos más viejos. La Convención prohibió la concesión de licencias para nuevos transmisores de chispa terrestres después de 1929. [115] La emisión de radio de onda amortiguada, llamada Clase B, fue prohibida después de 1934, excepto para uso de emergencia en barcos. [5] [115] Esta laguna legal permitió a los propietarios de barcos evitar reemplazar los transmisores de chispa, que se mantuvieron como transmisores de respaldo de emergencia en los barcos durante la Segunda Guerra Mundial.
Un legado de los transmisores de chispa es que a los operadores de radio se les apodaba regularmente "Sparky" mucho después de que los dispositivos dejaran de usarse. Incluso hoy, el verbo alemán funken , que literalmente significa "chispar", también significa "enviar un mensaje de radio".
El oscilador de chispa también se utilizó en aplicaciones no radioeléctricas, y continuó utilizándose mucho después de que quedara obsoleto en la radio. En forma de bobina de Tesla y bobina de Oudin, se utilizó hasta la década de 1940 en el campo médico de la diatermia para el calentamiento corporal profundo. [116] [117] Se aplicaron altos voltajes oscilantes de cientos de miles de voltios a frecuencias de 0,1 a 1 MHz desde una bobina de Tesla directamente al cuerpo del paciente. El tratamiento no era doloroso, porque las corrientes en el rango de radiofrecuencia no causan la reacción fisiológica de una descarga eléctrica . En 1926, William T. Bovie descubrió que las corrientes de RF aplicadas a un bisturí podían cortar y cauterizar tejido en operaciones médicas, y los osciladores de chispa se utilizaron como generadores de electrocirugía o "Bovies" hasta la década de 1980. [118]
En la década de 1950, una empresa de juguetes japonesa, Matsudaya, produjo una línea de camiones, barcos y robots de juguete de control remoto baratos llamados Radicon, que utilizaban un transmisor de chispa de baja potencia en el controlador como una forma económica de producir señales de control de radio. [119] [120] Las señales eran recibidas en el juguete por un receptor coherente .
Los osciladores de espacio de chispa todavía se utilizan para generar alto voltaje de alta frecuencia necesario para iniciar arcos de soldadura en la soldadura por arco de tungsteno con gas . [121] Todavía se utilizan potentes generadores de pulsos de espacio de chispa para simular EMP .
heinrich hertz .Traducido al inglés por DE Jones
señalización selectiva.
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