Σάββατο, 23 Αυγούστου 2014

Ασύρματες επικοινωνίες

O Heinrich Rudolf Hertz (Χερτς, 1857-1894) ήταν μόλις 7 ετών, όταν ο Maxwell δημοσίευσε τις εξισώσεις της Ηλεκτρομαγνητικής Θεωρίας. Μετά από σπουδές μηχανικού, ασχολήθηκε ο Χερτς με προβλήματα της Φυσικής. Έγινε βοηθός πανεπιστημίου δίπλα στο γιατρό και πανεπιστήμονα Helmholtz, ο οποίος και του υπέδειξε να ασχοληθεί με την Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία του Maxwell. Το αρχικό πρόβλημα προς διευκρίνιση ήταν, αν «η ηλεκτρική δύναμη οδεύει με απεριόριστη ταχύτητα», όπως υπεστήριζε ο Weber, ή συμπεριφερόταν «ως κύμα», όπως έλεγε ο Maxwell. Αποτέλεσμα αυτής της έρευνας ήταν να επιβεβαιωθεί πειραματικά η Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία και η ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Για την ολοκλήρωση των ερευνών του παρήγαγε ο Χερτς με τα πρωτόγονα μέσα της εποχής ηλεκτρομαγνητικά κύματα με συχνότητες μέχρι 1 GHz! Πρώτο βήμα ήταν η ιδέα ότι πρέπει να δημιουργήσει μία πειραματική διάταξη που αποτελείται από δύο μέρη: Στη μια πλευρά ήταν ένας πομπός, για την ακρίβεια δύο μεταλλικές σφαίρες μεταξύ των οποίων δημιουργείται σπινθήρας στον αέρα λόγω της επιβαλλόμενης υψηλής και υψίσυχνης τάσης. 

Το παλινδρομικά κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο μεταξύ των σφαιρών θα έπρεπε να δημιουργήσει τα αόρατα κύματα που είχε προβλέψει ο Maxwell. Στην άλλη πλευρά βρισκόταν ο δέκτης, το δεύτερο μέρος της διάταξης, ένα τετράγωνο πλαίσιο από καλώδιο (κεραία) τοποθετημένο στον τοίχο. Αν υπήρχαν πράγματι αυτά τα αόρατα κύματα, θα έπρεπε να διασχίσουν την αίθουσα και να προκαλέσουν σε ένα κενό που είχε δημιουργηθεί στο σύρμα του πλαισίου, ένας σπινθήρας.

Οι σχετικές δημοσιεύσεις για τα αποτελέσματα έγιναν στα έτη 1888-89, 24 χρόνια μετά την πρώτη δημοσίευση του Maxwell. Ο Χερτς έγραφε ότι οι δημιουργούμενοι σπινθήρες είναι εξαιρετικά μικροί, εκατοστά του χιλιοστού και πολύ μικρής διάρκειας. Μόνο ο εξοικειωμένος στο σκοτάδι του χώρου μπορούσε να διακρίνει μια ανεπαίσθητη λάμψη. Αυτή ακριβώς η λάμψη ήταν ο προάγγελος για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που γεμίζουν τον 21ο αιώνα την ατμόσφαιρα της Γης και όλο το γνωστό σύμπαν.

Στο πλαίσιο των ίδιων ερευνών διαπιστώθηκε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ανακλώνται σε μεταλλικές επιφάνειες, αλλά «διαπερνούν ξύλινες πόρτες», όπως γράφτηκε εντυπωσιακά στις εφημερίδες της εποχής. Για την καταγραφή αυτών των φαινομένων αξιοποίησε ο Χερτς μια μεγάλη εργαστηριακή αίθουσα, με μήκος περί τα 15m, στης οποίας τον ένα τοίχο είχε τοποθετηθεί μεταλλική επιφάνεια, ένας ηλεκτρομαγνητικός καθρέφτης.

 Έτσι κατέγραψε ο σημαντικός αυτός ερευνητής μια ενίσχυση των κυμάτων μπροστά από τη μεταλλική επιφάνεια, πράγμα που απέδωσε σε αντανάκλαση της «ηλεκτρικής δύναμης». Να σημειωθεί ότι τα μεγέθη του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ήταν εκείνη την εποχή ακόμα τελείως ασαφή, γι' αυτό δεν γίνονται σήμερα κατανοητές μερικές από τις ονομασίες των μεγεθών που χρησιμοποιούνταν τότε. 

Ο Χερτς είχε μοναδική ικανότητα να συνδυάζει τη θεωρία με το πείραμα. Δίδαξε για μικρό χρονικό διάστημα στο Κίελο και μετά έγινε καθηγητής στην Καρλσρούη. Από τo 1889 ήταν καθηγητής στη Βόννη, όπου και δημοσίευσε το βιβλίο «Αρχές Μηχανικής». Πέθανε την πρωτοχρονιά του 1894 σε ηλικία μόλις 37 ετών! Ο Χερτς θεωρείται ο χρονικά τέταρτος κορυφαίος ερευνητής του Ηλεκτρομαγνητισμού, μετά τους Ampere, Faraday και Maxwell.

Ο πρόωρος θάνατος του Χερτς δεν του επέτρεψε να σκεφτεί καν να αξιοποιήσει τις ανακαλύψεις του στον Ηλεκτρομαγνητισμό για τεχνικές εφαρμογές. Ο Φυσικός David E. Hughes (1831-1901) που μελέτησε επίσης την Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία και έφτιαξε ένα σύστημα πομπού δέκτη για μικρές αποστάσεις, ενδιαφερόταν κι αυτός μόνο να επιβεβαιώσει ή να καταρρίψει τα πορίσματα του Maxwell. 

Πιο πρακτικός αποδείχθηκε όμως ο Guglielmo Marconi (Μαρκόνι, 1874-1937) ο οποίος πραγματοποίησε το έτος 1895 σε ηλικία 21 ετών, χωρίς ακόμα πολλές θεωρητικές ανησυχίες, τις πρώτες ασύρματες εκπομπές σημάτων Μορς και εισήγαγε την παγκόσμια κοινότητα στην εποχή της ασύρματης επικοινωνίας.

Ο ιταλικός περίγυρος του Μαρκόνι δεν φαινόταν ιδιαίτερα ενθουσιασμένος από την εφεύρεση του νεαρού μηχανικού, πιθανότατα δεν την κατανοούσε καν, αλλά και η ιταλική κυβέρνηση απάντησε σε σχετικό ερώτημά του ότι δεν ενδιαφέρεται να χρηματοδοτήσει έρευνες για την ασύρματη τηλεγραφία. 

Έτσι ο σπουδαίος αυτός ερευνητής εγκαταστάθηκε στην Αγγλία. Οι πομποί και δέκτες του Μαρκόνι, εφοδιασμένοι πλέον και με κεραίες, απαιτούσαν σημαντική ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας και γι' αυτό χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για την επικοινωνία με πλοία σε υπερπόντια ταξίδια. Η κεραία είχε επινοηθεί εντωμεταξύ από τον Ρώσσο Αλέξανδρο Ποπώφ (1859-1905). Το 1898 κατασκευάστηκε ένα σύστημα ασύρματης επικοινωνίας μεταξύ της πόλης Dover και του πλοίου-φάρος «East Goodwin», 15 ναυτικά μίλια στην ανοικτή θάλασσα.

Το έτος 1900 πήρε ο Μαρκόνι στην Αγγλία το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας με αριθμό 7777 για «tuned or syntonic telegraphy» και το έτος 1901 πέτυχε ασύρματη ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ Αγγλίας και της ανατολικής ακτής της Αμερικής, πάνω από τα νερά του Ατλαντικού. Εκείνη την εποχή θεωρήθηκε αυτό το γεγονός πρωτοφανής επιτυχία και συζητήθηκε στον τύπο και στους επιστημονικούς κύκλους ευρέως, προκαλώντας και τις απαραίτητες μελλοντολογικές προβλέψεις. Το έτος 1909 απονεμήθηκε στον Μαρκόνι, μαζί με τον Karl Ferdinand Braun το βραβείο Νόμπελ Φυσικής.

Ήδη το έτος 1898 είχε διαπιστώσει ο Μαρκόνι ότι η εμβέλεια ενός πομπού μεγάλωνε σημαντικά, όταν πομπός και δέκτης ήταν συντονισμένοι στην ίδια συχνότητα. Τις ίδιες διαπιστώσεις έκαναν κι άλλοι ερευνητές, οι οποίοι αναζητούσαν πυκνωτές με μεταβαλλόμενη χωρητικότητα, για να μπορούν να επιλέγουν τη συχνότητα συντονισμού. Τελικά κατασκεύασε ο Adolf Koepsel (Κοεπσελ, 1858-1933) ένα πυκνωτή μεταβλητής χωρητικότητας από δύο ημικυκλικά πακέτα μεταλικών ελασμάτων. Το ένα πακέτο ήταν σταθερά στερεωμένο και το άλλο εισχωρούσε με περιστροφή στο σταθερό, έτσι ώστε οι πλάκες του ενός να μην ακουμπάνε στις πλάκες του άλλου. Ο πυκνωτής αυτός διαδόθηκε ευρύτατα, αλλά σύντομα κατασκευάστηκαν και διαφορετικοί τύποι.
Στρεφόμενος πυκνωτής μεταβλητής χωρητικότητας (πάτημα για μεγαλύτερη εικόνα)

Ακόμα ένα ενδιαφέρον φαινόμενο που αντιμετώπισε ο Μαρκόνι στα πειράματά του ήταν η μεγαλύτερη εμβέλεια των εκπομπών κατά τις νυκτερινές ώρες. Πίστευε ότι το φαινόμενο αυτό συνεδόταν με την παρουσία του ήλιου, αλλά δεν ήταν σε θέση να το ερμηνεύσει. Το έτος 1902 διατύπωσαν ο Oliver Heaviside (Χέβισάιτ, 1850-1925) και ο Arthur Kennely (Κένελυ, 1861-1939), ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον, την άποψη ότι η Γη περιβάλλεται από ένα ιονισμένο στρώμα, την ιονόσφαιρα, όπως λέμε σήμερα, το οποίο αντανακλά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στη Γη. Το ύψος δε αυτής της ιονόσφαιρας πράγματι εξαρτάται από την ηλιακή ακτινοβολία.

Ο Χέβισάιτ συνέβαλε σημαντικά στη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών μελετών, εισάγοντας τη διανυσματική ανάλυση και τους τελεστές στην Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία. Λόγω μιας πρόωρης κώφωσης, απεσύρθη από την εταιρία που εργαζόταν και επιδόθηκε σε υπολογισμούς και μελέτες, παράλληλα με ιδιωτικά μαθήματα.

Αυτή η περίοδος καινοτομιών στον τομέα των ασύρματων επικοινωνιών έκλεισε το 1904, όταν ο Reginald Fessenden (Φέσεντεν, 1866-1932), Καναδός μηχανικός, συνεργάτης για ένα διάστημα των Edison και Westinghouse και πανεπιστημιακός καθηγητής, μετέδωσε ασύρματα φωνή και μουσική.

 Οι πειραματικές εκπομπές του στην ακτή του Ατλαντικού προκάλεσαν τεράστια έκπληξη στους χειριστές ασύρματων τηλεγράφων, τους «μαρκόνηδες» των πλοίων, όταν άκουσαν στα ακουστικά τους ομιλία και μουσική, ένα απόσπασμα από μουσική του Χαίντελ. Ο Φέσεντεν χρησιμοποίησε στα πειράματά του ένα μικρόφωνο άθρακα, δικής του επινόησης. Ήδη το έτος 1907 κατάφερε ο ίδιος ερευνητής να κατασκευάσει δύο πομπούς με διαμόρφωση πλάτους, οι οποίοι είχαν εμβέλεια περί τα 450 km.

sfrang.com

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου