l = 2p√LC

gdzie: l długość fali, L samoindukcja, C pojemność obwodu nadawczego.

Pierwszy Marconi, w 1897 zastosował fale elektromagnetyczne do przesyłania sygnałów. Urządzenie Marconi'ego składało się
z obwodu nadawczego i z obwodu odbiorczego, zaopatrzonego w  koherer.* Doświadczenia były wykonane nad kanałem Bristolskim
w Anglii pomiędzy Lavernock Point i Flatholm.

W pierwszych nadajnikach, do wypromieniowania fali elektromagnetycznej wykorzystywano przeskok iskry pomiędzy dwiema elektrodami
z bezpośrednio połączoną do nich anteną. Schemat takiego prostego nadajnika Marconiego pokazuje rys. 1.

Rys. 1 Najprostszy nadajnik iskrowy z czasów Marconiego.

Nadajnik zasilany był od źródła prądu stałego. Po włączeniu wyłącznika, każda zmiana prądu w uzwojeniu pierwotnym cewki indukcyjnej
transformatora w.cz., spowodowana przez zwarcie lub rozwarcie klucza  telegraficznego, powodowała wzrost lub zanik prądu
w obwodzie pierwotnym i indukowanie wysokiego napięcia w jego uzwojeniu wtórnym. Gdy napięcie to osiągało wartość dostateczną
dla przeskoku iskry w iskierniku, wówczas następowało impulsowe pobudzenie układu antenowego i wyładowanie drgające związane
z wypromieniowaniem w przestrzeń energii elektromagnetycznej. Częstotliwość drgań określona była przez parametry obwodu wtórnego,
natomiast tłumienie od jego rezystancji. Generowane impulsy miały postać sinusoidalnych drgań tłumionych, rys. 2,
 ich moc była nie wielka, gdyż pobudzanie układu do drgań było bardzo krótkotrwałe.

Rys. 2 Przebieg sygnału z nadajnika iskrowego Marconiego.[1]

Dla jej zwiększenia układ z rys. 1 został zmodyfikowany w 1898 roku przez Ferdynanda Brauna, rys. 3.
Rozdzielił on układ nadajnika na dwa obwody: zamknięty, w którym powstawały wyładowania iskrowe, i drugi otwarty, bez iskiernika,
z anteną generujący energię elektromagnetyczną. Układ nie był zasilany ze źródła prądu stałego, a poprzez transformator w.cz., pokazany
z prawej strony, ze źródła napięcie przemiennego. Układ taki często nazywany jest jako układ z obwodem pośrednim.
Dodanie do obwodu iskiernika, kondensatora C₁ spowodowało powstanie obwodu rezonansowego. Pozwoliło to na powstawanie iskier
przy niższych napięciach. W antenie sprzężonej indukcyjnie z obwodem iskry, powstawały drgania, które mogły rozchodzić się
na znacznie większe odległości, ponieważ usunięty został z jej obwodu wpływ iskry, pochłaniającej energię. Jednakże zastosowanie
w układzie dwóch sprzężonych indukcyjnie obwodów rezonansowych, iskiernika i antenowego, powodowało wzbudzanie drgań
o dwóch częstotliwościach, co prowadziło do nieskutecznego wykorzystania mocy nadajnika i zwiększenia zakłóceń
w odbiorze innych radiostacji. Jednak mimo wszystko nadajnik, dzięki istnieniu obwodów rezonansowych,
promieniował w przestrzeń bardziej „czysty” sygnał. Bowiem jego widmo było ograniczone przez selektywne obwody.
Jego wadą było, że następował w nim okresowy przepływ energii w.cz. pomiędzy obwodami wtórnym i pierwotnym,
któremu towarzyszyły przeskoki iskier wtórnych, zakłócające wyładowanie zasadnicze.

Rys. 3  Nadajnik iskrowy Brauna. z obwodem pośrednim.

Uzyskiwane za pomocą nadajnika iskrowego Brauna, z obwodem pośrednim miały postać jak na rys. 4.
Były podobne do tzw. przebiegu dudnień, powstającego przy wzajemnym oddziaływaniu dwóch drgań o zbliżonych częstotliwościach.

Rys. 4 Przebiegi sygnału z nadajnika iskrowego Brauna.[1]

Wady te zostały usunięte przez zastosowanie iskierników o specjalnej konstrukcji (iskiernik wielokrotny Wiena,
iskiernik obrotowy Marconiego). Max Wien w 1906 r. pokonał tę trudność przez zastosowanie tzw. iskier gaszonych.
Rozdzielił on mianowicie, rys. 5, iskiernik na szereg iskierników, dających iskierki bardzo krótkie.
Iskierki takie gasną bardzo szybko po wyładowaniu, przerywając w ten sposób wzbudzający obwód nadajnika,
dzięki czemu usunięte zostało szkodliwe oddziaływanie obu obwodów. Umieszczenie w iskierniku dodatkowych tarcz obniżających
temperaturę zjonizowanego powietrza przez pierwotną iskrę, uniemożliwiało  powstawanie  iskier wtórnych i pozwalało
na odpowiednie częste generowanie sygnałów w przestrzeń z częstotliwością źródła. Dzięki czemu powstawał charakterystyczny ton sygnału.
Nadajniki pracujące z odpowiednio dużą częstotliwością powtarzania iskry zyskały miano nadajników z iskrą dźwięczącą.
Ponieważ obwód pierwotny nie pobierał energii z obwodu antenowego przebieg w.cz. był słabiej tłumiony.
Widok iskiernika tarczowego przedstawia rys. 6, a przebieg uzyskiwany w takim nadajniku rys. 7.

Iskiernik Wiena ulepszył Marconi, budując tzw. iskiernik wirujący. Iskry gaszone, wywoływane wiele razy na sekundę (np. 500),
dawały czysty ton muzyczny i nazywają się dlatego iskrami dźwięczącymi.
Inżynierowie zatrudnieni w firmach Marconiego urzeczywistnili gaszenie iskier jeszcze w inny, bardziej skuteczny sposób.
Zamiast stosować iskrownik w postaci wirujących masywnych krążków miedzianych dla pobierania ciepła,
co powodowało szybką likwidację iskry, w przerwie iskrowej umieścili szybko obracające się koło palczaste.
W tym przypadku iskra gasła wskutek zwiększania się odległości pomiędzy metalowym palcem a elektrodą.
Wirujące iskrowniki Marconiego o muzycznym tonie stały się bardzo popularne. Zainstalowano je między innymi w pierwszej
w Rosji dużej stacji iskrowej na Chodyńskim Polu pod Moskwą.

Rys. 5 Uproszczony schemat nadajnika Wiena z gaszonymi iskrami wtórnymi.

Rys. 6 Widok iskiernika tarczowego do gaszenia iskier wtórnych.[1]

Rys. 7 Przebieg sygnał z nadajnika iskrowego Wiena.[1]

Na rys. 8 dodatkowo pokazane zostały przebiegi impulsów w pierwotnym obwodzie iskiernika i wtórnym obwodzie antenowym,
nadajnika iskrowego Wiena. Wydaje się, że powstawanie przebiegów pokazanych na rys. 8 można wyjaśnić następująco.

Po włączeniu wyłącznika  w obwodzie pod wpływem napięcia zmiennego w uzwojeniu wtórnym transformatora z prawej strony,
wzrasta napięcie aż do wartości przy której nastąpi wyładowanie iskrowe. Czas narastania napięcia w obwodzie zależy od tzw. jego dobroci,
określonej jako stosunek impedancji indukcyjnej do rezystancji  obwodu rezonansowego lub inaczej od jego współczynnika tłumienia.
Gdy obwód ma dużą dobroć, czyli małe tłumienie, proces narastania napięcia trwa dłużej niż w przypadku odwrotnym.
W momencie, gdy napięcie osiągnie wartość zapłonu, następuje gwałtowne  rozładowanie energii zgromadzonej w obwodzie iskiernika
w postaci drgań w.cz., przez bardzo małą rezystancję iskry,  przepływ znacznego prądu w obwodzie pierwotnym
- iskiernika oraz za pośrednictwem transformatora z lewej strony w obwodzie wtórnym – antenowym.
W wyniku znacznego malenia napięcia w obwodzie iskiernika iskra gaśnie, aż do momentu osiągnięcia ponownie napięcia zapłonu.
W tym czasie trwa wypromieniowanie energii w postaci drgań z częstotliwością określoną parametrami obwodu rezonansowego.
Proces ten trwa do momentu, gdy napięcie wzrośnie ponownie do poziomu napięcia zapłonu.

Rys. 8 Przebiegi w nadajniku iskrowym Wiena.[1]

Nadajniki z iskrami gaszonymi, charakteryzowały się sprawnością 50 - 70% w porównaniu z 20% dla zwykłych nadajników iskrowych.
Dalszym udoskonaleniem było wprowadzenie przez Marconiego wspomnianego iskiernika wirującego, który spełniał podobną funkcję.

Komunikacja przy użyciu nadajników iskrowych i odbiorników detektorowych odbywała się na falach długich i średnich.
Moc nadajników iskrowych, w miarę ich rozwoju i doskonalenia stale wzrastała, a ostatnie duże radiostacje iskrowe miały w antenie
moc rzędu kilkudziesięciu kilowatów. Były to urządzenia bardzo duże, skomplikowane wymagające bardzo sprawnej i fachowej obsługi.

Jednocześnie z rozwojem i ulepszaniem nadajników iskrowych pracujących z impulsowymi falami tłumionymi,
a więc powodującymi zakłócenia w pracy innych nadajników i mało efektywnych, zaczęto przeprowadzać próby połączeń radiowych
przy użyciu fal ciągłych. Jako generatory fal ciągłych były używane: łuk elektryczny (łuk Poulsena) i prądnice dużej częstotliwości
(maszyny Wołogdina, Alexandersona i innych). Nadajniki maszynowe ze wzglądu na duże ich masy, a więc charakteryzowania się
dużą bezwładnością ich elementów ruchomych, z konieczności generowały fale o stosunkowo małych częstotliwościach,
czyli pracowały na falach bardzo długich.

Już w roku 1892 Amerykanin Thomson odkrył, że w obwodzie drgającym, połączonym równolegle z łukiem elektrycznym,
charakteryzującym się tzw. oporem ujemnym, powstają drgania niegasnące, tzn. takie, które można przedstawić graficznie w postaci
nie zmieniającej się, ciągłej linii falistej. Dzięki temu otworzyła się perspektywa przekazywania dźwięku drogą radiową,
co było niemożliwe przy dotychczasowych nadajnikach wysyłających fale w sposób przerywany. Pierwszy układ z łukiem,
wytwarzający silne i trwałe drgania, Duddell zbudował w 1900 r. Najważniejsze jednak udoskonalenia ma na swoim koncie
wspomniany już duński inżynier Poulsen.

Przykładowo Nadajnik Paulsena, rys. 9, składał się z szeregowego obwodu rezonansowego zasilanego przez łuk elektryczny.
Kluczowanie częstotliwości nadajnika uzyskiwano poprzez zwieranie pewnej liczby zwojów cewki lub rezystora obwodu rezonansowego.
Schemat pokazany na rys. 9, przedstawia ulepszone rozwiązanie nadajnika łukowego,
promieniującego energię w.cz. w takt znaków telegraficznych.

Rys. 9. Schemat łukowego nadajnika Poulsena.[1]

Nadajniki te promieniowały falę ciągłą, rys. 10, ale ich mała stabilność częstotliwości nie pozwalała na transmisję dźwięku.
Były to więc także nadajniki telegraficzne, chociaż Poulsen przeprowadzał także próby transmisji za pomocą fal elektromagnetycznych głosu.
Częstotliwości pracy nadajników łukowych dochodziły do 100 kHz, a moc do ok. 600kW.

Ze względu na bardzo wysokie temperatury panujące w komorze łukowej osiągające 4000°C,
nie możliwa była konstrukcja nadajników o jeszcze większych mocach.

Rys. 10 Przebieg fali ciągłej generowanej przez nadajnik łukowy. [1]

Zastanawiam się, czy nadajniki iskrowe poprzez ich modyfikacje, mogły być pozbawione wad, jakimi były:
impulsowe wytwarzanie drgań zasilane z źródła prądu stałego i nie stabilna, impulsowa  praca układów zasilanych ze źródła prądu zmiennego.
Wydaje się, że było to nie możliwe, chociażby z powodu dużej ilości powstających podczas ich pracy harmonicznych.
Bowiem pobudzanie impulsowe za pomocą wymuszenia iskrowego w pierwszym przypadku, prowadzić musiało do wypromieniowania
impulsowych drgań sinusoidalnych tłumionych, rys. 11, oczywiście o częstotliwości drgań swobodnych obwodu.
Wiadomo że widmo spektralne takiego impulsu, rys.12, jest rozległe, co musiało prowadzić do bardzo dużych zakłóceń spowodowanych
przez nie pożądane wypromieniowane licznych składowych harmonicznych widma.

Rys. 11 Ogólna postać drgania sinusoidalnego tłumionego.[2]

Rys. 12 Widmo spektralne tłumionej sinusoidy.[2]

Podobnie nadajniki iskrowe zasilane napięciem przemiennym, ale promieniujące w przestrzeń przebiegi zmienne impulsowe,
jak wykazuje ich analiza spektralna, charakteryzują się równie szerokimi widmami. Przykładem może być przebieg w postaci sinusoidy
o kilkunastu okresach. Jego widmo pokazane jest na rys. 13.

Rys. 13 Widmo odcinka przebiegu sinusoidalnego o kilkunastu okresach. [2]

Powodowało to zakłócenia i osłabienie sygnału, spowodowane rozproszeniem energii w.cz. na dużą ilość szkodliwych harmonicznych.
Dlatego też, dążono do opracowania sposobów generowania przebiegów w postaci ciągłego sygnału, fali ciągłej,
podobnego do tego jaki wytwarzał nadajnik łukowy. Jednak o bardziej stabilnej częstotliwości.
Oczekiwania te spełniły prądnice dużej częstotliwości (maszyny Wołogdina, Alexandersona i innych).

* Do odbioru impulsowych przebiegów elektromagnetycznych stosowany był element zwany kohererem.
Była to rurka szklana z dwoma elektrodami,  wypełniona metalowymi opiłkami. Pod wpływem impulsu energii w.cz., opiłki układały się
w rurce tak, że ich opór elektryczny wyraźnie malał, powodując wzrost prądu sygnalizatora odbioru sygnału w. cz. oraz w elektromagnesie
z kotwicą, na której zamontowany był młoteczek uderzający w rurkę i rozproszenie opiłek. Powodowało to wzrost oporności koherera
i gotowość jego układu do odbioru następnego impulsu w. cz. W późniejszym okresie stosowano także koherery próżniowe.

[1] http://89.167.11.87:90/FTP%20SR8BBS/P%C5%82yta%20Echolink/radioelektronicy/radiokomunikacja_nadajniki.htm Technika radiokomunikacji.

[2] Spiektry i analiz A.A. Charkiewicz, Wyd. 3, Moskwa 1957 r.

[3] http://www.itl.waw.pl/czasopisma/TiTI/2003/3-4/20.pdf

[4] http://www.scribd.com/doc

[5] http://www.komunikacja24h.info.pl/:

[6] http://bydy.pl/alibaba-(norweski-lesny)-(norwegian-forest-cat)-s2226.html

[7] http://www.pe.ifd.uni.wroc.pl/Festiwal%20nauki.pdf

[8] http://www.ciekawostka.pl/content/view/232/45/

[9] http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Milestones:Poulsen-Arc_Radio_Transmitter,_1902

[10] http://pl.wikipedia.org/wiki/Nadajnik_iskrowy

[11] http://perunwit.w.interia.pl/telegraf.htm

[12] http://www.zse.bydgoszcz.pl/~truszkow/page/detefon/radioteleg.html

Ireneusz Dobiech, lipiec 2012 r.

CIĄG DALSZY NASTĄPI