Stazione ricevente con detector magnetico a filo rotante

L’apparato ricostruito ha una forma insolita in quanto si sviluppa in altezza, a differenza di quello classico che si sviluppa in piano. Ciò per poter meglio adattare i componenti che è stato possibile rinvenire sul mercato. In ogni caso, il principio di funzionamento è rigorosamente quello dell’originale.

1. Descrizione.

L’apparecchio è sostanzialmente costituito da due torri. Quella di destra è interamente in ottone con l’impiego di aste filettate sia verticali (6) che orizzontali. Sulla sua sommità è posizionata la carrucola motrice in legno di rovere del diametro di 24 cm, la quale, azionata da un motorino da forno che compie quasi 3 giri al minuto, trascina il filo rotante.

La torre di sinistra è costituita da quattro aste filettate di ottone e sette basette ottagonali in legno di rovere, le quali servono sia per l’irrigidimento sia per il posizionamento di alcuni componenti della stazione.

Procedendo dal basso s’incontra la prima carrucola, in ottone, per il cambio di direzione del filo rotante, fissata su due striscette sempre di ottone, infilate, alle loro estremità, nelle quattro aste filettate della torre (da notare che, a mezzo di rondelle e collarini di plastica, le due striscette sono isolate elettricamente dalle aste filettate).

Proseguendo verso l’alto s’incontra la prima base ottagonale che sostiene l’estremità del tubicino di plastica sul quale, nella parte centrale (non visible in foto), è avvolta la bobina del primario di 30 spire, realizzata con filo di colore rosso del diametro 0,5 mm, della quale sono visibili le due estremità: una collegata all’asta filettata anteriore-sinistra e l’altra all’asta filettata posteriore-destra.

Salendo lungo la colonna di sinistra si rinviene la seconda piastra ottogonale, che sostiene la prima calamita a ferro di cavallo e, successivamente, la terza e la quarta piastra ottogonale, tra le quali è posizionata la bobina secondaria a 6.000 spire, realizzata con filo di rame del diametro di 0,14 mm, i cui terminali sono connessi, con filo di colore verde, all’asta filettata anteriore-destra e a quella posteriore-sinistra.

Proseguendo verso l’alto s’incontra la quinta base ottogonale, che sostiene la seconda calamita a ferro di cavallo;  poi la sesta base, che sostiene l’estremità superiore del tubicino di plastica dell’avvolgimento primario.

Alla sommità della torre, infine, si trova l’ultima basetta di legno, che sostiene la seconda carrucola, in ottone, per il cambio di direzione del filo rotante.

Carrucola di regolazione della tensione del filo

Al centro della base, tra le due torri, è stata collocata la quarta carrucola, in legno di rovere, del diametro di circa 12 cm, disposta su un sistema ammortizzante realizzato con otto molle: essa ha lo scopo di consentire la regolazione della la tensione del filo e di assorbire eventuali sobbalzi del filo durante la sua rotazione.

Sul lato posteriore della base, al centro, sono posizionati due morsetti neri per il collegamento alla tensione di rete 220 V. Aprendo l’interruttore a clip, la corrente perviene al motorino e il suo passaggio è segnalato dall’accensione della spia verde.

Sulla parte anteriore, al centro, si trovano due morsetti, uno rosso e l’altro nero, i quali sono collegati alle due aste filettate su cui convergono i terminali della bobina secondaria. Tali morsetti servono per l’inserimento della cuffia e tra essi trova posto un pulsantino di colore rosso, mediante il quale è possibile invertire il verso di rotazione del filo.

Sui lati corti della base sono impiantate due coppie di morsetti rossi (collegate alle aste filettate sulle quali convergono i terminali della bobina primaria), che permettono il collegamento con l’antenna aerea e la terra. Il filo rotante è una normale cordina d’acciaio rivestita in plastica.

Carrucola direzionale

Conclusa la descrizione dell’apparato, è opportuno accennare, seppur brevemente, ad alcuni aspetti teorici nonché ad alcuni aneddoti interessanti. Innanzitutto è necessario ricordare che il detector magnetico è un’invenzione eslcusiva di Marconi. Non appena il giovane Guglielmo venne a conoscenza della teoria dell’isteresi magnetica, infatti, subito balenò nella sua mente l’idea di costruire un apparato ricevente del tutto nuovo.

L’isteresi magnetica è quel fenomeno in base al quale se un materiale ferromagnetico viene magnetizzato,  cioè se si genera in esso un certo grado di induzione magnetica, per esempio disponendolo all’interno di una bobina percorsa da corrente continua, allorché si procede alla sua smagnetizzazione, diminuendo la corrente, ovvero la causa, cioè l’intensità del campo magnetico, l’induzione magnetica non segue il campo magnetico; più precisamente, quando quest’ ultimo ha raggiunto il valore 0, il valore dell’induzione magnetica non ha raggiunto parimenti il valore 0: in altre parole il materiale è rimasto ancora un poco magnetizzato, presentando la cosiddetta induzione residua. Con un’immagine visiva può dirsi che, nella corsa verso lo zero, l’induzione rimane in ritardo rispetto al campo magnetico. La parola isteresi, in greco, significa appunto ritardo. Se, però, nella bobina arriva una corrente eccitatrice ad altissima frequenza, qual’è appunto quella delle onde elettromagnetiche, il materiale ferromagnetico riceve uno shock improvviso che annulla l’isteresi.

Ritornando al detector magnetico, questo fenomeno dell’isteresi viene sfruttato nel modo seguente.

I due magneti a ferro di cavallo sono disposti con i poli omonimi affacciati verso il centro delle due bobine, in modo che un magnete viene sfruttato per la magnetizzazione del filo di ferro in movimento e l’altro per  la sua smagnetizzazione.

Essendo i magneti perfettamente identici, i due campi magnetici, da essi generati, sono opposti, per cui nel centro delle due bobine, che s’indica con P, il campo magnetico è nullo.

Poiché il filo di ferro si magnetizza e poi si smagnetizza si verifica il fenomeno dell’isteresi magnetica, che fa ritardare l’induzione magnetica, la quale, quindi, non si annulla nel punto P, dove il campo magnetico è nullo, ma dopo e precisamente in un punto Q, spostato in avanti rispetto a P nel verso del moto. Quando arriva il segnale elettromagnetico sull’antenna ricevente, nelle bobina primaria circola una corrente oscillante ad altissima frequenza, che annulla l’isteresi, per cui il punto Q viene riportato in P. Questo rapido ritorno del punto Q in P produce una rapidissima variazione del flusso magnetico, concatenato con la bobina secondaria, generando ai suoi estremi una forza elettromotrice indotta in grado di far vibrare le lamine della cuffia, permettendo così l’ascolto del segnale.

Per una più dettagliata descrizione del funzionamento si rimanda il lettore al paragrafo 2 (Principio di funzionamento).

Ecco come Degna Marconi Paresce, figlia dello scienziato, racconta nel suo libro “Marconi, mio padre” l’invenzione del detector magnetico (1902): “Una bella mattina di primavera mio padre lasciò il suo laboratorio dell’Hotel Haven, salì in bicicletta, e in fretta raggiunse Bournemouth, distante quindici miglia. A Bournemouth fece invano il giro di tutti i negozi alla ricerca di un filo il più possibile sottile; non sapeva proprio quale altro tentativo fare, quando si ricordò di una bottega di fioraio, dove una graziosa ragazza avvolgeva i gambi dei fiori con del filo sottilissimo, come refe. La ragazza fu ben lieta di dargliene quanto voleva, e mio padre, montato in bicicletta, riprese la strada di Poole. Giunto all’Hotel Haven, chiese a Kemp di procurargli subito una scatola, e Kemp, come sempre pieno di risorse, gliela trovò in un batter d’occhio”.  Si trattava in effetti di una scatola di sigari, nella quale Marconi sistemò tutto il dispositivo, costituito dalle due bobine, dalle due calamite a ferro di cavallo e dal filo di ferro della fioraia, che in una prima prova muoveva con le sue stesse mani.

Calamite a ferro di cavallo

Marconi fu enormemente soddisfatto della riuscita della prova. Bisogna ricordare, infatti, che il coherer, primo detector, era sempre stato l’elemento più debole del sistema di comunicazione, perché molto influenzato da vibrazioni, rullii e beccheggi delle imbarcazioni.

La soddisfazione di Marconi era dovuta anche al fatto che, come confidò al suo fraterno amico Solari, l’invenzione del detector magnetico gli consentiva di porre fine a tutte le polemiche sull’impiego nelle sue stazioni riceventi del coherer utilizzato dal francese Branly e dall’inglese Oliver Lodge. Peraltro, è ben noto che i coherer utilizzati da Marconi erano stati comunque notevolmente perfezionati dallo stesso scienziato bolognese, grazie alle innumerevoli prove svolte nella celebre “stanza dei bachi”; tali perfezionamenti erano legati soprattutto all’impiego del miscuglio di polvere di nichel (96%) e argento (4%) e al vuoto prodotto all’interno del tubetto di vetro.

Il cavo rosso è il terminale superiore della bobina primaria

2. Principio di funzionamento.

Ciò premesso si può, ora, spiegare il funzionamento del detector magnetico. Come si osserva nelle foto, i due magneti permanenti, a ferro di cavallo, sono disposti uno al disotto e l’altro al di sopra delle due bobine,  in posizione perfettamente simmetrica rispetto al centro dei loro avvolgimenti; inoltre tali magneti giacciono nel piano verticale passante per l’asse del filo di ferro, in movimento durante il funzionamento dell’apparecchiatura.

Il magnete inferiore ha il rebbo, di colore rosso, del polo nord disposto in basso, mentre ha il rebbo, di colore azzurro, del polo sud disposto in alto e vicino al centro delle bobine. Il magnete superiore ha il rebbo, di colore azzurro, del polo sud disposto in basso e vicino al centro delle bobine,mentre ha il rebbo, di colore rosso, del polo nord disposto in alto.

Quindi i magneti a ferro di cavallo hanno entrambi i poli sud affacciati tra loro e vicini al centro delle due bobine. Questa particolare successione dei poli genera due campi magnetici  i cui vettori intensità H₁ e H₂ , hanno lo stesso modulo, la stessa direzione, quella del filo di ferro, ma versi opposti, perché entrambi diretti verso il centro delle bobine.

Il cavo rosso è il terminale inferiore della bobina primaria

Precisamente il magnete, disposto inferiormente e le cui caratteristiche si indicheranno con il pedice 1, genera, nel tratto di filo, dirimpetto ai suoi poli, un campo magnetico il cui vettore intensità H₁ ha il verso che è quello che va dal polo nord, disposto in basso, al polo sud, disposto in alto, e quindi diretto verso l’alto e cioè verso il centro delle due bobine.

Invece il magnete, disposto superiormente e le cui caratteristiche si indicheranno con il pedice 2, genera, nel tratto di filo, dirimpetto ai suoi poli, un campo magnetico il cui vettore intensità H₂ ha il verso che è quello che va dal polo nord, disposto in alto, al polo sud, disposto in basso, e quindi diretto verso il basso e cioè verso il centro delle due bobine.

Pertanto nel punto P del filo di ferro, che individua il centro delle due bobine, agiscono due vettori, intensità del campo magnetico, H₁ e H₂ , opposti, la cui risultante H = H₁ + H₂ è nulla: quindi nel punto P il modulo (H) del vettore risultante intensità del campo magnetico totale è nullo. Di conseguenza anche i due vettori induzione magnetica B₁ e B₂ sono opposti ed hanno ugualmente il valore della risultante, B = B₁ + B₂ , nulla. Nel punto P, quindi, s’invertono, contemporaneamente, sia il verso del campo magnetico (da H₁ si passa ad H₂ = - H₁), sia il verso dell’induzione magnetica (da B₁ si passa ad B₂ = - B₁).

Particolare della bobina secondaria

Dunque, quando il filo di ferro non è in movimento, nel punto P sono nulli sia il campo magnetico totale H, sia l’induzione magnetica totale B.

Si ricorda che l’intensità del campo magnetico, che si indica con il simbolo H, è un vettore che è la causa della magnetizzazione di un materiale e non dipende dalla natura del materiale stesso, mentre l’induzione magnetica che si indica con il simbolo B è un vettore che indica l’effetto della magnetizzazione del materiale ed è collegato a H dalla relazione:

B = μH

essendo μ la permeabilità del materiale che si vuole magnetizzare, la quale dipende dalla natura del materiale e  anche dal valore di H. Perciò B dipende, parimenti, dalla natura del materiale che si sottopone alla magnetizzazione.

Importante, ora, è sottolineare, ancora, che, in condizione di filo di ferro non in movimento, non sono presenti fenomeni di magnetizzazione e successiva smagnetizzazione di materiale ferromagnetico concentrato nel generico punto A del filo di ferro, essendo tale punto immobile, e quindi neanche di isteresi magnetica.

Quando si attiva il movimento di rotazione del filo di ferro, in assenza di segnale elettromagnetico sull’antenna, ogni punto dell’asse dello stesso filo percorre una curva chiusa e quindi ogni suo punto, in un certo istante, passa per il punto P, che, come già detto, indica il centro delle due bobine.

Consideriamo, nella torre, che alloggia i magneti e gli avvolgimenti primario e secondario, il generico punto A dell’asse del filo di ferro in movimento, nel verso di avanzamento dal basso verso l’alto. Man mano che il punto A, provenendo dal basso, avanza nella torre,  si avvicina, al magnete disposto inferiormente. Quando arriva vicino al suo polo nord, quello di colore rosso, comincia a magnetizzarsi sotto l’azione del campo magnetico H₁, accumulando l’induzione magnetica B₁; e così continua fino a quando arriva nel punto P sotto l’azione del campo H₁, che come già detto è diretto verso P, cioè dal basso verso l’alto. Arrivato nel punto P, cioè nel centro delle due bobine, il punto A è soggetto anche all’azione del campo magnetico H₂ del secondo magnete a ferro di cavallo: essendo i due campi magnetici H₁ e H₂ opposti, il campo magnetico totale agente sul punto A è nullo. Quindi nel punto P il campo magnetico totale H è nullo; però, nello stesso punto P, che ora coincide con il punto mobile A, l’induzione magnetica non si è annullata, causa il fenomeno dell’isteresi magnetica. Infatti il punto A è stato magnetizzato dal magnete a ferro di cavallo disposto in basso e smagnetizzato dal magnete a ferro di cavallo disposto in alto. Precisamente, nel materiale ferromagnetico concentrato nel punto A, è rimasta, al suo passaggio per P, la cosiddetta induzione residua B_r, per annullare la quale è necessario un campo magnetico H_c, detto coercitivo. Pertanto, il punto A sorpassa il punto P e raggiunge un punto Q, distante da P, nel quale, per azione del campo magnetico H₂ , l’induzione residua si annulla. In questo punto Q il materiale ferromagnetico, concentrato nel punto A, è completamente smagnetizzato: cioè l’induzione residua è stata annullata. Pertanto, quando il filo è in movimento il punto P di campo magnetico (H) nullo, non coincide più con il punto Q di induzione magnetica (B) nulla.

Precisamente, il centro P delle due bobine rimane sempre il punto di azzeramento del campo magnetico, come si verificava in assenza di moto del filo; invece, causa  il fenomeno dell’isteresi magnetica, cioè la magnetizzazione e successiva smagnetizzazione del materiale del filo di ferro concentrato nel punto A, il punto di azzeramento dell’induzione magnetica non coincide più con il punto P, come si verificava in assenza di moto, ma con il nuovo punto Q, che si trova spostato in avanti rispetto a P nel senso del moto.

Motorino di trascinamento del filo

Quello che si verifica, durante il movimento del filo per il punto A e in assenza di segnale elettromagnetico sull'antenna, si verifica ugualmente per tutti i punti dell’asse del filo. Ciascuno di essi viene prima magnetizzato dal magnete inferiore e poi smagnetizzato dal magnete superiore subendo il fenomeno dell’isteresi magnetica: è importante sottolineare che, con filo in movimento e assenza di segnale elettromagnetico, sia il punto P di azzeramento del campo magnetico H, sia il punto Q di azzeramento dell’induzione magnetica restano fissi.

L’inversione dell’induzione magnetica, nel punto Q, per ciascun punto dell’asse del filo non avviene in un tempo brevissimo causa la bassa velocità di movimento del filo, la quale varia da circa 2 cm a 10 cm al secondo, e quindi non si genera nella bobina secondaria una rapidissima variazione del flusso magnetico con essa concatenato e capace di generare, per la legge di Faraday - Neumann, ai capi della stessa bobina, connessi alla cuffia di ascolto, una forza elettromotrice indotta tale da far vibrare le sue lamine e produrre un suono udibile. Occorre ricordare che la forza elettromotrice indotta è direttamente proporzionale alla variazione di flusso magnetico e inversamente proporzionale all’intervallo di tempo necessario per realizzare questa variazione di flusso.

La situazione cambia radicalmente in presenza di segnale elettromagnetico sull’antenna. In tale evenienza la corrente oscillante, ad altissima frequenza, che si genera nel filo aereo attraversa la bobina primaria per dirigersi verso la terra, generando nel filo di ferro in movimento un campo magnetico oscillante con la medesima frequenza ed avente la stessa direzione del filo. Questo campo magnetico ad altissima frequenza, come scoperto da Ernest Rutherford, annulla quasi istantaneamente l’isteresi magnetica, spostando altrettanto istantaneamente il punto Q, riportandolo indietro nel punto P. Questo rapidissimo spostamento modifica rapidissimamente l’assetto del flusso magnetico concatenato con la bobina secondaria, producendo, conseguentemente, anche una rapidissima variazione del flusso stesso, capace, ora, di generare ai capi della stessa bobina una forza elettromotrice in grado di far vibrare le lamine della cuffia, permettendo, così, l’ascolto del segnale. Poiché il filo è sempre in movimento, il processo di magnetizzazione e smagnetizzazione, come pure lo spostamento del punto Q in P avvengono di continuo e quindi il detector è sempre pronto per ricevere i segnali che arrivano sull’antenna.

Tutto quanto detto vale anche se s’inverte il verso di rotazione del filo o si scambiano i poli dei due magneti a ferro di cavallo. In quest’ultimo caso è importante, però, che i poli dei magneti vicini al centro delle bobine siano sempre omonimi, altrimenti non sarà possibile effettuare prima la magnetizzazione e poi la smagnetizzazione del materiale e conseguentemente sfruttare il fenomeno dell’isteresi magnetica.

3. Una curiosità forse sconosciuta.

Il detector  magnetico può essere utilizzato, anche, per l’ascolto radiofonico di stazioni radio, cioè di parole e suoni. Infatti le onde irraggiate, in questi casi, sono onde persistenti modulate dalla corrente microfonica, le quali una volta captate dall’antenna del detector magnetico, sono in grado di modulare, regolando opportunamente la velocità del filo di ferro e la posizione dei magneti, lo spostamento del punto Q verso il punto P, riproducendo esattamente i suoni e le parole.