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La scoperta delle onde elettromagnetiche Le prime osservazioni La rinascita dell’interesse per l’elettricità L’elettrodinamica Dalle forze a distanza al campo La sintesi di Maxwell Gli esperimenti di Hertz e Righi Marconi e lo sviluppo della radio Le telecomunicazioni Altre applicazioni delle onde elettromagnetiche

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Page 1: La scoperta delle onde elettromagnetiche · corrente indotta nell’anello viene messa in moto da un campo elettrico che si origina anche in assenza dell’anello. La sintesi di Maxwell

La scoperta delle onde elettromagnetiche

Le prime osservazioniLa rinascita dell’interesse per l’elettricitàL’elettrodinamicaDalle forze a distanza al campoLa sintesi di MaxwellGli esperimenti di Hertz e RighiMarconi e lo sviluppo della radioLe telecomunicazioniAltre applicazioni delle onde elettromagnetiche

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Le prime osservazioni

la tradizione vuole che Talete di Mileto sia

stato il primo filosofo a descrivere , attorno

al 550 a.C., le proprietà dell’ambra strofinata e della

magnetite.

Le prime osservazioni

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Le prime osservazioni

Un pezzo di plastica si comporta come l’ambra

Le prime osservazioni

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Le prime osservazioni

I fenomeni elettrici e magnetici furono dimenticati fino al

XVII secolo (nonostante la scoperta della

bussola)

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Le prime osservazioni

Il medico di corte di Elisabetta I William Gilbert (1544-1603) pubblicò nel 1600 il

“De magnete, magneticisque

corpibus, et de magno magnete tellure"

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Le prime osservazioni

Gilbert individuò una serie di sostanze che presentavano lo stesso

comportamento dell'ambra e mise in evidenza le differenze tra fenomeni

magnetici ed elettrostatici che precedentemente venivano confusi.

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Le prime osservazioni

In particolare Gilbert osservò:L’esistenza dei poliL’impossibilità di separare i poliL’attrazione e la repulsione dei poliLa magnetizzazione per induzioneL’effetto della temperaturaL’inclinazione del campo magnetico terrestre

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Le prime osservazioni

Otto von Geuricke (1602-1686). Il fisico e borgomastro di Magdeburgo, costruì la

prima macchina elettrostatica.

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Le prime osservazioni

L'inglese Stephen Gray (1666-1736). Scoprì i conduttori e gli isolanti

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Le prime osservazioni

Charles Du Fay (1698-1739) scoprìl’elettricità: "vetrosa" e "resinosa".

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Le prime osservazioni

Fu l'abate Nollet (1700-1770), ad interpretare le osservazioni di Du Fay

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I poli di un magnete

Una calamita attira la

limatura di ferro solo in determinati punti detti

poli

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La calamita spezzata

Spezzando una calamita in due parti si ottengono due calamite complete

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Le interazioni tra i poliEsistono due tipi di poli: poli uguali si respingono e poli opposti si attraggono

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La magnetizzazione per induzione

Un pezzo di ferro posto in prossimità di un magnete diventa a sua volta un

magnete.

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La temperatura di Curie

Ad una certa temperatura un pezzo di ferro perde le proprietà magnetiche

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Il campo magnetico terrestre

La Terra equivale ad un grande magnete

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La riscoperta dell’elettricità

Il fisico olandese Pieter

Musschengroek(1692-1761), scoprìcasualmente un dispositivo per accumulare

l'elettricità statica

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La riscoperta dell’elettricità

Tale dispositivo si chiama bottiglia di Leida dal nome della città che

ospita l’universitàdove fu

realizzato.

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La riscoperta dell’elettricità

Jesse Ramsden(1735–1800) inventò una macchina

elettrostatica che permetteva di ottenere scintille caricando

bottiglie di Leyda

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La riscoperta dell’elettricità

Ciò suggerìl’esistenza di una relazione tra i

fenomeni elettrici e i fulmini.

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La riscoperta dell’elettricità

Per verificare l'ipotesi che i

fulmini fossero di natura elettrica l'americano

Benjamin Franklin (1706-1790) compì

nel 1752 un esperimento famosissimo

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La riscoperta dell’elettricità

fece volare durante un temporale un aquilone munito di una punta metallica alla quale

aveva attaccato un filo di seta in grado di

condurre l'elettricitàfino ad una chiave

metallica sospesa che usò per caricare una bottiglia di Leida.

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La riscoperta dell’elettricità

Nel 1753 John Canton(1718-1772),

scoprìl’induzione

elettrostatica

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La riscoperta dell’elettricità

Charles Augustine de Coulomb (1736-1806)

determinò quantitativamente le forze tra due cariche

elettriche

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La riscoperta dell’elettricità

Per misurare le forze del campo

elettrico impiegò un dispositivo di sua invenzione, la

bilancia di torsione.

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L’elettrodinamica

Luigi Galvani(1737-1798)

formulò la teoria dell’elettricità

animale

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L’elettrodinamica

Galvani suppose che l'elettricità fosse presente nei muscoli della rana

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L’elettrodinamica

Alessandro Volta (1745-1827), inizialmente

concordò con la teoria di Galvani,

ma successivamente la contrastò arrivando alla

scoperta della pila

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L’elettrodinamica

La pila giunse nel momento

opportuno: gli scienziati avevano ormai esaurito le

possibilitàofferte dalle macchine a strofinio.

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L’elettrodinamica

Alessandro Volta mostra la

sua pila a Napoleone

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L’elettrodinamica

Georg Simon Ohm (1789 - 1854)

studiò la trasmissione

dell'elettricità nei corpi conduttori ed enunciò le sue famose leggi nel

1827.

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L’elettrodinamica

Hans CristianOersted

(1777-1851) scoprìl’iterazione tra un filo percorso da

corrente ed un ago magnetico nel

1820.

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L’elettrodinamica

Oersted mostra il suo esperimento

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L’elettrodinamica

La piccola bussola

utilizzata da Oersted per il

suo esperimento

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L’elettrodinamica

Dominique F. Arago(1786-1853) riprodusse

l’esperimento di Oersted

all’Accademia delle Scienze di Parigi. Tra gli spettatori era presente Ampere.

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L’elettrodinamica

André - MarieAmpère

(1775 - 1836) scoprì le leggi

d’interazione tra fili conduttori attraversati da una corrente.

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L’elettrodinamica

Interazione tra un filo ed un magnete

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L’elettrodinamica

Faraday, Neumann e Lenz formularono la legge sull’induzione magnetica

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L’elettrodinamica

Creazione di correnti indotte

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L’elettrodinamica

Creazione di correnti indotte

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Dalle forze a distanza al campo

Coulomb e Ampére e Poisson si mossero all’interno di una tradizione consolidata: la tradizione newtoniana delle forze a

distanza di tipo centrale

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Dalle forze a distanza al campo

Il prototipo di queste forze, introdotte da Newton, è la forza di

gravità. Esse agiscono a distanza in

linea retta e con velocità infinita.

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Dalle forze a distanza al campo

Con Oersted si fa strada l’idea che la sede dell’azione si estenda allo spazio circostante i corpi

elettrici o magnetici.

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Dalle forze a distanza al campo

“Dalle osservazioni appare che il

conflitto elettrico non resta limitato nel filo conduttore,

ma si propaga ampiamente nello

spazio circostante.”

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Dalle forze a distanza al campo

I conflitti di Oersted furono ricondotti allo

schema newtoniano da

Amperé

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Dalle forze a distanza al campo

“Guidato dai principi della filosofia

newtonianana, io ho ricondotto il fenomeno osservato da Oersted a forze agenti sempre secondo la retta che congiunge le particelle tra le quali queste si

esercitano”

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Dalle forze a distanza al campo

“Tutti i fenomeni che il signor Oersted ha scoperto rientrano

nella legge di attrazione e

repulsione di due correnti elettriche,

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Dalle forze a distanza al campo

ammettendo che un magnete non sia

altro che un sistema di correnti elettriche

manifestantesi in piani perpendicolari

alla linea che congiunge i poli del

magnete.”

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Dalle forze a distanza al campo

Michael Faraday(1791 - 1867), introdusse il

concetto di linee di forza:

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Dalle forze a distanza al campo

“Le linee intorno ad una sbarra

magnetica sono state definite come quelle che divengono visibili quando si

cosparge limatura di ferro nelle vicinanze

del magnete.”

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Dalle forze a distanza al campo

Linee di forza prodotte da una calamita

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Dalle forze a distanza al campo

Linee di forza prodotte da un filo rett.

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Dalle forze a distanza al campo

Linee di forza prodotte da una spira

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Dalle forze a distanza al campo

Linee di forza prodotte da un solenoide

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Dalle forze a distanza al campo

Linee di forza prodotte da un solenoide

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Dalle forze a distanza al campo

Linee di forza prodotte da una carica

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Dalle forze a distanza al campo

Linee di forza prodotte da cariche uguali

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Dalle forze a distanza al campo

Linee di forza prodotte da cariche opp.

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Dalle forze a distanza al campo

Schermo elettrostatico

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Dalle forze a distanza al campo

Linee di forza tra lastre parallele

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Dalle forze a distanza al campo

“non appena un filo si muove attraverso le linee di forza una corrente lo percorre o tende a

percorrerlo.”

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Dalle forze a distanza al campo

“La semplice azione del moto non può aver

prodotto questa corrente.”

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Dalle forze a distanza al campo

“ci deve essere stata una condizione

intorno al magnete, da esso alimentata,

nel cui raggio d’azione si trova il

filo: questa condizione mostra la costituzione fisica delle linee di forza.”

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Dalle forze a distanza al campo

“Il punto che intendevo dichiarare era, se non sia possibile che le vibrazioni, che in una certa teoria rendono conto dei fenomeni radianti, non possano avvenire nelle linee di forza che collegano le

particelle.”

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Dalle forze a distanza al campo

“Un concetto che, se lo si ammette ci libera dell’etere

che, in una diversa condizione, si

suppone sia il mezzo in cui quelle

vibrazioni hanno luogo.”

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Dalle forze a distanza al campo

“Credo che sia un fatto ormai scontato

che la materia ponderabile non èindispensabile

all’esistenza delle linee di forza magnetica.”

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Dalle forze a distanza al campo

J. Clerk Maxwell(1831-1879) introdusse il

concetto di campo:“La teoria che propongo può

essere chiamata una teoria del

campo elettromagnetico.”

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Dalle forze a distanza al campo

“Il campo elettromagnetico è

quella parte di spazio che contiene e

circonda i corpi in condizioni elettriche e magnetiche.”

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Dalle forze a distanza al campo

“L’energia dei fenomeni elettromagnetici risiede nel campo

elettromagnetico, nello spazio circondante i corpi elettrizzati e

magnetizzati, così come nei corpi stessi.”

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La sintesi di Maxwell

“Faraday aveva visto con gli occhi della mente, linee di forza che attraversano tutto lo spazio, dove i

matematici vedevano centri di forza che attraggono a distanza; Faraday vedeva un mezzo dove quelli non

vedevano altro che distanze.”

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La sintesi di Maxwell“Quando ebbi tradotto le idee di Faraday in forma matematica trovai che molti dei più fecondi metodi di ricerca

scoperti dai matematici potevano essere espressi

in termini di idee derivate da Faradaymolto meglio che nella loro forma originaria.”

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La sintesi di Maxwell

Un campo magnetico variabile crea una corrente indotta in un anello metallico

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La sintesi di Maxwell

Un campo magnetico variabile crea una corrente indotta in un anello metallico

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La sintesi di Maxwell

Fu Maxwell il primo ad affermare che la corrente indotta nell’anello viene

messa in moto da un campo elettrico che si origina anche in assenza dell’anello.

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La sintesi di Maxwell

Maxwell ipotizzò inoltre che, come un campo magnetico variabile può

generare un campo elettrico, così un campo elettrico variabile può

generare un campo magnetico.

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La sintesi di Maxwell

Le ipotesi di Maxwellportano come conseguenza la possibilità di produrre onde

elettromagnetiche.

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La sintesi di Maxwell

Un campo magnetico variabile genera un campo elettrico a sua volta variabile, che genera un

campo magnetico variabile e così via. Il risultato è una successione di impulsi

elettromagnetici cioè un’onda elettromagnetica

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La sintesi di Maxwell

Per produrre campi elettrici e magnetici variabili occorre un circuito oscillante

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La sintesi di Maxwell

L’apertura del condensatore

porta all’esterno il campo elettrico precedentemente

chiuso al suo interno

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

Il fisico tedesco Heinrich Rudolf

Hertz(1857 - 1894) riuscìnel 1888 a generare

onde elettromagnetiche.

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

e a verificare le previsioni teoriche

di Maxwell

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

Schema dell’apparecchiatura usa da Hertz per i suoi esperimenti

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

Con questi strumenti Hertz poté misurare la lunghezza d'onda della radiazione

elettromagnetica, dimostrandone la natura ondulatoria.

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

Augusto Righi (1850 –1920) svolse un ruolo

fondamentale per la nascita del

nuovo Istituto di Fisica di Bologna (1903-1907)

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

Righi confermò i risultati già ottenuti da Hertz a convalida della

teoria elettromagnetica di Maxwell e svolse

ricerche pionieristiche nel campo delle microonde.

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

Righi nel laboratorio dedicato allo studio delle onde elettromagnetiche

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

Alcuni degli apparecchi utilizzati da Righi.

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

Alcuni degli apparecchi utilizzati da Righi.

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Gli esperimenti di Hertz e Righi

Alcuni degli apparecchi utilizzati da Righi.

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Marconi e lo sviluppo della radio

Guglielmo Marconi (1874 - 1937), intuì per primo la possibilità di collegamenti a distanza senza fili utilizzando le onde

elettromagnetiche.

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Marconi e lo sviluppo della radio

La formazione scolastica di Marconi fu alquanto

frammentaria, discontinua.

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Frequentò per quattro anni

l’IstitutoTecnicodi Livorno

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Pupillo del Prof.Vincenzo de Rosa, a Livorno

Marconi acquisì le conoscenze della

Fisica di quei tempi

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A partire dai 18 anni Marconi fu autodidatta e si

sentì attratto dalla fisica e, in

particolare, dai fenomeni

elettromagnetici.

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Agosto 1894 -Marconi ad Oropa, nel Biellese, ha

l'idea di trasmettere

messaggi a distanza impiegando onde

hertziane.

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Settembre 1894A Villa GriffoneMarconi

inizia i suoi esperimenti realizzando oscillatori in VHF e HF.

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Il laboratorio di Marconi al secondo piano di Villa Griffone (la sala dei bachi).

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Il primo segnale radio parte dalla finestra

della sala dei bachi per

raggiungere il sottostante giardino.

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Agosto 1895 – Marconi Inventa il sistema antenna-terra; arrivando a

coprire la distanza di 2400 m.

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Nel 1884Calzecchi-Onestiosservò che la

conducibilità, molto scarsa della

limatura di ferro, aumenta fortemente sotto l'azione di un'onda di tipoHertziano.

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Marconi e lo sviluppo della radioLa scoperta di Onesti

portò alla realizzazione di un rivelatore di onde

Hertziane ( il coherer) da parte di Lodge ed

altri.

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Marconi adottò il coherer nei suoi apparecchi riceventi apportandovi importanti

modifiche

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Marconi sistemò il ricevitore dietro la collina dei Celestini.

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Un colpo di fucile in aria, sparato dal fedele Sig. Marchi, indicò la ricezione

avvenuta.

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Le onde elettromagnetiche avevano superato l'ostacolo era l'Aprile 1895.

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Una foto di Marconicon dedica: “a

Antonio Marchi un ricordo affettuoso

di Guglielmo Marconi, 15 Luglio

1935”.

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5 Marzo 1896 -

Presenta la prima

richiesta provvisoria di brevetto a Londra.

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Marzo 1896 Marconiviene ricevuto da

Sir PreeceDirettore delle

Poste Inglesi; prima dimostrazione agli

esperti.

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Luglio 1896 - Prima dimostrazione

pubblica: collegamento dalla Direzione delle Poste alla SavingBank in QueenVictoria Street

(1 km).

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Settembre 1896 -esperimenti nella Salisbury Plane:

3 Km.Maggio 1897 -esperimenti sul Canale di Bristol:

14 Km.

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Giugno 1898 -primo servizio radiotelegrafico

con l'isola di Wight 26 Km

Marzo 1899 - Primi messaggi oltre la Manica (32 miglia)

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Aprile 1900 - Marconi ottiene il brevetton. 7777 sui circuiti sintonici.

Gennaio 1901 - Collegamento Saint CatherinesCape Lizard (300 km) con apparati sintonici.

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12 Dicembre 1901 - Vengono ricevuti i primi

segnali attraverso

l'Atlantico, da Poldhu a St.John's(Terranova)3400 km

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Fine 1901, a St. Jhon’s si utilizza un aquilone per alzare un’antenna ricevente alla

maggiore altezza possibile.

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Febbraio 1902 Durante il viaggio sul Philadelphia per gli USA scopre l'effetto di

disturbo del sole sulla propagazione

delle LF.

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25 Giugno 1902 - Ottiene il brevetto n.10245 sul Detector Magnetico.

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Luglio 1902 - A Dover s'imbarca sull'incrociatore Carlo Alberto per una

crociera sperimentale di oltre due mesi fino al porto di Kronstadt (Mar Baltico).

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Marconi sulla Carlo Alberto.

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Agosto 1904 - Marconi inaugura il servizio radiotelegrafico commerciale fra Bari, Antivari (Montenegro), Ancona, Venezia.

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Nel 1904 Fleminginventa la prima valvola termoionica: il diodo.Marconi adotta subito

il nuovo ritrovato unitamente ad un

oscillatore rotante di sua invenzione: il

ROTOGAP.

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Il ROTOGAP.

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Nel 1906De Forest

(1873 – 1961)inventa il triodo, da lui denominato

“Audion”.

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Nel 1906Il canadese

Reginald Fessenden1866 - 1932

realizza la prima trasmissione in fonia. Utilizza un alternatore da 75kHz della

potenza di 500W

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L’italiano Quirino Majorana realizza a partire dal 1909 trasmissioni in

radiofonia fino ad una distanza di

500km

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Il segnale audio può essere trasmesso utilizzando la modulazione di ampiezza

(AM)

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o la modulazione di frequenza (FM)

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1905 - Marconi sposa l’irlandese Beatrice O’Brien

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La collisione del Republic (1909) e l’affondamanto del Titanic (1912) mettono in evidenza l’utilità degli apparati di Marconi.

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1 Dicembe 1909 - A Marconi e a Braun viene assegnato il premio Nobel per la Fisica.

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Principali scoperte di

Braun:Le proprietàraddrizzatrici della galena.

Il tubo catodico

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Marzo 1914 - Marconi vince una causa civile a New York sulla priorità della sua

invenzione: è lui l'inventore del "wireless"

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1915 -1918 – Marconi partecipa alla guerra come ufficiale addetto alla

telecomunicazioni

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Marconi plenipotenziario italiano alla Conferenza della Pace di Parigi del 1919.

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Febbraio 1919 Marconi compera il Panfilo Elettra che diventerà il suo Laboratorio

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L’equipaggio dell’Elettra

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Una cabina dell’Elettra

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La cabina radio dell’Elettra

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Giugno 1920 - Prima trasmissione in fonia: concerto della cantante Nellie Melba.

Febbraio 1923 regolari trasmissioni in fonia.

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Maggio-Giugno 1923 - Crociera dell'Elettra in Atlantico: collegamento in HF da Poldhu a Capo Verde con 12 kW, 2320 miglia marine .

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Aprile 1924 - Primo collegamento Londra-Sydney con Onde Corte a fascio.

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Giugno 1926 – Laurea onoris causa in occasione 30° aniversario della radio.

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In occasione del 30° anniversario della radio Marconi disse che la sua vita poteva dividersi in

tre periodi:1896 –1906 caratterizzato dall’affermazione del sistema radiotelegrafico Marconi.1906 – 1916 caratterizzato dai perfezionamenti consentiti dalla valvola termoionica.1916 in avanti caratterizzato dall’abbandono delle onde lunghe, sostituite da onde corte a fascio che consentivano comunicazioni diurne e notturne fino agli antipodi.

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Aprile 1927 – Marconi sposa Cristina Bezzi –Scali.

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Marzo 1930 - Marconi accende le lampade del municipio di Sidney dall’Elettra ancorato a

Genova, (16500 Km).

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Novembre 1931 - Collegamento in microonde S.Margherita Ligure - Sestri Levante, 18 Km.

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febbraio 1931 - Alla presenza di Papa Pio IX Marconi inaugura la nuova Radio Vaticana.

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Agosto 1932 -Collegamento in microonde Rocca di Papa - Capo

Figari (Sardegna) 269 Km.

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Luglio 1934 -Positivo

esperimento di navigazione cieca con l'Elettra fino al porto di Sestri

Levante.

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Luglio 1937 -Marconi muore a

Roma.A sinistra l’ultima fotografia di

Marconi

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Le telecomunicazioni

Fra le numerosissime applicazioni delle onde elettromagnetiche alle telecomunicazioni esaminiamo due esempi particolarmente significativi:

I telefoni cellulari

Il GPS

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I cellulari

Uno degli aspetti piùappariscenti dello sviluppo delle

telecomunicazioni èla diffusione dei

“telefonini”

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I cellulari

Trascurando i sistemi ormai superati e non

più in uso descriviamo brevemente il

sistema digitale GSM.

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I cellulari

Il territorio nazionale è stato suddiviso in tante celle (da qui il nome di cellulari), di

solito esagonali, con al centro una Stazione Radio di Base (SRB).

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I cellulari

La configurazione monocellulare è usata nelle zone poco abitate con celle molto

grandi. Nelle città la SRB è posta all’incrocio fra tre celle.

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I cellulari

Tante SRB disposte su celle adiacenti sono collegate con un centro di servizio e commutazione digitale (MSC) che collega i cellulari alla rete fissa.

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Il GPS

Il GPS è un sistema di individuazione della posizione che utilizza 24 satelliti artificiali

divisi in gruppi di 4 .

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Il GPS

I satelliti ruotano alla quota di circa20200 km in orbite che formano un angolo

di 60° fra di loro.

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Il GPS

Sopra al ricevitore GPS ci sono, in media, da cinque ad otto satelliti che trasmettono continuamente le proprie coordinate e

l’istante esatto di trasmissione.

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Il GPS

Il ricevitore elabora i dati e determina la propria posizione, conoscendo le coordinate dei satelliti e calcolando la loro distanza.

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Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche

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Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche

50 HzTrasporto, distribuzione e utilizzazione dell’energia elettrica.

3 kHz – 30 kHzTrasmissioni marittime.

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Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche

30 kHz – 300 kHzTrasmissioni marittime.

300 kHz – 3 MHzSaldatura, fusione, tempera,sterilizzazione, radio AM, radio amatoriali, radionavigazione.

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Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche

300 kHz – 3 MHzSaldatura, fusione, tempera, sterilizzazione, radio AM amatoriali, radionavigazione

3 MHz – 30 MHzEssicamento, incollaggio, saldatura, radio

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Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche

30 MHz – 300 MHzProcessi industriali, radio FM, TV VHF, trasmettitori mobili e portatili, marconiterapia.

300 MHz – 3 GHzIndustrie alimentari, TV UHF, radar metereologici, telefonia cellulare, forni a microonde.

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Altre applicazioni delle onde eletromagnetiche

3 GHz – 30 GHzPonti radio, stazioni satellitari, radar per il controllo del traffico aereo.

30 GHz – 300 GHzSegnali video analogici, trasmissioni digitali.