Guglielmo Marconi - Cha đẻ của vô tuyến điện

Gia đình Marconi khá giàu có, cha cậu là một điền chủ, họ sống trong ngôi biệt thự lộng lẫy ở Pontechio, mùa đông họ chuyển đến sống ở Florence - nơi có khí hậu ấm áp hơn. Guglielmo được chăm sóc rấtđầy đủ, cậu có các gia sư riêng nhưng cậu rất lười học và không bao giờ được gọi là một đứa trẻ ngoan. Tuy nhiên cậu cũng có hai nét tính cách mà sau này tỏ ra hữu ích trong công việc, đó là cậu cóthể tập trung cao độ để làm việc trong một thời gian dài và cậu có thể thuyết phục được người khác tin vào những cái cậu làm. ở trường học cậu chỉ thích các môn hoá học, vật lý và đặc biệt làđiện.

Trước khi Marconi ra đời 10 năm - năm 1864, một nhà bác học xứ ê-cốt là James Clerk Maxwell đã đưa ra lý thuyết: Sự biến đổi dòng điện trong một vật dẫn sẽ gây ra một sự phát sóng trong không trung, giống như một hòn đá thả xuống nước tất sẽ sinh ra những vòng sóng lan toả ra xung quanh. Những sóng ấy vừa là từ, lại vừa là điện nên người ta gọi nó là sóng điện từ. Chúng có thể được dò ra nhờ các thiết bị điện. Maxwell còn nêu ra ý kiến rằng những tia sáng chỉ là một dạng có thể nhìn thấy được của các sóng điện từ. Tất cả các sóng điện từ đều tự lan truyền với tốc độ của ánh sáng. Điều đó sau này đã được chứng minh hoàn toàn chính xác.

Vào tuổi 20, Marconi lao vào nghiên cứu khoa học. Marconi say mê nghiên cứu lý thuyết của Maxwell và nhất là các công trình của Heinrich Hertz - một nhà khoa học Đức. Hertz không cần dây dẫn đã phóng được sóng ête (điện từ) trên một khoảng cách vài mét và ông đã dò ra được chúng. Từ việc làm của Hertz, Marconi nảy ra ý định: với máy điện báo và điện thoại, người ta có thể phát đi qua dây dẫn những thông tin dưới dạng những ký hiệu điện. Vậy thì người ta có thể phát đi những sóng điện từ cũng mang những thông tin ấy dưới dạng ký hiệu được không? Thế là từ đó Marconi nghiên cứu tập trung vào ý tưởng “điện báo vô tuyến” đến khi thành công.

Quá trình nghiên cứu Marconi gặp thuận lợi vì được thừa hưởng một số thành tựu của những nhà bác học đi trước. Năm 1890, nhà vật lý người Pháp là Edouard Branly đã nghĩ ra máy “liên kết bằng mạt” cho phép người ta có thể thu được những ký hiệu vô tuyến. Máy của Branly là một máy dò sóng héc (điện từ) được cấu tạo bởi một ống thuỷ tinh chứa mạt kim loại và hai đầu được đóng kín bằng hai cực điện. Dưới tác động của sóng, các hạt kim loại đó tập hợp lại thành mạch và trở thành vật dẫn điện. Marconi đã dùng hai gian phòng rộng trên gác xép của biệt thự để làm thí nghiệm. Cậu thử lại rồi nâng cao những thí nghiệm của Hertz và những người khác. Những thiết bị chủ yếu trong phòng thí nghiệm đều do Marconi tự chế tạo. Trong gia đình chỉ duy nhất bà mẹ hiểu và khích lệ công việc của cậu, cũng chỉ có bà mới được vào phòng thí nghiệm. Vào một đêm tháng 12 năm 1895, Marconi đánh thức mẹ dậy và khoe với bà thành công đầu tiên của cậu. Phía cuối của gian phòng đặt một máy phát sóng vô tuyến, còn ở đầu kia là một máy thu mắc nối với một cái chuông nhỏ. Khi Marconi ấn vào nút điện đặt ở máy phát, máy phát ra những sóng điện từ và lập tức ở đầu kia máy thu nhận được chúng và tiếng chuông reo lên. Mẹ cậu không ngớt lời ca ngợi thành công này còn ông bố thì thản nhiên cho rằng cậu mất thời gian vào một việc lẩm cẩm, theo ông để làm cho chuông reo có nhiều cách đơn giản hơn nhiều, không việc gì cần đến hai cỗ máy cồng kềnh kia.

Sau thành công đầu tiên, Marconi chuyển qua chặng đường nghiên cứu tiếp theo. Cậu tiến hành các thí nghiệm ở ngoài trời, giữa khu vườn của biệt thự. Bố cậu không tán thành công việc này bởi ông sợ có người sẽ bị vấp ngã vì vướng phải những sợi dây cáp giăng mắc lằng nhằng ở trong vườn. Marconi đã chế ra chiếc máy phát mạnh hơn và máy thu nhạy hơn. Máy phát mà Marconi sáng chế gồm một máy dao động điện nhanh, gắn với dòng điện có hai cực đặt sát nhau, ở giữa phóng ra những tia sáng tạo sóng. Trên một cực, Marconi mắc một sợi dây nối với một xilanh bằng kim loại, cực kia nối với một tấm kim loại chôn dưới đất. Tia sáng càng lớn thì sóng vô tuyến càng mạnh. Sóng vô tuyến kết tụ những phân tử các-bon hay những phân tử kim loại chứa trong chiếc hộp hình ống để cho dòng điện chạy qua. Marconi cũng cải tiến cả anten. Cậu đã thử nghiệm trên nhiều cự li, nhiều vị trí đặt, nhiều kiểu cấu trúc anten và ở những chiều cao khác nhau để chỉnh anten làm sao cho các sóng có thể lan truyền được xa nhất. Mỗi lần cải tiến lại cho phép Marconi và nhóm công nhân giúp việc của cậu dò ra được những sóng vô tuyến (hay sóng hec) trên một khoảng cách ngày càng xa, mới đầu còn trong khu vườn biệt thự, sau đó vượt khỏi vườn. Máy có thể truyền đi những thông tin được mã hoá bằng ký hiệu Moóc, nghĩa là thay chữ cái bằng các gạch ngang và dấu chấm. Cuối cùng ngay cả ông Giuseppe Marconi cũng bị cuốn hút vào công việc của cậu con trai. Nhóm của cậu con với bộ đồ nghề gồm những cuộn bô bin, những ống thuỷ tinh và dây điện đã có thể phát đi những sóng vô tuyến và thu được nó bằng một máy thu đặt tít phía bên kia đồi, khuất hẳn khỏi tầm nhìn. Đến đầu năm 1896 máy phát và máy thu có thể đặt cách nhau xa tới 2 km. Marconi đã hoàn thành được thiết bị đầu tiên về điện báo không dây. Cậu có thể phát đi những bức điện bằng ký hiệu Moóc trên những khoảng cách mỗi ngày một xa. Thành công này của Marconi là một cuộc cách mạng vĩ đại của công nghiệp truyền thông.

Năm 1896, Marconi đến London, ông đã gặp William Preece là kỹ sư trưởng của sở bưu điện London. Preece đã đứng ra tổ chức một cuộc giới thiệu về điện báo không dây của Marconi và đã thành công tốt đẹp. Cũng trong năm này Marconi đã nhận được bằng sáng chế đầu tiên về thiết bị vô tuyến điện báo. Giấc mơ của Marconi là tăng thêm tầm xa của sóng vô tuyến. Ông tiếp tục tiến hành những thí nghiệm để cải tiến thiết bị. Vào những năm 1897 - 1898, máy vô tuyến điện đã bước vào giai đoạn ứng dụng trong thực tế. Một trạm vô tuyến đã được xây dựng ở Alum Bay trên đảo Wight với cột tín hiệu cao 37m. Năm 1898, Marconi đã đặt một hệ thống vô tuyến trên bờ biển phía Bắc Ailen, nó được ghép với ngọn hải đăng Rathlin Island, hệ thống thứ hai được dựng lên ở Ballycastle. Từ đó những tàu biển đi lại ngoài khơi có thể nhận được những thông tin từ đất liền. Vào tháng 7 năm 1898, tờ Tin nhanh Dublin của Ailen là tờ báo đầu tiên nhận được tin tức bằng vô tuyến. Trong một cuộc đua thuyền buồm ở biển Island, Marconi đích thân đứng ra đưa tin. Ông theo đoàn đua trên một tàu kéo và điện báo những tin tức của cuộc đua cho một trạm thu đặt ở Kingstown. Cũng trong năm 1898, thái tử xứ Uên (sau này là vua Edouard VII) do bị đau đầu gối nên ở lại trên du thuyền, nữ hoàng thì ở đảo Wight. Để tiện liên lạc giữa hai nơi, Marconi đợc mời đến đặt một trạm vô tuyến trên du thuyền và một trạm nơi ở của nữ hoàng. Trong 16 ngày nữ hoàng và thái tử đã trao đổi với nhau khá dễ dàng khoảng 150 bức điện. Ngày 3/3/1899, một con tàu chạy bằng hơi nước bị mắc cạn ở Goodwin Sands, tàu hải đăng đánh điện về đất liền, lập tức những tàu cứu hộ được điều đến ứng cứu. Tất cả thuỷ thủ đoàn và chuyến hàng trị giá trên 50.000 bảng Anh đã được cứu thoát.

Ngày 1/3/1899, từ một trạm phát ở Wimereux của Pháp, bức điện đầu tiên bằng vô tuyến điện đã được phát đi, vượt qua biển Manche để tới nước Anh (hai trạm đặt cách nhau 51 km). Cuộc thử nghiệm thành công đã gây ấn tượng mạnh mẽ với chính phủ các nước về tác dụng của vô tuyến. Rất nhiều nước đã đặt hàng vô tuyến điện báo. Thành công này đã khiến Marconi có ước muốn những sóng vô tuyến có thể vượt Đại Tây Dương. Marconi và nhóm của ông bắt tay vào cải tiến các thiết bị vô tuyến thêm một bước. Năm1900, ông nhận thêm bằng sáng chế cho những máy phát và máy thu có gắn thêm một hệ thống điều chỉnh mới và chỉ có một anten có khả năng phát và thu trên nhiều tần số khác nhau. Tháng 7 năm 1900, ông cho xây một trạm vô tuyến có công suất mạnh ở Poldhu (Anh), một trạm thu khác được xây dựng ở Saint Johns thuộc phía đông Canada ở bên kia Đại Tây Dương, cách trạm phát hơn 2700 km. Ngày trọng đại đã đến: Ngày 12 tháng 12 năm 1901, Marconi nghe thấy ba tiếng “tic...tic...” yếu ớt trong máy thu từ nước Anh truyền đến. Những tiếng tic... tic lặp đi lặp lại, đó chính là chữ S trong tín hiệu Moóc. Chữ S được lựa chọn vì nó dễ nhận biết. Thế là vô tuyến đã vượt được Đại Tây Dương, tin này thật bất ngờ và kinh ngạc, ngay cả nhà phát minh vĩ đại của nước Mỹ Thomas Edison cũng phải hỏi lại: “Có thể ông thu phải những tín hiệu nhiễu chăng?”.

Tuy nhiên vô tuyến giữa hai châu lục lúc này hoạt động rất yếu, không thể bằng hệ thống cáp ngầm đặt dưới đáy biển. Marconi hiểu rằng nếu không cải tiến điều này thì vô tuyến không thể cạnh tranh được với hệ thống điện báo bằng cáp ngầm. Ông và các đồng sự bắt tay vào cải tiến thiết bị, họ phải tạo ra được những tia sáng mạnh có bước sóng dài 5 cm. Giáo sư Ambrose Fleming, một đồng nghiệp của Marconi đã nghĩ ra một biến áp kép để làm cho điện áp mạnh lên rất nhiều trước khi phát. Sang năm 1903, việc truyền tin giữa hai châu lục tiến hành tốt, các bức điện đã chuyển một cách dễ dàng. Thomas Edison rất ca ngợi thành tựu của Marconi, ông khẳng định người ta sẽ khó mà thấy hết được tầm cỡ công trình của Marconi.

Năm 1906, ứng dụng kỹ thuật điều biên (AM), nhà vật lý người Mỹ Reginald Fessenden đã truyền đi qua vô tuyến tiếng nói của mình đến các tàu đang xuôi ngược trên Đại Tây Dương, đây là một tiến bộ lớn bởi trước đó vô tuyến mới chỉ chuyển được những thông tin điện báo bằng ký hiệu Mooc nghĩa là bằng các gạch và dấu chấm. Sau đó kỹ thuật vô tuyến nhờ phát minh ra đèn 3 cực của Lee de Forest đã có bước tiến lớn. Đèn này có thể khuếch đại những tín hiệu điện yếu mà máy nhận được. Cho đến lúc bấy giờ dòng điện có được là dòng điện sinh ra trong anten bởi các sóng vô tuyến, nó rất yếu và chỉ đủ để chạy một máy nghe. Nay với đèn 3 cực, những tín hiệu ấy được khuếch đại và có thể chạy qua loa phóng thanh mạnh.

Với những phát minh của mình, Marconi đã lên đến tột đỉnh vinh quang. Năm 1909, ông đã được trao giải Nobel về vật lý vì đóng góp to lớn của ông về điện báo không dây. Càng ngày phát minh của Marconi càng đóng vai trò to lớn trong đời sống con người. Năm 1912, tàu Titanic bị chìm làm 1500 người chết, 700 người khác nhờ có vô tuyến phát đi tín hiệu cấp cứu đã được cứu thoát. Trong chiến tranh vô tuyến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc liên lạc, truyền tin tức. Vào những năm 20, đài phát thanh - một ứng dụng của vô tuyến đã đi vào đời sống con người. Những năm 1950-1960, truyền hình bắt đầu tiếp bước cho vô tuyến bằng cách sử dụng sóng vô tuyến. Ngày nay sóng vô tuyến có mặt ở khắp nơi: vô tuyến truyền hình, máy thu thanh, điện thọai di động, điều khiển từ xa, Rada... Nhờ Marconi mà thế giới bước vào kỷ nguyên của thông tin vô tuyến điện.

Anh Duy
Nguồn: Steve Parker, Giuglielmo Marconi và vô tuyến điện, NXB Kim Đồng, 2001.--------------------

Vô tuyến vòng quanh Trái đất

Một số nhà khoa học không tin Marconi có thể chuyển những tín hiệu vô tuyến vượt Đại Tây Dương. Vì sóng vô tuyến dễ chuyển theo đường thẳng như ánh sáng, do đó chúng sẽ bị chặn lại bởi đường cong của Trái đất và sẽ mất đi trong không trung.

Nhưng thực tế thì những tín hiệu hoàn toàn có thể vượt Đại Tây Dương nhờ vào một tầng khí quyển trên cao, tầng này phản xạ những sóng vô tuyến như một tấm gương. Đó là tầng điện ly, trong đó vật chất tồn tại dưới dạng ion nhiều hơn là dưới dạng nguyên tử.

Tầng điện ly phản xạ những sóng vô tuyên khi chúng lan truyền quanh bề mặt uốn cong của Trái đất.

Tầng điện ly nằm giữa độ cao 60 đến 600 km. Về đêm, tầng này vận động nới rộng tầm phản xạ làm cho sóng lan truyền được xa hơn, như nhận xét của Marconi.

Tiếng người nói trên sóng điện

Năm 1906, ứng dụng kỹ thuật AM (điều biên), lần đầu tiên nhà vật lý người Mỹ Reginald Fessenden (1866 - 1932) đã truyền qua vô tuyến điện tiếng nói của ông cùng nhạc của Haendel đến các tàu đang ngược xuôi trên Đại Tây Dương. Đó là một tiến bộ lớn bởi trước đó vô tuyến mới chỉ chuyển được thông tin điện báo bằng ký hiệu Moóc (những gạch và dấu).

Sóng điện từ

Sóng điện từ tạo thành một dạng năng lượng. Chúng tự lan truyền từ nguồn của chúng dưới dạng kết hợp giữa điện và từ. Chúng xuyên qua không trung, qua nhiều vật liệu và vượt cả khoảng cách giữa các vì sao.

Chúng ta không thể nghe được chúng, cảm nhận được chúng nhưng chúng ta có thể quan sát được một số sóng điện từ: những tia sáng mà chúng ta nhìn thấy là một dạng của những tia điện từ, hay cảm nhận một số sóng dưới dạng nhiệt.

Sóng điện từ di chuyển với tốc độ của ánh sáng (299.792 km/s). Trong một giây, chúng có thể chu du quanh Trái đất tới 7,5 vòng.

Sóng vô tuyến được phân biệt bởi chiều dài bước sóng của chúng. Đó là khoảng cách giữa một điểm của sóng này và một điểm đồng nhất của sóng tiếp theo.

AM và FM

Lời nói và âm nhạc là những sóng âm thanh có thể biến đổi. Để đưa chúng vào vô tuyến, những sóng này phải điều biến một tín hiệu điện, tín hiệu này sẽ tải thông tin (lời nói, âm nhạc) đó đi.

AM: Điều biến biên độ

Với sự điều biến biên độ (gọi tắt là điều biên) như Fessenden đã sử dụng, những sóng vô tuyến sẽ thay đổi biên độ tuỳ theo những tín hiệu âm thanh. Người ta thường sử dụng điều biên với những biên độ nhỏ, biên độ lớn và sóng ngắn.

FM: Điều biến tần số

Từ năm 1925, Edurin Amstrong (1890 - 1954) đã nghĩ tới một thiết bị cho phép làm thay đổi tần số của những sóng vô tuyến theo nhịp độ của những thông tin. Đó là điều biến tần số hay FM (gọi tắt là điều tần), có cái lợi là khử được phần chủ yếu của nhiễu.

Vi sóng (hay vi ba)

Đó là những sóng điện từ giống như sóng vô tuyến nhưng có bước sóng rất ngắn, khoảng từ 30 cm đến 1 mn. Marconi đã tiên đoán rằng các dải sóng chưa được thăm dò ấy có thể sẽ được dùng trong thông tin ở cự li ngắn.

Hiện nay, những vi sóng mới chỉ đặc biệt được sử dụng trong rađa. Chúng chuyển tải những chương trình truyền hình. Máy phát và máy thu đặt cách nhau xa nhất không quá 50 km. Chùm sóng của chúng nối mặt đất với vệ tinh thông tin. Ngày nay, chúng còn được sử dụng để làm tan giá hay làm chính thức ăn trong các lò vi sóng.