Riassunto / Abstract

Questa attività si propone la costruzione di una radio a cristallo funzionante a partire da materiali reperibili in commercio. Gli studenti dovranno occuparsi dell’acquisto dei componenti necessari, del montaggio della radio, della sintonizzazione di una stazione radio in onde medie.

Scheda sintetica delle attività

Si costruisce una bobina partendo da un rotolo di carta igienica e da circa 25 metri di filo di rame smaltato e la si fissa sul supporto di legno mediante due viti. Si monta la resistenza, il diodo al germanio, il condensatore secondo lo schema del circuito mostrato nella scheda di svolgimento, aiutandosi con un punteruolo per i fori d’ingresso delle viti.
Si collega un’estremità del filo della messa a terra ad un punto metallico del termosifone (i tubi del riscaldamento costituiscono un ottimo collegamento di massa) e l’altra estremità nel punto indicato nella scheda di svolgimento; si cala dalla finestra il filo dell’antenna, collegato al circuito nel punto indicato nella scheda di svolgimento. Si collegano tra loro tutti gli elementi del circuito e una cuffia ad alta impedenza ai contatti indicati nella scheda di svolgimento.

Risorse necessarie

• Supporto di legno (o altro materiale anche di riciclo) di dimensioni 15 cm x 15 cm x 2cm [acquistabile da un falegname o reperibile a casa;
• 8 viti con testa a goccia che aderiscano bene al piano di supporto [acquistabili da un ferramenta o reperibili a casa];
• un rotolo di carta igienica;
• 25 metri di filo di rame smaltato da 0.3-0.5 mm (acquistabile nei negozi di ricambi di elettronica);
• un diodo al germanio (NON SILICIO) tipo 0A90 o 1N34A o di altro tipo [acquistabile nei negozi di ricambi di elettronica;  è possibile acquistarlo anche online sul sito della Amazon insieme ad altri componenti (vedi cuffie ad alta impedenza);
• un condensatore da C = 120 pF (acquistabile nei negozi di ricambi di elettronica);
• una resistenza da R = 82kΩ (acquistabile nei negozi di ricambi di elettronica)
• 30 m di filo per collegamenti elettrici, sezione 1.5mm2 (acquistabile nei negozi di ricambi di elettronica)
• un morsetto a coccodrillo (acquistabile nei negozi di ricambi di elettronica)
• 4 pagliette di massa e 6 rondelle (acquistabili nei negozi di ricambi di elettronica)
• una lametta per rimuovere la smaltatura, dove occorre. Va bene anche la lama di un temperino o della carta vetrata o una limetta per unghie (reperibile a casa)
• nastro biadesivo (acquistabile in un ferramenta o cartoleria)
• cuffia ad alta impedenza (le cuffie di uso comune NON vanno bene; acquistabile online sul sito di Amazon.com sotto la voce “High Impedance earphone”-> http://www.amazon.com/Crystal-Radio-Earphone-Impedance-3-5mm/dp/B0052EE0AU).

Prerequisiti necessari

• Onde e oscillazioni;
• fenomeni elettromagnetici;
• circuiti risonanti;
• componenti elettronici: resistenze, diodi, condensatori, induttori.

Obiettivi di apprendimento

• Imparare a costruire un circuito elettronico;
• comprendere i fenomeni elettromagnetici;
• comprendere la fisica dei circuiti risonanti.

Dotazioni di sicurezza

Non utilizzare la radio durante un temporale, in quanto è pericoloso: il filo dell’antenna potrebbe agire da parafulmine.

Svolgimento

Introduzione

Nei primi anni del ‘900 i ricercatori scoprirono che alcuni cristalli, come la galena (solfuro di piombo), se inseriti in un circuito risonante con un contatto fisso da un lato e un contatto mobile dall’altro (“baffo di gatto”) potevano essere utilizzati come ricevitori di segnali radio. Oggi, per costruire tali ricevitori, è preferibile utilizzare diodi al germanio, dal funzionamento più stabile e che non necessitano di particolari messe a punto. Una radio a cristallo è costituita al minimo da questi quattro componenti:

1. Un’antenna per captare le onde radio e convertirle in una debole corrente elettrica (segnale a radio frequenza) che circola nell’antenna e nel ricevitore. Il collegamento a terra serve come “conduttore di ritorno”, in cui confluisce la corrente una volta che ha percorso il circuito. Migliore è l’antenna e la messa a terra, maggiore sarà la quantità di segnale che si riuscirà a captare.
2. Un circuito di sintonia per selezionare, da tutti i segnali captati dall’antenna, quello della stazione radio trasmittente. Questa selezione è effettuata utilizzando un circuito risonante, costituto da un condensatore accoppiato a un induttore o in serie o in parallelo, che in entrambi i casi risuona a una specifica frequenza. Il circuito sarà quindi sensibile alla rivelazione di segnali a frequenze uguali o vicine alla frequenza di risonanza mentre tenderà a sopprimere segnali a frequenze diverse. Sarà quindi caratterizzato da una curva di risonanza che sarà tanto più stretta (circuito più selettivo) quanto più bassa sarà, tra le altre cose, la resistenza del circuito.
3. Un rivelatore che, grazie alle sue proprietà rettificatrici, ossia la capacità di lasciarsi attraversare dalla corrente più facilmente in una direzione che in quella opposta, permette di estrarre l’informazione utile (segnale audio) dall’onda portante (segnale radio ricevuto). Ciò viene fatto convertendo la corrente alternata indotta dall’onda radio in una corrente diretta la cui ampiezza varia con il segnale audio.
4. Un trasduttore acustico (le cuffie) che permette di convertire la corrente così rettificata in onde sonore.

Le radio a galena possono essere progettate per ricevere stazioni che trasmettono praticamente su tutte le frequenze radio usate comunemente. Nella maggior parte dei casi sono sensibili alle onde corte e medie in AM. Lo schema del circuito presentato in questa scheda è, con alcune opportune modifiche, riportato in figura 1.

Preparazione dei componenti

Preparazione del supporto 

Per fissare i vari componenti della radio a cristallo è necessario utilizzare un piano di supporto ricavato da una semplice tavola di legno o da altro materiale anche di riciclo.

Preparazione della bobina 

La bobina si costruisce utilizzando un semplice rotolo di carta igienica su cui si avvolge il filo di rame smaltato in spire molto strette. Come prima cosa si praticano quattro piccoli fori sul rotolo con la punta di un punteruolo o di un ago e si attacca il nastro bio-adesivo come mostrato in figura 2a.

S’inserisce il filo di rame smaltato nel primo foro, facendo aderire bene la prima spira al nastro biadesivo (figura 2b).
Si inizia ad avvolgere il filo intorno al rotolo; a partire dalla prima spira e ogni 5 spire si eseguono dei cappi come mostrato in figura 3a.

Questi rappresenteranno i punti di contatto che serviranno a variare l’induttanza della bobina. Si continua l’avvolgimento delle spire fino ad arrivare a un minimo di 40 spire totali (la bobina può essere anche costruita con un numero maggiore di spire. In questo caso anche i contatti intermedi possono essere fatti a più di 5 spire l’uno dall’altro). Arrivati all’ultima spira si fissa l’estremità del filo di rame all’ultimo foro, lasciandosi un po’ di filo in eccesso che verrà poi collegato alla resistenza (figura 3b).
Adoperando una limetta o della carta vetrata si rimuove delicatamente la smaltatura sulla parte superiore delle spire. Quest’operazione sarà ripetuta anche per i collegamenti tra i vari componenti del circuito, in modo da rimuovere la smaltatura alle estremità del filo di rame, come mostrato in figura 4.

La bobina è così pronta per essere fissata al piano di supporto attraverso due viti.

Costruzione del circuito

L’assemblaggio del circuito inizia fissando la resistenza al piano di supporto. Per quest’operazione si utilizzano nell’ordine una vite, una rondella, una paglietta di massa a cui si fisserà la resistenza dopo aver piegato le sue estremità a formare dei piccoli cappi (figura 5)

Si fissano così le due viti al piano di supporto e si agganciano le estremità della resistenza alle viti tra la rondella e la paglietta di massa; si stringono le viti, non al massimo (figura 6a). Da qui partiranno i collegamenti per le cuffie.

Alla prima vite, cui è collegata la resistenza, dovranno essere fissati sia il filo che proviene dalla bobina che un altro filo piuttosto lungo che farà da collegamento con la messa a terra (figura 6b).

Si passa ora all’inserimento del diodo al germanio. Si fissa una vite vicino alla resistenza. In modo analogo a quanto fatto in precedenza, si aggancia un’estremità del diodo alla vite, dove è collegata la resistenza e l’altra estremità all’altra vite dove si metterà solo la rondella e non la paglietta di massa, facendo attenzione che la parte più scura del diodo a germanio sia rivolta verso la resistenza (figura 7a).

Si fissa una quarta vite al centro del piano di supporto, all’altezza del diodo. Da qui partiranno tre collegamenti, uno al diodo, uno al morsetto a coccodrillo che servirà da contatto con la bobina e uno all’antenna. Il morsetto viene assemblato fissando il filo di rame alla vite del coccodrillo, come mostrato in figura 7b.

Si passa infine al montaggio del condensatore e dei collegamenti per l’antenna e la messa a terra. Si fissano due viti dalla parte diametralmente opposta a quella dove è fissata la resistenza. Tra queste due viti si agganciano il condensatore e due pagliette di massa che serviranno a collegare rispettivamente il filo dell’antenna e il filo della massa a terra. Sulla vite superiore si collegherà anche il filo proveniente dalla resistenza mentre su quella inferiore il filo proveniente dal morsetto di coccodrillo. Il circuito è così terminato (figura 8).

Antenna

Per il collegamento con l’antenna si fissa alla paglietta di massa un filo per collegamenti elettrici lungo circa 30 metri al piano di supporto e si lascia cadere dalla finestra della classe o dal tetto della scuola. In linea di principio, l’antenna dovrebbe essere dimensionata in modo da risuonare a una frequenza vicina a quelle che vogliamo ricevere. In pratica la lunghezza dell’antenna dovrebbe essere comparabile con la lunghezza d’onda che vogliamo ricevere, che nel caso delle onde corte è tra 10m a 100m.

Collegamento per la messa a terra

Per la messa a terra è sufficiente collegare un filo per collegamenti elettrici al termosifone della classe, fissando un’estremità al piano di supporto e l’altra estremità alla vite del termosifone (vedi filo blu in foto)

Cuffie

Per riuscire a captare il debole segnale radio sono necessarie delle cuffie ad alta impedenza (almeno 2000 ohm). Le cuffie di uso comune non vanno bene perché sono a bassa impedenza (8 ohm). La necessità di avere cuffie di questo tipo è legata al fatto che più è bassa l’impedenza, più è intensa la corrente richiesta per attivare la cuffia. A parità di potenza, una cuffia da 8 ohm richiede una corrente maggiore di quella richiesta da una cuffia ad alta impedenza e il ricevitore a cristallo non è in grado di fornire correnti particolarmente elevate. Per collegare le cuffie ai contatti sul piano di supporto, è sufficiente collegare alle pagliette di massa due tratti di filo di rame smaltato o altro filo elettrico, uno alla base dello spinotto della cuffia e l’altro all’altra estremità, come mostrato in figura 10.

Spunti di approfondimento

Una volta captato il segnale, è possibile ricostruire la frequenza del canale che si è riusciti a sintonizzare attraverso una normale radio . Confrontare tale frequenza con la frequenza di risonanza del circuito, calcolata attraverso la seguente formula:

\[\nu_0 = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}\]

Per il calcolo dell’induttanza L del solenoide in aria senza nucleo magnetico, si può utilizzare la seguente formula approssimata:

\[L \simeq \frac{10 \pi \mu_0 N^2 R^2}{9R+10l}\ se\ l>0,8R\]

dove l è la lunghezza del solenoide, R il raggio del solenoide, N il numero di spire, \(\mu_0\) la costante di permeabilità del vuoto.

Bibliografia

• Circuiti risonanti: dispense di A. Rotondi A. Venaglioni per il corso di laboratorio di Fisica II (Pavia 2011): www2.pv.infn.it/~rotondi/writer.pdf
• Articolo su Wikipedia: La radio a galena: it.wikipedia.org/wiki/Radio_a_galena
• Un sito dove oltre alla descrizione della radio a galena si possono trovare spunti e dettagli interessanti per attività sperimentali: www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_ideas/Elec_p014.shtml

Autori

Bussino Severino
Anelli Claudio
James Irina

Lomoro Raffaele

Relazioni

• Lab1
• Lab2

Specifiche esperimento Materia Fisica Classi a cui è rivolto 2° biennio e 5° anno Tipologia di laboratorio Strumentazione semplice Reperibilità del materiale Negozi specializzati, siti web Materiale specifico Supporto di legno, diodo al germanio, cuffia ad alta impedenza, condensatore, resistenza, pagliette di massa, 25 metri di filo di rame Durata esperimento in classe 4 h Capacità di bricolage/assemblaggio Sì Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche Sì Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Onde Onde elettromagnetiche Risonanza Circuiti elettrici