Radio

Presentatie gegeven voor de PLUS-klas van het Da Vinci college te Leiden op 19 april 2024.

Er werd mij gevraagd een korte presentatie te verzorgen over “radio”. Daar heb ik “radiotechniek” van gemaakt omdat ik daar wat van weet. Van andere aspecten van radio, zoals nieuws lezen en dergelijke, weet ik bijzonder weinig en zeker geen achtergronden.

Foto’s genomen tijdens een beurs van de Nederlandse Vereniging voor de Historie van de Radio (NVHR).

Veel mensen denken bij radio aan iets van jaren geleden, iets ouderwets. De beelden die daarbij horen heb ik genomen van een recente beurs, zoals er zo’n vier per jaar worden gegeven door de Nederlandse Vereniging voor de Historie van de Radio (NVHR). Links onder het oudste toestel dat werd gepresenteerd. Het zal uit de begintijd komen, zo rond 1915. Rechtsboven iets recente exemplaren waar al productie werd toegepast. Links boven een model zoals er veel na de Tweede Wereldoorlog gemaakt werden. Tenslotte rechtsonder exemplaren zoals die in de zeventiger jaren nog bij veel mensen thuis gebruikt werden. Die apparaten kun je misschien vinden bij je grootouders thuis, als ze ze al bewaard hebben. Het gaat bij die apparaten echt om al oude techniek, steeds minder radiozenders zijn beschikbaar om met die apparaten ontvangen te kunnen worden.

Achtergrondsfoto @ ANP,

Maar de radiotechniek kent ook heel veel nieuwe toepassingen. Veruit de bekendste is de mobiele telefoon. Waar die aanvankelijk begon als een gewone telefoon met berichtenservice (SMS), is het inmiddels uitgegroeid tot een compleet apparaat waar beeld en geluid op allerlei manieren uitgewisseld kunnen worden. De functie van de telefoon zelf zijn op de achtergrond geraakt. Om die informatiestromen te kunnen onderhouden zijn overal in het land uitgebreide antennesystemen te vinden, zoals er een links in de foto is afgedrukt. Waar vroeger één antenne in het land volstond om alle radioapparaten in het land te bedienen, zijn er nu meerdere per stad nodig!

Foto T-shirt van spreadshirt.au, Tekenwerk van V. Gopolan.

De Maxwell vergelijkingen, bedacht rond 1774, vormen de basis voor de radiotechniek zoals we die nog steeds hanteren. In het midden zie je een T-shirt zoals ik wel vaker mensen zie dragen. Dat vinden ze waarschijnlijk heel erg cool. Ik vraag me dan telkens weer af of ze begrijpen wat er op staat. Eigenlijk geldt dat voor tekst die op veel T-shirts staat, maar dat terzijde. Er zijn maar weinig mensen die voldoende natuurkunde-achtergrond hebben om met enig vertrouwen de vergelijkingen te kunnen duiden. Ik kan dat wel en zal een poging doen dat zonder al te veel omhaal te doen.

De eerste vergelijking zegt, dat de divergentie van het elektrische veld, afgezien van een constante, gelijk is aan de ruimtelading ter plaatse. Het ontstaan lading in de ruimte gaat door ladingsscheiding en kan bijvoorbeeld chemisch, zoals in een accu of batterij, door wrijving, etc. Die laatste mogelijkheid, door wrijving, kan mooi gedemonstreerd worden in het Teylers museum in Haarlem. Je kunt dan een bijvoorbeeld een bol van positieve lading plaatsen tegenover een bol van negatieve lading, zoals in de figuur linksboven is weergegeven. De eerste wet zegt dan dat de krachtlijnen van een positieve lading naar een negatieve lading lopen. Krachtlijnen geven de richting aan waarin een testlading (al dan niet hypothetisch) een kracht ondervindt door de ladingen in de buurt. De krachten lopen altijd van een positieve lading weg, ze divergeren. De tweede wet zegt dat de divergentie van het magnetische veld nul is. In tegenstelling tot de elektrische veldlijnen zijn de magnetische veldlijnen altijd gesloten, zoals in de figuur rechtsboven is aangegeven voor het geval van het veld van een magneetje. Of anders gezegd, je kunt een magneet niet splitsen in een Noord- en een Zuidpool.

Deze twee eerste wetten geven dus vooral aan hoe we het elektrische en magnetische veld kunnen beschrijven. Hoe ze met elkaar wisselwerken staat in de twee andere wetten. Linksonder poogt te illustreren hoe een veranderend magnetisch veld een veranderend elektrisch veld oplevert en rechtsonder hoe dat omgekeerd gebeurt. Bij de een kan ook elektrische stroom ontstaan en bij de andere kan een elektrische stroom gebruikt worden om een magnetische veld te maken.

Je voelt wel aan, dat als je van elektrisch magnetisch kunt maken en dan weer omgekeerd dat het mogelijk moet zijn dat veranderende elektrische velden en magnetische velden elkaar onderhouden: de elektromagnetische straling. Het is die conclusie van Maxwell, getrokken uit het samenvatten van een groot aantal experimentele feiten – de vier wetten – die leidde tot een explosie van onderzoek. Jammer genoeg had hij het zo ingewikkeld opgeschreven dat het nog wel wat vertaalslagen vereiste voordat het echt gebruikt kon worden.

Die elektromagnetische straling bestaat uit een zich voortplantende golf in een bepaalde richting met loodrecht daarop en op elkaar variërende elektrische en magnetische velden. Schematisch is dat in de figuur midden onder aangegeven. De voortplantingssnelheid is in vacuüm de lichtsnelheid en in andere media een pietsje minder.

Foto’s van wikipedia.nl, foto Gerbrandytoren van wikimedia.

Na de publicatie van Maxwell’s resultaten duurde het dan ook nog wel eventjes voordat die golven ook echt werden aangetoond door Hertz, zo’n 12 jaar later. Maar toen zagen meerdere experimentatoren hun kansen waarvan Marconi de eerste was die een verbinding over het Kanaal tussen Frankrijk en Engeland demonstreerde. Dat was overigens telegrafie, zoals toen ruim gebruikt werd als communicatiemogelijkheid. Dat ging aanvankelijk over draad, vandaar dat de “nieuwe” methode in het Engels “wireless” genoemd werd.

Maar al snel kon men meer dan een golf aan- en uitzetten om gecodeerde berichten over te zetten zoals bij telegrafie gebeurde. Je kon ook meer geleidelijk de golfsterkte variëren en dan kon muziek en spraak verzonden worden. Zo kreeg je radio-uitzendingen en niet veel later televisie-uitzendingen. Toen de oorlog kwam werd de technologie nog sneller ontwikkeld, nu voor oorlogstechnische toepassingen zoals radar.

Zon-tekening van Freepik, mobiele telefoon van BNNVARA, magnetron van magnetronkopen.nl, Tekenwerk van V. Gopolan.

Zoals gezegd, de belangrijke ontdekking van Maxwell was dat licht elektromagnetische straling is. Dan ook de radiogolven waar we hier mee van doen willen hebben. De elektromagnetische golven worden gekarakteriseerd door hun frequentie. Voor radiogolven liggen die in het gebied van 300 kHz tot tientallen GHz (Hz staat voor trillingen – of golven – per seconde) en soms daarbuiten. Aangezien de lichtsnelheid bekend is, kunnen we ook de golflengte – de afstand tussen twee maxima van een golf – berekenen. Voor 300 kHz is dat 1 km en voor 300 MHz is dat 1 meter. UV-licht daarentegen heeft een frequentie van zo ongeveer 1000 THz en een golflengte rond de 300 nm.

De energie van straling is verpakt in pakketjes, fotonen genaamd. Voor UV-licht is de fotonenergie zo hoog, dat het gemakkelijk schade kan aanrichten in het lichaam. Roodverbrand raken in de zon is nog het minst erg wat dat betreft. Straling van hogere frequenties is beslist gevaarlijk. Aan de andere kant van het spectrum, de radiogolven, is de energie veel lager. Maar het kan je lichaam wel opwarmen. Bedenk maar dat de golflengte van magnetronstraling rond 4 GHz ligt. Bij mobiele telefoons gebeurt opwarming in mindere mate; normaal gesproken is dat niet schadelijk.

Maar de intensiteit van straling hangt niet alleen af van de fotonenergie maar ook van de hoeveelheid fotonen die per seconde. Zo stralen grote radiostations een vermogen van 100-1000 kW uit. Een mobiele telefoon 0,1-2 W en een GSM-antennemast ongeveer 100 W. Er zijn normen voor de hoeveelheid straling die door een gebruiker opgenomen mag worden, afhankelijk van de instantie ligt die tussen de 1 en 4 Watt/kg.

Gelukkig overigens maar dat straling energie overbrengt, zo immers komen wij hier op aarde aan de energie die we nodig hebben. Nou ja, niet alles wat we gebruiken is echt nodig maar het is er dus we maken er maar gebruik van. Veel van die zonnestraling is echter ook schadelijk, bijvoorbeeld het eerder genoemde UV-deel!

Plaatjes van wikipedia.

Resonantie is een verschijnsel dat we veel in de muziek gebruiken. Met lucht maken we fluiten, trompetten, orgels, etc. Met snaren en vellen maken we gitaren, violen, drums, etc. Meestal gaat het dan om het aanslaan van een toon die na verloop van tijd weer verdwijnt. Je kunt het geproduceerde geluid ook overbrengen, kijk maar linksonder het plaatje met de twee stemvorken. Als je twee gelijke stemvorken uit elkaar zet en de ene aanslaat gaat de ander meetrillen.

Om een trilling aan te houden moeten we het steeds weer met een zacht tikje aanzetten. Het best is dat te zien in het figuurtje rechtsonder. Iemand die schommelt moet om te beginnen flink duwen maar na verloop van tijd is een klein zetje genoeg om tot zolang je maar wilt door te schommelen.

Animatie bij wikipedia.org.

Dat gestimuleerd resoneren zoals bij schommelen is precies wat men doet met een radiozender. We nemen een antenne – bijvoorbeeld twee gescheiden geleiders in elkaars verlengde zoals in de tekening – en zetten daar een wisselspanning tussen met de goede frequentie. De elektrische stroom in de geleiders varieert zó dat ze precies in de pas loopt met de aangelegde spanning. Als de geleiders te kort of te lang zijn lukt dat niet.

Animatie bij University of New South Wales. Foto eigen beheer.

In tegenstelling tot wat je op het internet wel vindt is het voor het ontvangen niet strikt nodig dat de antenne de goede lengte heeft. Maar er is wel een ander mechanisme nodig om uit alle straling om ons heen precies die radiogolven te pikken met voor ons relevante informatie. We doen dat bijvoorbeeld met een elektrische resonantiekring, vaak gemaakt met een spoel en een condensator. In natuurkundeboeken, of op wikipedia, kun je daar wel uitleg over vinden.

Cartoon van Universalfacts, figuren van wikipedia.

Er zijn inmiddels vele manieren om informatie over te dragen met radiogolven. In het begin schakelde men in een bepaald ritme de zender in en uit. Dat leverde – met wat afspraken over codering – de telegrafie op. Maar je kunt ook wel wat subtieler de amplitude van de golf veranderen, dat levert amplitudemodulatie (AM) op. Vooral in de beginjaren van de radio was dat de meest toegepaste techniek. Later kwam frequentiemodulatie (FM) wat vanwege de geringe storingsgevoeligheid veel betere geluidskwaliteit opleverde. Nu werken we met allerlei soorten van fasemodulatie (PM).

Om meer informatie over een smal frequentiebandje, een zogenaamd kanaal, te sturen past men ook nog “multiplexing”toe. Je neemt elke tijdseenheid van elke leverancier opvolgend monstertjes en stuurt die achter elkaar over het kanaal. Bij ontvangst wordt de boel weer uitgepakt en verdeeld over de verschillende aangesloten ontvangers.

Achtergrond coolradio.rs.

De hoeveelheid mogelijkheden die ons nu ter beschikking staat om gebruik te maken van radiogolven is schier onbegrensd. Er kan nog veel meer dan we nu al doen. Wat mij bij dat alles zorgen baart is dat er maar zo weinig mensen zijn die alle aspecten van deze technieken beheersen. Misschien is daar een rol voor jou weggelegd?

2 gedachten over “Radio”

  1. Geachte heer Koper,

    De kinderen van de plusklas hebben een geweldige les meegemaakt. Uw verhaal zat vol met nieuwe informatie en had ook veel verbinding met de belevingswereld van de leerlingen. Uw enthousiasme was bovendien aanstekelijk.
    Hartelijke dank hiervoor! De interesse voor de radio is ongetwijfeld aangewakkerd. De leerlingen gaan na de meivakantie verder met het bouwen van de eigen radio.

    Graag zou ik u nog een foto en filmpje opsturen. Kunt u mij uw e-mailadres mailen?

    Groeten. Michiel Zweers

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *