Tự chế máy phát và máy dò sóng vô tuyến từ bật lửa và giấy bạc

"Kỷ nguyên vàng của Radio" được cho rằng đã kết thúc vào thập niên 50, khi sự xuất hiện của television lên ngôi. Nhưng thực tế, các chương trình TV vẫn được phát đi bằng tín hiệu vô tuyến. Ngày nay, sóng vô tuyến còn phổ biến hơn bao giờ hết: từ điện thoại di động, GPS, Wi-Fi cho đến máy phát thanh trong xe hơi của bạn.

Sóng vô tuyến là một dạng bức xạ điện từ, tương tự như ánh sáng hữu hình. Tuy nhiên, chúng nằm ở vùng tần số thấp của quang phổ, giúp chúng vô hại đối với con người và có khả năng truyền đi khoảng cách xa, xuyên qua các vật cản như tường nhà. Điều này khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc truyền thông không dây.

Bạn có biết rằng mình hoàn toàn có thể tự chế một máy phát và máy thu sóng vô tuyến ngay tại nhà với những vật liệu đơn giản? Hãy cùng thực hiện dự án thú vị này để khám phá những điều kỳ diệu của vật lý học.

Sóng điện từ là gì?

Trước hết, hãy hiểu về sóng. Hãy tưởng tượng bạn đang giữ một đầu sợi dây dài, đầu kia buộc vào tay nắm cửa. Nếu bạn lắc tay lên xuống, một sự nhiễu loạn sẽ tạo ra trên dây và truyền dọc theo chiều dài của sợi dây. Đó là một sóng. Về cơ bản, sóng truyền năng lượng mà không truyền chuyển chất.

Vậy sóng điện từ là gì? Thay vì sợi dây, hãy tưởng tượng bạn lắc một điện tích (như điện tử) lên xuống. Điện tích tạo ra trường điện, vì vậy điện tích chuyển động này sẽ tạo ra một trường điện dao động. Theo các phương trình của Maxwell, một trường điện thay đổi sẽ tạo ra một từ trường thay đổi và ngược lại.

Mạch điện đơn giản để tạo sóng vô tuyến

Sự kết hợp giữa dao động điện và từ trường này được gọi là bức xạ điện từ hay "ánh sáng". Sóng vô tuyến thực chất chính là ánh sáng, và chúng có thể tự lan truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng.

Máy phát tin Piezoelectric

Để tạo ra sóng vô tuyến, tất cả những gì bạn cần là một chiếc bật lửa than (loại dùng để bật lò nướng BBQ). Khi bạn bấm cò, một chiếc búa nhỏ sẽ đập vào một tinh thể áp điện (piezoelectric crystal).

Tinh thể này rất kỳ diệu. Khi bị biến dạng, nó tạo ra điện áp rất cao trong tích tắc. Điện áp này tạo ra tia lửa đốt khí gas. Nhưng đối với mục đích radio, thứ chúng ta cần là điện áp tạo ra trường điện, chứ không phải tia lửa.

Trường điện này tác động lên các điện tích tự do trong không khí, khiến chúng tăng tốc và va chạm, tạo ra một phản ứng chuỗi gọi là "lở đất điện tử". Các điện tích tăng tốc này tạo ra một trường điện thay đổi, từ đó phát ra sóng điện tử ra môi trường xung quanh.

Bạn có thể kiểm chứng điều này ngay: Lấy một đài radio AM, chỉnh vào một kênh trống không có tín hiệu. Giữ chiếc bật lửa gần ăng-ten và bấm cò. Bạn sẽ nghe thấy một tiếng "tách" rõ ràng qua loa. Chính là lúc bạn vừa phát đi một sóng vô tuyến.

Máy thu Coherer

Để phát hiện sóng vô tuyến, chúng ta sẽ lắp ráp một mạch điện đơn giản gồm một cốc thủy tinh không kim loại, các quả bóng giấy nhôm nhỏ, một viên pin cúc áo và một đèn LED.

Hệ thống máy thu sóng tự chế

Tại sao lại dùng bóng giấy nhôm? Nhôm là vật liệu dẫn điện, nhưng khi vo viên lại, các điểm tiếp xúc giữa các viên bóng rất nhỏ. Ngoài ra, nhôm còn có lớp oxy hóa bề mặt làm tăng điện trở. Khi kết nối mạch, ban đầu dòng điện sẽ quá yếu để点亮 đèn LED.

Tuy nhiên, khi sóng vô tuyến từ chiếc bật lửa tới, phần trường điện của nó sẽ phá vỡ lớp oxy hóa ở điểm tiếp xúc giữa các viên bóng. Điện trở giảm đột ngột, dòng điện tăng mạnh và đèn LED sẽ sáng lên. Đây chính là tín hiệu báo chúng ta đã bắt được sóng radio.

Đèn LED sáng lên khi phát hiện sóng

Loại máy thu này được gọi là "Coherer". Trên thực tế, đây là loại thiết bị mà Guglielmo Marconi đã sử dụng trong hệ thống điện báo không dây của những năm 1890. Khi đó, ông dùng vụn kim loại thay vì bóng giấy nhôm, nhưng nguyên lý hoạt động hoàn toàn tương tự.

Kỷ nguyên của Radio

Hệ thống của Marconi chỉ có thể truyền tin nhắn dạng văn bản bằng mã Morse. Tuy nhiên, nó đã giúp thay đổi lịch sử, đặc biệt là khi được con tàu Titanic sử dụng để gửi tín hiệu cứu hộ SOS vào năm 1912, giúp cứu sống 700 người.

Ngày nay, công nghệ vô tuyến đã phát triển vượt bậc để truyền tải giọng nói và âm nhạc liên tục. Nhưng thật thú vị khi biết rằng chỉ với một chiếc bật lửa than và một ít giấy bạc, bạn có thể tái tạo lại công nghệ nền tảng của kỷ nguyên thông tin không dây này ngay tại bàn làm việc của mình.