Máy radio (máy thu thanh, máy nghe đài, máy ra-đi-ô) là một vật dụng rất quen thuộc đối với người Việt chúng ta, từ những đứa bé với chương trình “chúc bé ngủ ngon”, đến người lớn với các chương trình thời sự hay “đọc truyện đêm khuya.” Radio cũng là một công cụ phục vụ cho công việc, chẳng hạn như cánh tài xế với kênh “radio giao thông”.

Sóng radio và máy radio

Sóng radio hay sóng vô tuyến là một dạng bức xạ điện từ có phổ dài hơn ánh sáng hồng ngoại, tần số từ 3 kHz đến 300 GHz. Sóng vô tuyến truyền với vận tốc vận tốc ánh sáng và trong tự nhiên, nó xuất hiện từ hiện tượng sấm sét.

Từ radio còn dùng để chỉ máy thu thanh (máy radio) – một thiết bị điện tử nhận các sóng âm đã được biến điệu qua ăng ten để khuếch đại, phục hồi lại dạng âm thanh ban đầu và phát âm thanh ra loa cho người nghe. Máy radio hình thành dựa trên sự phát triển của 3 phát minh có mối liên hệ mật thiết với nhau, đó chính là radio, máy điện báo và điện thoại. 3 công nghệ này cùng nhau đã tạo nên một công nghệ thu thanh mà ban đầu, nó được gọi là “điện báo không dây” (wireless telegraphy).

​
Nguyên lý làm việc của sóng radio

Trong lịch sử phát triển, nhiều nhà phát minh đã thử áp dụng nhiều phương pháp truyền tín hiệu không dây, bao gồm cả phương pháp cảm ứng điện từ và truyền tín hiệu qua mặt đất. Tuy nhiên, chiếc máy radio bắt đầu từ việc phát minh ra “sóng radio” (radio wave) – một loại sóng điện từ có khả năng truyền âm nhạc, giọng nói, hình ảnh và cả dữ liệu trong không trung từ nơi này đến nơi khác. Có nhiều thiết bị hoạt động bằng sóng điện từ bao gồm: radio, lò vi sóng, điện thoại di động, bộ điều khiển từ xa, máy thu hình và nhiều thiết bị khác. Các thiết bị sử dụng sóng điện từ với các tần số khác nhau nhằm thực hiện các chức năng khác nhau. Sóng dùng trong radio có tần số trong khoảng từ 3 Hz (Dải tần số cực thấp ELF – Extremely low frequency) đến 300 GHz (Dải tần số cực cao EHF).

Khởi đầu với điện từ học…

Trong quá trình nghiên cứu về lĩnh vực truyền tín hiệu không dây này, hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành kể từ đầu thế kỷ 19 nhằm nghiên cứu sự liên quan giữa điện và từ tính dựa vào những dự đoán trước đó. Tiêu biểu là vào năm 1800, Alessandro Volta đã phát triển những phương pháp để tạo ra dòng điện. Tiếp theo là Gian Domenico Romagnosi với nghiên cứu về sự liên quan giữa dòng điện và từ tính nhưng nghiên cứu của ông chưa được công nhận.

Mãi đến năm 1829, Hans Christian Ørsted đã đưa ra một thí nghiệm để chứng minh thuộc tính từ của dòng điện, đó là dòng điện chạy trong một cuộn dây làm chệch hướng của kim la bàn đặt gần. Chính thí nghiệm của Ørsted đã khơi mào cho André-Marie Ampère phát triển lý thuyết về điện từ và kế đó là Francesco Zantedeschi với nghiên cứu về sự liên quan giữa ánh sáng, điện và từ trường.

Thí nghiệm của Hans Christian Ørsted​

Năm 1831, Michael Faraday đã thực hiện một loạt các thí nghiệm để chứng minh sự tồn tại của hiện tượng cảm ứng điện từ. Mối quan hệ này đã được ông xây dựng thành một mô hình toán học của định luật Faraday. Theo đó, lực điện từ có thể lan toả ra vùng không gian xung quanh các dây dẫn.

Dựa trên các nghiên cứu trước đó, Joseph Henry đã thực hiện một thí nghiệm chứng minh được lực từ có thể tác động từ độ cao 61m vào năm 1832. Ông cũng chính là người đầu tiên tạo ra dòng điện xoay chiều dao động với tần số cao. Trong thí nghiệm, ông nhận ra rằng dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra một lực dao động với tầng số giảm dần cho đến khi nó trở về trạng thái cân bằng.

…đến thuyết sóng điện từ

James Clerk Maxwell (1831-1879) cha đẻ của thuyết sóng điện từ.

Từ năm 1861 đến năm 1865, dựa trên những nghiên cứu của Faraday và các nhà khoa học khác, James Clerk Maxwell đã phát triển một học thuyết mang tên thuyết sóng điện từ được đăng tải trên tạp chí khoa học hoàng gia với tựa đề “thuyết động lực của điện trường”. Ông chính là người thống nhất các khái niệm quan trọng của vật lý hiện đại là điện, từ trường và ánh sáng bằng 4 phương trình Maxwell nổi tiếng. Dù ông không phải là người phát minh ra sóng radio, nhưng chính học thuyết này đã đặt một nền móng vững chắc cho sự ra đời của sóng radio cũng như máy phát thanh ngày nay.

Dụng cụ phát thanh “thuở ban đầu”

Mahlon Loomis và bảng phác thảo thí nghiệm năm 1866.

Năm 1866, Mahlon Loomis – một nha sĩ người Mỹ đã thực hiện một thí nghiệm nhằm chứng minh khái niệm “điện báo không dây”. Trong đó, ông sử dụng 2 con diều thả bay trên không. Trên sợi dây diều thứ nhất, ông lắp một chiếc đồng hồ đo điện trong khi sợi dây diều còn lại được lắp một cuộn điện từ. Kết quả từ thí nghiệm cho thấy ngay trên không, từ trường từ cuộn dây thứ 2 đã làm lệch đồng hồ đo điện trên sợi dây diều thứ 1. Đây chính là trường hợp đánh dấu sự thành công đầu tiên của việc truyền tín hiệu không dây trong không trung. Và 20 năm sau đó, nhà vật lý nổi tiếng người Đức Heinrich Rudolph Hertz đã một lần nữa chứng minh sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện có thể được truyền đi trong không gian dưới dạng sóng vô tuyến tương tự ánh sáng và nhiệt.

Những tín hiệu radio đầu tiên

Guglielmo Marconi, một nhà phát minh người Ý đã chứng minh tính khả thi của việc truyền thông tin vô tuyến trong không gian. Ông đã gửi và nhận thành công những tín hiệu radio đầu tiên vào năm 1895. Và vào những năm đầu thế kỷ 20, Marconi bắt đầu đầu tư vào một ý tưởng truyền tín hiệu vượt Đại Tây Dương nhằm cạnh tranh với loại hình truyền tín hiệu bằng dây cáp. Năm 1901, ông đã truyền đi tín hiệu không dây đầu tiên qua đại dương từ Poldhu, Cornwall – một hạt tại miền Tây Nam Vương quốc Anh đến đồi Signal Hill tại St John’s, Newfoundladn – giờ đây là một quần đảo thuộc sở hữu của Canada. Khoảng cách giữa 2 điểm thu và nhận vào khoảng 3500km. Tín hiệu phản hồi mà Marconi nhận được là 3 âm click – tương ứng với ký tự S theo mã Morse. Năm 1909, Marconi và Karl Fedinand Braun cùng nhận được giải Nobel vật lý về những “đóng góp dáng ghi nhận vào sự phát triển của công nghệ truyền tin không dây.”

Kỹ sư điện/nhà phát minh Guglielmo Marconi (1874-1937) cùng hệ thống truyền tin không dây đầu tiên vượt Đại Tây Dương của ông tại Anh Quốc vào năm 1901

Ngoài trường hợp của Marconi, hai người đương thời với ông là Nikola Tesla và Nathan Stufflefield cũng nhận được bằng sáng chế cho máy phát sóng vô tuyến tại Mỹ.

Giai đoạn phát triển hoàn thiện

Những mẩu tin được truyền đi bằng sóng radio cũng tương tự như như các tín hiệu dài-ngắn (mã Morse). Trong thời điểm ban đầu, máy phát tín hiệu được gọi là “spark-gap machines”. Nó được phát triển để hướng dẫn các con tàu trong lúc cập bến hoặc để giữ liên lạc giữa những con tàu với nhau. Đó là cách truyền tín hiệu giữa 2 điểm nhưng đó không phải là chiếc máy radio mà chúng ta nhìn thấy như hiện nay.

Hình ảnh máy truyền tin “spark-gap machines” 230kW đầu tiên của Marconi. Các ký tự được đúc trên thân máy là W MACKIE & C, 47 1/2 OLD ST, LONDON EC.

Phương pháp truyền tín hiệu không dây bằng sóng radio đã chứng minh được tính hiệu quả của nó trong việc cứu hộ cứu nạn khi xảy ra thiên tai. Các thiết bị truyền tín hiệu không dây này được lắp đặt trên một số tàu biển. Trong năm 1899, Hải quân Hoa Kỳ đã thành lập một mạng lưới liên lạc không dây giữa những tàu hải đăng ngoài khơi đảo Fire bang New York. 2 năm sau, Hải quân Hoa Kỳ đã chính thức áp dụng hệ thống liên lạc không dây bằng sóng radio này trong quân đội, sử dụng song song với các hình thức truyền tín hiệu bằng hình ảnh và liên lạc bằng chim bồ câu.

Hình ảnh trạm phát sóng tại Hawaii năm 1901. (Nguồn: radiomarine.org)​

Năm 1901, dịch vụ gửi điện báo bằng sóng radio đã được thiết lập giữa 5 hòn đảo thuộc quần đảo Hawaii. Vào năm 1903, trạm phát Marconi được đặt tại Wellfleet, Massachusetts đã gởi một thông điệp chào mừng của tổng thống Theodore Roosevelt đến với vua King Edward VII của Anh. Năm 1905, các báo cáo về trận hải chiến tại cảng Arthur trong cuộc chiến tranh Nga – Nhật đã được truyền đi bằng phương pháp điện báo không dây, và vào năm 1906, cục dự báo thời tiết Mỹ đã áp dụng phương pháp này để cải thiện tốc độ truyền thông tin dự báo thời tiết.

Nội dung bức điện nổi tiếng giữa tổng thống Theodore Roosevelt và vua King Edward VII năm 1903.​ (Nguồn: royal.co.uk)​