0062. Come funziona il telefono di Meucci?

 Mi piacerebbe sapere quali principi stanno alla base del funzionamento del telefono inventato da Meucci. Se possibile gradirei una spiegazione di queste nozioni. (Diego)

L’idea del “telegrafo parlante”, così era chiamato il telefono da Antonio Meucci, è stata inizialmente del tutto casuale, in seguito tuttavia è stata perfezionata fino a consentire, nel 1852, la realizzazione di un collegamento telefonico tra due stanze della casa di Meucci all’Avana, a Cuba. Come talvolta è accaduto nel campo delle scoperte e delle invenzioni, si sono gettati i presupposti per la realizzazione di apparati sofisticati partendo da eventi accidentali. Questo non deve togliere merito a Meucci, è infatti solo grazie alla mente dello studioso che è possibile ricollegare l’evento fortuito alla scoperta vera e propria (chi non ricorda la mela di Newton ). Nel caso in esame, questo apparecchio, del tutto innovativo per quei tempi, era in grado di trasformare l’energia sonora prodotta dalla voce umana in energia elettrica e viceversa.

Sull’apparecchio telefonico, o comunque qualcosa che gli somigliava, Antonio Meucci cominciò a lavorare all’età di 26 anni quando era capo macchinista in un teatro di Firenze, tuttavia, fu solo a Cuba, nel 1849, che si può parlare di intuizione da parte dello scienziato italiano. In quegli anni Meucci lavorava negli ospedali della capitale cubana. La storia narra che un giorno lo scienziato stava curando uno dei suoi pazienti con l’elettroterapia, per questo motivo l’ammalato era collegato, mediante un circuito elettrico con l’inventore. Quando quest’ultimo inserì nel circuito una batteria di pile con una tensione di 114V il malato lanciò un urlo di dolore per la scossa subita. Il suono del lamento trasferendosi sul filo raggiunse distintamente lo scienziato che era due stanze più in là rispetto al letto del paziente. Da quel momento Meucci si rimise a lavoro producendo un gran numero di disegni senza tuttavia trovare nessuno che finanziasse la sua idea. Nel 1856 egli realizzò anche un prototipo rudimentale di apparecchio telefonico elettromagnetico, alla base della realizzazione dei moderni dispositivi.

Di seguito vengono descritti i principi di base dei due apparecchi, quello elettrico concepito nell’ospedale cubano e il successivo realizzato nel 1856.

La realizzazione della trasmissione della voce per via elettrica è basata su due concetti, all’epoca sconosciuti, sfruttati e studiati solo a partire dal 1876: il principio di funzionamento del telefono elettrostatico e quello del microfono a resistenza variabile.

Schema di un elettroscopio a foglie analogo a quello realizzato da Meucci per il telefono

Il primo principio può essere spiegato per analogia con il modo di funzionare dell’elettroscopio a foglie^^. Se si fissano tra loro per un estremo due foglioline d’oro e successivamente si collega l’estremità congiunta ad un generatore di tensione si nota come le due estremità libere si allontanano per effetto della repulsione fra cariche elettrostatiche dello stesso segno disposte su di loro. Si noti anche che, se la tensione applicata è variabile, le due foglioline d’oro vibrano seguendo le variazioni della tensione. Tale caratteristica è ancora in uso oggi per applicazioni specialistiche come il microfono a condensatore. Il principio del microfono a resistenza variabile sfrutta, invece, la variazione di resistenza provocata dalla voce nella trasmittente nel circuito. Nella fortuita circostanza dell’urlo in ospedale prima menzionata, Meucci realizzò un circuito, alimentato da una batteria di pile, tra sé ed il paziente. In seguito all’urlo lanciato dall’ammalato per la scossa subita, le variazioni di pressione acustica generarono una variazione della resistenza del contatto fra linguetta di rame e saliva nella sua bocca. La variazione locale di resistenza provocò una modifica di quella complessiva del circuito e quindi della corrente circolante lungo il filo di rame usato per il collegamento.

In termini più tecnici, l’inventore italiano si comportò come l’armatura di un condensatore sottoposto a variazione di tensione. Con riferimento alla figura 2, il grido del paziente provocò una variazione di resistenza Rv fra la linguetta di rame C2 e la sua saliva. Il conduttore (C1), che Meucci teneva in mano, era collegato a questa resistenza variabile attraverso il corpo del paziente. Se si sommano tutte le resistenze che rientrano nel circuito, ovvero la Rv prima citata, quella del conduttore (Rw) e quella interna della batteria (Rb), si ha la resistenza totale del circuito (Rv+Rw+Rb). Facendo variare la Rv si modifica la resistenza del circuito la quale a sua volta modificò il flusso di corrente attraverso il filo e la tensione applicata alla linguetta metallica C3 dell’utensile tenuto in mano da Meucci. In seguito a questa variazione della tensione la linguetta metallica iniziò a vibrare rendendo udibile anche a distanza il grido del paziente. Attualmente questo principio è alla base di un particolare tipo di microfono, utilizzato per la trasmissione a lunga distanza, denominato per l’appunto “a resistenza variabile”.

Schema del telefono elettromagnetico realizzato da Meucci nel 1856.

Il secondo apparecchio di cui si è fatto cenno in precedenza è invece il telefono elettrostatico, come detto è stato inventato nel 1856 e poi perfezionato nei successivi due anni. Il funzionamento del ricevitore è basato sul seguente principio: una membrana metallica circolare, fissata lungo il suo bordo, è libera di vibrare nella parte centrale. Ad essa viene accostata una calamita a ferro di cavallo in modo che tra le due estremità polarizzate del magnete, i poli, e la membrana, rimanga una sottile intercapedine, il traferro. In questo modo è possibile realizzare un circuito costituito da calamita, membrana e traferro in cui si genera un flusso magnetico.

Il flusso magnetico totale è dipendente dai tre componenti ma è correlato principalmente all’intercapedine d’aria in particolare, il suo valore è tanto maggiore quanto minore è la distanza tra le espansioni polari del magnete e la membrana. Attorno alla calamita si pone una spirale di filo metallica, in genere rame, in questo modo dalle estremità libere è possibile misurare la differenza di tensione elettrica. Quando il flusso magnetico è costante non si rileva alcuna differenza di tensione, questa situazione si verifica se la membrana è ferma ed il traferro ha uno spessore fisso. Se, invece, un’onda sonora colpisce la membrana, per colpa delle pressioni e depressioni generate, quest’ultima inizia a vibrare mettendosi in fase con il segnale in entrata. In questa maniera si hanno delle modifiche dello spessore del traferro e quindi delle fluttuazioni nel flusso magnetico del circuito. Come conseguenza della variazione di flusso magnetico si ha una differenza di potenziale indotta ai capi della bobina, in questo caso è possibile rilevare una tensione variabile sul filamento di rame, se si collega ad esso un dispositivo in grado di disegnare l’andamento della tensione è possibile avere una curva immagine dell’onda sonora che ha colpito la membrana. Il dispositivo descritto è in grado di funzionare anche come trasmettitore: applicando una tensione variabile nel filamento d rame si riesce a generare nel circuito magnetico un flusso. In questo modo si genera sulla membrana una forza attrattiva dipendente dal flusso e variabile con esso. Si riesce così a far vibrare la membrana realizzando, pertanto, una sorgente sonora. Collegando un ricevitore ed un trasmettitore con una linea elettrica si realizza un completo sistema telefonico. Ad oggi, al magnete permanente è stato sostituito un elettromagnete, si riesce ad avere un segnale di intensità molto maggiore e soprattutto è possibile modularla meglio. Prima di concludere si ritiene necessario fare un cenno a quello che fu Antonio Meucci (1808; 1889). Fu costretto a lasciare l’Italia per sfuggire alle persecuzioni politiche, a causa delle sue idee liberali e repubblicane, emigrò prima a Cuba, nel 1831, quindi a Clifton, nell’isola di Staten Island nello stato di New Jork.

Nonostante svariati modellini e collegamenti telefonici realizzati tra le stanze del suo appartamento, al grande scienziato mancavano i mezzi economici per sostenere la propria idea. Nel 1871, Antonio Meucci depositò presso l’Ufficio Brevetti statunitense, a Washington, un “caveat”, ovvero una notifica, in cui descriveva la sua invenzione, in attesa di trovare i finanziamenti per un brevetto regolare e più dettagliato del suo “telegrafo parlante”. Nonostante gli sforzi per trovare finanziamenti, in poco tempo gli mancarono anche i soldi per la sua sussistenza e la moglie Ester fu costretta a vendere i modellini di telefoni per pochi spiccioli. Nel 1874, Antonio Meucci, oramai caduto in povertà, non riuscì più a trovare qualcuno che gli prestasse il denaro necessario per pagare la tassa annuale di mantenimento del suo “caveat” che pertanto decadde il 28 dicembre dello stesso anno. La situazione si aggravò ancor di più quando, vittima di un incidente navale, fu costretto a letto per mesi. Di queste traversie ne approfittò lo scozzese Graham Bell , che il 14 Febbraio 1876 presentò la domanda di un brevetto di telefono del tutto simile a quello di Meucci. Pochi mesi dopo, l’Italiano riuscì a farsi sponsorizzare dalla Globe Company e fece causa alla Bell Company per infrazione del brevetto. La causa, conclusasi nel 1887, dava ragione allo Scozzese naturalizzato americano, affermando che Meucci non aveva di fatto realizzato nulla di diverso dalla trasmissione della voce per via meccanica e si attribuiva al fiorentino la sola messa a punto del telefono con due coni collegati tra loro da un filo. In pratica, Meucci veniva riconosciuto come inventore del telefono meccanico, non dell’apparecchio elettrico. Il genio, umile e dimenticato per anni dell’Italiano ha trovato il suo riscatto solo nel 2002. Solo 113 anni dopo la sua morte l'inventore Antonio Meucci si è visto riconoscere i suoi meriti dal Congresso degli Stati Uniti. La Camera di Washington, infatti, proclamò l’italiano come unico "inventore del telefono"; il suo rivale, l'americano Bell, che sull'invenzione costruì un impero economico ne uscì come un impostore e un profittatore dalla risoluzione della Camera. Il 28 Maggio 2002 è inoltre stato proclamato il Meucci Day a Roma; in tale occasione, nell’Aula Magna del Ministero delle Comunicazioni, si è tenuta la cerimonia celebrativa in suo onore e si è voluto onorare il grande uomo che ha reso possibile le telecomunicazioni ma che non ha mai avuto riconoscimenti nel corso della sua vita.

Emanuele Basile - Ingegnere