コヒーラ検波器

コヒーラ検波器とは

コヒーラ検波器は、無線通信の黎明期に登場した電磁波検出装置です。1890年、エドアール・ブランリーが金属粉末の電気伝導性を研究中に発見した現象を応用し、1894年にオリバー・ロッジによって検波器として発表されました。この現象は、高周波が金属粉末に加わると電気抵抗が激減し、直流電流が流れるというもので、金属粉末が「密着する」ように見えることから「コヒーラ」と名付けられました。

構造と動作原理

コヒーラは、通常、一対の金属電極の間に金属粉を挟み込んだ構造をしています。この状態では電極間の電気抵抗は非常に高いですが、電磁波を受けると電気抵抗が急激に低下し、ほぼ短絡状態になります。この現象を「コヒーア」と呼びます。しかし、この状態は不可逆的であるため、元の高抵抗値に戻すには、機械的な振動や衝撃を与える必要があります。この操作を「デ・コヒーア」と呼び、そのための機構を「デ・コヒーラ」と呼んでいます。一般的には、コヒーラとデ・コヒーラを組み合わせた装置全体をコヒーラ検波器と呼びます。

長らくコヒーラの動作原理は謎とされていましたが、21世紀に入り、ほぼ解明されました。電極間の微小な接触部分に生じる電界集中により、金属表面の酸化膜などが電圧によって破壊され、金属同士が接合することで短絡状態になることがわかりました。また、微視的には、金属化合物膜内の格子欠陥が電子をトラップし、ショットキー障壁をトンネル効果で通過させることで通電が開始されることが判明しています。この接合は、デ・コヒーアによって機械的に解除されます。

ニコラ・テスラによる実験

1898年、ニコラ・テスラはコヒーラを応用し、無線操縦の特許を取得しました。ニューヨークのマディソン・スクエア・ガーデンで行われた実験では、無線操縦の船舶模型を実演し、その技術を公開しました。

材料

コヒーラに使用される電極には、環境の影響を受けにくい材料が適しており、金属粉には、表面に適切な薄膜を形成しやすい材料が用いられます。代表的な材料としては、ニッケルやアルミニウムがありますが、亜鉛、鉄、真鍮などの合金など、他の多くの導電材料でも動作が確認されています。

実用と歴史

コヒーラは、発明当時、他に適切な検波器がなかったため、無線通信の実用化に大きく貢献しました。初期のコヒーラは、銀電極間にニッケルと銀の混合粉を挟み、湿度などの影響を避けるために真空ガラス管に封入されていました。特性調整のために、電極を斜めにして回転させたり、可動電極を用いたりする工夫も施されました。マルコーニ社製の無線電信機や日露戦争当時の日本海軍の無線機にもコヒーラが使われていました。

グリエルモ・マルコーニが1901年の大西洋横断無線通信実験に用いたコヒーラは、ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースが発明した水[[銀]]コヒーラの応用でした。このコヒーラは、一種の半導体ダイオードとして機能しました。

1905年、アメリカのヒューゴー・ガーンズバックが販売した無線装置「テリムコ」は、非同調式の火花送信機とコヒーラ検波器を組み合わせたもので、一般大衆が無線通信に触れるきっかけとなりました。

コヒーラ検波器の限界とその後

コヒーラ検波器は、電波を検出するだけの機能しか持たず、特性が不安定で、機械的なデ・コヒーア機構が必要であるため、通信速度に限界がありました。そのため、より性能の良い鉱石検波器や二極真空管が発明されると、次第に使われなくなりました。しかし、玩具や教材としては、現在でも利用されています。例えば、1937年に出版された科学雑誌『科学と模型』には、火花送信機とコヒーラ検波器を利用した科学模型の製作記事が掲載されています。また、1955年発売の増田屋のラジコンバスや、最近の科学教材（学習研究社のラジオコントロールカーなど）にも用いられています。

火花無線電信装置のモデル

初期の火花無線電信装置は、送信機で火花放電により電磁波を発生させ、受信機でコヒーラが電磁波を検出する仕組みでした。送信機では、電鍵をONにすると誘導コイルに電流が流れ、断続器が接点を開閉することで、火花放電が発生します。受信機では、受信アンテナが電磁波を受け、コヒーラが短絡状態になって回路を閉じ、印字機などが動作して電磁波の到来を検出します。デ・コヒーラが動作してコヒーラを元の状態に戻します。このON/OFFをモールス符号にすることで、文字情報を無線で伝送することができました。

参考文献

* 大人の科学 マルコーニ式電波カー

コヒーラ検波器は、無線通信の歴史において重要な役割を果たした装置です。その仕組みや歴史を理解することで、現代の無線通信技術の発展をより深く理解できるでしょう。

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