鉱石ラジオ (Crystal Radio) の 歴史としくみ

電池のいらないエコなラジオ

鉱石ラジオは、クリスタルラジオ、クリスタルセットとも呼ばれ、ラジオの初期に流行した簡易型のラジオ受信機。受信したラジオ信号の電力だけで音を出すので、外部からの電力は必要ない。最も重要な部品である水晶検出器が、元々は方鉛鉱(ガリーナ)などの結晶性鉱物の破片から作られていたことからこの名がついた。 この部品は現在、ダイオードと呼ばれている。

鉱石ラジオは最もシンプルなラジオ受信機であり、アンテナ線、コイル線、コンデンサ、水晶検出器、イヤホン（水晶セットではスピーカの電力が不足しているため）など、安価な部品で作ることができる。 他のラジオが電池やコンセントからの電流でアンプを使ってラジオ信号を大きくするのに対し、それらが必要ないパッシブ受信機である。そのため、鉱石ラジオの音は弱く、高感度なイヤホンで聴く必要があり、送信機から限られた範囲内の放送局しか受信できない。

鉱石ラジオの歴史

1874年にカール・フェルディナンド・ブラウン(Karl Ferdinand Braun)によって鉱物と金属の接触による整流性が発見された。また、1902年にG.W.ピカード(G. W. Pickard)によってラジオ通信受信用の復調器として初めて使用された。 鉱石ラジオは初めて広く普及したラジオ受信機で、無線電信の時代に主に使用された。 販売されたキットを数百万人が手作りし、安価で信頼性の高いクリスタルラジオはラジオを大衆に紹介する大きな推進力になり、1920年頃に始まったラジオ放送により娯楽メディアとして発展するのに寄与した。そのほとんどは振幅変調（AM）信号を受信するAMラジオである。

1920年頃、鉱石ラジオは真空管を使用した最初の増幅型受信機に取って代わられた。この技術の進歩により、鉱石ラジオは商業用としては廃れたが、主にラジオの技術を学ぶために趣味家や青年団、ボーイスカウトによって作り続けられた。現在でも教育用として販売されている。

初期の無線電信は、火花放電式やアーク式送信機、高周波オルタネーターが無線周波数で動作していた。電波を検出する手段としては、コヒーラーが最初である。しかし、これは微弱な信号を検出する感度に欠けるものであった。

20世紀初頭、様々な研究者が方鉛鉱(ガレナ)などの特定の金属鉱物を使って無線信号を検出できることを発見した。

インドの物理学者であるジャガディッシュ・チャンドラ・ボース(Jagadish Chandra Bose)は、1894年頃からマイクロ波を受信するために方鉛鉱検出器を使用して、電波検出器として結晶を使用した最初の人物である。1906年、グリーンリーフ・ホイッティア・ピカード(G. W. Pickard.)がシリコン結晶検出器の特許を申請し、1906年11月20日に認可された。

鉱物検出器には、水晶、通常は水晶に接触する細いワイヤーや金属製のプローブ、そしてそれらの部品を固定するスタンドや筐体が含まれます。最も一般的に使用される水晶は、ガレナの小片である。黄鉄鉱も、より調整が容易で安定した鉱物であり、都市部の信号強度にかなり十分であったため、よく使用されていた。このほかにも、いくつかの鉱物は検出器として優れた性能を発揮した。水晶のもう一つの利点は、振幅変調された信号を復調できることであった[citation needed]。この装置により、ラジオ電話と音声放送が一般に普及した。鉱物検出器は、ラジオ放送が始まったばかりの時代に、安価で技術的に簡単な受信方法であった。

1920年代～1930年代

1922年に米国標準局（当時）は、シンプルな自家製ラジオ受信装置の構築と操作と題する出版物を発表した。この記事では、簡単な工具を使いこなすメンバーがいるほぼすべての家族がラジオを作り、天気、作物の価格、時間、ニュースやオペラを聞くことができる方法を示している。この設計はラジオを一般大衆に普及させる上で重要であった。NBSはこれに続き、より厳選された2回路の「水晶検出器付き2回路ラジオ受信装置の製作と操作」を同年発表しており、現在でも愛好家がよく作っている。

20世紀初頭、ラジオはほとんど商業利用されておらず、ラジオの実験は多くの人々の趣味であった。 1920年の秋、商業ラジオ放送が開始された。ウェスティングハウスが所有するピッツバーグの放送局KDKAは、ハーディングとコックスの大統領選挙の結果を放送するのに間に合うように、米国商務省から放送免許を取得した。特別なイベントの報道に加え、農家への農作物の価格報告の放送は、ラジオ創成期の重要な公共サービスであった。

1921年当時、工場生産されたラジオは非常に高価であった。そのため、新聞や雑誌には、家庭にあるものでクリスタルラジオが作れるという記事が載った。その中には、オートミール箱のようなボール紙の空き容器にチューニングコイルを巻いて、コストを抑えるというものもあり、これが自作ラジオの土台として一般的になっていった。

鉱物の結晶だけでなく、多くの金属表面の酸化皮膜は整流が可能な半導体（検出器）として機能する。鉱石ラジオは、錆びた釘や腐食した小銭など、身近なものを使って即席に作られたものである。

1944年春、連合軍がイタリアのアンツィオ付近に停戦したとき、ドイツ軍がスーパーヘテロダイン受信機の局部発振信号を検出する装置を持っていたため、電源付きの個人用ラジオ受信機は厳重に禁止された。鉱石ラジオには局部発振器がないので、検出できない。中には廃品を使って鉱石ラジオを作り、ニュースや音楽を聴くことができた兵士もいた。その1つが、青鋼のカミソリの刃と鉛筆の芯を使ったものである。刃に塗った酸化物（磁鉄鉱）に芯を接触させると、粗悪な点接触ダイオードができあがる。刃の表面の鉛筆の芯を慎重に調整することで、整流が可能な箇所を見つけることができた。この装置は、マスコミから「フォックスホールラジオ」（塹壕ラジオ）と呼ばれ、第二次世界大戦の風物詩となった。

第二次世界大戦中、ドイツ占領下のいくつかの国では、一般市民からラジオが広く没収された。そのため、市民は、基本的なクリスタルセット以上のものはないだろうと、密かに受信機を自作した。このようなことをする者は、捕まれば投獄され、死に至る危険もあったが、ヨーロッパの大部分ではBBC（あるいは他の同盟国の放送局）からの信号はこのようなセットで受信できるほど強くはなく。その多くは徒労に終わった。

第二次世界後の利用

水晶振動子式ラジオは、初期のような一般的な普及はしなかったが、今でも使われている回路である。ボーイスカウトでは、1920年代からラジオセットの製作をプログラムの中に入れている。1950年代から1960年代にかけては、プレハブ式のノベルティグッズや簡易キットが数多く出回り、電子工作に興味を持つ多くの子供たちが製作を行った。

鉱石ラジオの動作原理

鉱石ラジオは、その基本原理に沿った最もシンプルなラジオ受信機と考えることができる。少なくともこれらの構成からなる。

電波によって電流を誘起するアンテナ

アンテナが受信した全ての無線信号から所望の無線局の周波数を選択する共振回路(同調回路)
同調回路は、ワイヤのコイル(インダクタと呼ばれる)と互いに接続されたコンデンサで構成されています。この回路は共振周波数を有し、その周波数の電波が検出器を通過することを可能にするが、他の周波数の波を主に遮断する。コイルまたはコンデンサの一方または両方は調整可能することで、回路を異なる周波数に同調することができる。いくつかの回路では、受信する電波の4分の1波長よりも短いアンテナは容量性である為、コンデンサの代わりとなりコイルのみを調整し同調させるよりシンプルな構成の回路もある。

音声信号を抽出して無線信号を復調する半導体結晶検出器
水晶検出器は二乗法分儀として機能し、受信周波数の交流を音声周波数変調に復調する。検出器のオーディオ周波数出力は、イヤホンによって音に変換される。初期のセットは「猫のひげ探知機」を使用し、ガリーナのような結晶鉱物の小さな破片とその表面に細いワイヤーが触れていた。結晶検出器は、クリスタルラジオにその名前を与えた構成部品でした。現代のセットは現代の半導体ダイオードを使用しているものが多い。

オーディオ信号を音波に変換して聞こえるようにするためのイヤホン（クリスタルイヤホン）
水晶レシーバによって生成される低消費電力は、スピーカーに電力を供給するには不十分であるため、イヤホンが使用される。

鉱石ラジオに関する特許