Oliver Lodge: Almost the Father of Radio



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Oliver Lodge: Almost the Father of Radio

 

by James P. Rybak, W0KSD  



Mesa State College 

Grand Junction, CO 81501

  

 



B

y the year 1887, the 36-year-old 

Oliver Lodge was already regarded in 

Great Britain as a highly accomplished 

scientist. A professor of physics at the 

newly-established University College in 

Liverpool, he was known for his brilliant 

scientific mind and ability to explain 

complex scientific principles in a manner 

that could be understood by virtually 

anyone. In 1887, the Royal Society of 

Arts asked Lodge to prepare a series of 

lectures, to be given the following year, 

concerning how buildings might best be 

protected from lightning damage.

[1]


 

The designers of the lightning protection 

systems of that time assumed that 

lightning was a continuous direct current 

discharge. They believed that protection 

from lightning could be obtained by 

placing copper rods above the buildings 

and connecting them to the earth by 

means of heavy copper grounding 

cables with a very low dc resistance.

[2]

 

The lightning protection "experts" could 



not understand why lightning discharges frequently ignored the copper conductors 

and chose what seemed to be higher resistance "alternate paths" to ground.

[3]

 This 


often resulted in great damage being done to the buildings. Such failures of the 

lightning protection systems was typically blamed poor ground connections.

[4]

 

Lodge had had an interest in learning more about the subject for several years.



[5]

 

He now planned to conduct a series of experiments on electrical discharges prior to 



giving the lectures. The scientist intended to learn why lightning often did not follow 

the low-resistance path provided by the copper conductors.

[6]

 He immediately 



began a series of experiments to learn more about lightning protection.

 

These laboratory investigations proved to be extremely important. They would 



contribute substantially to the development of wireless telegraphy and establish 

Lodge's world-wide reputation as an outstanding scientist.

 

In addition to demonstrating the effects of inductance in circuits with time-varying 



currents, the experiments ultimately resulted in Lodge establishing the existence of 


electromagnetic waves independently of, but virtually simultaneously with, the 

German scientist Heinrich Hertz. Lodge also discovered the phenomenon of 

electrical resonance and found that the "coherer" effect provided a very useful 

means for detecting the presence of electromagnetic waves.

[7]

 

It was commonly known in 1887 that a lightning discharge is produced when the 



accumulation of electric charge in a cloud causes the potential difference between 

that cloud and the earth to increase until the intervening air breaks down electrically 

and becomes a conductor. Lodge visualized this as being much the same process 

as when the voltage across a capacitor increases until the breakdown of the 

dielectric occurs.

[8]


 It also was well known that the discharge of a Leyden jar 

(capacitor) produces an oscillatory current rather than a direct current.

[9]

 Oliver 


Lodge erroneously believed, therefore, that a lightning discharge also is 

oscillatory.

[2]

 

The physicist decided to 



perform some 

preliminary "alternate 

path" experiments to 

attempt to confirm his 

theories prior to giving 

his first lecture on 

lightning in March of 

1888. He used Leyden 

jar discharges to 

simulate lightning. The 

jars were usually 

charged using a Voss 

machine that generated 

static electricity through 

friction. One of the 

experimental 

arrangements used by 

Oliver Lodge is shown 

as Figure 1.

[4,6]


 

The Voss machine was connected to the terminals, A. These, in turn, were 

connected to the inner conducting surfaces of two Leyden jars. The outer 

conducting surfaces of the jars were connected to an adjustable spark gap, B. A 

long loop of very low resistance copper wire, L, was connected across this spark 

gap. The wire Lodge first used was approximately 12 meters in length but had a 

resistance of only 0.025 ohm. 

[4,6]


 It wire closely simulated the characteristics of the 

conductors normally connected to lightning rods.

 

The electrical charge stored in the Leyden jars could flow either through the very 



low dc resistance path provided by the loop of wire or it could flow across the very 

high resistance path through the air between the spark-gap terminals at B. It would 

seem that the obvious path for the charge to follow would be through the low 

resistance wire loop. Surprisingly, Lodge was able to produce very large sparks 

across the spark-gap, B, even though the dc resistance of the wire across the gap 



was only a fraction of an ohm.

[4]


 

When Lodge gave his first lecture on lightning to the Royal Society of Arts, he 

argued that since (as he believed) lightning discharges have a very high oscillatory 

frequency, it is necessary to take inductive reactance effects into account when 

predicting which path the discharges will follow. Inductance was not a very well 

understood or accepted concept in those days.

[6]

 

Michael Faraday in England and Joseph Henry in the United States, independently 



but almost concurrently, had observed some effects of inductance almost sixty 

years earlier. Sir William Thomson (Lord Kelvin) in 1853 had recognized the 

influence which inductance (Thomson called it "electro-dynamic capacity") has in 

causing the discharge of a Leyden jar to be oscillatory.

[9]

 

Oliver Heaviside later demonstrated the importance of inductive effects in the 



transmission of signals along long telegraph lines and undersea telegraph cables. 

The concept of inductance, however, did not receive general acceptance or 

understanding until Sir William Thomson (Lord Kelvin) publicly endorsed 

Heaviside's inductance theories in 1889. Lodge's lectures on lightning, however, 

occurred prior to Thomson's endorsement.

[2]


 

Lodge maintained that, at the frequencies involved in the oscillatory lightning 

discharge, the inductance of the conducting cables resulted in a very high 

opposition to current flow. Therefore, the alternate path actually followed by a 

lightning discharge did indeed exhibit the lowest total opposition or impedance to 

the current flow even if its dc resistance was not the lowest.

[6]

 

Those in attendance who did not subscribe to Lodge's inductance theories were 



quick to question the accuracy of simulating lightning with Leyden jar discharges. 

Particularly questionable, they argued, was the idea that a lightning discharge is 

oscillatory.

[1]


 

Years later, Lodge realized that lightning is not an oscillatory discharge but is 

actually a rapidly pulsating unidirectional (dc) discharge.

[2]


 However, the effects of 

the inductive reactance on the flow of these pulsating lightning currents is the same 

as Lodge predicted for 

oscillatory currents.

[6]

 

The issue could not be 



resolved satisfactorily at 

the March lectures, and 

the critics wanted more 

convincing experiments 

to be performed. Further 

discussions on lightning 

were scheduled for the 

September 1888 

meeting of the British 

Association to be held at 

Bath, England.

[1]


 

Oliver Lodge continued 

his "alternate path" 

experiments during the 




spring and summer of 1888 with the purpose of investigating the behavior of the 

electrical oscillations produced by the Leyden jar discharges. He now replaced the 

loop of wire he had been using with a pair of long wires, each approximately 29 

meters in length (Figure 2). The wires, L and L', were terminated in spark-gaps.

[4,6]

 

He found that the Leyden jars discharged in the usual manner at spark-gap A, but 



that a simultaneous spark was produced at spark gaps B1, B2, or B3.

 

Oscillatory currents were produced in the part of the circuit consisting of the Leyden 



jars and the spark-gap at A. The capacitance of the jars together with the 

inductance of the spark-gap wires at A determined the frequency of the 

oscillations.

[4]


 Every time a spark occurred at A, however, Lodge found that a longer 

spark occurred at B1, B2, or B3. The spark at B3 always was the longest.

 

The electrical waves produced by the oscillations at A traveled along the wires and 



were reflected at the far ends. Lodge knew that the longer spark at B3 was due to 

what he called the "recoil impulse" or "recoil kick" at the end of the wires where the 

waves were reflected.

[4]


 At spark gap B3 both the incident wave and the reflected 

wave had their maximum values and were in phase. This produced a voltage twice 

as large as the voltage at spark gap A.

 

More importantly, Lodge determined that the discharge at B3 was the most intense 



when the lengths of the two wires L and L' were one-half wavelength (or an integral 

multiple of one-half wavelength) for the oscillations produced.

[4,8]

 Under these 



conditions, a maximum coupling of the oscillations produced at A was occurring in 

the wires. Oliver Lodge had discovered electrical resonance (or "syntony" as he 

later would call it

[6]


) between the two parts of the circuit.

[4,8]


 

In addition, the scientist was able to demonstrate that standing waves existed along 

the wires. In a darkened room, he observed a visible glow along the wires at one-

half wavelength intervals corresponding to the voltage peaks. He also performed a 

number of other experiments concerning the characteristics of discharging Leyden 

jars during that spring and summer of 1888.

[11]

 

Oliver Lodge clearly knew that he had produced and detected the electromagnetic 



waves predicted some twenty-four years earlier by James Clerk Maxwell.

[3]


 Before 

he presented these observations as part of the findings in his study of lightning 

conductors, however, Lodge went on vacation in that summer of 1888. It was while 

on vacation that Lodge read of Hertz's similar work with electromagnetic waves.

[6,10]

 

Lodge then added a postscript to his own paper acknowledging Hertz's work in an 



extremely positive way. He concluded the postscript by saying: "The whole subject 

of electrical radiation seems working itself out splendidly."

[8]

 

Lodge presented his findings to the British Association meeting in Bath in 



September of 1888. The well known theoretician, G. F. FitzGerald, who reported on 

the results Hertz recently had published, chaired the meeting. Interestingly enough, 

FitzGerald had told Lodge in 1878 that it never would be possible for anyone to 

produce the electromagnetic waves predicted by James Clerk Maxwell. By 1882, 

however, FitzGerald had corrected his erroneous belief.

[12]


 The following year, 

FitzGerald suggested that electromagnetic waves might be produced by 

discharging a capacitor through a very small resistance.

[3]


 

Those in attendance and, later, other knowledgeable people, recognized that 

Lodge's findings were equivalent to those of Hertz and had been arrived at 



independently of, and virtually simultaneously with, Hertz's.

[3,6]


 Heinrich Hertz, 

however, would always receive the world's principal acclaim and recognition 

because his work was published slightly before that of Lodge.

 

The electromagnetic waves generated by Hertz were radiated into space whereas 



those generated by Lodge were guided by wires. Consequently, the work of each 

man helped confirm the validity of what the other had done. Lodge and Hertz 

corresponded and exchanged scientific papers. They always maintained great 

respect and regard for each other as scientists and as human beings.

[3]

 Lodge 


never resented the fact that Hertz's work received greater acclaim.

[6]


 When Hertz 

died in 1894, Lodge wrote a magnificent tribute to his achievements.

[13]

 

In 1894, Lodge discovered that a nonconducting tube containing metal filings 



(Figure 3) could be used to detect the presence of electromagnetic waves. His 

findings were based on an observation made in 1890 by Edouard Branly (1846-

1940). Branly had discovered that the resistance measured across the ends of a 

such a tube normally was very high. However, if an electromagnetic wave was 

generated nearby, the metal particles became fused together and the resistance 

dropped to a low value. The resistance remained low until the tube was tapped and 

the fused particles returned to their original, separated condition.

[14]


 

Earlier, Lodge 

had observed the 

same fusing 

effect between 

metal spheres in 

light contact with 

each other when 

an 

electromagnetic 



wave was produced. He called the fusing of the metal produced by the 

electromagnetic wave, the "coherer effect." Similarly, he called any detector of 

electromagnetic waves based on this effect, a "coherer." He quickly realized that 

the "filings tube coherer" represented the most convenient form for utilizing the 

coherer effect to detect electromagnetic waves.

[15]


 

Perhaps Lodge's most important improvements to the filings tube coherer were the 

evacuation of the air from the tube and the development of an automatic "tapping 

back" device which utilised a rotating spoke wheel driven by a clockwork 

mechanism. The mechanical impulses provided by the tapping back device 

restored the filings tube coherer to its non-conducting state at regular intervals, 

independent of the detection of electromagnetic waves. This filings tube coherer 

detector was considerably more sensitive than was the simple wire loop "resonator" 

with a spark gap that Heinrich Hertz had used as the detector of electromagnetic 

waves in his experiments. It also was more convenient to use than was the metal-

sphere coherer detector Lodge had previously developed.

[15]


 

Lodge used his improved filings tube coherer, together with a Hertzian wave 

oscillator, as part of a demonstration for a commemorative lecture entitled "The 

Work of Hertz" given in London at a meeting of the Royal Institution in June of 

1894. A sensitive mirror galvanometer was connected to the coherer so that the 



detection of the electromagnetic waves was visible to the audience in the form of a 

moving beam of light.

[6,16]

 Later that same month, Lodge used a small portable 



receiver based on similar equipment to demonstrate the detection of 

electromagnetic waves at the annual "Ladies' Conversazione" of the Royal Society 

in London.

[6,17]


 

He also demonstrated essentially the same apparatus at a meeting of the British 

Association held at Oxford in August of 1894. In that demonstration, however, he 

replaced the mirror galvanometer with a more sensitive marine galvanometer of the 

type normally used for the detection of submarine cable telegraphy signals. Lodge's 

source of electromagnetic waves, located in another building some 55 meters 

away, consisted of a Hertzian oscillator energized by an induction coil. A telegraph 

key connected to the primary winding of the induction coil was used by Lodge's 

assistant to send both long and short duration trains of waves, corresponding 

somewhat to Morse code dots and dashes.

[6]

 Those in attendance witnessed 



Lodge's receiving equipment detecting electromagnetic waves that had traveled the 

55 meter distance.

 

Lodge clearly had all the necessary elements of an elementary wireless telegraphy 



system. While it could be argued successfully that Lodge did indeed achieve 

signaling of a sort in all three of these demonstrations, there is no indication that the 

sending of any true messages was accomplished or even attempted with this 

apparatus. It was not his intent to do so. Oliver Lodge never considered using his 

equipment for communicating, although the idea of wireless telegraphy had been 

suggested two years earlier by William Crookes.

[18]

 

The first two demonstrations were performed simply to show that electromagnetic 



waves can be generated and detected. The purpose of Lodge's demonstration at 

Oxford was to propose that perhaps there exists an analogy between the way a 

coherer responds to electromagnetic waves and the way the eye responds to 

light.


[6]

 

Oliver Lodge later admitted that, at the time, he had not seen any advantage in 



using the relatively difficult process of telegraphing across space without wires to 

replace the well developed and comparatively easy process of telegraphing with the 

use of connecting wires.

 

He, like virtually all of his contemporaries, believed at the time that electromagnetic 



waves travel only in straight lines as does light. (Maxwell, after all, had shown that 

light is nothing more than electromagnetic waves with very short wavelengths.) 

Consequently, Lodge assumed that the maximum possible range attainable using 

wireless signaling would be very limited. These reasons help to explain why, in 

Lodge's own words, ". . . stupidly enough no attempt was made to apply any but the 

feeblest power so as to test how far the disturbance could really be detected."

[19]

 As 


a result, Lodge was one of several electrical experimenters who, had they 

recognized what they had in their hands, might have earned the principal credit for 

the development of wireless telegraphy.

 

In all fairness, however, one should never think that Lodge was lacking in either 



insight or in astuteness. His exceptional perceptiveness and keenness of mind 

when conducting experiments had been demonstrated time and time again. But he 

was first and foremost a scientist and teacher, more concerned with theory than 



commercial applications.

[6]


 

While Oliver Lodge is remembered for numerous significant scientific 

achievements, including his contributions to the development of wireless 

telegraphy, it might be said that he let "the two big ones" slip through his fingers. 

Had he proceeded with his alternate path experiments a little more rapidly, Lodge 

might be the one whom we today credit with having experimentally verified 

Maxwell's predictions. Similarly, if Lodge had realized the potential of wireless 

communication, Marconi might have had to share with him the unofficial but 

commonly used title "Father of Radio."

 

Those wishing to read about other aspects of Oliver Lodge's life are referred to the 



author's earlier, less specialized article.

[20]


 

   


References

 

[1]



 Jolly, W.P.; Sir Oliver Lodge, Fairleigh Dickinson University Press, Rutherford, 

NJ, 1974.

 

[2]


 Lodge, Oliver; Advancing Science, Harcourt Brace, New York, 1932.

 

[3]



 Lodge, Oliver; Past Years, Hodder and Stoughton Ltd., London, 1931.

 

[4]



 Lodge, Oliver; Lightning Conductors and Lightning Guards, Whittaker Ltd., 

London, 1892.

 

[5]


 Rowlands, Peter; Oliver Lodge and the Liverpool Physical Society, Liverpool 

University Press, Liverpool, 1990.

 

[6]


 Aitken, Hugh G.J.; Syntony and Spark, Princeton University Press, Princeton, 

NJ, 1985.

 

[7]


 Lodge, Oliver; "The History of the Coherer Principle," The Electrician, vol. 40, 

November12, 1897, pp. 86-91.

 

[8]


 Lodge, Oliver; "On the Theory of Lightning Conductors" The London, Edinburgh, 

and Dublin Philosophical Magazine, Series 5, vol. 26, August, 1888, pp.217-230.

 

[9]



 Thomson, William; "On Transient Electric Currents," The London, Edinburgh, 

and Dublin Philosophical Magazine, Series 4, vol. 5, June, 1853, pp. 393-405.

 

[10]



 Hertz, Heinrich; "On Electromagnetic Waves in Air and their Reflection," 

Wiedemann's Annalen, vol. 34, July 1888, p. 610.

 

[11]



 Lodge, Oliver; "Experiments on the Discharge of Leyden Jars," Proceedings of 

the Royal Society, vol. 50, January, 1892, pp. 2-39.

 

[12]



 Lodge, Oliver; Talks About Radio, Doran Inc., New York, 1925.

 

[13]



 Lodge, Oliver; "The Work of Hertz," The Electrician, vol. 33, June 8, 15, 22, 

and July 6, 27, 1894, pp. 153-155, 186-190, 204-205, 271-272, 362.

 

[14]


 Branly, Edouard; "Variations of Conductivity under Electrical Influence", The 

Electrician, vol. XXVII, June 26 and August 21, 1891, pp. 221-2 and 448-9.

 

[15]



 Lodge, Oliver; "The History of the Coherer Principle", The Electrician, vol. XL, 

November 12, 1897, pp. 86-91.

 

[16]


 Lodge, Oliver; The Work of Hertz and Some of His Successors, London, 1894, 

p. 24.


 

[17]


 Unsigned and untitled article, Nature, vol. L, June 21, 1894, pp. 182-183.

 



[18]

 Crookes, William; "Some Possibilities of Electricity," The Fortnightly Review

February 1,1892, pp. 173-181.

 

[19]



 Lodge, Oliver; Signalling through Space Without Wires, (3rd edition), London, 

1908, pg. 84.

 

[20]


 Rybak, James; "Radio's Forgotten Pioneer," Popular Electronics, July 1990, 

pp. 62-66 and 95.



 

 



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