Die Versuche von H. Th. Simon und M. Reich zur Erzeugung hochfrequenter Wechselströme und deren Verwertung zur drahtlosen Telegraphie.Physikalische Zeitschrift 1 April 1903. Die Versuche von H. Th. Simon und M. Reich zur Erzeugung hochfrequenter Wechselströme und deren Verwertung zur drahtlosen Telegraphie. Sind auch durch die Braunsche Senderanordnung, bei welcher grosse Energiekapazität und daher schwache Dämpfung mit starker Ausstrahlung verbunden ist, ganz bedeutende Erfolge in bezug auf die Möglichkeit der Abstimmung zwischen Sender und Empfänger zweier funkentelegraphischer Stationen erzielt worden, so scheint bei diesen und sonstigen, auf gleicher Grundlage beruhenden Einrichtungen das Resonanzprinzip noch nicht voll verwertet. Alle bisher bekannten Sender vermögen zur Zeit keine, einer scharfen Resonanz fähige Strahlung zu liefern, weil die Zwischenpausen zwischen den einzelnen Funkenentladungen im Verhältnis zur Dauer der Ausstrahlung viel zu gross sind und die Sender daher, statt einer ununterbrochenen Reihe von Wellen, nur abwechselnde Züge gedämpfter Wellen zu entsenden vermögen. Das Streben zur Durchführung von Verbesserungen auf dem Gebiete der drahtlosen Telegraphie muss daher in erster Reihe dahin gerichtet werden, ungedämpfte Wellen, d.h. hochfrequente Wechselströme zu erzeugen, weil nur hierdurch die Resonanz voll zur Wirkung gelangen kann, was wieder ermöglichen würde, die Uebertragungsentfernung zu vergrössern, hauptsächlich aber die Schärfe der Abstimmung wesentlich zu verstärken. Von dieser Erkenntnis ausgehend, haben es die Herren H. Th. Simon und M. Reich unternommen, das Problem der Erzeugung solcher Schwingungen eingehend zu erforschen. Sie sind hierbei, wiewohl die Versuche noch nicht abgeschlossen sind, zu positiven Ergebnissen gelangt, auf die auch ein System der drahtlosen Telegraphie aufgebaut wurde, über dessen Einzelheiten jedoch zur Zeit noch nichts verlautbart ist. Bei ihren Versuchen gingen die genannten Herren von dem Duddellschen Phänomen aus. Schliesst man, nach Duddell, an die beiden Elektroden eines Gleichstrom-Flammenbogens in Abzweigung einen Stromkreis an, der eine entsprechend bemessene Selbstinduktion und Kapazität enthält, so entstehen in diesem Zweige unter ganz bestimmten Betriebsbedingungen des Flammenbogens andauernde Wechselströme von nahezu sinusförmigem Verlaufe und einer Grundperiode von T = 2 π √LC. Hierbei wird der Gleichstrom selbsttätig in elektrische Schwingungen umgewandelt, was nur einer eigentümlichen Eigenschaft des vom Strome durchflossenen Gases zuzuschreiben ist. Die entstehende Schwingungszahl lässt sich aber in dem tönenden Flammen bogen nicht über 20000 in der Sekunde steigern, und ist für die angestrebten Zwecke viel zu gering. Demnach musste versucht werden, diese Schwingungszahl entsprechend zu erhöhen und war für die Möglichkeit, dies zu erreichen, folgende Erwägung massgebend. Um einen Flammenbogen aufrecht zu erhalten, muss die die Elektroden trennende Strecke leitend sein. Diese Leitfähigkeit wird nun dadurch erzielt, dass sich unter der Einwirkung der Spannung Elektrodendampf bildet, welcher diese Strecke ausfüllt. Ist der Flammenbogen einmal eingeleitet, so bedarf es im allgemeinen nur der geringen Spannung von etwa 50 Volt,um ihn aufrecht zu erhalten. Sobald jedoch die Spannung an den Elektroden zu wirken aufhört, stellt sich, namentlich wenn Metallelektroden verwendet werden, sehr rasch der nichtleitende Zustand wieder her und bedarf es dann einer sehr hohen, die Betriebsspannung weit überschreitenden Spannung von vielen tausend Volt (Funkenpotentiale) um den Lichtbogen von neuem einzuleiten. Textabbildung Bd. 318, S. 776 Fig. 1. Textabbildung Bd. 318, S. 776 Fig. 2. Wird nun (Fig. 1) eine Gleichstrom quelle A von einer solchen Spannung, dass sie das Funkenpotential einer Funkenstrecke F erreicht, an diese Funkenstrecke, in deren Schwingungskreis eine Selbstinduktion L und eine Kapazität C eingeschaltet ist, in Parallelschaltung angelegt, so ladet sich zunächst C zum Potentiale D. Erst wenn dies erfolgt ist, wird der Lichtbogen bei F entstehen und sich sodann die Kapazität C durch den Schwingungskreis oszillatorisch entladen. Zu Beginn der Entladung unterstützt die Spannung von C die Spannung von D. Beim Zurückströmen des Entladungsstromes hingegen wirkt diese Spannung der Spannung von A entgegen und hebt sie am Ende dieser Periode für einen kurzen Zeitraum überhaupt auf. Dieser kurze Zeitraum genügt unter Umständen, die Leitfähigkeit der Funkenstrecke überhaupt zum Verschwinden zu bringen und wiederholt sich nun der gleiche Vorgang von neuem. Es wird in diesem Falle der Schwingungskreis von einem hochfrequentigen Wechselstrom der Grundgleichung T = 2 π √LC dauernd durchflössen. Die Zahl der Schwingungen, die hierbei entstehen, lässt sich jedoch nicht berechnen, sondern kann nur durch den Versuch festgestellt werden. Uni sehr rasche Schwingungen zu erhalten, müsste jedoch ein Flammenbogen gefunden werden, dessen Leitfähigkeit sehr rasch verschwindet, wenn die Elektrodenspannung unter ein gewisses Mass sinkt. Als der geeignetste Flammenbogen hierfür erwies sich die Aronssehe Quecksilberlampe in der Ausführung von Cooper-Hewitt mit angefügter Kühlkammer, durch welche der Gasdruck in der Röhre dauernd auf einen, von der Stromstärke und der Aussentemperatur abhängigen Wert einreguliert werden kann. Diese Lampe besitzt die erwünschte Eigenschaft im grossen Masse und hat ausserdem noch den Vorteil, dass das Entladungspotentiale sehr bedeutende Werte annimmt. Die ersten Versuche mit einer solchen, in Fig. 2 dargestellten Lampe, wurden in der Weise durchgeführt, dass die Spannung einer 3000 Volt Gleichstrommaschine an die Funkenstrecke angelegt und zu dieser eine veränderliche Selbstinduktion aus dickem Kupferdrahte, sowie eine Leidenerflasche als Kapazität, wie dies Fig. 1 zeigt, parallel zugeschaltet wurde. Die Spannung von 3000 Volt reichte jedoch nicht aus, um die Lampe zu zünden, weshalb zum Schütteln der Lampe Zuflucht genommen werden musste. Danach wurden an der Leidenerflasche für die Dauer einiger Sekunden die charakteristischen, züngelnden Büschel bemerkt, welche auf sehr schnelle Schwingungen in ihrem Kreise schliessen lassen. Zum Nachweis, dass wirkliche Schwingungen entstehen, wurde der Schwingungskreis mit einer Seibtschen Resonanzspule gekoppelt. Die primäre Selbstinduktion wurde hierbei unter Benutzung einer von einem Induktorium betriebenen Funkenstrecke so einreguliert, dass die Seibtsche Spule eine Viertelwelle aufnahm, was durch das Auftreten von Lichtbüscheln erkannt wird. Wurde nun an Stelle der Funkenstrecke wieder die mit 3000 Volt gespeiste Quecksilberlampe eingeschaltet, so erschienen kräftig leuchtende Lichtbüschel an der Spitze der Spule, welche so lange verblieben, bis der Flammenbogen ausgebildet war. Die Wellenlänge liess sich aus der Drahtlänge der Spule auf annähernd 1600 m schätzen, die Schwingungen hatten sonach eine Frequenz von annähernd 50 000 in der Sekunde. Durch Aenderung des Produktes LC liessen sich Schwingungen bis zu 106 in der Sekunde nachweisen. Es gelang jedoch hierbei nicht, die Erscheinung dauernd aufrecht zu erhalten, was dem zugeschrieben wurde, dass Maschinenspannung und Leistung zu gering waren. Versuche, die gleiche Erscheinung mit einer gewöhnlichen Funkenstrecke und einer solchen in Oel zu erhalten, blieben erfolglos. Bei einem folgenden Versuch, für den eine 5000 Voltmaschine mit einer Leistung von 3 Amp. in Verwendung genommen wurde, trat das beschriebene Phänomen wieder auf, aber auch nur für wenige Sekunden, wenn genügender Widerstand vor die Lampe geschaltet wurde. Wurde die Lampe ohne Widerstand an die Maschine gelegt und die Spannung allmälich gesteigert, so war zwar die Zündung zu erreichen, nicht aber das Schwingungsphänomen, weil die Lampe als Kurzschluss wirkte und die Sicherungen durchbrannten. Es schien sonach auch bei diesen Versuchen die Spannung noch nicht ausreichend zu sein. Die Hewittschen Versuche mit hochgespanntem Wechselstrome, bei welchen eine Unterbrecherwirkung, ähnlich wie bei den elektrolytischen Unterbrechern, beobachtet wurde, führten nun dahin, sich auch eines solchen Stromes zu bedienen und wurde zu diesem Zwecke ein Klingelfusssches Induktorium von 40 cm Funkenlänge durch eine Wechselstrommaschine von 180 Volt erregt, und mit der Sekundärspule die Quecksilberlampe und das parallelgeschaltete Schwingungssystem verbunden. An das Schwingungssystem wurden zwei Seibtsche Spulen gekoppelt, um die Grössenordnung und Intensität der Schwingungen beobachten zu können. Wurde das Induktorium primär mit etwa 6 Amp. erregt und das Seibtsche System auf Resonanz einreguliert, so erschienen an den Enden der Spulen mächtige Büschelbäume, die einen Raum von 40-50 cm Durchmesser erfüllten. Es schien, als ob hier das gesuchte Phänomen vorlag. Eine nähere Untersuchung lieferte jedoch ein ganz anderes Ergebnis. Zunächst wurde die Resonanzfälligkeit eines mit dem Hewittschen Unterbrecher erregten Braunschen Systems geprüft, indem als Resonanzindikator ein Riess – Braunsches Thermometer in den Primärkreis des Empfangssystems geschaltet wurde. Die Resonanzwirkung trat hierbei allerdings sehr kräftig auf, erwies sich aber lange nicht so ausgeprägt, wie sie hätte sein müssen, wenn der Erreger ungedämpfte Wellenzüge ausgesendet hätte, da das schwachgedämpfte Empfangssystem eine beträchtliche Verstimmung vertrug, ohne die Resonanz zu verlieren. Aus den Untersuchungen des Unterbrechungsvorganges in der Quecksilberlampe auf photographischem Wege ergab sich, dass innerhalb jedes Wechsels der Wechselstrommaschine stets eine Anzahl von Zündungen der Lampe auftrat, die durch relativ lange Pausen unterbrochen waren, in welchen die Lampe nicht brannte. Aus diesen Versuchen ging weiter hervor, dass der Vorgang bei dem Hewittschen Unterbrecher sich genau in der Weise abspielt, wie bei jeder bisher zur Erregung von Schwingungen benutzten Vorrichtung und stellt demnach die Quecksilberlampe nichts anderes als eine Vakuumfunkenstrecke dar, wobei die mit ihrer Hilfe erregten Wellen ihrem Charakter nach ganz identisch mit den unter Anwendung einer gewöhnlichen Funkenstrecke erhaltenen Wellen sind. Trotzdem bietet diese Lampe eine Reihe von Vorteilen. Diese Vorteile sind vor allem eine Folge des beträchtlich höheren Entladungspotentiales der Quecksilberlampe. Durch eine parallel geschaltete Funkenstrecke wurde diesesPotentiale in Uebereinstimmung mit Hewitt für eine Lampentype mit 14000 Volt ermittelt. Bei einer anderen Lampe, deren Vakuum sich im Laufe der Versuche stetig verbesserte, konnte sogar ein Entladungspotentiale von über 50000 Volt festgestellt werden. Die Quecksilberlampe gestattet ferner, im Gegensatze zu den gewöhnlichen Funkenstrecken, eine Steigerung des Entladungspotentiales, ohne eine gleichzeitige Steigerung der Schwingungsdämpfung zu bedingen, und ist man dadurch in der Lage, bedeutende grössere Energiemengen in die Schwingungen hineinzugeben. Es ist ferner die Neigung dieser Funkenstrecke, unwirksam zu werden, viel geringer, als bei Funkenstrecken in der Luft, weil leitende Metallgase ihre Leitfähigkeit viel rascher verlieren, wenn die erregende Ursache aufhört, als die Luft. Ob die Entladung in dem Quecksilberbogen mit geringerer Dämpfung erfolgt, als in den gewöhnlichen Funkenstrecken, konnte nicht nachgewiesen werden, doch sprechen die Ergebnisse der Resonanzversuche nicht dafür. Der Vorteil von Funkenstrecken im Vakuum ist nicht an die Quecksilberfunkenstrecke allein gebunden, sondern es muss jede metallische Funkenstrecke im Vakuum die gleiche, möglicherweise sogar noch grössere Vorteile aufweisen. Durchgeführte Versuche zeigten jedoch, dass solche Funkenstreken infolge des erhöhten Entladungspotentiales rasch unbrauchbar werden, weil die Metallelektroden einer sehr starken Zerstäubung unterliegen. Weitere Erwägungen führten nun zu der Anschauung, dass auch eine Gleichstromquelle das vollkommen gleiche Phänomen liefern müsse, wenn man sie durch genügende Selbstinduktion an eine Leidenerflasche anlegt und der Flasche einen die Quecksilberlampe enthaltenden Entladungskreis parallel legt. Um dies nachzuweisen, wurde eine Quecksilberlampe mit geringerem Vakuum, welche schon bei 5000-6000 Volt zündete, hergestellt, und die bereits erwähnte 5000 Voltmaschine als Stromquelle benutzt, wobei die Sekundärspule des Induktoriums als Selbstinduktion in die Zuführung zu der Leidenerflasche eingeschaltet wurde. Die Lampe erregte in der Tat dauernd den Schwingungskreis und nahm die Anzahl der Zündungen, wie beim Wechselstromkreis mit der Spannung der Maschine zu. Wurde dann bei den Gleichstromversuchen die Lampe durch eine gewöhnliche Funkenstrecke ersetzt, so traten die Schwingungen im Augenblick der Zündungen sehr energisch auf, es entwickelte sich aber alsbald ein kontinuierlicher Lichtbogen. Vergrössert man die Aufladezeiten, also die Pausen durch Vergrösserung der vorgeschalteten Selbstinduktion in ausreichendem Masse, so wurde bei diesen Funkenstrecken eine dauernde Entladung auch mit Gleichstrom erhalten. Hieraus ergibt sich, dass das Versagen der Funkenstrecken nur davon herrührt, dass die Pausen zwischen den einzelnen Zündungen nicht gross genug sind, um die Leitfähigkeit der Zwischenstrecke zum Verschwinden zu bringen. Diese Vorgänge wurden nun auch einer analytischen Behandlung unterzogen, welche für das Endziel, worauf die Bemühungen gerichtet waren, nämlich dauernd ungedämpfte Schwingungen zu erzielen, exakte Gesichtspunkte lieferten. Das Potentiale e zur Zeit t einer Leidenerflasche, an welche im Momente o eine Gleichspannungsquelle E angeschlossen wird, ist durch die Differentialgleichung bestimmt \frac{d^2\,e}{d\,t^2}+\frac{R}{L}\cdot \frac{d\,e}{d\,t}=\frac{e}{L\,C}=\frac{E}{L} wobei R den Widerstand, L die Selbstinduktion der Zuleitung und C die Kapazität der angehängten Leidenerflaschen bedeuten. Das Intergral dieser Gleichung ist mit Berücksichtigung der Grenzbedingungen e=E-\frac{2\,E\,\sqrt{L\,C}}{\sqrt{4\,L\,C-R^2\,C^2}}\cdot \varepsilon^{-\frac{R}{2\,L}\,l}\,sin\,\left\{\frac{\sqrt{4\,L\,C-R^2\,C^2}}{2\,L\,C}\,t+arctg\,\frac{\sqrt{4\,L\,C-R^2\,C^2}}{R\,C}\right\} (ε Exponentialfunktion). In dem Untersuchungsfalle betrug L =  1000 Henry, R = 12000 Ohm und C = 0,004.10–6 Farad. Es war demnach R2C < 4L. woraus auf einen oszillatorischen Ladungsvorgang geschlossen werden konnte, was auch durch die oszillographische Beobachtung bestätigt wurde. Da nun RC2 für den in Rede stehenden Fall gegen 4 LC zu vernachlässigen ist und die Phasenverschiebung mit \frac{\pi}{2} angenommen werden kann, so erhält man für das vorliegende Beispiel e=E\,\left\{1-\varepsilon^{\frac{R}{2\,L}}\,\frac{t}{\sqrt{L\,C}}\right\} oder e = E {1 – ε–6t cos O,5 . 103 t}. Textabbildung Bd. 318, S. 778 Fig. 3. Fig. 3 zeigt den Verlauf der berechneten und beobachteten Ladungskurven in ihrem ersten Teile für verschiedene E an. Zieht man eine Parallele zur Abszisse mit dem Werte des Entladungspotentiales, so wird durch den Schnittpunkt dieser Geraden mit den Kurven die Aufladungszeit bestimmt. Diese Zeiten betragen bei diesen Versuchen tausendstel von Sekunden. Wie sich aus den Kurven ersehen lässt, werden diese Zeiten um so geringer, je höher die Ladespannung getrieben wird. Da die Spannung bei Wechselstrom stetig steigt und fällt, werden die Zündungen zu Beginn des Ansteigens oder zu Ende des Abfallens viel seltener werden, als wenn die Spannung sich nahe dem Maximum befindet. Bei Gleichstrom ergibt sich hingegen eine völlige Uebereinstimmung der theoretischen und praktischen Zündungszeiten. Die Schwingungszahl der nach der Zündung im Schwingungskreise verlaufenden gedämpften Schwingungen betrug etwa 105 bis 106 in der Sekunde. Diese Schwingungen klingen jedoch sehr schnell ab, wenn man ein Braunsches System damit betätigt, und kann angenommen werden, dass höchstens 10 Schwingungen erfolgen, bis das Potential so weit herabgesunken ist, dass die Leitfähigkeit des Flammenbogens nicht mehr bestehen kann. Es wird sich somit der Entladungsvorgang innerhalb eines Zeitraumes von 10–4 bis 10–5 Sekunden abspielen, welche Zeit gegen die Ladungszeit tatsächlich sehr klein ist. Auf Grund dieser theoretischen Klarlegungen bietet es wohl wenig Schwierigkeiten, Wellenerreger auszubilden, diegeradezu unbegrenzte Mengen von Strahlungsenergie in Form von Zügen gedämpfter Wellen rationell in den Raum zu entsenden gestatten. Durch geeignete Wahl der Konstanten des Systemes, sowie durch Vergrösserung der Betriebsspannung, können die Pausen zwischen den einzelnen Zündungen so verkürzt werden, dass sich schliesslich ein Wellenzug an den anderen anreihen muss. Die Vakuumfunkenstrecke, welche den Ausgangspunkt dieser Bestrebungen bilden wird, gestattet nicht nur die Entladungsspannung im Gegensatze zur Luftfunkenstrecke bedeutend zu steigern, sondern auch die Pausen zwischen den einzelnen Entladungen sehr klein zu gestalten. Dass hierbei Gleichstromquellen wirksamer sein müssen, ergibt sich aus den vorhergehenden Klarlegungen von selbst. Da die Ladung der Kapazität periodisch erfolgt, wodurch im ersten Aste der Ladungskurve fast die doppelte Erregerspannung erreicht wird, braucht die normale Spannung der Maschine nicht einmal unter allen Umständen das Entladungspotential zu erreichen. Es werden aber hierfür dennoch ganz gewaltige Maschinen erforderlich sein und lässt sich die Leistungsfähigkeit einer solchen Maschine, wenn man durch Abkürzung der Zündungszeiten zu einer ununterbrochenen Aufeinanderfolge der Wellenzüge gelangt, mit einigen Tausend PS einschätzen. Aus den vorhergehend beschriebenen Versuchen erweist sich, dass das erstrebte Ziel, ungedämpfte elektrische Wellen von grosser Resonanzfähigkeit zu erzeugen, mit den bisherigen Anordnungen noch nicht erreicht ist. Es ergeben sich jedoch zwei Möglichkeiten, um dieses Ziel zu erreichen. Gelingt es, durch ein mit dem Wellenerreger gekoppeltes Ausstrahlungssystem der Oszillation so viel Energie zu entziehen, dass schon die zweite Schwingungsperiode auf eine verschwindende Amplitude gedämpft wird, so muss der geschilderte Vorgang in den Gesuchten übergehen, weil dann sofort eine neue Zündung entstehen müsste, und die Einzelimpulse aneinandergereiht, die Ausstrahlung dauernder, ungedämpfter elektrischer Wellen bedingen würde. Andererseits kann mit unsymetrischen Funkenstrecken, das sind solche, bei welchen die Zündung in dem einen Sinne eine grössere Spannung erfordert wie in dem anderen (Ventilwirkung,) möglicherweise der Ablauf der oszillatorischen Entladungen auf ein einziges Abströmen beschränkt werden. Legt man hierbei die Spannung so an, dass die Entladung der Kapazität mit der kleineren Spannung erfolgt, so muss sich folgender Vorgang abspielen: Vorerst ladet sich die Kapazität auf, sodann entladet sich die Kapazität durch die Funkenstrecke und wird weiter durch das Rückströmen, die Kapazität umgeladen. Ein Rückströmen der Flaschenladung wird aber durch die Ventilwirkung unmöglich und muss daher der Ausgleich gegen die Stromquelle erfolgen, wodurch die Funkenstrecke nicht leiten wird. Dieser Vorgang wiederholt sich in ununterbrochener Reihenfolge und wäre demnach der Kapizitätskreis von einem hochfrequenten Wechselstrome dauernd durchflössen. Die beiden Herren glauben nun, in einer unsymetrischen Quecksilberlampe ein entsprechendes Verhalten gefunden zu haben. Durch diese Untersuchungen sind sehr wichtige Anhaltspunkte für die Weiterentwicklung der Funkentelegraphie gewonnen und scheinen seitens der Verfasser auch bereits praktisch der Verwertung zugeführt zu sein, nachdem bereits ein diesbezügliches Patent zur Anmeldung gelangte.