Fortschritte auf dem Gebiete der Funkentelegraphie. Von Ingenieur Otto Nairz, Charlottenburg. (Fortsetzung von S. 761 d. Bd.) Fortschritte auf dem Gebiete der Funkentelegraphie. Als wichtigste Neuerung seit vielen Jahren auf dem Gebiete der Funkentelegraphie ist die Verwendung ungedämpfter Schwingungen zu erwähnen. Man verdankt diesen Fortschritt dem Dänen Poulsen, ich muss jedoch gleich hier bemerken, dass es jetzt auch der Gesellschaft für drahtlose Telegraphie (Telefunken) gelungen ist, auf etwas anderem Wege das gleiche Ziel zu erreichen, wodurch sie sich die 1½ Millionen Mark gespart hat, für welche Poulsen seine Erfindung an die De Forest amalgamated Compagny verkaufte. Der Grundgedanke des Verfahrens zur Erzeugung ungedämpfter Schwingungen stammt übrigens bereits von DuddellW. Duddell, The Electrician 1900, S. 266 u. 310.. Textabbildung Bd. 321, S. 778 Fig. 20. Er nahm einen gewöhnlichen Gleichstrom-Lichtbogen zwischen Homogenkohlen und schaltete ihm einen Kondensator C und eine Selbstinduktionsspule L parallel (Fig. 20). Beim Einschalten erfolgt dann die Ladung des Kondensators sowie eine weitere Entladung über den Bogen. Nun kann aber, wie bekannt, eine aus Kapazität und Selbstinduktion (allgemein Elastizität und Trägheit) bestehendes System Eigenschwingungen ausführen, die einmal eingeleitet weiter bestehen, wenn jener Betrag an Energie stets wieder vom Bogen ersetzt wird, der pro Schwingung verloren geht. Die Folge ist ein dem Bogengleichstrom überlagerter Wechselstrom von der angenäherten Frequenz v=\frac{1}{2\,\pi\,\sqrt{C\,L}}, und der Lichtbogen erweist sich als Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer. Wenn auch die Frequenz eine so hohe ist, dass unser Auge nichts mehr davon merkt, so bringt natürlich der Wechselstrom Schwankungen der Temperatur des Bogens mit sich, welche sich als Verdichtungen und Verdünnungen der Luft mitteilen d.h. hörbar sind solange die Frequenz innerhalb etwa 20 und 40 000 liegt. (Hierauf beruht bekanntlich auch der in der drahtlosen Telephonie verwendete sprechende Bogen von Prof. Simon) In der Sammlung des Elektrotechnischen Laboratorium der Charlottenburger Technischen Hochschule befindet sich ein solcher Duddellscher Lichtbogen, der nach den Angaben des Direktors des genannten Institutes, Prof. Slaby derart gebaut ist, dass zum konstanten Kondensator von 2,75 Mikrofarad, Spulen von verschiedener Windungszahl mittels einer Klaviatur in Reihe geschaltet werden können, so dass die Eigenfrequenzen des Kreises akustisch die Töne: cis, d, e, fis, g, a, h darstellen. Die erzeugten Schwingungen hören sich wegen ihrer zwischen 6000 und 12000 liegenden Frequenz als Pfeiftöne an, sie werden desto tiefer, je grösser Kapazität bezw. Selbstinduktion, und desto höher, je kleiner diese sind. Mittels der Klaviatur kann man nun dem Bogen einfache Melodien entlocken, die allerdings ein feines musikalisches Ohr in die Flucht jagen können, da auch die Bogenlänge Einfluss auf die Tonhöhe hat. Den ganzen Apparat zeigt Fig. 21, links ist der Vorschaltewiderstand, der gestattet die Lampe, welche mit ungefähr 40 Volt brennt an die Netzspannung von 110 Volt anzulegen und unmittelbar dahinter der Kondensator aus paraffiniertem Papier und hinter diesem die veränderliche Spule. Rechts ist die Klaviatur und die Lampe, welche für Handregulierung eingerichtet ist. Bringt man zwischen Gleichstromquelle und Bogenlampe Drosselspulen an, so kann der Wechselstrom sich nicht über erstere ausgleichen und die Erscheinung kommt leichter zustande. Fehlen die Drosselspulen und liegen an derselben Batterie bezw. Maschine noch mehrere Bogenlampen parallel, so pfeifen sämtliche im Chore mit. Im Photometerzimmer des Laboratoriums pflegt immer unter den jüngeren Semestern Aufregung zu entstehen, wenn die Bogenlampe, deren Lichtausbeute gemessen werden soll, „Heil Dir im Siegerkranz“ zu pfeifen anfängt. Textabbildung Bd. 321, S. 778 Fig. 21. Die pfeifende Bogenlampe. Schaltet man dem Bogen einen möglichst grossen Papierkondensator von etwa 26,5 Mikrofarad ohne Spulen parallel, so fliessen in diesem Kreise bis zu 25 Ampere wattloser Wechselstrom, der gegenüber der Spannung nahezu 90° Phasenverschiebung und zwar Voreilung hat. Der Lichtbogen gibt dann einen lauten tiefen Ton von sich und scheint bei Abschaltung des Wechselstromkreises um ebensoviel mehr Licht zu spenden, als vorher Gleichstromenergie in Wechselstromenergie verwandelt wurde. Die Stromstärke im Gleichstromkreis beträgt ungefähr 6 Ampere. Gibt man eine Spule von etwa 100 Windungen mit Eisenkern in den Stromkreis, so wird der Ton noch tiefer, gleichzeitig aber die Stromstärke geringer. Eine kernlose Spule von sehr vielen Windungen darüber geschoben und die Drahtenden mit einer Glühlampe von fünf Normalkerzen verbunden, entzieht dem Wechselstrom etwa 15 Watt Energie und lässt die Lampe hell leuchten. Der Bogen nimmt dabei um 30 Watt mehr auf. Dies scheint so ziemlich das äusserste zu sein, was man dem Bogen zumuten darf, er geht sonst gerne aus, bezw. das Pfeifen verstummt und der Wechselstrom versigt. In bescheidener Weise kann man übrigens auch die sogenannten Thomson-Versuche anstellen, nämlich einen Metallring, der über die vom Wechselstrom durchflossene Spule gelegt wurde, abstossen lassen. Der Bogen ist aber nicht nur ein einfacher Gleichstrom-Wechselstromumformer, sondern er bläst den Wechselstrom in Resonanz mit dessen Eigenfrequenz an. Der Effekt ist derselbe wie bei einem Wechselstromgenerator, der eine Frequenz liefert, welche genau der Eigenfrequenz des angeschlossenen Kreises entspricht und durch die Konstanten: Kapazität und Selbstinduktion gegeben ist. Es herrscht dann Resonanz in demselben und nach den Wechselstromgesetzen erlangt die Stromstärke den höchsten erreichbaren Wert bei gänzlichem Fehlen einer Phasenverschiebung. Am Lichtbogen messen ein Hitzdrahtvoltmeter und ein Westoninstrument (das nur auf Gleichstrom anspricht) nicht den gleichen Spannungswert. Ersteres nimmt die geometrische Summe von Gleich plus Wechselspannung \sqrt{{E_g}^2+{E_w}^2} auf, letzteres ausschliesslich die erstere (Eg). Man ist hierdurch imstande, die wirksame (sogenannte aufgedrückte) Wechselspannung Ew zu berechnen. In Wechselstromkreisen, in welchen Resonanz herrscht, ergibt sich die Stromstärke J (wie im Gleichstromkreise) aus \frac{E_w}{w} worin w den gesamten Widerstand des Kreises bedeutet. Am Kondensator, sowie auch an der Spule herrschen dabei weit höhere Spannungen wie Ew, dieselben berechnen sich aus E_c=\frac{J}{\omega\,c} und E L = JωL, wenn C und L Kapazität und Selbstinduktion und \omega=\frac{2\,\pi}{T} (T Schwingungsdauer) bedeuten. Diese Spannungen sind einander entgegengesetzt gleich, gegenüber dem Strom um 90° in der Phase verschoben, und zwar eilt die Spannung an der Selbstinduktion demselben um 90° voraus und die am Kondensator hinkt nach. Mit einem derartigen Bogen wollte es indessen nicht gelingen, zu den Frequenzen zu kommen, welche die drahtlose Telegraphie erst lebensfähig machen, nämlich die Grössenordnung der Million. Am weitesten kam noch Wertheim SalomonsonK. A. Wertheim Salomonson, Versl. K. Ak. von Wet. 381. 1902/3., der eine Frequenz von etwa 260000 erreichte. Die Theorie des selbsttönenden Bogens ist durch die eingehenden und äusserst wertvollen Untersuchungen Prof. SimonsH. Th. Simon. Physik. Zeitschr. 6. 297, 1905 u. 7. 433, 1906. gegeben, aber wie es häufig vorkommt, ist es doch nicht diesem Forscher, obwohl ihm dasselbe Ziel vorschwebte, gelungen das Duddell-Phänomen für die Funkentelegraphie nutzbar zu verwerten, sondern einem Praktiker, dem dänischen Ingenieur Poulsen, demselben, der sich bereits durch das Telegraphon einen Namen machte. Zeigt sich aber einmal ein Weg nach einem bestimmten Ziele, so gelingt es meist sehr bald auch auf anderen dasselbe zu erreichen. Für gewöhnlich ist die Kurve, welche den Spannungsabfall an einem Leiter als Funktion der Stromstärke darstellt, die sogenannte Charakteristik \left(\frac{d\,V}{d\,J}\right) eine steigende; bei Gasen, beim Nernstäbchen, jedoch eine fallende. Dasselbe muss, wie schon Duddell erkannte, für Lichtbogen erfüllt sein, wenn Schwingungen auftreten sollten. Es muss -\frac{d\,V}{d\,J}\,\geq\,w, d.h. der Lichtbogenwiderstand muss negativ und zum mindesten gleich gross mit dem ohmischen Widerstand des Schwingungskreises sein, also mit einer Zunahme der Stromstärke muss eine Abnahme der Spannung Hand in Hand gehen. Nach Simon sollte es auf Grund nachfolgender Gesichtspunkte möglich sein, höhere Schwingungszahlen zu bekommen: hohe Betriebsspannung, aber kleine Stromstärke bei grosser Wärmeableitung. Letztere Bedingung erfüllen Metallelektroden oder Kohlenelektroden in einem Gase von grosser Wärmeleitfähigkeit wie Wasserstoff oder Helium. Mit Dochtkohlen, die gerade entgegengesetztes Verhalten zeigen, sind tatsächlich nicht einmal die vorhinerwähnten relativ niederen Frequenzen erreichbar. Es handelt sich also darum, den verhältnismässig kleinen Lichtbogenwiderstand künstlich zu vergrössern und den Widerstand im Schwingungskreise tunlichst zu verkleinern. Der Weg. den Poulsen ging, ist gekennzeichnet durch Verwendung von Wasserstoff, dessen Wärmeleitfähigkeit nur von jener des viel zu teueren Helium übertroffen wird, während es alle anderen Gase weit überragt. Den Bogen liess er auftreten zwischen einer Kohlenanode, welche als wenige Zentimeter dicke Scheibe durch ein Uhrwerk langsam gedreht wurde und einer Kupferkathode, welche der Kohlenscheibe an deren Umfang gegenüberstand. Das Ganze war in einer Wasserstoffatmosphäre angeordnet, dabei der Bogen sehr kurz; er soll noch besser gearbeitet haben, wenn er im starken, möglichst gleichmässigen Felde eines mit ihm in Reihe geschalteten Elektromagneten brannte. Es gelang Poulsen damit auf etwa 300 km zu telegraphieren. Parallel zum Bogen befanden sich ein grosser Kondensator und eine Selbstinduktionsspule, an welcher einerseits die Antenne und andererseits das Gegengewicht angebracht waren. Um dem Bogen immer möglichst gleichviel Energie zu entziehen, war noch ein zweiter Schwingungskreis abwechselnd an den Bogen gelegt und zwar dann, wenn nicht gegeben wurde. Der Schwingungskreis darf keinen grossen Widerstand haben, wenn überhaupt Schwingungen auftreten sollen, man muss deshalb auch Kondensatoren verwenden, in denen die Umpolarisierungsarbeit gering ist. Auch die Ohmschen Widerstände müssen natürlich auf ein Mindestmass herabgesetzt werden, desgleichen die Strahlung, die für die Schwingung ja auch als ein Widerstand aufzufassen ist. Die Verwendung stark strahlender Luftleiteranordnungen, wie Harfen, Trichter und dergl. wird also zugunsten der Schirmantennen vermieden werden müssen. Bis auf die Verluste durch Ohmschen Widerstand lassen sich die anderen ziemlich reduzieren. Erstere sind bekanntlich bei schnellen Schwingungen wegen deren Oberflächenwirkung bis zu zehnmal grösser als bei langsamer Frequenz oder Gleichstrom. Spulen haben ferner um weitere ungefähr 50 v. H. höhere Widerstände. Offenbar wird überhaupt der beste Wirkungsgrad der Anordnung dann erzielt, wenn der Nutzwiderstand (Strahlung) gleich dem ohmschen ist.A. Slaby. Die Abstimmung funkentelegraphischer Sender. E. T. Z. 1905, S. 1155. Wohl ist die Stromstärke bei den ungedämpften Schwingungen eine viel geringere als die Anfangsamplituden bei den durch Funkenentladungen ausgelösten. Die Wirkung auf einen in Resonanz befindlichen Empfänger kann jedoch trotzdem bedeutend werden, wenn man bedenkt, dass eine Glocke ebensogut geläutet werden kann durch fortgetetzte schwache Impulse, wie durch wenige aber starke. Freilich muss der Widerstand im Empfänger so klein wie möglich gemacht, insbesondere die Energie verzehrenden Detektoren wie etwa die Schlömilchsche Zelle in besonderer Weise angeordnet werden. Die Energie, welche durch den elektromagnetischen Wellenschlag des Aethers auf den Empfänger übertragen wird, ist pro Schwingung gleich EwJ, da beide gleichphasig sind, und weil Ew konstant also proportional J. Die im Empfänger pro Schwingung verzehrte Energie ist J2w, wächst also in viel schnellerem Masse. Wenn somit w nicht sehr klein ist, sind keine grossen Amplituden erreichbar. Dies gilt natürlich in ganz ähnlicher Weise auch für das alte Verfahren durch gedämpfte Wellenzüge im resonierenden Empfänger Schwingungen hervorzurufen. Es ist jedoch vollständig gleichgültig, ob die für den Detektor zum Ansprechen nötige Amplitude nach 10 oder 100, oder gar erst nach 1000 Schwingungen erreicht wird. Die Zeit, die in letzterem Falle benötigt wird, beträgt ja auch nur 1/1000 Sekunde. Wenn eine durch den Funken ausgelöste Kondensatorentladung verglichen werden kann mit den wenigen Schwingungen, die ein Pendel ausführt, nachdem es einmal aus seiner Gleichgewichtslage gebracht wurde, so müssen die ungedämpften Schwingungen in Vergleich gebracht werden mit den fortdauernden eines Uhrpendels, dem durch das Uhrwerk fortgesetzt die verloren gegangene Energie nachgeliefert wird. In anderer Weise wie Poulsen machte die Gesellschaft für drahtlose Telegraphie den Bogen der Funkentelegraphie dienstbar, wenn man noch so sagen darf, wozu infolge des vollständigen Mangels an Funken kaum mehr Berechtigung besteht. Sie erhöhte die Spannung durch Hintereinanderschaltung von sechs und mehr Bogen und vergrösserte den Widerstand durch Wasserkühlung der Kupferelektrode. Letztere ist als Gefäss ausgebildet, dessen Boden nach unten zu hohl erscheint und sich über der Homogenkohle wölbt. Da die Spannung an den Klemmen des Kondensators bei weitem nicht so hohe Beträge annimmt, wie sie früher verwendet wurden, konnte der Plattenabstand klein gemacht werden, so dass der Kondensator trotz seiner hohen Kapazität verhältnismässig klein ist. Der Bogen lässt sich nicht sehr viel Energie entziehen, ohne aus dem Tritt zu fallen, wie man sich leicht überzeugen kann, wenn man Widerstand in den Schwingungskreis einschaltet. In der Praxis wird man dies aus zwei Gründen vermeiden müssen: erstens hört die Schwingung auf, wenn der Lichtbogenwiderstand \left(\frac{d\,V}{d\,J}\right) gleich jenem im Schwingungskreise wird, und zweitens ist die Stromstärke in diesem Kreise (welche die Fernwirkung bedingt) dem Widerstand umgekehrt proportional. Man soll indessen den Bogen bis zu 70 v. H. (?) Energie entziehen können, so dass sich auch der Wirkungsgrad in der drahtlosen Telegraphie bessern dürfte. Aber nicht derartige Gründe sind massgebend um den ungedämpften Schwingungen jene Bedeutung zu verleihen, die ihnen zweifellos zukommt. Es ist die Abstimmschärfe, die den Ausschlag gibt. Textabbildung Bd. 321, S. 780 Fig. 22. Angenommen ein Sender strahlt eine ganz bestimmte Wellenlänge in den Raum aus, so wird ein Empfänger zu erzwungenen Schwingungen angeregt, welche auch dessen Eigenschwingungen auslösen. Wenn man die Eigenfrequenz oder Wellenlänge des Empfängers, die erst kleiner sei als jene des Senders, vergrössert, indem man seine Kapazität oder Selbstinduktion (bezw. Drahtlänge) vergrössert, so misst man einen Verlauf für die Stromstärke, wie ihn die Kurve Fig. 22 wiedergibt. Der Strom erreicht seinen Höchstwert für den Fall der Resonanz, d.h. dem Uebereinstimmen der Eigenfrequenzen beider Systeme. Diese sogenan. Resonanzkurve hat aber durchaus nicht immer genau dieselbe Gestalt. Je grösser nämlich die Summe der Dämpfungen in beiden Kreisen ist, desto flacher wird sie, bezw. ihr Krümmungsradius um so grösser. Bei ungedämpften Schwingungen wäre sie unendlich spitz, wenn auch die Dämpfung im Empfänger den Wert Null hätte. Diese hat jedoch einen endlichen Wert, der viel kleiner sein kann als die Dämpfung eines Senders mit Funkenstrecke. Wenn man nun annimmt, dass der benutzte Wellendetektor auch noch anspricht, wenn die Schwingungsamplitude um 50 v. H. kleiner ist als ihr Höchstwert (Resonanz), so ist leicht einzusehen, dass das Wellengebiet, in welchem der Detektor anspricht, ein um so grösseres ist, je gedämpfter die Schwingungen sind. Bisher war die Gesellschaft für drahtlose Telegraphie in der Lage noch mit Wellenlängen zu arbeiten, die etwa 3 v. H. auseinanderlagen, was auch nur durch die Benutzung gekuppelter Sender mit verminderter Strahlungsdämpfung (Schirmantennen) möglich war. Die ungedämpften Schwingungen gestatten aber mit Wellen zu arbeiten, die nur um 1 v. H. auseinander liegen. Es können also durch sie viel mehr Stationen gleichzeitig arbeiten ohne sich gegenseitig zu stören, was bei der heutigen grossen Anzahl derselben von enormer Bedeutung ist. (Fortsetzung folgt.)