DIE PROBLEME DER SCHWACHSTROMTECHNIK. Von Prof. Dr. H. Barkhausen, Dresden. (Schluß von S. 517 d. Bd.) BARKHAUSEN: Die Probleme der Schwachstromtechnik. Während, wie schon gesagt, das Telephonieren auf kurze Entfernungen praktisch fast gar keine Schwierigkeiten machte, traten bei langen Leitungen, insbesondere bei Kabeln eigenthümliche störende Einflüsse auf, die jede Verständigung unmöglich machten. Man erkannte bald als Ursache die Kapazität der Leitung, dieselbe, die schon bei den langen unterseeischen Kabeln die Telegraphie erschwert hatte. Lange bemühten sich die Praktiker vergeblich, durch allerhand Vorrichtungen Abhilfe zu schaffen, bis endlich die Frage zunächst rein theoretisch am Schreibtisch gelöst wurde. Der Amerikaner Pupin wies rechnerisch nach, daß durch Zwischenschalten von Drosselspulen in die Leitungen die Ströme verstärkt werden müssen, was nach den gewöhnlichen Anschauungen des Elektrotechnikers sehr paradox klingt; die Versuche zeigten aber, daß die Theorie recht hatte, und die Pupin-Spulen werden jetzt auf allen längeren Leitungen ausgiebig angewendet. Die telephonische Uebertragung der Sprache ist aber nur der eine Theil der Telephontechnik. Der andere befaßt sich mit den Telephonumschaltstellen in den großen Telephonämtern, wo die Verbindungen zwischen den einzelnen Theilnehmern hergestellt werden. Wenn es an theoretischen Problemen auch hier nicht fehlt, so sind doch die praktischen und wirthschaftlichen Fragen dabei weit überwiegend. Bei großen Aemtern spielt z.B. die Platzfrage und die Anordnung der Leitungen eine wichtige Rolle. Schon ein Verbindungsamt für 10000 Theilnehmer erfordert einen ziemlich ausgedehnten Raum. Zur Bedienung sind etwa 100 Beamtinnen erforderlich und für jede eine große Schalttafel. Viel mehr Theilnehmer lassen sich überhaupt nicht in einem Amte vereinigen, da die einzelnen Schalttafeln dann zu groß würden. In Dresden konnten z.B. eine Zeit lang nur Damen mit genügender Körpergröße angestellt werden, da sie sonst die entfernteren Nummern nicht mehr erreichen konnten. Eine Untertheilung in mehrere Aemter bringt aber wieder mancherlei Komplikationen mit sich und ist für den Theilnehmer recht unbequem, weil er dann mit zwei Beamtinnen zu verhandeln hat, bevor er seine Verbindung bekommt. Ganz besonderes Interesse beanspruchen daher in neuerer Zeit die selbsttätigen Aemter, bei denen überhaupt keine Beamtinnen mehr tätig sind, sondern jeder Theilnehmer sich die gewünschte Verbindung selbst herstellen kann durch einfaches Drehen an einer Nummernscheibe seines Apparates. Ein außerordentlich kühner Gedanke! Man bedenke, bei einem Amte mit 100000 Theilnehmern – ein solches wird zurzeit in München gebaut, die ersten Unterämter sind schon in Betrieb – bei einem solchen Amte, wo jeder Theilnehmer die Möglichkeit haben muß, sich mit jedem anderen zu verbinden, ist die Zahl der möglichen Verbindungen 100000 × 100000 = 10000 Millionen, 10 Milliarden! Der nächstliegende Gedanke für eine selbsttätige Herstellung der Verbindungen, jedem Theilnehmer individuell einen Apparat zuzuordnen, der ihn mit allen übrigen verbinden könnte, würde zu ganz hoffnungslosen Dimensionen führen. Allein, um die 10 Milliarden Drähte an die fertigen Apparate anzulöten, würden etwa 100 Arbeiter 100 Jahre lang zu tun haben. Da sind es denn besonders zwei geschickte Kunstgriffe, die eigentlich erst die Herstellung eines größeren selbsttätigen Amtes ermöglichen. Der erste besteht darin, daß man nicht jedem Theilnehmer einen eigenen Anschlußwähler gibt, sondern für je 100 Theilnehmer zusammen nur 10 Wähler vorsieht, die die Beamtinnen ersetzen. Jeder Theilnehmer wird, erst wenn er anruft, durch das Abheben seines Hörers selbsttätig mit irgend einem der 10 Wähler, der gerade frei ist, verbunden. Durch diesen einfachen Gedanken wird mit einem Schlage die Zahl der Apparate auf den zehnten Theil herabgesetzt. – Aber auch das würde noch nicht ausreichen. Die einzelnen Apparate, von denen jeder Anschlußverbindungen nach allen 100000 Theilnehmern erhalten müßte, würden immer noch zu groß und kompliziert. Da schafft nun der zweite Kunstgriff Abhilfe, die systematische Eintheilung der Theilnehmer in Gruppen und Untergruppen nach dem Dezimalsystem. Man wählt erst die 10000 er Gruppe der verlangten Nummer, dann die Tausender, Hunderter, Zehner und Einer. Der Wahlvorgang beschränkt sich dann jedes Mal nur auf die Auswahl eines unter 10 Anschlussen. Die Apparate werden dadurch verhältnismäßig einfach und für den Fachmann übersichtlich. Wer zum ersten Male ein selbsttätiges Amt in vollem Betrieb sieht, wird sich des Staunens nicht erwehren können. In einem großen Saale weiter nichts als lange Reihen kleiner Apparate, alle in Reihe und Glied aufgestellt, jeder mit einer Unmenge von Hebeln, Kontakten und Relais versehen. Bald hier, bald da kommt Leben in einen solchen Apparat, das klappert geschäftig, hebt sich, dreht sich, aber, sobald man richtig hinsehen will, ist schon alles wieder in Ruhe und das Geklapper geht an einer anderen Stelle los. – Die Geschwindigkeit und Sicherheit, mit der die Apparate arbeiten, ist geradezu verblüffend. Man bedenke, zur Herstellung einer einzigen Verbindung werden mehrere hundert Kontakte in Bewegung gesetzt und keiner darf versagen. Und das alles innerhalb 2–3 Sekunden. Ganz besondere Anforderungen werden hier an die Kontakt machenden Magnetspulen, die Relais, gestellt. Manche müssen ihre Aufgabe, das Ankeranziehen, in einigen tausendstel Sekunden ausführen, andere wieder ganz langsam, in 1–2 Sekunden, um für Zwischenoperationen Zeit zu gewähren. Das allein schon gibt Probleme, die theoretisch wie praktisch gleich interessant sind. Außer der Telegraphie und Telephonie gibt es aber noch eine Fülle anderer Apparate, die zur Nachrichtenübermittlung dienen. Da sind zunächst die Kommandoapparate zu nennen, bei denen durch die Einstellung des Gebers am Empfänger ein Feld mit der betreffenden Kommandoaufschrift erscheint. Solche Apparate sind für die modernen Kriegsschiffe geradezu unentbehrlich. Das rührt davon her, daß ein solches Schiff einen einheitlichen großen Organismus bilden muß, der von einer Zentralstelle aus zu leiten ist und bei dem alles und jedes weitgehend ineinandergreift. Der Geschützführer in einem modernen Panzerturme z.B. ist, bis auf ein kleines Zielloch, vollständig von der Außenwelt abgeschlossen; die Lage des Zieles, die Entfernung des Zieles, ja auch die Eigengeschwindigkeit des Schiffes, die eine wesentliche Korrektion beim Zielen bedingt – alles muß ihm von außen mitgetheilt werden. Bei den verschiedenen Ausführungsformen dieser Kommandoapparate treten häufig die gleichen Probleme wie beim Dynamobau, nur in veränderter Form wieder auf. So kam z.B. beim Ausprobieren eines neuen Systems der recht lustig wirkende Fall vor, daß die Empfängerscheibe, statt sich fest auf das betreffende Kommando einzustellen, nach einigen Schwingungen anfing, sich im Kreise zu drehen, und alle Kommandos: „Stopp“, „halbe Kraft voraus“, „äußere Kraft zurück“ führten einen immer schneller werdenden Wirbeltanz auf. Der Apparat arbeitete einfach als Kurzschlußmotor. Während man aber bei: diesem eine möglichst ökonomische Rotation hervorrufen will, muß hier umgekehrt das Rotieren verhindert werden: und das war auch nicht schwer zu erreichen, nachdem erst der Grund erkannt war. Ein anderes nicht uninteressantes Problem bildet die: elektrische Klingel. Die gewöhnliche Hausklingelanlage mit ihrem Tableau und Fallklappen stellt die primitivste Art einer Kommandoanlage dar, und man sollte glauben, daß an einem so einfachen Apparate wissenschaftlich nichts Beachtenswertes zu finden sei. Und doch haben Gelehrte wie Helmholtz und Rayleigh sich eingehend mit dieser Klingel beschäftigt. Die Theorie zeigt nämlich zunächst, daß eine solche Klingel eigentlich gar nicht klingeln dürfe. Das ist natürlich so zu verstehen, daß die Theorie an sich zwar richtig, aber die Voraussetzungen, die noch jetzt in fast allen Lehrbüchern der Theorie zugrunde gelegt werden, falsch sind. Betrachtet man daraufhin den einfachen Vorgang noch einmal schärfer, so sieht man bald, wo die Angaben zu ändern sind, und dann ist es der Klingel auch theoretisch gestattet, ihren Klöppel schwingen zu lassen. Das mag manchem als eine spitzfindige Spielerei der Gelehrten erscheinen, zumal bei der praktischen Ausführung diese Theorie so gut wie gar nichts nützt. Und doch umfaßt gerade dieses Problem: eine durch alle Gebiete der Physik und Technik verbreitete Erscheinungsgruppe, das selbsttätige Auftreten: von Schwingungen. Wir können das oft an einem unermüdlich hin- und herschwingenden Blatte eines Baumes; beobachten; auch die mit dem Violinbogen angestrichene Saite oder die angeblasene Orgelpfeife sind Beispiele dafür: überall Schwingungsbewegungen ohne direkt ersichtliche Ursache. Ein elektrisches, ganz ähnliches Problem ist der tönende Lichtbogen, der für die drahtlose Telegraphie von so großer Bedeutung geworden ist. So entspringen oft aus unscheinbaren Vorgängen wichtige Gesetze, und diese geben wieder über ganz neue Erscheinungen auf ganz anderem Gebiete Aufschluß. Die Kommandoapparate, die übrigens auch in vielen anderen Betrieben, z.B. Bergwerken und Bahnhöfen, von Wichtigkeit sind, können auch leicht zu Ueberwachungsapparaten ausgebildet werden. Der Geber wird dann statt vom Kommandierenden, selbsttätig von dem Zustand eingestellt, den man überwachen will, z.B. vom Wasserstand eines Reservoirs oder Flusses, von der Stellung eines Steuerruders, von der Umlaufszahl eines Motors, von der Temperatur eines Raumes. Am Empfänger kann man dann an einer beliebig weit entfernten Stelle den momentanen Zustand ablesen. Viel einfacher werden diese Apparate, wenn man sich darauf beschränkt, nur ein oder zwei besonders wichtige Zustände anzuzeigen, z.B. wenn ein Reservoir voll oder leer ist. Solche Sicherheitsapparate werden auf allen Gebieten sehr viel verwandt, besonders auch in Verbindung mit selbsttätigen Sperrvorrichtungen. Ein Fahrstuhl z.B. kann nicht eher in Bewegung gesetzt werden, als bis alle Türen ordnungsmäßig verriegelt sind. Eine sehr wichtige Rolle spielen solche Vorrichtungen bei dem Eisenbahnsicherungswesen, das wieder eine ganze Wissenschaft für sich bildet und hier nicht weiter berührt werden soll. Es würde uns auch zu weit führen, auf die Feuermelder, elektrischen Uhren und ähnlichen Anlagen, die manches interessante Problem bieten, näher einzugehen; wir wollen uns vielmehr zum Schluß nur noch einem anderen großen Gebiete der Schwachstromtechnik zuwenden: der Meßtechnik. Die elektrischen Messungen sind neben der Wage und den astronomischen Messungen die genauesten in der Physik. Es macht z.B. gar keine Schwierigkeiten, zwei Widerstände auf ein Hunderttausendstel genau zu vergleichen. Daher sucht man auch alle genaueren Messungen auf anderem Gebiete, wenn möglich durch elektrische zu ersetzen, z.B. Temperaturmessungen durch die Messung der elektromotorischen Kraft eines Thermoelementes. Da sich die elektrischen Messungen außerdem noch durch große Einfachheit und Bequemheit auszeichnen, so wird auch nirgends so viel gemessen wie gerade in der Elektrotechnik. Nehmen Sie z.B. ein elektrisches Automobil: Da ist vorn in bequemster Lage zum Ablesen für den Fahrer ein kleiner Kasten mit zwei Zeigern und zwei Skalen angebracht, an denen er ständig ablesen kann, was sein Motor tut; er sieht daran, wenn die Ladung der Batterie zur Neige geht: er sieht, wenn sich der Motor bei Steigungen anstrengt; er sieht, wenn er sich überanstrengt und wenn etwas nicht in Ordnung ist; alles an zwei einfachen Meßinstrumenten, Strom- und Spannungsmesser. Auf keinem, anderen Gebiete der Technik ist eine derartige dauernde Kontrolle aller Verhältnisse mit so einfachen Mitteln möglich. Allerdings ist sie auch nirgends so nötig, da sich die Elektrizität nicht direkt bemerklich macht. Wir haben keinen eigenen Sinn für sie, darum müssen wir uns in den Meßinstrumenten künstliche Sinne verschaffen. Ohne sie würde der Starkstromtechniker im dunkeln tappen; er könnte die Erscheinungen nicht beherrschen, und dürfte es nicht wagen, so gewaltige elektrische Kräfte im Starkstrom zu zweckmäßiger Arbeit zu zwingen. Bei den Schwachstromanlagen ist das Messen viel weniger nötig, da es ja hier auf eine vollständige Energieausnutzung nicht ankommt und Störungen nicht gleich so gefährliche Dimensionen annehmen wie in der Starkstromtechnik. Ueberdies verursachen die Schwachstrommessungen auch viel größere Schwierigkeiten sowohl für den Bau als auch für den Gebrauch der Instrumente. Wegen der geringen Energie müssen die Instrumente sehr empfindlich gemacht werden, und andererseits müssen bei der Messung selbst besondere Vorsichtsmaßregeln gebraucht werden, damit nicht schon durch das bloße Einschalten des Instrumentes die Verhältnisse gänzlich geändert werden. Besonders schlecht ist es bei der drahtlosen Telegraphie mit der Meßtechnik bestellt. Bei so enorm hohen Frequenzen ist der Stromverlauf wegen des Vorherrschens von Induktivität und Kapazität von dem normalen durchaus abwelchend. Die gewöhnlichen Meßinstrumente versagen hier fast gänzlich und zeigen durchaus falsche Werte an. Es war in der Gründerzeit der drahtlosen Telegraphie sehr beliebt, durch geschickte Auswahl eines passenden Meßinstrumentes mit den schlechtesten Vorrichtungen die höchsten Wirkungsgrade zu demonstrieren, manchmal aus Versehen sogar über 100 v. H. Man hat zum Theil ganz neue Methoden zur Messung ersinnen müssen, die Hochfrequenzmeßtechnik ist ein eigenes Gebiet für sich geworden. Schon bei gewöhnlichem Wechselstrom hatte man die Schwierigkeit, daß kein Zeiger imstande war, den raschen Aenderungen der Stromrichtung zu folgen; man mußte mit Mittelwerten von Strom und Spannung vorliebnehmen, auf die es ja bei Energiefragen auch allein ankommt. Aber den Stromverlauf während der einzelnen Perioden konnte man damit nicht erkennen; das gelang erst durch die Erfindung des Oszillographen. Beim Oszillographen besteht das bewegliche System aus einem winzigen Spiegelchen von der Größe eines Stecknadelknopfes, das auf zwei feine, mit bloßem Auge kaum sichtbare Metallfädchen aufgesetzt ist; durch diese Reduzierung der trägen Masse auf ein Minimum wird es erreicht, daß der Apparat noch Erscheinungen richtig aufzeichnet, die sich innerhalb einer tausendstel Sekunde abspielen. Es gibt kaum etwas Interessanteres, als mit dem Oszillographen zu arbeiten. Die feinsten Einzelheiten des Stromverlaufes führt er uns vor Augen, so daß wir den Strom im Leiter direkt pulsieren sehen. Die Kurven, die wir sonst nur mühsam nach Rechnungen und Annahmen konstruieren können, zeichnet er ohne weiteres auf. Untersuchen wir z.B. den Stromverlauf beim Einschalten eines Relais, der sich in einigen tausendstel Sekunden abspielt. Der Lichtzeiger des Oszillographen zeichnet eine leuchtende Kurve auf; erst verläuft sie wagerecht, der Strom ist noch nicht eingeschaltet; dann kurzes senkrechtes in die Höhespringen im Moment des Einschalten, das zeigt Wirbelströme im Eisen an; dann Ansteigen in schön geschlungenem Bogen bis zu einem kleinen scharfen Knick – das ist der Moment, wo das Relais seinen Anker anzieht und dadurch einen Induktionsstoß hervorruft; weiterhin stheileres Ansteigen – ein Zeichen, daß Sättigung im Eisen eintritt; schließlich Erreichung des Maximums und wagerechter Verlauf, bis der Strom ausgeschaltet wird. Tritt dabei ein Funken auf, so sieht man den Strom in einer unregelmäßigen Zickzacklinie herabsinken; wird aber durch einen Kondensator der Funke gelöscht, so erscheint eine schöne, sanft abklingende Wellenlinie, die elektrischen Eigenschwingungen des Kondensatorkreises. Fast die ganzen Gesetze der Elektrotechnik kann man an dieser einen Kurve demonstrieren. Die Uebereinstimmung von Theorie und Versuch ist oft verblüffend. Selbst komplizierte Kurven können nach den theoretischen Rechnungen nicht genauer gezeichnet werden, als der Oszillograph es tut. Für die drahtlose Telegraphie ist aber der Oszillograph leider nicht zu brauchen, denn bei Schwingungen, die eine Million mal in der Sekunde erfolgen, kommt selbst das kleinste Massensystem nicht mehr mit, da muß die träge Masse ganz eliminiert werden. Auch das ist gelungen in der Braun sehen Röhre. Ein Kathodenstrahl, der sich in einer Vakuumröhre mit nahezu Lichtgeschwindigkeit geradlinig fortpflanzt, hat die Eigenschaft, durch elektrische und magnetische Felder aus seiner Bahn abgelenkt zu werden, und da der Kathodenstrahl keine mechanische Masse, also auch keine Trägheit besitzt, so folgt er momentan selbst den schnellsten elektrischen Vorgängen. Der leuchtende Fluoreszenzfleck, den der Kathodenstrahl beim Auftreffen auf einen Schirm hervorruft, verwandelt sich durch die Ablenkungen in eine leuchtende Kurve, ganz ähnlich wie beim Oszillographen. Bei Messungen in der drahtlosen Telegraphie wird diese Kurve eine Million mal in jeder Sekunde durchlaufen, bei 10 cm Kurvenumfang bewegt sich der leuchtende Fleck also mit einer Geschwindigkeit von 100000 m i. d. Sek. Diese Messungen haben in vielen Fragen der drahtlosen Telegraphie erst Aufklärung gebracht, bei denen alle übrigen Methoden versagt hatten. Wir sind am Ende unseres Rundganges angelangt und haben ein weites Gebiet rasch durchwandert. Nur flüchtig freilich konnten wir betrachten, was gerade am Weg lag, nur hie und da einen kleinen Ausblick in die Ferne gewinnen. Die interessantesten Probleme liegen aber oft abseits und werden nur von dem gefunden, der mit Mühe und Arbeit auf ungebahnten Wegen vordringt. Trotzdem dürfte schon dieser kurze Spaziergang gezeigt haben, daß es ein großes und fruchtbares. Gebiet ist, in dem es des Interessanten genug zu sehen und zu lernen gibt, und von dem auch in der Zukunft noch viel zu erwarten ist.