Drahtlose Telegraphie

Die drahtlose Telegraphie oder Funkentelegraphie, soweit sie praktisch als Verkehrsmittel dient, beruht auf der Anwendung elektrischer Wellen, die sich in einer derart geeigneten Form und Stärke erzeugen lassen, daß sie möglichst ungedämpft in den Raum ausstrahlen und mittels besonderer Apparate an entfernten Orten wahrgenommen werden können. Nähert man die durch Metallstäbe mit den Metallplatten A und B verbundenen Metallkugeln a und b (Fig. 1) genügend und verbindet die Stäbe mit den Polen eines in Gang gesetzten Induktoriums, so laden sich die Platten mit entgegengesetzten Elektrizitäten so lange, bis die Ladungen durch einen zwischen a und b überspringenden Funken anfangen sich auszugleichen. Unter bestimmten Voraussetzungen erfolgt der Ausgleich oszillatorisch, d.h. man kann sich vorstellen, daß Elektrizität von A über die; Funkenstrecke ab nach B durchbreche, an den Grenzflächen von B zurückgeworfen (reflektiert) werde, nach A zurückflute, wieder nach B hinschwinge etc., weshalb die ganze Einrichtung Oszillator (J) genannt Wird.

1. Oszillator.

Während scheinbar nur ein Funken überspringt, schwingt die Elektrizität viele millionenmal hin und her, bis die Oszillationen schwächer und schwächer werden (abklingen, absterben), um endlich ganz zu erlöschen. Das Abklingen der Oszillationen beruht darauf, daß, namentlich im Funken elektrische Energie in Wärme umgesetzt und gleichzeitig, was für die drahtlose Telegraphie die Hauptsache ist, an die der Funkenstrecke zunächst liegende Ätherschicht abgegeben wird. Jede Ätherschicht erregt die folgende, so daß eine fortschreitende Transversalwelle entsteht, d.h. die als Schwingungen bezeichneten elektrischen Strömungen im Äther stehen senkrecht auf ihrer Fortpflanzungsrichtung. Die elektrischen Schwingungen (Wellen) pflanzen sich mit Lichtgeschwindigkeit fort, so daß das Produkt aus Wellenlänge und Anzahl der ganzen Wellen in der Sekunde stets rund 300,000 km beträgt. Den kürzesten bis jetzt als elektrisch erkannten Wellen von etwa 0,006 m Länge entsprechen also 50,000 Millionen Schwingungen in der Sekunde. In der drahtlosen Telegraphie werden meist längere Wellen von 200–300 m Länge benutzt. Da die Wellenlänge und damit auch die Schwingungszahl hauptsächlich von der in den Oszillator eingeschalteten Kapazität und Selbstinduktion abhängt, sind theoretisch die Mittel gegeben, die Wellenlänge beliebig lang zu machen, obgleich hierbei in der Praxis noch erhebliche Schwierigkeiten zu überwinden sind. Damit die Wellen auf weitere Strecken wirksam in den Raum ausstrahlen können, wird von dem einen Ende des Oszillators J senkrecht in die Luft (Fig. 2) ein nach Bedarf 60 und mehr Meter langer, Antenne genannter Draht hoch geführt, der nunmehr als Teil des Oszillators ebenfalls von den Schwingungen durchlaufen wird; gleichzeitig wird die Erde an den Oszillator gelegt. Der Wirkungsbereich der Antenne wächst im allgemeinen mit deren Länge. Die von der Antenne in den Äther ausgestrahlten Wellen gehen durch nichtleitende Körper entweder ungehindert oder unter Auftreten von Beugungserscheinungen hindurch, während sie von Leitern teils reflektiert, teils, namentlich wenn diese, wie die am Empfangsort errichtete gleichartige Antenne (Fig. 3), senkrecht getroffen werden, in dem Leiter selbst wie- j der elektrische Schwingungen, ähnlich denen in der Senderantenne, erzeugen. Die in der Empfängerantenne entstehenden Schwingungen treten in den mit ihr verbundenen Kohärer oder Fritter K über. Der einfachste Kohärer besteht aus einer etwa 10 cm langen Glasröhre mit an beiden Enden eingeführten Metallelektroden, zwischen deren Endflächen Metallfeilicht aus Silber, Nickel, Stahl u.dgl. eingefüllt ist. Wird dieser Fritter in einen aus Batterie B und Morseapparat Mr bestehenden galvanischen Stromkreis (Fig. 3) eingeschaltet, so zeigt sieh, daß der vorher unter dem Einfluß der Batterie angezogene Anker des Morseapparats abfällt: der große Widerstand des Fritters hat den Strom dementsprechend geschwächt.

2. Oszillator mit Senderantenne.

Sobald jedoch elektrische Wellen den Fritter bestrahlen oder die in der Empfängerantenne erregten Schwingungen denselben durchlaufen, sinkt dessen Widerstand erheblich, so daß der Morseapparat anspricht. Durch das Leitendwerden des Fritters wird gleichzeitig ein Klopfer K (Fig. 4) in Tätigkeit gesetzt, dessen Klöppel P nach Ankunft der Welle den Kohärer sofort wieder durch Gegenschlagen (Erschüttern) entfrittet, so daß der hohe Anfangswert des Widerstands wiederhergestellt wird. Infolgedessen erscheint auf dem Papierstreifen des Morseapparats nur ein Punkt. Je nachdem nun das Induktorium am Senderorte kürzere oder längere Zeit in Tätigkeit gesetzt wird, entsteht am Empfangsort eine kürzere oder längere Reihe von Punkten, die, wenn der Morseapparat genügend träge eingestellt wird, zu kürzern und längern Strichen zusammenfließen und die bekannte Morseschrift bilden; auch können die Zeichen nach der Klopfermethode mittels Telephons abgehört werden. Bei der abgestimmten oder syntonischen drahtlosen Telegraphie lassen sich die Zeichen auf weitere Entfernungen zurzeit nur mittels Telephons empfangen. Die in der oben angegebenen Weise erzeugten Wellen sind stark gedämpft und klingen rasch ab, sie wirken auf den Fritter wie ein kurzer Schlag, bringen ihn zwar, wie z.B. jeder kurze mechanische Schlag eine Klaviersaite zum Tönen bringt, zum Ansprechen, aber nicht zum nachhaltigen Mitklingen (zur Resonanz).

3. Empfänger mit Antenne.

Dies geschieht, wenn die ankommende Welle die gleiche Schwingungsdauer hat wie diejenige Welle, die der Empfänger-Schwingungsbahn einschließlich Fritter nach der in sie eingeschalteten Kapazität und Selbstinduktion eigentümlich ist, und wenn ferner nicht bloß eine Welle, sondern eine Reihe solcher Wellen längere Zeit in merklich gleichbleibender Intensität auf den Fritter einwirkt. Die Wirksamkeit des Fritters wird demnach nur dann durch Resonanzwirkung verstärkt, wenn die abgehende Welle auf die Eigenschwingung des Empfängers abgestimmt ist.

Jeder nicht abgestimmte Sender betätigt jeden in seinem Wirkungskreis liegenden Empfänger, so daß mehrere Stationen nicht gleichzeitig ohne gegenseitige Störung telegraphieren können; dies wird innerhalb bestimmter Grenzen möglich, wenn von mehreren Stationen je zwei auf eine verabredete Wellenlänge abgestimmt sind und mit schwach gedämpften Wellen arbeiten.

4. Marconis vereinigte Geber- und Senderschaltung für Borkum.

Immerhin kann jedoch noch eine Station, die stark gedämpfte Wellen aussendet, jede näher gelegene abgestimmte Station stören, auch sind so empfindliche Empfangsapparate (z.B. Fig. 4, Tafel II) konstruiert worden, daß die zwischen abgestimmten Stationen gewechselten Telegramme aufgefangen werden können. Der wesentliche Bestandteil dieser Apparate ist ein unvollkommener Kontakt zwischen einer federnden Metall platte und einer harten Kohlenspitze.

5. Antenne der Station Borkum.

Daß besser über Wasser als über Land drahtlos telegraphiert werden kann, erklärt sich daraus, daß keine zwischenliegenden Gegenstände, namentlich Metallteile, die Wellen reflektieren und aufsaugen, auch glaubt man, daß die Wellenstrahlen nicht genau die gerade Richtung, wie die Lichtstrahlen, beibehalten, sondern sich gegen die Wasseroberfläche neigen. Marconi hat beobachtet, daß bei Nacht etwa dreimal so weit telegraphiert werden kann als bei Tage, jedoch macht sich diese Erscheinung erst bei sehr hohen Spannungen und bei Entfernungen von 1000 km bemerklich; sie wird auf eine Entladung der Senderantennen durch das Sonnenlicht zurückgeführt. Ein gleichzeitiges ungestörtes Arbeiten zwischen vielen Stationen auf größere Entfernungen ohne beträchtliche Antennenhöhe ist, abgesehen von rein konstruktiven Verbesserungen, das wesentliche Ziel aller Neuerungen auf dem Gebiete der drahtlosen Telegraphie. Vollständige Funkentelegraphensysteme sind ausgebildet worden: von Marconi, von Braun in Gemeinschaft mit Siemens n. Halske, von Slaby und Arco in Gemeinschaft mit der Allgemeinen Elektrizitätsgesellschaft in Berlin, von Lodge und Muirhead in London, von Fessenden sowie Lee de Forest-Smythe in Nordamerika. Auch in Frankreich und Rußland, z.B. von Ducretet in Gemeinschaft mit Popoff, sowie in Spanien (Cervera) und Italien (Marinesystem) sind besondere Systeme zusammengestellt, die sich jedoch weniger in ihrem grundsätzlichen Aufbau als in Einzelheiten von den drei erstgenannten Systemen unterscheiden.

In Fig. 4 ist die Borkumer Marconi-Station (vereinigte Geber- und Sendereinrichtung) schematisch dargestellt; vgl. auch Tafel II, Fig. 1. Bei Absendung eines Zeichens wird die Taste T niedergedrückt, wie es in der Figur dargestellt ist. Die Batterie B₁ setzt den Unterbrecher U, dessen Anker von dem Kern D des Induktoriums beim Durchgang des Stromes durch die Primärrolle J₁ angezogen wird, in Tätigkeit, wodurch in der Sekundärrolle J₂ Wechselströme entstehen, die im Oszillator O die Funkenentladung hervorrufen. Die Spule J₈ dient zur Erhöhung der Selbstinduktion in dem offenen Schwingungskreise Erde, J₂, J₈, Antenne. Bei ruhender Taste schließt sieh der Kontakt a, der von dem Körper der Taste isoliert ist, und verbindet über die Schnur fl die Antenne mit der Empfangseinrichtung. Die in Wirklichkeit auf einen Kern gewickelten Spulen J₃, J₄ und J₅ bilden den Transformator (jigger). Die ankommenden Wellen erregen die Spule J₃, diese induziert die durch den kleinen Kondensator C₂ verbundenen Spulen J₄ und J₆, welche die Schwingungen auf den Fritter F übertragen, so daß die Batterie B₂ das Relais R betätigt. Die Relaiszunge schließt die Batterie B₃, und zwar sowohl den Stromkreis mit dem Klopfer K als auch den mit dem Morseapparat Mr. Die Selbstinduktionsrollen J₆ und J₇ versperren den Schwingungen in J₄ und J₆ den Zugang zum Relais. Die Kondensatoren C₁ und C₃ dienen zur Abschwächung der Funkenbildung zwischen den Kontakten, während die Zweigwiderstände Z₁ bis Z₆ hauptsächlich unerwünschte Induktionswirkungen auf den Kohärer fern halten sollen. Um den Kohärer gegen die Wirkungen des eignen Oszillators O zu schützen, ist die ganze Empfangseinrichtung mit Ausnahme des Morseschreibers Mr in einen die elektrischen Wellen reflektierenden und absorbierenden Eisenblechkasten eingeschlossen. Als Antennen wendet Marconi auf kürzere Entfernungen einen etwa 40 m hoch geführten isolierten Draht an; auf Station Borkum Leuchtturm (Fig. 5) besteht die Antenne aus zwei nach einem 38 m hohen Mast geführten isolierten Drähten, zwischen denen ein 1,5 m breites, 20 m langes blankes Drahtnetz ausgespannt ist. Eine Braunsche Antenne ist in Fig. 6 dargestellt.

6. Funkentelegraphenstation Saßnitz. System Braun.

Die gewaltigsten Antennen für den transatlantischen Verkehr befinden sich in Poldhu (Cornwallis), in Glace Bay (Fig. 7), Kap Breton (Kanada) und Kap Code (Nordamerika): zahlreiche, etwa 40 m lange blanke Kupferdrähte sind in je 1m Entfernung an Querdrähten zwischen vier 65 m hohen Türmen aufgehängt und unten zu einem Seil vereinigt. Die zur Ladung benutzten Kraftstationen liefern so hohe Spannungen (80,000 Volt), daß von der Kupferlyra 30cm lange Funken nach geerdeten Drähten überspringen.

8. Braunsche Senderschaltung

Während Marconi nur im Empfänger einen geschlossenen Schwingungskreis (J₄, F, J₅, J₇, R, B₂ J₆, Fig. 4) anwendet, hat Braun zuerst durch Versuche nachgewiesen, wie wichtiges ist, gerade im Geber einen geschlossenen Schwingungskreis zu verwenden und das Absterben der Wellen durch Nachlieferung von Elektrizitätsmengen aus Kondensatoren zu verhüten, um namentlich für syntonische Telegraphie möglichst reine und ausdauernde Wellen zu erhalten. Das Prinzip der Braunschen Schaltung ist aus Fig. 8 (Geber) und Fig. 9 (Empfänger) ersichtlich. Die aus der sekundären Rolle J des Induktoriums (Fig. 8) gespeiste Funkenstrecke ist mit den Kapazitäten (Leidener Flaschen oder Kondensatoren) C, C durch die Selbstinduktion (Drahtrolle) L zu einem Kreis geschlossen, dessen Wellen von der Länge λ der Drahtspule M durch Induktion aufgezwungen werden. Die Antenne und das isolierte Ansatzstück A₁ werden je = λ/4 lang gemacht.

7. Glace Bay-Station.

In ähnlicher Weise erzeugen auf der Empfangsstation die in der Antenne ankommenden Wellen in dem geschlossenen Kreise CCL Schwingungen, die sich durch Induktion auf M mit den Verlängerungsdrähten A₂ und A₃ und den Kohärer K übertragen, so daß der Morseapparat Mr anspricht. Die Erdleitung kann bei dem Braunschen System (Tafel I u. II, Fig. 3) entbehrt werden. Tafel I zeigt die Station im Kraftwerk der elektrischen Hochbahn in Berlin nach dem System Braun und Siemens u. Halske. a Zuführung zu den Akkumulatoren der Dynamomaschine, b Schmelzsicherungen, cc Volt- u Amperemesser, d Ausschalter, e Umschalter (Empfänger eingeschaltet), f Transformator, gg Leidener Flaschen in Röhrenform, h Funkenstrecke, i Taste mit magnetischer Funkenlöschung, k Wehnelt-Unterbrecher, l Induktor, m Senderkapazität, n Anschluß an die Antennen, o Kondensator, p Transformator, q Kohärer mit magnetischer Regelung, r Relais, s Morseschreiber, u Lokalwecker, v Hörer nebst Zubehör, w Empfangskapazität.

9. Braunsche Empfängerschaltung.

Slaby legte zuerst weniger Wert darauf, durch Ausbildung sehr reiner Wellen mit scharf ausgesprochenen Knoten und Bäuchen den Fritter für abgestimmte Telegraphie zur lebhaften Resonanz zu bringen. Er sichert das Ansprechen des Flitters hauptsächlich dadurch, daß er im Sender möglichst große, hoch gespannte Elektrizitätsmengen in Schwingungen versetzt, weshalb er statt des Ruhmkorffschen Induktors lieber Wechselstrommaschinen (W) mit Transformatoren (T) benutzt, die nach Fig. 10 geschaltet werden. Die Funkentelegraphenstation (vereinigtes Geber- und Empfangssystem), Fig. 2, Tafel II, kann unmittelbar mit einer Hochspannungsanlage verbunden werden.

10 u. 11. Slabysche Senderschaltungen.

Am obern Ende (Fig. 10) der Antenne, die zur Herabminderung ihrer Selbstinduktion als Drahtröhre ausgebildet ist, wird eine Spule C mit hoher Selbstinduktion angebracht, die mit Erde verbunden ist. Die Spule verhindert den Übertritt der in der Antenne sich ausbildenden Schwingungen in die Erdleitung E₁. Die Antenne kann ohne Hochspannungsgefahr angefaßt werden, was bei Marconis älterer Schaltung nicht, wohl aber auch bei der Braunschen der Fall ist. Fig. 11 stellt die Slabysche Schaltung mit gewöhnlichem Induktionsapparat dar. Tatsächlich enthalten beide Schaltungen geschlossene Schwingungskreise: E₂, Kondensator Q, Funkenstrecke F, Antenne, C, E₁ bez. E₁( Antenne, Funkenstrecke F, J, E₂. Bei der letztern Schaltung ist der Kondensator C parallel, statt, wie bei Braun, in Reihe geschaltet.

12. Slabysche Empfängerschaltung.

Die Slabyschen Schaltungen einschließlich der Empfängerschaltung (Fig. 12) sind neuerdings vielfach vervollkommt worden. Abstimmung erreichte Slaby, als er rechnerisch und experimentell feststellte, daß die Wellenlänge gleich vier Antennenlängen sein müßte, daß es jedoch genügte, wenn Antenne plus horizontaler Ansatzdraht gleich einer halben Wellenlänge sind, und daß der Fritter da eingeschaltet werden müßte, wo ein Schwingungsbauch entsteht. Die bei b geerdete Antenne ab (Fig. 13) hat bei a einen Schwingungsbauch (punktierte Linie), ebenso der der Antenne gleiche Horizontaldraht bc bei c. Legt man bei c eine auf eine halbe Wellenlänge abgestimmte Rolle von bestimmter Form und Windungszahl, von Slaby Multiplikator genannt, an, so entsteht bei d ein Schwingungsbauch mit entgegengesetztem Vorzeichen, so daß der zwischen c und d eingeschaltete Fritter doppelte Spannung erhält.

13. Anschaltung von Slabys Multiplikator.

Legt man in b noch ein andres Ansatzstück nebst entsprechendem Multiplikator an, so spricht der eingeschaltete Fritter auf eine zweite Sorte Wellen an, so daß damit die Grundlagen für eine abgestimmte Mehrfachtelegraphie gegeben sind.

Seit Ende 1900 schaltet Marconi auch zwischen Funkenstrecke und Antenne einen Transformator und stimmt die primären und sekundären Schwingungskreise im Geber und Empfänger auf dieselbe Wellenlänge ab. Als Unterbrecher dienen Wehnelt-Unterbrecher, Quecksilber-Turbinenunterbrecher, Quecksilberdampfunterbrecher von Cooper-Hervitt etc. Bei den Versuchen auf weite Entfernungen hat Marconi statt des Kohärers neuerdings (1902) den von ihm angegebenen (Hysteresis-) Detektor (Fig. 14) verwendet.

14. Schema des Marconischen Hysteresisdetektors.

Setzt man ein Stück Eisen E einer rotierenden Magnetisierung aus, indem der Magnet M durch die Scheibe S in Drehung versetzt wird, so hinkt die Augenblickslage der Magnetisierung derjenigen des Feldes nach; diese Phasenverschiebung, die man einer Hysteresis genannten Eigenschaft des Eisens zuschreibt, verschwindet, wenn das Eisen von elektrischen Wellen getroffen wird, und macht sich in einem eingeschalteten Telephon T als Ton bemerkbar. Der neue Apparat ist empfindlicher und läßt, da er nicht entfrittet zu werden braucht, eine größere Telegraphiergeschwindigkeit zu.

Nach Fessenden unterscheiden sich seine ›halbfreien Atherwellen‹ dadurch von den Hertzschen Wellen, daß sie als Halbwellen aus der geraden Richtung abgelenkt werden können und zu ihrer Entwickelung mindestens auf eine Viertelwellenlänge eines guten Leiters in der Richtung der Verbindungslinie der Telegraphenstationen bedürfen. Die Antenne, aus einem senkrechten Leiter in einem mit Flüssigkeit gefüllten Rohr bestehend, ist ohne Transformator mit der Funkenstrecke verbunden. Statt eines Kohärers verwendet Fessenden unter anderm einen äußerst feinen Platindraht in Silberumhüllung, die in einer luftentleerten Glasbirne B (Tafel II, Fig. 5) schwebt. Die geringste Energiemenge reicht aus, den Platindraht zu erhitzen. Das Induktorium ist während des Zeichengebens ununterbrochen in Tätigkeit. Die Abstimmung wird durch die Regelung der Kapazität etc. eines in Öl liegenden Drahtnetzes A erzielt (Tafel II, Fig. 6), von dem beim Niederdrücken der Taste T ein Teil kurz geschaltet wird, so daß die Stationen außer Abstimmung kommen, was im Telephon als Zeichen gehört wird. De Forest verwendet einen Responder genannten Wellenempfänger, indem er zwischen zwei Metallelektroden eine teigartige Masse bringt, die mit einer elektrolysierbaren Flüssigkeit und Metallpartikelchen gemengt ist. Die durch Dauerstrom in der Masse erzeugten Metallbrücken werden durch die auftreffenden Wellen unterbrochen.