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Faraday,Maxwell,Hertz...29.12.2017 / 17:21 MEZ
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Von Faraday über Maxwell und Hertz zu Marconi


 
Der Engländer Michael Faraday (1791-1867) studierte die Wechselwirkungen zwischen elektrischen Ladungen und Magneten und entdeckte dabei die elektromagnetische Induktion. Erst mit ihr waren elektrotechnische Entwicklungen wie z.B. der Generator möglich, die schließlich im 19. Jahrhundert der Elektrik zum Durchbruch verhalfen. Von Faraday stammte auch die Vorstellung eines elektrischen Feldes. Mit der Feldvorstellung kann man die Wechselwirkung zwischen geladenen Körpern, die sich nicht berühren, besser verstehen. Bereits Faraday sprach von "Schwingungen der Feldlinien in Wellenform", hatte als bereits eine Vorahnung von den elektromagnetischen Wellen.
Der Schotte James Clerk Maxwell (1832-1879), ein begnadeter theoretischer Physiker, stellte die Ideen Faradays auf eine tragfähige mathematische Basis. Maxwell leitete auf theoretischem Weg Beziehungen zwischen sich verändernden elektrischen und magnetischen Feldern her. Aus den von ihm geschaffenen maxwellschen Gleichungen ließ sich ableiten, dass es möglich sein müsste, Energie durch elektromagnetische Wellen in den Raum hinaus abzustrahlen.

 

Für das Vakuum lauten die maxwellschen Gleichungen:
Zum Verständnis dieser Gleichung fehlen in der Schule die nötigen mathematischen Kenntnisse. Anschaulich gesprochen bedeuten sie, dass ein sich änderndes Magnetfeld von einem elektrischen Feld umschlossen ist, und ebenso ein sich änderndes elektrisches Feld von einem Magnetfeld umfasst wird. Es besteht also ein Kopplungsmechanismus zwischen E- und B-Feld mit dem die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen verstanden werden kann. Es sei noch darauf hingewiesen, dass man aus den Maxwell-Gleichungen die sogenannte Wellengleichung herleiten kann, deren einfachste Lösung eine sich in x-Richtung ausbreitende Sinuswelle ist.

Dreißig Jahre später gelang es dem Physiker Heinrich Hertz (1857-1897) die vorhergesagten elektromagnetischen Wellen zu erzeugen und nachzuweisen. Das war die Geburtsstunde des Rundfunks. Hertz baute ein Gerät, mit dem man Funken erzeugen konnte - den Sender. Und er baute ein Gerät, mit dem man ein Signal empfangen konnte. Bei einem bestimmten Abstand der Elektroden ist der Empfänger in Resonanz zum Sender. Dann wird besonders viel Energie vom Sender auf den Empfänger übertragen. Hertz versuchte der Natur dieser elektromagnetischen Wellen auf die Spur zu kommen. Er wies nach, dass sich elektromagnetische Wellen ähnlich wie Lichtwellen verhalten, z. B. reflektiert und gebrochen oder von einem Hohlspiegel gesammelt werden.

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Heinrich Hertz untersucht die Reflexion elektromagnetischer Wellen
"Und damit ist unsere heutige Vorlesung zu Ende. Auf Wieder sehen, meine Herren!" Der Physikprofessor an der Technischen Hochschule in Karlsruhe, Heinrich Hertz, legte eilig die dicht mit Anmerkungen beschriebenen Blätter beiseite und wartete, bis der letzte Student den Hörsaal verlassen hatte. Bis zur nächsten Vorlesung blieben drei Stunden Zeit und diese mussten genutzt werden. "Karl, lass uns beginnen", rief er ins Kabinett nach dem Mechaniker und machte sich selbst, nur im Hemd mit hochgekrempelten Ärmeln, an die Arbeit.
Zunächst beseitigten sie alle Metallteile im Raum, nahmen sogar den Kronleuchter herunter und montierten die dünnen Gasrohre ab. Die Bänke verbanden sie durch hölzerne Laufstege miteinander, damit man in allen Richtungen über sie hinweggehen konnte. Dieses Vorspiel diente dazu, den Hörsaal in ein Laboratorium zu verwandeln. Denn es war der einzige geeignete Raum, den Hertz für seine Experimente nutzen konnte.
Inzwischen hatte Karl einen großen Induktor aufgebaut, den Hertz zu einem Oszillator umbaute, dessen Frequenz einige Millionen Schwingungen in der Sekunde betrug. An die Wand des Hörsaals hängte er einen großen Parabolspiegel aus Blech.
Hertz sprang behänd auf die Bank. In der Hand hielt er einen Resonator, der ihm zum Nachweis der elektromagnetischen Wellen diente. Es war ein einfacher Drahtring, der an einer Stelle unterbrochen war. An den freien Enden befanden sich kleine Kügelchen, deren Abstand man mit einer kleinen Torsionsfeder einstellen konnte.
"Du kannst es in Gang setzen!" Der Mechaniker schloss das Gerät an und auf der Funkenstrecke begannen bläuliche Funken überzuspringen. Hertz erprobte zunächst schon gewohnheitsmäßig den Resonator. Als er ihn in einem bestimmten Abstand vom Oszillator in solch einer Stellung hielt, dass seine Ebene mit der Achse der Funkenstrecke des Oszillators zusammenfiel, sprangen zwischen den Kügelchen des Resonators feine Funken über. Dann begann er auf den Bänken hin und her zu gehen. Wobei er den Resonator dem Blechparabolspiegel zuwendete. Den Blick hatte er auf die Kügelchen gerichtet und wartete, dass ein Funke übersprang. Nach einer Stunde, als er vergeblich alle Positionen ausprobiert hatte, die der Raum zuließ, setzte er sich erschöpft. "Wieder nichts?" fragte Karl nun schon aus alter Gewohnheit. "Nichts." "Machen wir weiter." "Nein für heute schließen wir ab", antwortete Hertz und wurde nachdenklich.
In diesem Raum hatte er bereits mittels eines Oszillators und eines Resonators nachgewiesen, dass ein elektromagnetisches Feld, das sich, von der Quelle ausgehend, in einen Raum ausbreitet, elektromagnetische Wellen darstellt, die Maxwell vorausgesagt hatte. Hertz stellte fest, dass diese Wellen von einer Metallplatte nicht durchgelassen, sondern reflektiert werden.
Nun wollte er den Nachweis erbringen, dass die elektromagnetischen Wellen genau wie das Licht reflektiert werden. Es gelang im jedoch nicht, die reflektierten Wellen aufzufangen.
"Der Raum ist zu klein um reflektierte Wellen aufzufangen", überlegte Hertz, indem er unwillkürlich den Mechaniker beobachtete, wie er das Laboratorium in einen Hörsaal zurückverwandelte. Und dabei formte sich in ihm der Gedanke, der ihn schon einige Tage verfolgte.
"Wenn wir keinen größeren Raum haben, müssen wir die Wellenlänge ändern", dachte er sich, aber laut drückte er das mit einem beliebten arabischen Sprichwort aus: "Kommt der Berg nicht zu Mohammed, so muss Mohammed zum Berg kommen. Karl, wir brauchen einen neuen Oszillator mit einer Frequenz von einigen hundert Millionen Schwingungen pro Sekunde." "Dann möchte ich also Bleche und Draht vorbereiten", brummte der Mechaniker, der es bei der Zusammenarbeit mit Hertz verlernt hatte, sich über irgendetwas zu wundern. "Ja wir beginnen sofort!"

Originalzeichnungen des Dipolfeldes von H. Hertz

Der Italiener Guglielmo Marconi (1873-1938) setzte die Versuche von Hertz fort. Bei einem ähnlichen Sender wie dem von Hertz baute er in den Senderstromkreis einen Taster ein und konnte so Morsesignale übertragen, ohne auf Telegrafenleitungen angewiesen zu sein.
1901 gelang ihm eine Funkverbindung von Europa über den Atlantik nach Amerika. Die Bedeutung der drahtlosen Übermittlung von Morsezeichen wurde schnell erkannt. Die Industrie und das Militär steckten Gelder in die Verbesserung der Sende- und Empfangsanlagen. Schiffe konnten schon bald über mehrere tausend Kilometer sicher erreicht werden.

In dem untenstehenden Bild ist ein Sende- und Empfangsanlage von Marconi dargestellt: Ein Funkenstrecke wurde von einem Funkeninduktor gespeist. In dem offenen Schwingkreis der Sendeantenne entstehen bei Funkenübergang hochfrequente Schwingungen. Man kann die Sendeantenne als die obere Hälfte eines in der Grundschwingung erregten stabförmigen Dipols auffassen. Auf der mehr oder weniger gut leitenden Erde werden Ladungen influenziert.

Der Empfangsteil besteht aus einer Antenne, in die ein sogenannter Kohärer als Wellenindikator eingeschaltet war. Im Kohärer befinden sich Metallspäne, deren Widerstand im Normalzustand so groß ist, dass die Batterie B1 das Relais nicht betätigen kann. Treffen jedoch Wellen auf die Empfangsantenne, so werden durch die Fünkchen im Kohärer die Späne zusammengebacken (Übergangswiderstand sinkt), so dass schließlich das Relais anzieht. Dieser Zustand bleibt solange erhalten, bis durch eine Erschütterung des Kohärers die Späne wieder getrennt werden. Diese Erschütterung wird durch eine elektrische Klingel erreicht, welche durch das Relais eingeschaltet wird.

Die Ausbreitung der Wellen geschieht im Wesentlichen längs der Erdoberfläche. Der Vorteil des einseitig geerdeten Sendedipols ist die geringere notwendige Länge. In der Grundschwingung gilt l =¼·λ .

Bei der Marconi-Anlage ist der Sendekreisschwingkreis stark gedämpft. Mit Hilfe einer Vakuumtriode gelang es Meissner 1913 schließlich ungedämpfte elektromagnetische Schwingungen zu erzeugen. Auf diese Weise standen schließlich leistungsfähige Hochfrequenzgeneratoren mit starker Sendeleistung zur Verfügung durch die - in der damaligen Zeit wichtig - die Verbindung zwischen Mutterländern und Kolonien hergestellt wurde. Das "Herz" dieser Hochfrequenzgeneratoren und der Empfänger waren Schwingkreise, Parallelschaltungen eines Kondensators und einer Spule. Sie bestimmen, mit welchen Frequenzen gesendet oder welcher Sender empfangen wird.

Weitere wichtige Stationen der Informationsübertragung mit elektromagnetischen Wellen:

  • 1925 Erste Versuche zur drahtlosen Bildübertragung

  • 1933 Radar für die Ortung von Flugzeugen und Unterseeboten

  • 1936 Erste Fernsehbilder zur Olympiade 1936 in Berlin

  • 1964 Erster Fernsehsatellit

  • 1967 Erstes Farbfernsehen

 

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