Untersuchungen über den Einfluss der Erde bei der drahtlosen Telegraphie. Von Dr. J. S. Sachs, Frankfurt a. M. Untersuchungen über den Einfluss der Erde bei der drahtlosen Telegraphie. Einleitung. In den bisher ausgefühlten Anlagen für drahtlose Telegraphie findet man zumeist, wenigstens soweit die betreffenden Einrichtungen in verschiedenen Zeitschriften usw. beschrieben worden sind, dass sowohl der Geber wie auch der Empfänger nur mit einer Antenne versehen sind, während die andere Antenne durch eine Erdverbindung ersetzt wird. Obwohl durch F. Braun darauf hingewiesen wurde, dass eine derartige Anordnung nicht so klare Verhältnisse schafft, als wenn man der Antenne das elektrische Gleichgewicht durch eine von Erde isolierte, geeignete Kapazität hält, scheint die Erdverbindung in der praktischen Telegraphie doch vorzuherrschen. Im folgenden habe ich auch einen Versuch über beide Anordnungen beschrieben. Abgesehen von dieser Erdverbindung, die ja zu heutigen wäre und auch tatsächlich in einzelnen Anlagen (wie z.B. in der von Dr. phil. Gustav Eichhorn beschriebenen Station in SassnitzDr. phil. Gustav Eichhorn. Die drahtlose Telegraphie auf Grund eigener praktischer Erfahrungen. Leipzig, 1904. Veit & Co., s. auch D. p. J. S. 13 d. Bd. durch eine Gegenkapazität ersetzt war, spielt die Erde noch eine andere Rolle bei der drahtlosen Telegraphie, selbst wenn man durch Beseitigung der Erdverbindung ihren Einfluss auf die Verteilung des Stromes usw. im Sender ausschaltet. Schon bei Beginn der Versuche mit drahtloser Telegraphie fand man, dass sich die elektromagnetische Energie leichter auf dem Wasser als auf der Erde überträgt und diese Tatsache ist auch später häufig festgestellt worden. Es war also von vornherein klar, dass die Erde auf das elektromagnetische Feld einer Hertzschen Welle einen gewissen Einfluss ausüben muss. Merkwürdigerweise sind aber zahlenmässige Angaben darüber, wie sich dieser Einfluss überhaupt äussert, noch nie veröffentlicht worden. Auf Veranlassung des Prof. Drude habe ich nach dieser Richtung hin Versuche angestellt, deren Ergebnisse im Nachstehenden beschrieben werden sollen. Vorausschicken muss ich, dass ich unter keinen Umständen etwa darauf Anspruch erhebe, durch meine Versuche die Materie erschöpft zu haben, denn dazu waren schon die mir zu Gebote stehenden Hilfsmittel zu gering, aber immerhin lassen sich aus den Versuchen einige interessante Schlüsse für die Beurteilung der Rolle der Erde ziehen, sowie einige vielleicht nützliche Winke für die praktische Telegraphie herleiten. Abgesehen von den Vorversuchen, die im Physikalischen Laboratorium der Universität Giessen vorgenommen wurden, sind alle Versuche auf einem grösseren Platze neben der Universität gemacht worden. Allgemeine Anordnung. Sender und Empfänger wurden nach dem Braunschen System mit elektromagnetischer Koppelung ausgebildet. Da für die vorzunehmenden Messungen die Verwendung eines Kohärers im Empfängerkreise nicht in Betracht kam, und dieser durch ein Thermoelement ersetzt wurde, so konnten beide Apparate ganz symmetrisch gebaut werden. Der Empfänger war das Spiegelbild des Gebers. Das Induktorium befand sich stets in der Nähe des Gebers und wurde durch eine längere Leitung aus der Akkumulatorenbatterie des Instituts zeitweise auch aus einer unmittelbar daneben aufgestellten Batterie gespeist. Das Thermoelement war gleichfalls durch eine Leitung (zuerst 25 m, dann 50 m, endlich 75 m lang) mit einem Galvanometer verbunden. Zu erwähnen wäre noch, dass am Geber eine Spule angebracht war, die mit dem Geber nicht in Resonanz stand und deren Zweck war, die vom Geber ausgehende Energie zu messen oder genauer ausgedrückt, für die Schwankungen der vom Erreger ausgehenden Energie ein Mass zu bilden. Diese, im späteren stets „Standard“ genannte Spule, führte gleichfalls zu einem Galvanometer. Die Apparate. Der Geber bestand aus einem Primärkreis mit Funkenstrecke und Kondensator und einem Sekundärkreis aus einer Spule mit nach beiden Seiten angehängten Antennen resp. Platten. Auf einem Ebonitring von 87,7 mm äusseren Durchmesser und 3 mm Dicke wurden 10 Windungen isolierten Drahtes, von 0,9 mm blank und 2,4 mm Durchmesser isoliert, aufgewickelt, die Ganghöhe der Windungen betrug 2,4 mm, die Höhe der Spule, gerechnet von Mitte zu Mitte der äussersten Drähte, war 22,2 mm. Die Drahtlänge des aufgewickelten Drahtes, also ohne freie Enden, war 2832 mm. Die Windungen wurden durch mehrere von beiden Seiten angebrachte Elfenbeinschrauben gehalten, ferner durch vier Ebonithalter, durch welche gleichfalls der aus einer Windung blanken Drahtes von 3 mm Durchmesser und 103 mm Flächendurchmesser bestehende Primärkreis hindurchging. Die Enden der Sekundärspule waren etwa 70 mm lang freigelegt, um daran den Anschluss an die Antennen zu ermöglichen. Fig. 1 und 2, Längs- und Querschnitte durch die Spule, geben ein anschauliches Bild der Verhältnisse und Konstruktion des Gebers. Die Berechnung der beiden Kreise auf Resonanz ist nach den Veröffentlichungen von P. Drude erfolgt.P. Drude, Ann. d. Physik 9, S. 293 und 590 und 11, S. 957. Die Eigenwellenlänge einer Spule ohne angehängte Kapazitäten lässt sich in der Form ½ λ0 = f . l ausdrücken, wenn f ein von \frac{h}{2\,r} und \frac{g}{\delta} abhängiger Parameter ist und l die aufgewickelte Drahtlänge bedeutet. Es ist ferner h – die Höhe der Spule = 22,2 mm 2 r – der Durchmesser der Spule = 90    mmVon Mitte zu Mitte des Drahtes gerechnet. g – die Ganghöhe =   2,4 mm d – Durchmesser des blanken Drahtes =   0,9 mm Die Grössen \frac{h}{2\,r} und \frac{g}{\delta} sind demnach 0,247 resp. 2,6. Daraus bestimmt sich f aus der Tabelle auf S. 322 in der zitierten Arbeit als Mittelwert zwischen Vollkern und Rohr zu 2,15 und ½λ0 = 610 cm. Werden an eine solche Spule von beiden Seiten gleiche Antennen angeschlossen, so ändert sich naturgemäss die Eigenwellenlänge eines solchen Gebildes und sie ist zu berechnen nach der Formel \mbox{tg}\,\frac{\pi}{2}\cdot \frac{\lambda_o}{\lambda}\,\mbox{tg}\,2\,\pi\,\frac{l}{\lambda}=\mbox{log vulg }\frac{l}{p}\cdot \frac{f}{n}\cdot \sqrt{\frac{h}{2\,r}}\cdot \varphi, wobei bedeutet λ0 die Eigen Wellenlänge der Spule ohne Antennen = 610 cm, λ                         desgl.                       mit l die Länge der Antenne = 300 cm, ρ den Radius der Antenne = 0,7 cm, f den obigen Parameter = 2,15 φ einen anderen gleichfalls von \frac{h}{2\,r} und \frac{g}{\delta} abhängigen Parameter, n Anzahl der Windungen auf der Spule = 10, φ ergibt sich unter Berücksichtigung der auf S. 977 der zitierten Arbeit von Drude veröffentlichten Kurve zu etwa 1,72 und demnach ist λ = 3120 cm. Textabbildung Bd. 320, S. 460 Fig. 1. Textabbildung Bd. 320, S. 460 Fig. 2. Die Selbstinduktion eines Primärkreises, der aus einem Drahte der Länge l und der Dicke 2 ρ besteht und eine Kreisfläche vom Radius r bildet, berechnet sich nach der Formel L=21\,\left(\mbox{log nat }-\frac{8\,r}{\rho}-2\right) M. Wien. Wied. Ann. 53, S. 931, 1894. Dies ergibt im vorliegenden Falle, wo l = 32 cm, 2 ρ = 0,15 cm und r = 10,3 cm ist, L = 230 cm. Demnach muss die zugehörige Kapazität nach der Formel λ = 2π√L . C C = 1070 cm sein. Da die Wahl auf einen Glasplattenkondensator gefallen ist, in der Hauptsache wegen seiner leichten Transportfähigkeit, so musste zunächst die Dielektrizitätskonstante der vorhandenen Glassorte bestimmt werden. Die experimentelle Bestimmung derselben erfolgte nach der von DrudeP. Drude. Zeitschrift für Phys. Ch. 33, S. 282, 1897. Wied. Ann. 61, S. 466, 1897. Ann. d. Phys. 8, S. 336, 1902. ausgearbeiteten Methode und wurde annähernd gleich 7 gefunden. Die Fläche des Kondensators ergibt sich aus Formel C=\frac{\varepsilon\cdot S}{4\,\pi\,d}, wo d die Dicke der Platte, im vorliegenden Falle 1,3 mm, bedeutet, zu 250 qcm. Um für die Vorversuche im Zimmer das Hantieren zu erleichtern, wurde gleichzeitig eine Platte aus Zinkblech hergestellt, die den Zweck hatte, eine der Antennen zu ersetzen. Die Grösse dieser Platte lässt sich nach der schon zitierten Arbeit von Drude (Ann. d. Phys. 11, S. 990, 1903) gemäss der Formel \sqrt{S=}\frac{0,603}{\mbox{log vulg }\frac{l}{\rho}}\cdot \frac{\lambda}{2\,\pi}\cdot \mbox{tg}\,2\,\pi\,\frac{l-l'}{\lambda} ausrechnen, wenn S die Oberfläche der Platte, l die Länge der Antenne, ρ der Radius der Antenne, λ die Eigenwellenlänge und l' die Länge des Zuführungsdrahtes zur Platte bedeutet. Da l' zu rund 20 cm gemacht wurde, so ergab sich daraus die Fläche zu rund 5150 qcm. Die Berechnung der Apparate ist hier mit Absicht ausführlich angegeben worden, um zu zeigen, wie rasch und wie leicht sie erfolgen kann nach der Methode von Drude. (Vergl. demgegenüber die Ansicht von Zenneck „Theorie und Praxis der drahtlosen Telegraphie“. Phys. Zeit. 1904, Heft 19.) Das für die Funkenstrecke angewendete Material war Zink. Zur Aufnahme des Zuführungsdrahtes vom Induktorium befand sich ursprünglich eine kleine Rille auf den Elektroden. Sie erwies sich jedoch als nicht praktisch, da bei dem häufigen Transport der Apparate der Zuführungsdraht sich öfters verschob und eine derartige Verschiebung sich sofort, wenn sie noch so gering war, durch zum Teil ganz erhebliche Verminderung der Ausschläge am Empfänger bemerklich machte.Vergl. P. Drude, Ann. d. Ph. 15, S. 744, 1904. Später wurde daher der Zuführungsdraht an die Elektroden angelötet, was sich gut bewährt hat. Der Empfänger war, wie bereits gesagt, ganz gleich mit dem Geber gebaut, mit dem alleinigen Unterschied, dass an Stelle der Funkenstrecke ein Thermoelement angebracht war. Dieses bestand aus Konstantan und Eisen von je 0,05 mm Durchmesser und war in der Mitte gelötet. Der Widerstand des Elementes, an der Wheatstoneschen Brücke gemessen; betrug 1,14 bis 1,19 Ohm. Ein ähnliches Element befand sich auch an dem Standard, der ursprünglich dicht neben der Geberspule und achsial mit ihr angebracht, später aber weiter davon entfernt war. Der Standard bestand aus zehn Windungen isolierten Drahtes von 0,9 mm blank und 2,4 mm isoliert und hatte im übrigen die Abmessungen der Geberund Empfängerspule. Die Enden der Windungen waren durch ein oben beschriebenes Thermoelement geschlossen. Der Widerstand desselben war 1,02 bis 1,01 Ohm. Nebenbei sei bemerkt, dass ein derartiges Thermoelement bei 0,45 Ampere durchbrennt. Die Glasplattenkondensatoren bestanden aus 1,3 mm dickem Glase und waren mit 0,1 mm dicker Bleifolie gedeckt, die mit Terpentin an das Glas geheftet wurde. Die Kondensatoren wurden mittels der auf Fig. 2 sichtbaren Kupferblättchen durch eine Ebonitklammer gehalten. Um die Möglichkeit zu haben, mit den Apparaten im Freien bei jeder Witterung zu arbeiten, wurden sowohl der Geber wie der Empfänger in einen entsprechenden Holzkasten eingebaut und dieser so eingerichtet, dass durch Beseitigung einiger Schrauben der Deckel und die Seitenwände entfernt werden konnten. Als Induktor wurde ein solcher von Max Levy, Berlin, von 15 cm Schlagweite bei 10 Volt verwendet. Für die Messungen wurde ein Galvanometer von Du Bois-Rubens mit einem ziemlich schweren Gehänge verwendet. Seine Schwingungsdauer (hin und her) liess sich durch Astasierung bis auf 25 Sekunden bringen; ich arbeitete jedoch nur mit einer Schwingungsdauer von 13 Sekunden. Für die Ablesungen am Standard wurde zeitweise ein gewöhnliches Galvanometer von Jung-Giessen, bei einigen Ablesungen auch ein d'Arsonval benutzt. Später wurde die Schaltung so vorgenommen, dass beide Thermoelemente, dasjenige des Empfängers sowie das des Standards, auf den Du Bois-Rubens geschaltet waren und in die Standardleitung ein entsprechender Widerstand, je nach der Lage des Standards zum Geber, eingeschaltet war. Die Ablesungen geschahen in der Hauptsache so, dass zuerst einige Messungen am Standard gemacht wurden, dann einige am Empfänger. Die Anordnung war so getroffen, dass bei den Versuchen im Freien Geber und Empfänger auf dem Vorhofe des Instituts standen, während der Du Bois-Rubens im Zimmer Aufstellung fand. Der Strom wurde regelmässig 5 Sekunden lang geschlossen. Die angegebenen Ergebnisse sind Mittelwerte von 4 bis 10 Ablesungen, je nachdem die Werte annähernd konstant waren oder starke Schwankungen aufwiesen. Das letztere trat nebenbei bemerkt ziemlich häufig auf. Die Eichung des Du-Bois-Rubens mit verschiedenen vorgeschalteten Widerständen, wie sie bei den Messungen gebraucht wurden, wies in dem benutzten Messbereich eine vollkommene Proportionalität zwischen den Ausschlägen und r auf, so dass von einem Einsetzen der entsprechenden Werte in die Tabellen abgesehen werden konnte, da ja den Messungen nur ein relativer Wert zukommt. Zu dem früher über den Standard Gesagten muss noch nachgetragen werden, dass die Angaben des Empfängers nicht genau proportional den Angaben des Standards waren. Die Ursache dieser Erscheinung liegt darin, dass sowohl der Standard wie der Empfänger von dem Funkenpotential und der Dämpfung des Senders abhängen, beide aber in verschiedener Weise, weil der Empfänger in Resonanz mit dem Geber steht, der Standard nicht. Vorversuche. Im Zimmer aufgenommen, Geber und Empfänger mit je einer Antenne und Platte. 1. Zunächst wurde durch Aenderungen der Kapazität im Primärkreise des Gebers und Empfängers untersucht, ob die Apparate in Resonanz standen. Einerseits wurde dies durch die Funkenlänge am Ende der Geber-Antenne, anderseits durch Ausschläge am Empfänger festgestellt. Die Ergebnisse haben einen ganz schlagenden Beweis dafür erbracht, dass die lediglich auf Grund der früher angeführten Arbeit von Drude berechneten Apparate in scharfer Resonanz standen, da eine geringe Aenderung der Kapazität eine Verminderung der Ergebnisse auf etwa 0,2 des Ursprünglichen nach sich zog. 2. Das Optimum der Funkenstrecke ist aus Fig. 3 ersichtlich. Bei der oberen Kurve war der Strom jeweils 10 Sekunden, bei der unteren Kurve 5 Sekunden geschlossen gewesen. 3. Durch verschiedene Einstellung des Deprez-Unterbrechers bezw. durch Verwendung verschiedener Spannungen zum Speisen des Induktors, konnten die Ergebnisse in ziemlich weiten Grenzen geändert werden: Textabbildung Bd. 320, S. 462 Fig. 3. bei 22 Volt bei 24 Volt Standard   47 mm   56 mm Empfänger 385 mm 464 mm; bei verschiedenen Einstellungen des Deprez Induktor I. 0,49 bis 1,2 bei   5 Sekunden 0,7   bis 1,65 bei 10 „ Induktor II. 0,35 bis 0,48 bei   5 „ (gemessen am Empfänger mit Kaiser & Schmidt.) 4. Um den Einfluss der Standardspule auf die Ergebnisse zu ermitteln, wurden mehrere Messungen mit und ohne diese gemacht. Dabei zeigte es sich, dass, selbst wenn der Standard koachsial dicht neben der Geberspule aufgestellt wurde, dies eine Verminderung der Ergebnisse um nur 5 v. H. nach sich zog. 5. Die um die Apparate aufgebauten Kästen haben gar keinen merklichen Einfluss auf die Uebertragungsresultate geübt. 6. Ueber die Messungen im Zimmer (12,5 × 5,5 m) wäre noch zu erwähnen, dass der Einfluss, den die Lage der Antennen und Platten auf die Uebertragung ausübt, je nach der Entfernung wechselte. So war z.B. bei einer Entfernung von 280 cm, von Mitte Geberspule zur Mitte Empfängerspule gerechnet, die günstigste Lage die, wenn die beiden Antennen senkrecht und die beiden Platten wagerecht gerichtet waren und dabei war eine Vergrösserung der Uebertragung gegenüber jeder anderen Lage der Antennen und Platten von etwa 100 v. H. festzustellen. Ging man dagegen in eine Entfernung von 660 cm, so änderte sich das Ergebnis ganz erheblich. Das Optimum lag nicht mehr bei der früheren gegenseitigen Lage der Antennen und Platten, sondern wurde erzielt, wenn die Geber-Antenne senkrecht, die Empfänger-Antenne wagerecht und die beiden Platten wagerecht gerichtet waren, also bei einer ganz unsymmetrischen Anordnung. Der Grund dürfte wohl darin liegen, dass an den Wänden, Leitungen usw., die sich im Zimmer befanden, Reflexionen aller Art stattfanden. Damit wäre auch der Beweis dafür geliefert, dass aus Ergebnissen, die in geschlossenen Räumen gewonnen sind, nur mit Vorsicht Schlüsse auf deren Anwendung für die drahtlose Telegraphie zu ziehen sind. Versuche im Freien. Die Messungen im Freien wurden so vorgenommen, dass die Verbindungslinie zwischen Geber und Empfänger nahezu parallel mit der Front des Institutsgebäudes verlief und die Entfernung von dieser etwa 25 m betrug. Zunächst musste festgestellt werden, ob bezw. welchen Einfluss die Zuführungsdrähte einerseits zum Induktor, anderseits zum Empfänger auf die Ergebnisse ausübten. Daher wurde eine ganze Reihe von Untersuchungen in folgender Weise angestellt. Dicht an dem Induktorium mit Geber wurde eine Akkumulatorenbatterie und in einiger Entfernung davon das Galvanometer für Standard-Ablesungen aufgestellt; nur vom Empfänger führte ein isolierter Draht zum Du Bois-Rubens im Zimmer. Nun wurde einmal der Strom aus der im Freien stehenden Batterie entnommen, ein andermal ein Draht aus dem Zimmer zum Induktorium geführt und dieses aus der Institutsbatterie gespeist. Dabei musste aber die Primärspannung jedesmal geändert werden, je nachdem die dicht daneben stehende Batterie benutzt wurde oder der Strom aus dem Institut durch die verhältnismässig lange Leitung mit viel Selbstinduktion geleitet wurde. Aus den Versuchen ergab sich, dass ein Draht, der in der Vertikal-Ebene zur Antenne liegt, auf die Ergebnisse keinen Einfluss hat, sofern er natürlich der Antenne nicht zu nahe gebracht wird oder sie gar berührt. Des weiteren wurde auch untersucht, welchen Einfluss ein zwischen dem Geber und Empfänger ausgespannter Draht ausübt, wobei ein isolierter Draht auf die Erde gelegt und dicht an die beiden Apparate herangeführt wurde. Auch hierbei zeigte es sich, dass die Ergebnisse durch den Draht nicht beeinflusst wurden. (Schluss folgt.)