FUNKTECHNIK

 

Um das Phänomen FUNK wirklich zu verstehen, muss man sich ein wenig mit den Grundbegriffen der Elektronik und den Eigenschaften von elektromagnetischen Feldern und Schwingungen beschäftigen - Ich kann und will hier jedoch keinen Grundkursus in Elektronik oder Physik anbieten; Ein wenig Vorbildung sollte also schon vorhanden sein. Trotzdem bin ich bemüht, alle Erklärungen und Beschreibungen ebenso einfach wie ausführlich zu halten, so dass jeder auch ohne spezielle Fachkenntnisse einen kleinen Einblick in die Welt der Funktechnik bekommen kann. Kleine, zusätzliche Hilfen findet man im laufenden Text als Links eingestreut.-Dort werden bestimmte Fachbegriffe auf zusätzlichen Seiten genauer erklärt.

Gleich zu Anfang empfehle ich jedem die Hilfsseite: Schaltplan um vorweg einen kleinen Überblick über die in den weiteren Seiten verwendeten Schaltungssymbole zu erhalten. Weitere Infos findet sich in entsprechenden Elektronik- oder Physiklehrbüchern.- Auch alte Schulbücher der Mittelstufe eignen sich hier bereits als völlig ausreichende Nachschlagewerke.


Wie schon im Kapitel History und auch im Flash Intro angedeutet wurde, hatte FUNK ursprünglich tatsächlich sehr viel mit (elektrischen) Entladungsfunken und Blitzen zu tun....Die eigentliche Basis für die drahtlose Nachrichtenübermittlung liegt aber mehr im Verborgenen, und zwar unsichtbar als elektromagnetische Welle versteckt, die sich quasi als Nebenprodukt bei jeder elektrischen Entladung bildet.

Wenn durch einen Leiter (Draht) ein Gleichstrom fließt, so bildet sich ein mehr oder weniger homogenes und statisches Magnetfeld aus. Wickelt man den Draht noch um einen Eisenkern, verstärken sich die resultierenden Feldlinien und man erhält einen Elektromagneten. Die Reichweite solcher elektromagnetischer Feldlinien ist unter normalen Bedingungen allerdings nicht besonders groß, da die magnetische Feldstärke solch statischer Felder sich strikt nach dem Coulombschen Gesetz einfach nur abhängig von der Entfernung zu ihrem Ausgangsmittelpunkt mit gleichbleibenden hoher Potenz dieser Entfernung umgekehrt proportional verhält. Das heißt im Falle unseres gleichstromdurchflossenen Leiters, dass sie mit dem doppelten Abstand etwa nur noch ein Viertel ihres Anfangswertes beträgt. Eine Fernwirkung ist bei solchen statischen Feldern jedoch nicht zu erwarten; die magnetische Wirkung eines Elektromagneten etwa bleibt daher immer an diesen gebunden und bricht nach dem Ausschalten der Versorgungsspannung zusammen. Man spricht in diesem Falle auch von einem statischen Nahfeld. Diese Betrachtungen gelten modifiziert natürlich auch für elektrische Felder geladener (= mit Elektronen angereicherter oder verarmter) Körper.

Mit Funk hat dies alles dann auch noch nicht allzuviel zutun.- Allerdings ändert sich die Sachlage erheblich, wenn man magnetische oder elektrische Wechselfelder betrachtet!
Diese Felder sind nicht permanent und statisch vorhanden, sondern einem stetigen Wechsel ihrer Intensität und Ausrichtung unterworfen, der mit einer bestimmten Periodizität pro Zeiteinheit (Frequenz) erfolgt. Abhängig von ihrem Zeit/Spannungsverlauf (Wellenform) und der Höhe ihrer Frequenz bzw. Wellenlänge ergeben sich final verschiedene Eigenschaften der Wechselfelder, die im Folgenden noch weiter erläutert werden.
Der Feldstärkeverlauf verhält sich hier nicht mehr wie bei statischen Feldern einfach nur umgekehrt proportional zur Entfernung vom Ausgangspunkt, sondern folgt einem abgewandelten Prinzip des Coulomb'schen Gesetzes (Ursprünglich nur für Punktladungen!), nach welchem sich etwa bei strahlenden Dipolen die Feldstärke in einem bestimmten Messpunkt je nach Frequenz und Abstand vom Dipol umgekehrt proportional zur dritten, zweiten oder ersten Potenz eben dieser Entfernung verhält.- Im Nahbereich solcher Wechselfelder, sind dabei alleine die Glieder höherer Ordnung massgebend und die elektrische Feldstärke nimmt hier mit der dritten, die magnetische Feldstärke mit der zweiten Potenz der Entfernung zwischen Messpunkt und Strahler
umgekehrt proportional ab. Im Fernbereich des Wechselfeldes, dem sogenannten "Strahlungsgebiet" jedoch, gilt dagegen sowohl für die elektrische als auch die magnetische Feldstärke nur noch eine einfach umgekehrt proportionale Abnahme mit der ersten Potenz der Entfernung vom Dipol.

Versuchsschaltung zur Entladung eines Kondensators über eine Spule mit Eisenkern

Entlädt man einen Kondensator durch Umlegen des Ladeschalters S nach rechts in der oben gezeigten Weise über eine Spule, so wird in dieser ein Magnetfeld aufgebaut, welches aber nach der vollständigen Entladung des Kondensators wieder zusammenbricht und so in der Spule eine Selbstinduktion hervorruft, deren Polarität der anfangs anliegenden Spannung entgegengesetzt ist. Diese lädt wiederum den Kondensator erneut auf einen bestimmten Wert auf und der Vorgang wiederholt sich.- Dies ist das Prinzip eines Schwingkreises (Oszillators), die resultierenden periodischen Strom/Spannungsverläufe bezeichnet man folglich als Schwingung oder Oszillation. Aufgrund der Ohmschen Widerstände der Spule und der übrigen Bauteile werden diese Spannungen aber bei jedem Durchgang geringer, d.h: die Amplitude der Schwingung nimmt im zeitlichen Verlau solange kontinuierlich ab, bis alle Energie verbraucht (z.B. in Wärme umgesetzt) ist. Man nennt diese Art der Schwingung deshalb auch eine gedämpfte Schwingung. Die resultierende Frequenz (Zeitkonstante) wird dabei vor allem durch die Kapazität des Kondensators, die Induktivität der Spule und auch durch die Größe des regelbaren Ladewiderstandes Rs bestimmt. Sie liegt im Versuchsaufbau bei C = 40 µF (Microfarad) und einer Spuleninduktivität von 600 H (Henry) etwa bei einer Schwingungsdauer 0,97 Sekunden pro Periode. Der Oszillator schwingt also mit 1/T = 1,02 Hz (Hertz).Die Wellenläge beträgt demnach 300 000 000 m!! Diese niedrige Frequenz bleibt natürlich auf die Anordnung beschränkt, kann also in dieser elektromagnetischen Form nur mittels eines Leiters, der Annäherung einer zweiten Spule (Induktion) oder durch Umwandlung in eine andere Wellenart (Longitudinale Luftschwingung) weiterübertragen werden.Sie liegt dann jedoch im sog.Infraschallbereich und ist nicht hörbar.-Lediglich manche Tierarten sind offensichtlich in der Lage auf derartige Schwingungen zu reagieren. Auch manche Menschen sollen unbewußt dazu fähig sein.(Unwohlsein)

Erniedrigt man nun die Werte für Kondensator und Spule, wird das Entladungsintervall immer kürzer, das heißt, gemäß der Thomson'schen Schwingungsgleichung

ergeben sich etwa für Werte von 0,1 µF ( = 100 nF) und 0,1H ( = 100 mH) ca 3183 Hz, ( =3.2 kHz) also eine Schwingung im hörbaren Tonbereich,welche man mit einem geeigneten Resonator (z.B. Lautsprecher) in eine Luftschwingung umwandeln und so als hörbaren TON ( Hier ist es ein helles Knacken) bereits über eine gewisse Entfernung in den Raum übertragen kann....Allerdings tritt hier sogar bereits auch eine gewisse elektromagnetische "Fernwirkung" im Bereich der Spule auf, wie man mit einer zweiten Spule und angeschlossenem Indikator (Oszilloskop) leicht nachweisen kann. Die übertragenen Energien sind aber so gering, dass eine Nachverstärkung nötig ist, die dabei im Oszilloskop erfolgt.

Wie ist aber nun eine Ausbreitung der durch den Oszillator erzeugten Schwingung als Raumwelle möglich?
Wieso kann diese überhaupt die Sendeantenne verlassen um dann irgendwo in der Ferne über eine
zweite (Empfangs-)Antenne wieder "eingefangen" und als Informationsträger ausgewertet zu werden?
Dazu möchte ich die sehr anschauliche Darstellung eines Freundes zitieren,
die er mir freundlicherweise kürzlich per E-Mail zukommen ließ:

"...In der Funktechnik spielen elektromagnetische Wellen eine sehr wichtige
Rolle, aber viele Interessierte wissen nicht, *warum* sich diese Wellen von einer Antenne
ablösen und dann im Raum ausbreiten.

Ein Wechselstrom verursacht in einer Dipol-Antenne ein magnetisches,
eine Wechselspannung ein elektrisches Feld.
Beide stehen aufeinander senkrecht und wandern annähernd mit Lichtgeschwindigkeit vom
Einspeisungspunkt des Dipols nach außen.
Diese endliche(!) Ausbreitungsgeschwindigkeit ist der Grund dafür, dass eine Abstrahlung eintritt:

Nach dem Umpolen des Wechselstroms und der Wechselspannung kann ein Teil der Kraftlinien
nicht mehr schnell genug zurückkehren, um vom Dipol aufgenommen werden zu können,
weil die Polungen inzwischen gewechselt haben.
Die *neu* aus dem Dipol ausgetretenen Kraftlinien verlaufen in
entgegengesetzter Richtung zu den *vorher* ausgetretenenen Kraftlinien und diese werden
dadurch vom Dipol weggedrückt = abgestrahlt..."

Weitere Erhöhung der Frequenz auf Werte von 1nF (0,001µF) und 1mH (0,001H) ergibt 318310 Hz, das entspricht mit 318 kHz schon dem oberen Langwellenbereich und kann mittels eines Radiogerätes in einigen Metern Abstand ohne jedes Verbindungskabel empfangen und im Lautsprecher als Knacken hörbar gemacht werden. Die Fernwirkung dieser Schwingung mit einer Wellenlänge von immerhin noch 943 Metern ist bereits unübersehbar....Durch die starke Dämpfung des Kreises ohne regelmäßige, periodische Energiezufuhr von aussen verliert sich die Energie dieser gedämpften Schwingung natürlich so rasch, dass schon in wenigen Metern nichts mehr nachweisbar ist.

Nun experimentierten bekanntlich Leute wie Tesla und Marconi ( siehe HISTORY ) mit extrem hohen Spannungen von Funkeninduktoren und Teslatransformatoren.- Daher konnten sie auch schon mit relativ einfachen Schwingkreisen selbst gedämpfte Schwingungen mit einer extrem hohen Intensität erzeugen, dass eine gewisse Reichweite von mehreren Kilometern gelang. Sie verbesserten allerdings die Anordnungen durch periodische Erregung mittels automatischer Schalter (Unterbrecher beim Induktor oder Funkenstrecke beim Teslatransformator) derart, dass eine scheinbar kontinuierliche Sendung der Wellen erfolgte. Eine weitere Verbesserung der Reichweite erzielten sie, indem der aus Kondensator und Spule bestehende, geschlossene Schwingkreis unseres Beispiels in einen offenen Schwingkreis (Hertzscher Dipol) umgewandelt wurde: Die Kondensatorplatten werden gewissermaßen sinnbildlich auseinandergezogen und werden so zu Antenne und Erdanschluss!

Diese eher theoretische Darstellung setzte Marconi in die Tat um, indem er nämlich jeweils einen senkrecht gespannten Draht von 1-3 Metern Länge nach oben als Antenne und nach unten als Erdanschluß mit den Polen der Funkenstrecke des an sich mit niedrigen Unterbrecherfrequenzen arbeitenden Induktors verband. Er erregte damit ziemlich breitbandig den so gewonnenen Hertzschen Dipol auf einer Wellenlänge von ebenfalls 2-6 Metern, das entspricht UKW Frequenzen zwischen 50 und 150 MHz.

Tesla dagegen verband Antennendrähte von einigen 10 Metern bis zu 70 Metern Länge und in die Erde eingegrabene Erdungsplatten mit den Polen seiner auf Frequenzen von 500 kHz bis zu einigen MHz schwingenden Teslatransformatoren und erzeugte so Sendefrequenzen zwischen 0,5 und 4Mhz; überstrich damit also den Lang-, Mittel-, und unteren Kurzwellenbereich. Aufgrund der spezifischen Ausbreitungseigenschaften verschiedener Wellenlängen, von denen er zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht viel wusste, gelangen ihm in diesem Bereich durch Reflexion und Beugung daher von vorneherein die weitesten Verbindungen über viele 1000 km, während die Reichweiten von Marconis Anordnungen eher auf die freie Sichtlänge beschränkt blieben.

Nun könnte man ein wenig stutzig geworden sein, wenn man bedenkt, dass ausgerechnet der mit niederfrequenten Wechselströmen (bzw.zerhackten Gleichspannungen) arbeitende Funkeninduktor hohe Sendefrequenzen im UKW Bereich erzeugt, wogegen Teslas Hochfrequenzwechselspannungen nicht über den LANG-, Mitte-, oder höchstens unteren Kurzwellenbereich hinauskamen...??!!

Die Erklärung ist aber recht einfach:

Jeder Schwingkreis schwingt nämlich nicht nur exakt auf der seinen elektrischen und mechanischen Größen entsprechenden GRUNDFREQUENZ, sondern produziert im Normalfalle ein ganzes Spektrum von gerade- und ungeradezahligen Vielfachen der Grundfrequenz, die sogenannten Oberwellen.-Dabei spielt auch die Wellenform eine gewaltige Rolle:

Sind etwa bei einer reinen sinusförmigen Schwingung nur sehr wenige oder sogar überhaupt keine Oberwellen nachweisbar, so könnte man alle anderen Wellenformen geradezu als mit Oberwellen verseucht bezeichnen.- Dieser Effekt ist umso größer, je mehr "Ecken und Kanten" eine Wellenform zu haben scheint, die deutlich vom sinusförmigen Verlauf abweichen.- Man spricht daher auch von einem Oberwellenspektrum. Ähnliche Wirkungen haben steile Impulsflanken wie sie speziell bei Impuls-,Rechteck-, und Sägezahnschwingungen auftreten. Die mathematischen Nachweise für dieses Verhalten möchte ich mir und Ihnen ersparen.

Tatsache ist aber, dass speziell beim Betrieb des Funkeninduktors durch sein "Mischmasch" aus sägezahnförmigen Impulsspannungen ein sehr breites Oberwellenspektrum erzeugt wird, die ein entsprechend ausgelegtes Resonanzsystem in Form einer Antenne oder eines geschlossenen Schwingkreises dann auf schon fast beliebigen Frequenzen zur Eigenschwingung anregen können.- Man kann dieses Oberwellenspektrum mit weissem Sonnenlicht vergleichen, aus welchem man mittels eines farbigen Stück Glases alle anderen enthaltenen Farben ausfiltert, während die Eigenfarbe des Glases als farbiges Licht durchgelassen wird.- Da sichtbares Licht grundsätzlich ebenfalls eine Art besonderer elektromagneteischer Wellen im Bereich einiger 100 bis 1000 Billionen Hertz darstellt, ist der Vergleich eigentlich auch gar nicht so weit hergeholt.

Genaugenommen machte Marconi also nichts anderes als aus dem undifferenzierten Riesenangebot seiner Funkenschleudern einen bestimmten Bereich herauszufiltern und abzustrahlen. Hätte er diesen Zusammenhang damals schon durchschaut, wären ihm durch geschickte Anpassung längerer Antennen sicherlich auch erheblich weitere Verbindungen in niedrigeren Frequenzbereichen gelungen.

Sein Rivale Tesla dagegen produzierte gleich von vornerherein höherfrequente Grundwellen, die er mit einem Wirkungsgrad von fast 80 % in Größenordnungen von mehreren KILOWATT (!!!) abstrahlen konnte. Diese Grundwellen entsprachen dann natürlich auch der Resonanzfrequenz seiner langen Antennen und wurden so zur eigentlichen Sendefrequenz, ohne dass höherfrequente Oberwellen wie bei Marconi eine wesentliche Rolle spielten. Der UKW Bereich des Tesla'schen Spektrums blieb also aufgrund der Bauteiledimensionierung weitgehend ungenutzt.

Würde man allerdings heute diese abgestrahlten Signale mit einem Spektrumanalysator auf störende Oberwellenanteile untersuchen, man müsste vor Entsetzen die Hände über dem Kopf zusammenschlagen!

Durch das ständige "Nachladen" der gedämpften Marconi'schen und Tesla'schen Antennenschwingkreise, die an sich von Haus aus nur gedämpfte Schwingungen erzeugen können (mittels Induktor oder Teslatrafo) entsteht in einer Art schnell hintereinandergereihter "Singleshots" eine periodisch immer wieder an und ausklingende, "pseudo-fortlaufende" Welle, die einer echten ungedämpften Schwingung bereits sehr nahe kommt. So entsprechen die Sendeeinrichtungen unserer beiden Pioniere dann auch nach moderner Betrachtung mehr einer Kombination aus Störspannungsgeneratoren mit breitbandig abgestimmten Linearverstärkern als eigenständigen und "sauberen" Sendeoszillatoren. Von der so gut wie nicht vorhandenen Selektivität der Empfänger einmal ganz zu schweigen!

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