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Schaltungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Wellen.
Vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung elektrischer Wellen jener Art, die bei der drahtlosen Telegraphie verwendet werden. Die Erfindung eignet sich nicht nur für die drahtlose Telographie, sondern auch für andere Zwecke.
In der Zeichnung ist Fig. 1 ein Schaltungsschema einer allgemein bekannten Anordnung einer Resonanzschliessung ; der Hinweis auf dieselbe soll das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern. Fig. 2 zeigt ein Schaltungsschema einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 veranschaulicht eine Abänderung derselben und Fig. 4 zeigt eine besondere Ausgestaltung der Entladungsvorrichtung oder Funkenstrecke.
In Fig. 1 ist 1 ein Transformator, dessen Primärwicklung 2 Wechselstrom von geeigneten Frequenz-etwa 60 Wellen per Sekunde-zugeführt erhält. Die Sekundärwicklung 3, welche derart gewickelt ist, dass sie die erforderliche Spannung-gegen 10000 bis 20000 Volts-aufweist, steht mit den einen Teil der Sekundärschliessung bildenden Leitern 4, 5 in Verbindung.
Nach Fig. 1 ist die Leitung 2, 4, 5 durch die Induktanz (Selbstinduktionsspule) 10 und den Kondensator 11 geschlossen, die zueinander parallel geschaltet sind, aber natürlich je für sich mit der Sekundärwicklung in Reihenschaltung verbunden sind. Der Wert des Selbstinduktionskoeffizienten der Induktanz 10 und der Kapazität des Kondensators- sind im Verhältnis zueinander und zum ohmischen Widerstand der Zweige, in welche sie eingeschaltet sind, so bemessen, dass sie im wesentlichen gleiche wattlose Stromkomponenten erzeugen, da in einer dieser gleichen Komponenten, nämlich in jener in dem Zweig, in welchem die Kapazität vorherrscht, der wirksame oder Arbeitsstrom der Phase nach
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Worten einander gerade entgegengesetzt.
Die Folge davon ist, dass der wattlose Strom des einen Zweiges durch die durch den anderen Zweig geschlossene Ortleitung zu strömen sucht, und wenn die beiden Komponenten gleich sind, jeder Zweig genau den anderen speist. Dieser Zustand der Leitungen und Ströme wird gewöhnlich als Stromresonanz bezeichnet.
Man sieht somit, dass, wenn ein Strom von bestimmter Frequenz durch die äussere Leitung fliesst, an welche diese Zweige in Parallelschaltung angeschlossen sind, ein wattloser Strom durch die Ortleitung geht, die durch die Serienverbindung der beiden Zweige gebildet wird, welcher viel stärker sein kann als der wirksame Strom, der durch die äussere Leitung fliesst, und zwar je nach der Phasenverschiebung der Ströme in den beiden Zweien und anderen Umständen.
Da dieser Zustand der ganzen äusseren Schliessung 5, 3, 4 und der parallel geschalteten Zweige 10 und 11 im geraden Gegensatz zum Resonanzzustand der Schliessung steht, d. h. einer Schliessung, bei welcher die gesamte Selbstinduktion durch eine damit in Reihe geschaltete Kapazität derart neutralisiert wird, dass bloss der ohmische Widerstand verbleibt, so wird er manchesmal Antiresonanzzustand ge- nannt. Bei diesem Zustand der Leitungen kann, sobald die kritische'Frequenz erreicht wird, ein Strom von geringster Stärke hindurchgehen, während bei dem unmittelbar vorher erwähnten Resonanzzustand bei Erreichung der kritischen Frequenz die grösstmögliche Stromstärke auftreten wird.
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Angesichts der oben erwähnten Tatsachen erkennt man, dass beim Durchgang eines periodischen Stromes durch die äussere Leitung, dessen Frequenz so gross ist, dass gleiche und entgegengesetzt gerichtete wattlose Stromkomponenten in den beiden Zweigen hervorgerufen werden, ein periodischer Strom von gleicher Frequenz in der aus der Serienverbindung der beiden Zweige bestehenden, geschlossenen" Leitung auftritt und die in dieser letzteren Leitung entstehenden Stromwellen können, wie schon bemerkt, eine beträchtliche Amplitude erreichen.
Dieser hohe Widerstand der Schliessung 10, 11 gegen den Durchgang eines Stromes von einer bestimmten Frequenz und das Ansteigen des Stromes von dieser Frequenz in den Leitungen 10, 11 infolge der Resonanz wird in den Einrichtungen nach Fig. 2 bis 3 nutzbar gemacht. Man sieht, dass die in diesen Figuren veranschaulichten Schaltungen die Teslasche Anordnung mit dem üblichen Kondensator 9 und der Funkenstrecke 8 umfassen. Nach vorliegender Erfindung jedoch wird die Teslasche Leitung in der durch Fig. 1 erläuterten Weise antiresonant gemacht, indem eine Selbstinduktionsspule 10 und ein Kondensator 11 an diese Leitung in Parallelschaltung angeschlossen, aber je für sich mit den Leitern 4,5 in Reihe geschaltet sind. In diesem Falle sind die Zweige auf die natürliche Wellendauer bezw. Frequenz der Teslaleitung 9,4, 6, 7, 10, 5 abgestimmt.
Man erreicht dies dadurch, dass man dem Kondensator 11 angenähert dieselbe Kapazität gibt, wie dem Kondensator 9 und sie dann solange regelt, bis man die stärkste Resonanzwirkung erzielt.
Bei einer solchen Einrichtung möge, wenn sie für die Zwecke der drahtlosen Telegraphie benützt werden soll, die natürliche Frequenz der Wellenentladungen der TeslaLeitung etwa 1,000. 000 Wellen per Sekunde sein, wo dann die Frequenz, für welche die Zweige 10, 11 resonant (abgestimmt) sind und bei welcher sie einen grossen scheinbaren Widerstand und dementsprechend eine starke Strom steigerung infolge der Resonanz entwickeln, ebenso gross, d. i. gleichfalls 1,000. 000 Wellen per Sekunde ist.
Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform der Einrichtung nach vorliegender Erfindung lässt sich wie folgt darstellen : Wenn der in der Sekundärwicklung 3 des Transformators induzierte Strom eine Frequenz von etwa 60 Wellen per Sekunde aufweist, so ist die Dauer einer halben Welle, eines Stromstosses von einer Richtung, 1/120 Sekunde. Es ist daher die Geschwindigkeit der Ladung des Kondensators 9 von der Sekundärwicklung 3 aus sehr viel kleiner als die Geschwindigkeit der Entladung dieses Kondensators durch die Leitung 4, 8, 10, 5, ja sie ist so klein, dass die Spannung an den Polen der Funkenstrecke 8 und den Belegungen des Kondensators 9 gleichmässig steigt, ohne dass sich ein merklicher Abfall am Kondensator 11 oder an der Selbstinduktionsspule 10 bildet.
Diese langsame Spannungsteigerung setzt sich fort, bis der Widerstand der Funkenstrecke überwunden wird, wo sich dann der Kondensator 9 plötzlich entladet. Wie bemerkt, ist die freie oder natürliche Frequenz der Entladung des Kondensators 9 durch die Funkenstrecke 8 gleich jener Frequenz, für welche die Leitung 10, 11 resonant oder abgestimmt ist. Da das Gleichgewicht der Leitung 10, 11 so plötzlich, u. zw. in Übereinstimmung mit der Resonanz (Abstimmung) derselben gestört worden ist, so nimmt diese Leitung praktisch genommen die gesamte bei der Entladung des Kondensators 9 freiwerdende Energie auf. Wenn die Wellenbildung in dieser Weise eingeleitet worden ist, entladet sich abwechselnd die Selbstinduktionsspule 10 in den Kondensator 11 und umgekehrt, bis die Energie durch Ausstrahlung und Verluste aufgezehrt worden ist.
Es wird nämlich in einer eine Spule und einen Kondensator enthaltenden Schliessung Wellenbildung eingeleitet, wenn das Gleich-
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Gleichgewicht wird durch die Reaktion zwischen Spule und Kondensator wieder hergestellt, welche so lange dauert, bis die bei der Gleichgewichtsstörung zugeführte Energie auf-
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und einer Spule, deren Gleichgewicht durch eine plötzliche Ladung oder Entladung gestört werden kann, und wenn es einmal gestört worden ist, so wird es durch Wellen von einer Frequenz wieder hergestellt, für welche diese Schliessung resonant oder abgestimmt ist. Diese Frequenz hängt bekanntlich ab vom Wert der Quadratwurzel aus dem Produkt der Kapazität und der Induktanz.
Um ein mechanisches Bild der Vorgänge zu geben : Die Kapazität entspricht der Elastizität und die Induktanz der Trägheit eines schwingenden Stabes, einer Saite oder eines Pendels. Offenbar ist Arbeitsaufwand nötig, um das Gleichgewicht der Schliessung 10, 11 zu stören, offenbar kann auch die Schliessung 10, 11 in Form von Ladung des Kondensators und Steigerung der Stromstärke in der Spule, die mit einer Steigerung der Magnetisierung des Kernes derselben verbunden sein kann, alle Energie aufnehmen, die durch die Entladung des Kondensators 9 geliefert werden kann, wenn die Kapazität des letzteren ebensogross oder kleiner ist als die des Kondensators 11.
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Hiedurch wird in etwas allgemeinerer Form das vorstehend Remerkte zum Ausdruck gebracht, dass nämlich der Weg 10, 11 dem Durchgang von Wellen, deren Frequenz der natürlichen Resonanz der Abstimmung dieses Weges entspricht, einen sehr hohen scheinbaren Widerstand entgegensetzt.
Eine andere, mehr elementare Erklärung ist die, dass die Entladung des Kondensators 9 eine plötzliche Steigerung der Stromstärke in der Spule 10 hervorruft, wodurch in der Spule viel Energie aufgespeichert, die Spule geladen wird, der vom Kondensator 9 kommende Strom fällt dann ebenso rasch ab, wie er vorher gestiegen war, die Spule bleibt aber dabei geladen und kann sich sowohl in den Kondensator 9 als auch in den Kondensator 11 entladen. Der Entladungsweg zum ersteren Kondensator enthält aber die Funkenstrecke 8 und somit einen sehr hohen Widerstand ; der Widerstand des Entladungsweges zum Kondensator 11 ist aber praktisch genommen gleich Null.
Die Entladung der Spule 10 wird daher zum allergrössten Teil zur Ladung des Kondensators 11 herangezogen, dabei wird zwar auch die den Kondensator 9 enthaltende Leitung bis zu einem gewissen Grade geladen, aber immer nur bis zu einer viel geringeren Spannung als derjenigen, bei welcher die erste Entladung erfolgte. Es wird daher der Widerstand der Funkenstrecke ein zweites Mal nicht überwunden und die durch die erste Entladung aus dem Gleichgewicht gebrachte Spule 10 und Kondensator 11 setzen die Wellenbildung fort bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist.
Aus dem Vorstehenden erhellt, dass nach der ersten starken Entladung des Kondensators 9 praktisch genommen die gesamte Energie in der Schliessung 10, 11 aufgebraucht wird, wobei in der beschriebenen Weise Wellenbild. ung entsteht und dass so durch die vorliegende Erfindung eine andauernde Wellenbildung gesichert wird, bei welcher der grosse Verlust vermieden wird, der mit der zweimaligen Bildung einer Entladungsleitung durch eine Funkenstrecke hindurch für jede volle Welle verbunden ist. Die Energieverluste in der Funkenstrecke beschränken sich praktisch genommen auf die in einer Richtung erfolgenden einzelnen Entladungen nach jeder Ladung des Kondensators 9. Man kann diese ersten Entladungen des Kondensators 9 durch die Funkenstrecke S mit der grösstmöglichen Raschheit aufeinander folgen lassen.
Es wäre in der Tat wünschenswert, sie so rasch aufeinander folgen zu lassen, dass der Schliessung 10, 11 frische Energie zugeführt wird, bevor die durch die vorangegangene Entladung hervorgerufenen Wellen in dieser Schliessung ausgeklungen sind.
Die den Sitz der andauernden Wellenbildung bildende Schliessung 10, 11 kann als Quelle hochfrequenter elektrischer Wellen in beliebiger Weise nutzbar gemacht werden.
Für Zwecke der Wellentelegraphie, welche in erster Linie in Aussicht genommen sind, macht man sich den Umstand/unutze, dass sich in einer Wellen bildenden Leitung der grösste Spannungsunterschied an den Klemmen eines der zur Wellenhildung dienenden Organe, beispielsweise der Spule 10 bildet und demgemäss ist in Fig. 2 ein Ende dieser Spule bei 13 geerdet und das andere mit dem Luftleiter (Antenne) verbunden.
Nach der Zeichnung ist noch eine zweite Spule 12 im induktiven Wirkungsbereich der Windungen der Spule 10 vorgesehen, so dass diese beiden Spulen zusammen einen Autotransformator hidden. Es kann noch eine weitere Spule 15 vorgesehen sein, die einen Teil der Spule 12 bildet oder davon gesondert ist und die zur Einstellung der Ausstrahlungsleitung (Antennen-
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die Höchstwirkung erreicht wird. Der Teil- ! 6 kann aus einem oder mehreren geraden Leitern bestehen notwendig ist nur, dass die Teile 15, 16 zusammen mit der Spule 12 insgesamt soviel Kapazität und Selbstinduktion aufweisen, dass sie entsprechende Ah- stimmung besitzen.
In Flg. S ist eine abgeänderte Ausführungsform veranschaulicht, bei welcher die Funkenstret-ke an der Stelle liegt, wo sich in Fig. 2 der Kondensator. 9 befindet und der Kondensator 91 an der Stelle der Funkenstrecke der Fig. 2 gelegen ist. Symmetrisch zum Kondensator' ist. ein zweiter Kondensator M angeordnet.
Die Anordnung und Wirkungsweise der Selbstinduktionspule 10 und des Kondensators 11 ist dieselbe wie in Fig. 2 und sie bilden zusammen ebenso wie in Fig. 2 eine in sich geschlossene Leitung, die auf dieselbe Wellenfrequenz abgestimmt ist wie die Teslaleitung M, 10, 92, 7, R, G.
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die Leitungen derart abzustimmen, dass die Wellen in der Primärleitung 10, 11 eher kürzer als länger ausfallen als jene in der Sekundärleitung. Wenn in der Sekundärleitung die Wellenbildung frei vor sich geht, so äussert sie das Bestreben, die Wellenfrequenz der Primärleitung auf ihre eigene Frequenz zu bringen und auf dieser zu erhalten, wo dann die Primärleitung ihre Energie zu geeigneten Zeiten an die Sekundärleitung abgibt.
Man kann so eine grosse Menge Energie in Form elektrischer Wellen in der Sekundär-oder Entladungsleitung aufspeichern, wenn letztere von solcher Selbstinduktion und Kapazität ist, dass an ihren'Klemmen die maximale Spannungssteigerung infolge der Resonanz stattfindet und demnach eine entsprechende Ausstrahlung von Energie erzielen.
Man erkennt, dass verschiedene Ausführungsformen von Funkenstrecken S benutzt worden können ; in der Praxis hat sich gezeigt, dass eine auf dem Prinzip der CooperHewittschen Quecksilberdampflampe beruhende Vorrichtung dem vorliegenden Zwecke sehr gut entspricht.
In Fig. 4 ist eine solche Funkenstrecke oder Entladungsvorrichtung veranschaulicht, die aus einer Elektrode 22 aus geeignetem Material, beispielsweise aus Quecksilber und einer Elektrode 23 (nach der Zeichnung gleichfalls aus Quecksilber) besteht, welche in einem evakuierten mit niedrig gespanntem Quecksilberdampf gefüllten Behälter 24 eingeschlossen sind. Es zeigt sich, dass eine solche Vorrichtung einen sehr hohen Anfangswiderstand besitzt, aber unter der Einwirkung einer sehr hohen Spannung eine Entladung gestattet. Der Widerstand zwischen den Elektroden 22, 23 sinkt dann nach dem Durchgang eines Funkens fast augenblicklich auf ein sehr geringes Mass, wodurch die Leitung sehr rasch entladen wird und eine sehr kräftige und wirkungsfähige Welle entsteht.
Der hohe Anfangswiderstand stellt sich nach der Entladung des Kondensators wieder ein, wodurch dessen neuerliche Ladung bedingt wird.
Die Funkenstrecke oder Entladungsvorrichtung ist nach der Zeichnung verkehrt U ffirmig und hat Quecksilberelektroden an den unteren Enden. Diese können in (#neck- silbernäpfe tauchen, die zur Abkühlung der eigentlichen Elektroden dienen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schaltungseinrichtung zur Erzeugung elektrischer Wellen in der Ausstrahlungs-
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besteht, in die Primärleitung eingeschaltet ist, welcher Schwingungskreis für angenähert dieselbe Wellenfreqnenz abgestimmt ist wie die Primärleitung und in welchem die Wellen jenes Teiles der Primärleitung, welche die Sekundär-oder die Ausstrahlungsleitung be- finflusst, verlaufen können, ohne durch die Entladungsvorrichtung (Funkenstrecke) gehen /. n müssen, so dass das Ansklingen der Wellen verlängert und somit deren Dampfung ver- mindert wird.