Einführung in die physikalischen Grundlagen der Rundfunktechnik

281 Pages·1937·10.344 MB·German

by  Dr. Otto Franke (auth.)

Einführung in die
physikalischen Grundlagen
der Rundfunktechnik
Von
Dr. Otto Franke
Wien
Mit 167 Textabbildungen
Springer-Verlag Wien GmbH
1937
ISBN 978-3-7091-5885-2 ISBN 978-3-7091-5935-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-5935-4
Alle Rechte, insbesondere das dcr Ubersctztmg
in fremde Sprachen, vorbehalten
Copyright 1937 Springer-Verlag Wien
Ursprünglich erschienen bei Julius Springer in Venna 1937
Vorwort.
Das vorliegende Werk soll das sein, was sein Titel andeutet:
eine Einführung in die physikalischen Grundlagen der Rundfunk
technik, wobei der Nachdruck auf die Worte "physikalische
Grundlagen" zu legen ist. Sein Ziel ist einzig und allein, jene
physikalischen Gesetze zu behandeln, die der modernen Rund
funktechnik zugrunde liegen; keineswegs ist beabsichtigt, ein aus
führliches Werk über die gesamt-e Hochfrequenztechnik zu bringen.
Das Buch ist aus Vorträgen entstanden, die der Verfasser vor
einer Hörerschaft von Physikern und Elektrotechnikern gehalten
hat und die den Zweck verfolgten, den Hörern einen Überblick
über die Physik des Rundfunks zu geben und jene Kenntnisse
auf dem Gebiet der Hochfrequenztechnik zu vermitteln, die heute
auch der Nichtfachmann, wenn auch Physiker oder Elektro
techniker, nicht entbehren kann. Denn gerade die Grundelemente
der Rundfunktechnik, der Schwingungskreis, die Elektronenröhre,
die elektrische Welle sind für jeden Elektrotechniker und be
sonders für den Meßtechniker von der größten Bedeutung, da
sie heute in allen Zweigen der Elektrotechnik steigend Verwendung
finden. Diese Vorträge waren von Versuchen begleitet, durch die
angestrebt wurde, die besprochenen Gesetze besonders zu ver
deutlichen und die Übereinstimmung mit. der Erfahrung zu be
weisen. Nach reiflicher Überlegung habe ich mich jedoch ent
schlossen, auf eine Schilderung dieser Versuche zu verzichten,
nicht nur um den Umfang der Arbeit nicht allzusehr anwachsen
zu lassen, sondern auch aus der Überzeugung, daß die Beschreibung
eines Versuches nur ein schlechter Ersatz dieses selbst ist und
kaum überzeugender wirkt als die mathematische Entwicklung.
Da es sich um ein Werk über die physikalischen Grundlagen
handelt, habe ich absichtlich, und manchmal schweren Herzens,
darauf verzichtet, in Einzelheiten einzugehen, die in das Gebiet
IV Vorwort.
der Technik gehören; dem widerspricht nicht die Tatsache, daß
das letzte Kapitel die praktische Anwendung der in den vorher
gehenden Kapiteln behandelten Elemente zum Gegenstand hat.
Auch hier ist immer nur der Aufbau des grundlegenden Schemas
besprochen, aus dem der Techniker erst das Gerät zu gestalten
hat. Da es sich um eine Einführung handelt, mußte auch auf
dem eigentlichen Stoffgebiet des Werkes die strengste Beschränkung
auf das unbedingt Notwendige stattfinden und vieles wegbleiben,
das für jeden, der sich eingehender mit der Hochfrequenztechnik
befassen will, unentbehrlich ist, das jedoch den Anfänger nur
verwirren würde. Dem ersten stehen aber eine Reihe ausge
zeichneter ausführlicher Werke zur Verfügung, für deren Studium
das vorliegende Buch vielleicht eine Vorbereitung sein könnte.
Dem Charakter einer Einführung entspricht es nach der Ansicht
des Verfassers auch, daß die mathematischen Entwicklungen fast
überall breit und vollständig gegeben sind, um dem Anfänger das
lästige fortwährende Nachschlagen in anderen Werken zu er
sparen. Es wurde aus diesem Grunde auf manches verzichtet,
das bei etwas geringerer Breite der Entwicklungen noch leicht
hätte Platz finden können. Nicht verzichten konnte und wollte
der Verfasser auf die mathematische Behandlung der besprochenen
Probleme, nur sie allein ermöglicht ein wirkliches Verständnis
und die Einsicht in den quantitativen Verlauf der Erscheinungen,
die eine praktische Verwertung erst möglich macht.
Als ehemaliger Hörer und Assistent an der Wiener Technischen
Hochschule möchte ich noch der schönen Vorlesungen über
"Elektrische Schwingungen und Wellen" gedenken, die ich vor
nahezu einem Vierteljahrhundert bei Max Reithoffer gehört
habe; sie vermittelten mir jene Grundlagen, die es mir ermög
lichten, die seitherige ungeahnte Entwicklung der Hochfrequenz
technik mit Verständnis zu verfolgen; sie sind es, die durch ihre
un übertrefflich lebendige Art des Vortrages in mir das lebhafteste
und nie mehr auszulöschende Interesse an dem Gegenstand wach
gerufen haben.
Ich widme dieses Werk dem Gedächtnis des leider so früh
dahingeschiedenen Gruppenleiters des Eichdienstes Österreichs,
des w. Hofr. Dr. Gottfried Dimmer; Hofrat Dimmer hat sich
nicht nur um das Zustandekommen der dem Buche zugrunde
liegenden Vorträge die größten Verdienste erworben, sondern
Vorwort. V
diese selbst auch mit der vollsten Aufmerksamkeit verfolgt; das
Andenken dieses ehrlichen Dieners der Wissenschaft und wahrhaft
großherzigen und gütigen Mannes auch in diesem Zusammenhange
zu ehren ist mir nicht nur Pflicht, sondern wahres Herzens
bedürfnis.
Meinem lieben Kollegen und Freund, Ing. Hermann Reiter,
habe ich für seine wertvolle Mithilfe bei der Korrektur zu danken;
Herrn Kollegen Dr. E. Brückner für viele Anregungen und für
seine Mithilfe bei den Experimenten.
Wien, im November 1936.
Otto Franke.
Inhaltsverzeichnis.
Einleitung.
Seite
Die Grundgleichungen der Maxwellschen Theorie 1
Erstes Kapitel.
Elektrische Schwingungen.
1. Der Thomsonsche Schwingungskreis ............. 19
1. Die freie, gedämpfte elektrische Schwingung......... 19
2. Die ungedämpfte, freie Schwingung................. 29
3. Die aufgezwungene Schwingung .................... 31
11. Dip Resonanzerscheinungen ... .. .. . .. . . . . . . ... . .. 36
1. Spannungsrpsonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
2. Stromresonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41
111. Gekoppelte Schwingungskreise .. . . . ... . . . . .... ... 44
1. Begriff und Arten der Kopplung.. . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
2. Aufgezwtmgene Schwingungen bei induktiwr Kopplung 45
3. Freie Kopphmgsschwingungen bei induktiver Kopplung 52
IV. Überlagerung von Schwingungen................. 57
1. Überlagel'lmg von Schwingtmgen verRchipdenpr Frequpnz 57
2. Schwebungen..................................... 60
3. Modulierte Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. (j I
Zweites Kapitel.
Elektronenröhren.
I. Glühelektrizität .................................. 62
1. Die Elektronentheorie der Metallp .................. 62
2. Die Formel von Dushman ...... ... . . ... . . . ... . ... 64
11. Röhren ohne Gitter (Dioden) . .... . . . .... . ... . .... 69
1. Die Vorgänge in der gitterlosen Röhre.. . . . . . . . . . . .. 69
2. Die Langmuir-Parabel ........................... 71
3. Wärmewirtschaft der Elektronenröhrp . . . . . . . . . . . . . .. 72
4. Indirekt geheizte Röhren .......................... 76
5. Dioden aIR Gleichrichter........................... 77
111. Röhren mit Gittern............ . . . ... . . ... ... . . ... 78
1. Theorie der Eingitterröhre ......................... 78
2. Kennlinien und charakteristische Größen............ 80
3. Der Gitterstrom................................... 83
4. Röhren mit mehreren Gittern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83
IV. VerRtärkerröhren ................................. 84
1. Die Eingitterröhre als Verstärkprröhrc. . . . . . . . . . . . . .. 84
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
2. Leistungsabgabe der Röhre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8(i
3. Doppelgitterröhren als Verstärkerröhren . . . . . . . . . . . .. 87
V. Rückkopplung.................................... 90
I. Dämpftmgsverminderung durch Rückkopplung . . . . . .. 90
2. Die Barkhausensche Rückkopplungsformel . . . . . . . .. 92
3. Leistung und Wirkungsgrad......... . . . . . . . . . . . . . .. 93
VI. Röhrengeneratoren ............................... 94
I. Schwingungserzeugung durch Röhrengeneratoren ..... 94
2. Rückkopplungsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 103
2. Die Huth.Kühn.Schaltung ........................ 107
4. Der piezoelektrische Effekt und seine Anwendung . . .. 108
VII. Das Audion ....................................... 115
1. Einfluß eines Widerstandes im Gitterkreis ......... " 115
2. Theorie und Schaltung des Audion ................. 116
3. Demodulation durch das Audion. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
Drittes Kapitel.
Elektrisehe Wellen.
I. Drahtwellen ....................................... 121
l. Der Thomsonsche SchwingungHkreiH ............... 121
2. Die Lecherschen Drähte; dip Telegraphengleichung .. 122
3. Dip D'Alem bertHche Lösung der Well(>ngleichung .. 124
4. Drähte von pndlicher Längc; die Randbedingungen .. 132
5. Die Dan. Bprnoullische Lösung dp!, Wellengleichung 136
ü. Die Randbedingungen bei der BernoulliHcllCn Löstmg 138
11. Die stabförmigl' Antenne ......................... 143
1. Cbergang von den Lecherschen Drähten .......... 143
2. Die Grundgleichungen der Ma xwellschen Theorie in
krummlinigen axial·symmetrischen Koordinaten ..... 145
3. Elliptisch.hyperbolische Koordinaten . . . . . . . . . . . . . .. 149
4. Die Schwingungen der stabförmigen Antenne ....... 151
5. Das elektromagnetische Feld im Raume ............ 153
6. Die Grenzbedingungen ............................ 156
6. Die Gleichung der Kraftlinien ..................... 160
8. Nochmals die Schwingungen dps stabförmigC'll LeiterH 162
9. Die elektromagnetische EnergieHtrahlung............ 162
10. Die geerdete Antenne.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 169
11. Abstimmung der ungecrdetcn oder geerdeten Antenne 170
IH. Die Dipolantenne ................................. 173
1. Die allgemeinen (l'etardierten) Potentiale ............ 173
2. Der schwingende Dipol .......................... " 179
3. Die StrahlungHfläehe der Dipolantenne. . . . . . . . . . . . .. 186
IV. Die elektromagnctiHehen Wellen im Raump ...... 188
1. Die allgemeim' Wellpngleiehung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
2. Interferenz ....................................... 190
3. Richtstrahler ..................................... 191
4. Einfluß der Erdkrümmung ......................... 191)
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
5. Einfluß des Erdwiderstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 198
6. Die Heaviside-Kenelly-Schicht .................. 200
7. Zusammenfasstmg und Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . .. 202
V. Der Empfang elektromagnetif-lcher Wellen ....... 203
1. Die Arten der Empfangsantennen. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 203
2. Die Itahmenantenne ............................... 204
3. Die Hochantenne .................................. 205
4. Energiebilanz der abgestimmten Hochantenne ....... 206
5. Die entdämpfte Antenne ........................... 210
Viertes Kapitel.
Wellentelegraphie und -telephonie.
I. Historische Systeme der Wellentelegraphie 212
1. Historische Bemerkungen .......................... 212
2. Das System Marconi ............................. 213
3. Das System Braun-Slaby ........................ 215
4. Die W iensche Löschfunkenstrecke und da" System der
tönenden Funken ................................. 21 Ö
H. Telegraphie mit ungedämpften Wellen ........... 218
1. Erzeugung der ungedämpften Wellen ................ 218
2. Empfang ungedämpfter Wellen mit Tikker .......... 218
3. Der Überlagerungsempfang ......................... 219
4. Die Sendung ungedämpfter Wellen ................. 221
III. Wellentelephonie, Prinzip und Schaltung ....... 222
1. Prinzip der Wellentelephonie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 222
2. Erzeugtmg und Ver"tärkung dpr Hochfrequenz ....... 225
3. Allgemeines über Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 227
4. Gittermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 227
5. Anodenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 230
6. Beispiel eines Großsenders ......................... 233
IV. Wellentelephonie; Empfang ...................... 238
1. Allgemeine Bemerkungen........................... 238
2. Detektorempfänger ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 238
3. Geradeausempfänger ............................... 239
4. Überlagerungsempfänger ........................... 245
5. Moderne Itöhren und ihre Anwendung zur selbsttätigen
Fadingregulierung tmd im t'berlagerungsl'mpfänger . .. 252
ß. Kopfhörer und Lautsprecher ....................... 251i
V. Probleme des Itundfunks ......................... 21i0
1. Die Wellenverteilung .............................. 260
2. Der Kurzwellenbereich ............................. 261
3. Gleichwellenrundfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 261
Anhang.
I. Die Grundgleiclnmgen der Maxwellschen Theorie ...... 262
11. Zusammenstellung der benützten Vektorformcln ........ 262
N am e n - und S ach ver z e ich n i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 265
Einleitung.
Die Rundfunktechnik, das jüngste Teilgebiet der Elektro
technik, ist ein Kind, das zwar noch im vorigen Jahrhundert ge
boren wurde, dessen Entwicklung aber hauptsächlich erst in den
beiden letzten Jahrzehnten erfolgte; wenn wir diesen Vergleich fort
setzen wollen, so können wir sagen: ein Kind, das die Maxwell
sehe Theorie der Elektrizität zum Vater und die moderne Elek
tronentheorie zur Mutter hat; ein Kind, als dessen Geburtsstunde
der denkwürdige Tag bezeichnet werden muß, an dem es Heinrich
Hertz zum ersten Male gelang, elektrische Wellen zu erzeugen
und die von der Maxwellschen Theorie geforderte endliche Aus
breitungsgeschwindigkeit dieser Wellen nachweisen.
Auf keinem andern Gebiet der gesamten Technik zeigt sich
so deutlich die Notwendigkeit und Fruchtbarkeit des Zusammen
wirkens des theoretischen Physikers, des Experimentalphysikers
und des konstruierenden Technikers. Der theoretische Physiker
- Maxwell-ruft auf Grund seiner theoretischen Vorstellungen
und Berechnungen dem Experimentalphysiker zu: Wenn du an
irgendeiner Stelle eine elektromagnetische Störung erzeugst, so
breitet sich diese im Raume aus, und zwar mit einer endlichen,
wenn auch sehr großen Geschwindigkeit, nämlich mit der des
Lichtes! Der Experimentalphysiker - Hertz - sucht nun Mittel
und Wege, solche elektromagnetische Störungen zu erzeugen, ihre
Ausbreitung nachzuweisen und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit
zu messen. Der Techniker - Marconi, dann Braun, Slaby usw.
- gibt diesen Experimenten jene Form, die die technische Ver
wertung zu wirtschaftlichen Zwecken - Endzweck aller Technik
ist Wirtschaft! - ermöglicht.
Verfolgen wir einen Augenblick den hier in Schlagworten an
gedeuteten Entwicklungsgang etwas näher. Der theoretische
Physiker ruft dem Experimentalphysiker zu ... Dies geschieht
natürlich in seiner Sprache, die ja auch die des andern ist und die
Franke, Rundfunktechnik. 1