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Experimentelle Untersuchung der elektromagnetischen Wellen an dielektrischen Drhten.

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K d p a r . Experimentelk Untersuchungder ekktromagn. W e k n w w . 353
Experlmmtelle Untereuchung der elektromagmet.lachen
Wellerc an d.leZel%trCschemDrUhten
Von EmCZ EaApar
(Mit 5 Abbildungen)
In diesem Artikel gebe ich die Ergebnisse der Vereuche an, mittels deren
die Enbtehung und die Eigenwhaften der elektromagnetischen Wellen an dielektrischen Drlihten untersncht wurden; dieselben sind durch die D e b y e Hondroseche (1) Theorie gegeben. Mit Hilfe der photographischen Registrierung und Automatiaierung der MeSmethode wurden besonders folgende Ergebnisse gewonnen:
1. Bestlitigung der figebniase meiner friiheren Arbeit von 1932 iiber
die Entstehung und Eigenschaften der Welle 1. Ordnung fast im ganzen Bereiche
der theoretiwhen Abhbgigkeit der Drahtwellenllinge von der Luftwellenllinge
(freie Welle).
2. Feetetellung der W’elle 2. Ordnung und ihrer Eigenschaften.
3. Bestimmung des Einflussee der Leitffihigkeit.
I. Einleitung
Die Haupteigenschaft der elektromagnetischen Wellen an dielektrischen Drahten ist die Abhangigkeit der Wellenlange der
Drahtwelle von der Wellenlange der freien Welle (d. i. der Geschwindigkeit der Drahtwelle von der Schwingungszahl). Diese Abhangigkeit - in Abb. 2 fur die Welle der 1. und 2. Ordnung
angedeutet - ist der Hauptgegenstand fast aller auf diesem Gebiete
bis jetzt ausgeftihrten experimentellen Arbeiten.
H. Zahn(2) war der erste (im Jahre 19161 der diese Erregungen
festzustellen versucht hat. Als Ultrakurzwellensender hat er einen
Funksender (gedilmpfte Schwingungen) beniitzt. Da die Messung
Schwingungen absolut konstanter Energie und Frequenz erfordert,
kann man seine Versnche nur flir einen qualitativen Beweis der
Existenz der obengenannten Wellen halten.
S c h r i e v e r ( 3 ) (im Jahre 1920) konnte unter Benutznng der
ungedampften Barkhausen - Knrz - Schwingungen seine Messungen
schon quantitativ durchfiihren. Seine Messungen aber bestiltigen
die theoretische Abhangigkeit n u teilweise und zwar ftir Wellenrangen, die nahe der oberen Grenze der Welle der 1. Ordnung
liegen. (fberdies bekam er MeSergebnisse auch ftir Wellenlangen
uber diese Grenze, welche nicht aus der Theorie hervorgehen. Diese
Wellen pflanzen sich mit tfberlichtgeschwindigkeit fort. Daneben
studierte er auch den EinfluS der Leitfahigkeit.
354
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 32. 1938
Im Jahre 1932 beschaftigte ich (4) mich rnit den obengenannten
Anregungen. Ich habe mir als Aufgabe gestellt die ganze theoretische Kurve, die die Abhnngigkeit ausdmckt, auszumes6en. Ich habe
bei meiner Arbeit zuerst die Apparatur, die nach der Beschreibung
von S c h r i e v e r hergestellt wurde, beniitzt. Dabei stellte ich aber
feat, datl die mit Hilfe der Apparatur nach S c h r i e v e r gemessenen
Werte nicht der theoretischen Relation entsprechen, denn die am
Drahte gemessenen Wellenlangen waren denjenigen in Lnft gleich.
Es zeigte sich, daB die Ursache des MiBerfolges die auBeren Schirme
waren, zwischen denen die stehenden Luftwellen immer entstanden,
wenn die Entfernuog der beiden Schirme der halben Luftwellenlange oder ihrem Vielfacheu gleich war. Die Luftwellen gaben
Galvanometerausschliige groBer a l s die Drahtwellen, die eine relativ
kleine Intensitiit zeigten, so daB die letzteren von den Luftwellen
ganz iiberdeckt wurden. Deshalb habe ich in den spateren Versuchen
den iluBeren beweglichen Schirm beseitigt oder lieB ihn fest stehen
und rlickte nur den inneren Schirm vor. Die dadnrch erhaltenen
Ergebnisse stehen im ganzeu Bereiche der theoretischen Kurve im
guten Einklang mit den theoretischen. tfber die Wellen oberhalb
der oberen Grenze konnte man in dieser Arbeit nichtb: Positives
feststellen.
Im Jahre 1933 beschiiftigte sich LiSka ( 5 ) mit elektromagnetischen Wellen an dielektrischen Drahten. I n seiner Arbeit berichtet
er, da0 er zn der Schrieverschen Methode zuriickgekehrt sei und
daB auf diese Weise neben der Welle der 1. Ordnnng auch die Welle
der 2. und 3. Ordnung und auch die Wellen oberhalb der oberen
Grenze , die sich m i t Uberlichtgeschwindigkeit fortpflanzen, festgestellt wurden. Diese Ergebnisse waren in einem offenen Widersprnch rnit Ergebnissen meiner emten Arbeit und deshalb kehrte
ich im Jahre 1936 zu derselben zurllck; iiber diese meine Ergebnisse will ich ausf iihrlicher im folgenden berichten.
Inzwischen beschaftigte sich im Jahre 1937 S o n t h w o r t h (6)
experimentell mit den Wellen an dielektrischen Drahten. Seine
Arbeit betrifft hauptsachlich den dielektrischeu Zylinder in einer
Metallhiille. Soweit es sich urn einen reinen dielektrischen Draht
handelt, sind seine Ergebnisse im Grunde identisch mit den meinigen
(Welle 1. Ordnung).
11. Berchreibung der Apparatur (Abb. 1)
Der Rohrensender S wurde in Dreipunktschaltung rnit einer
Eichelrohre geschaltet Die Wellenlange wurde durch Auswechseln
der Schwingungskreise im Bereich von 45-150 cm geandert. Die
KaSpar. Experimentelle Untersuchung der elektromagn.. Wellen usw. 355
Kopplung des dielektrischen Drahtes mit dem Sender war ganz lose.
Der Sender stand namlich in der verliingerten Achse des.Drahtes
im Abstand von u n g e f i r 20 cm. In dieser Anordnnng war die
Intensitat und E'requenz der Schwingnngen ganz konstant.
Die Lecherdruhte I,. Zur Messung der Wellenllinge der freien
Wellen wurde ein Lechersystem in Anordnung von Prof. %bCek
benutzt. Diese besteht darin, dal3 die Drahte am Anfang mit einem
Abb. 1. Apparatur
festen kreisformigen in zwei Halbkreise durch einen Spalt von '/,mm
geschlitzten Schirm iiberbriickt wurden. Diese Platten wurden mit
einem Detektor verbunden. Die verschiebbare Brticke wurde durch
eine quadratiache Messingplatte 6 x 6 cm gebildet. Durch diese
Anordnung wurde es emoglicht, die Rellenlange bis auf 0,l O l 0
genau zu messen.
D e r dielektrische Draht D wurde durch einen mit Wasser gefullten Papierzylinder gebildet. Es surden 2 Zylinder mit den
Halbmessern 6,O bzw. 4,O cm beniitzt. Der Draht stand in vertikaler Lage und die Innenseite des Stopsele wurde mit einem Metallechirm S,, der die Form der konzentrischen Zwischenkreise (Breite
3 mm) hatte, bedeckt. AuSerdem konnte man im Innern des Zylinders
einen anderen Schirm S, verschieben, dessen Durchmesser fast dem
356
Annulen der Physi.k. 5. Folge. Band 32. 1938
Durchmesser des Drahtes gleich war. Der Schirm wurde an den
Faden gehlngt, der um die Scheibe des Triebmotors M nnd dann
um die Scheibe des photographischen Registrierungsapparates F
gewunden war. Der Schirm S, wurde sehr gleichma6ig ganz automatisch nach Bedarf mit der Qeschwindigkeit von 1mm/sec-1 cmlsec
verschoben.
Zuerst beniitzte ich feste auBere Schirme. Es zeigte sich aber,
daO sie einen groBen Einflnh auf die Wellenlange am Drahte haben;
deshalb habe ich sie im weiteren durchaus beseitigt.
Registwapparat. In elektromagnetischen Felde 'des Drahtes
befand sich radial ein Dipol von veranderlicher LLnge rnit einem
Kristalldetektor. Der Dipol R war urn ein Viertel der Drahtwellenlange vom Anfang des Drahtes entfernt, denn da kann man die
gr60ten Anderungen des elektromagnetischen Feldes wahrend der
Verriickung des inneren Schirmes erwarten. Wenn der Indikator
in die Entfernung, die dem Viertel der Wellenlange der Wellen
der 2. Ordnung gleioh war, hingebracht wurde, konnte man die
Wellen dieser Ordnung gut konstatieren (Abb. 3 8 ) . Der Kristalldetektor wurde mit den Klemmen eines Spiegelgalvanometers G
verbunden.
D i e eigentliche photographische Registrierung wurde ahnlich, wie
sie zuerst S i m o n in einer nicht veroffentlichten Arbeit beniitzte,
durchgefiihrt nnd zwar folgendermaBen : Der vertikale belichtete
Spalt S, wurde mit der Linse Li nach der Reflexion von dem Spiegel
des Qalvanometers G auf die Vorderseite photographischen Kamera F
projiziert. Diese wurde rnit einem horizontalen Spalt S, ausgestattet,
hinter welchem sich synchron rnit dem Schirme S, aber verzogert,
das lichtempfindliche Papier bewegte. Die gleichmaBige Bewegnng
des Papiers und die Ausschlage des Lichtzeigers setzten sich in
eine Kurve zusammen. Auf diese Weise wurden die photographischen
Aufnahmen in Abb. 3 und 4 gewonnen. Das Verhlltnis der Verschiebung des Schirmes zu derjenigen des Papiers war etwa 8,5:1
und wurde stets uberwacht.
111. Ergebniaee
A. Die Welle 1. O r d n u n g
In der beschriebenen Weise konnte man die theoretische Kurve
fur die Welle 1. Ordnung fast im ganzen Bereich dnrchmessen
(Abb. 2, Kurve 1). Far die Wellen, welche der oberen Grenze nahe
sind, wnrde die Messung auf einem Drahte mit dem Halbmesser
von 4,O cm durchgefiihrt. Bei kleinerem Halbmesser konnte man die
kurzeren Wellen beniitzen und deshalb mehrere Maxima an dem Drahte
KQSpar. Experimentelle Untersuchungder elektromagn. Wellen W W . 357
gewinnen. Die Punkte sind mit @ angedeutet. Fiir die kiirzeren
Wellen wurde ein Zylinder mit Halbmesser von 6,O cm verwendet
. g bezeichnet sind durch gleich(Punkte 0). Punkte mit a, b,
bezeichnete Photokopien in Abb. 3 begleitet. Man sieht, daS die
fjbereinstimmung der Experimente mit der Theorie ganz gut ist.
Die gemessenen Punkte liegen aber fur kurze Wellen fast regelregelmaig oberhalb der Kurre. Diese Erscheinung kann durch den
EinfluS der Leiter in der Umgebung des Drahtes erklart werden.
..
Abb. 2. Wellen der 1. und 2. Ordnung ( 8 = 81).
1 = freie Wellenllinge, L = Drahtwellenliinge, r = Drahthalbmeeser,
0 &ensung fiir r = 6,Ocm, 6 Meaeung fiir r = 4,O cm
DaS diese Vermutung richtig war, zeigte sich, wenn ich einen
auSeren Schirm zur Abschirmung des direkten Einflusses des Senders
auf den Dipol beniitzen wollte. Die Abweichung der Punkte (Verlangerung der Drahtwellenliinge) von der theoretischen Kurve war
sehr bedeutend, 00 da6 ich bei weiteren Versnchen alle auSeren
Schirme beseitigte.
Die Genauigkeit der Messnngen ist fiir die kilrzeren Wellen
(+ < 12)
Fiir die langeren Wellen ist die Genauigkeit
kleiner; dies ist dadurch vernrsacht, daS die Zahl der Maxima teils
kleiner ist, teils die Maxima der registrierten Knrven flacher und
unregelma6iger sind (Abb. 3a). Diese Erscheinung ist die Ursache,
warum nichts Positives in der Umgebung und oberhalb der oberen
1--3O/,.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 32. 1938
358
Grenze der Kurve der 1. Ordnung gesagt werden kann. Man kann
also auf diem Weise die Entstehung der gberlichtgeschwindigkeitswellen, die S c h r i e v e r und LiSka beobachtet hatten, nicht bestatigen.
B. D i e W e l l e 2. Ordnung
Abb. 3 d', el f, g zeigt Messangen fiir Wellen, deren Wellenlingen unterhalb der oberen Grenze der Welle 2. Ordnnng liegen
< 10,2). Man sieht sogleich, daB mit der Welle der 1. Ordnung
(4
Abb. 3. Pbotograpbische Regiatrierung.
= 6,O cm, I = freie Wellenlhge, L, = Drahtwellenliinge 1. Ordnung,
Lp = Drahtwellenliinge 2. Ordnung, cm = Entfernung des Schirmee S,
vom Anfang dea Drahtes, mA = Richtung der Gslvanometeraueechl(e.
e) 2 = 64,O cm
a) I = 98,4 cm
f) 2 = 52,l cm
b) I = 88,O cm
g) 2 = 47,3 cm
c) I = 82,5 cm
d) 1 = 59,8 cm (Dipol K in der Entfer- d') 2 = 59,8 cm (Dipol E in der Entfernung ) L , vom Anfang des Drahtee)
nung +L, vom Anfang dea Drahtee)
t
die Welle der 2. Ordnung gleichzeitig entsteht. Diese letztere erscheint als ein langer Wellenzug, der die Welle der 1. Ordnung
,,moduliert". Die Wellenlange der Wellen der 2. Ordnnng kann man
nicht genau messen, denn die Maxima sind durch die Variationen
der Wellen 1. Ordnung ganz unschnrf. Trotzdem stehen die gemessenen Werte flir die Wollenlangen der 2. Ordnung mit der Theorie
in gnter flbereinstimmung. Ober der oberen Grenze der Welle
2. Ordnung fehlt in ubereinstirnmung mit der Theorie die Welle
2. Ordnung.
KaSpar. Experimentelk Untersuchung der eleklromagn. Wellen usw. 359
C. Einflul? der Leilfiihigkeit
Dann wurde der EinfluS der Leitfahigkeit auf die Entstehung
und Dampfung der Wellen an dielektrischen Drlhten untersucht.
U=
(I=
O,OlO.lO-' Ohrn-lcm-'
ll=
5,7 lo-' Ohm-'cm-'
(I=
Ohm-lcm-'
12,5-
(I=
72,1.10-4 Ohm-lcm-'
(I=
1209.lo-' Ohm-lcrn-'
34,4. lo-' Ohm-'cm-l
Abb. 4. EinfluS der Leithhigkeit.
(Photoaufnahmen der Meseungen fur I = 56,2 cm, r = 6,U em)
Man hat KC1 - Lasungen benutzt und
die Leitfahigkeit zwischen 1,0 10-o bis
1,2.10-1 geandert. Abb. 4 zeigt, wie
die Dampfung der Drahtwellen (flir die
freie Welle 1 = 56,2 cm) von der Leitfahigkeit abhangt. Die experimentelle
Abhangigkeit ist durch die Abb. 6 gegeben. Hier ist die Leitfahigkeit in
Ohm-' cm-1. lo3 als Abszisse, die entsprechende Dampfung als Ordinate aufgetragen. Die Dampfung wurde als
Quotient zweier Amplituden ftir den
Abstand einer Drahtwellenlange berechuet. Es ist ersichtlich, daS die Dampfung in den Grenzen der Beobachtungs-
-
9
8
7
6
5
4
3
2
r
b
5
. 1.
360
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 32. 1938
Zunammenfaaeung
Dnrch die Anwendung der Automatisierung der Messung und
der photographischen Registrierung wurde folgendes festgestallt:
1. Die Entstehnng und Eigenschaften der elektromagnetiachen
Wellen der 1.Ordnung an dielektrischen Drahten wurden fast im
ganzen Bereich der theoretischen Kurve bestiitigt, womit die Ergebnisse meiner iilteren Arbeit vom Jahre 1932 bestiitigt wnrden.
2. Die Entstehnng und die Eigenachaften der Wellen der
2. Ordnung wurden in ~~bereinstirnmnng
mit Theorie besthtigt.
3. Der EinfluS der Leitfahigkeit auf die Diimpfung der Wellen
an dielektrischen Driihten wurde festgeetellt.
Herrn Prof. Dr. A. !kBEek mochte ich fur das uberlassen der
experimentellen Hilfsmittel, sowie fur Beratuug bei Auswertnng der
Ekgebnisse meinen herzlichsten Dank sagen, ebenso Herrn Prof. Dr.
F. ZBvigka fiir viele theoretische Ratschlage.
Literatur
1) D. H o n d r o e u. P. D e b y e , Ann. d. Phys. 32. S. 466. 1910.
2) H.Zahn, Ann.d. Phys. 49. 5.907.1916; Phys.Ztechr. 18.6.414.1915.
3) 0. Schriever, Ann. d. Phye. 63. S. 645. 1920.
4) E.KaXpar, Cas. Eel mat. a fyn. 62. S. 40. 1932.
5) J. Libka, Gas. Be1 mat. a fys. 63. S. 97. 1934.
6) G.C. S o u t h w o r t h , Bell S. T. J. 16. S.284. 1936; Proc. of T.I.B. E.
26. S. 807. 1937.
Pr a g , Physikalisches Institut der Karls-UniversitU.
(Eingegangen 22.April 1938)
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