James Clark Maxwell
Heinrich Hertz
Pioniere der Funktechnik
Beginn der Funkkommunikation
Ferdinand Braun
Telefunken
Weltfunkkonferenz
Funk oder Radio

Die Entdeckung der Elektromagnetischen Wellen

Schauen wir noch einmal auf die Physik und den Stand der Elektrotechnik in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Man hatte die „Galvanik“ weiterentwickelt und verstand, wie man Strom erzeugt und wie er durch Leitungen fließt. Man verstand auch dass Strom magnetische Felder erzeugte und dadurch Kräfte entstanden. Schließlich entdeckte man, dass man durch sich ändernde Magnetfelder Ströme erzeugen konnte. Man kannte also

• Magnetismus
• Elektrostatik
• Elektrodynamik
• Induktion

All diese Phänomene ließen sich in mathematischen Formeln beschreiben. Manche einfach, wie der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke, andere, welche die Felder und deren Dynamik beschreiben eher etwas komplexer und außerhalb des normalen Schulwissens.

James Clerk Maxwell

Ein Physiker, der sich besonders intensiv mit den Formeln der Elektrizität beschäftigte, war ein Schotte, James Clerk Maxwell. Er schaffte es alle elektrischen Phänomene in erst 20 und dann in nur vier Gleichungen aufzuschreiben und in Bezug zueinander zu stellen. Dies führte zu einer sogenannten Differentialgleichung, die zeitliche und räumliche Veränderungen von elektrischen und magnetischen Feldern beschrieb. Maxwell veröffentlichte diese Gleichungen 1864.

Diese Gleichung war eine Wellengleichung.

Sie sah also so aus, wie die Wellengleichung, die die Ausbreitung von Schall in der Luft beschreibt. Wenn sich Maxwell nicht verrechnet hatte, sollte es also elektromagnetische Wellen geben!

Maxwell stellte die Behauptung auf, dass es elektromagnetische Wellen geben sollte. Dies war damals ungeheuerlich.

An dieser Stelle sollte man innehalten. Es sollte Wellen geben, die bisher völlig unbekannt waren? 

Um diese Situation zu erklären, machen wir ein Gedankenexperiment. Stellen wir uns vor, wir würden nicht hören können (und folglich auch nicht sprechen). Nehmen wir an, wir könnten dennoch gut kommunizieren und Wissenschaft betreiben. Irgendwann hätte irgendein Physiker die Eigenschaften der Luft untersucht. Er hätte festgestellt, dass es so etwas wie Luftdruck gibt und dass sich Störungen des Luftdrucks ausbreiten. Er käme früher oder später zu dem Schluss dass sich diese Störungen wie Wellen ausbreiten, ähnlich zu den Wellen, die wir an der Wasseroberfläche sehen wenn wir einen Stein hinein werfen. Genau so ist die Situation, die uns Maxwell verschaffte. Elektromagnetische Wellen waren immer da, aber wir hatten sie nie wahrgenommen da wir keine „Sinne“ dafür hatten.

Die Überraschung ging jedoch noch weiter. Maxwell konnte schätzen, dass die Geschwindigkeit dieser hypothetischen Wellen sehr hoch sein musste. In der Tat war seine Schätzung nah an der Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit war gerade in den fünfziger Jahren des neunzehnten Jahrhunderts erfolgreich gemessen worden. Dies ermutigte Maxwell zu einem ungeheuerlichen Postulat.

Das Licht ist nichts weiter als eine elektromagnetische Welle!

Damals war das unerhört. Eine weit erforschte physikalische Disziplin, die Optik, war nichts weiter als ein (weiteres) Phänomen der Elektrizität? „Elektromagnetische Wellen“?

Wenn all dies wahr ist, wie können sich elektromagnetisch Wellen (wie das Licht) durch einen luftleeren Raum bewegen? Unvorstellbar. Vor allem letzteres, die Ausbreitung im Vacuum, war auch für Maxwell unvorstellbar. Ähnliches galt für fast alle führenden Wissenschaftler jener Zeit. Maxwell postulierte daher, dass sich die elektromagnetischen Wellen in einem noch nicht nachgewiesenen Medium bewegen. Er nannte dieses Medium „Äther“.

Heinrich Hertz

Die elektromagnetischen Wellen waren „das Thema“ der Wissenschaft, nachdem Maxwell sein Postulat veröffentlicht hatte. Die Berliner Akademie der Wissenschaften lobten einen Preis für den Nachweis elektromagnetischer Wellen aus.

So forschte ein junger Wissenschaftler schon als Student an diesem Thema. Als er 1886 Professor an der Technischen Hochschule von Karlsruhe war intensivierte er seine Forschung. 

Wie aber erzeugt man elektromagnetische Wellen und wie weist man sie nach. Gehen wir zurück zu unserem Vergleich mit dem taubstummen Wissenschaftler und der Schallwelle. Ihm würde eventuell auffallen, dass jedes Mal, wenn er eine Kanone abfeuern würde, Wellen auf einem nahestehenden Wasserglas entstanden. Man brauchte also für die Erzeugung von elektromagnetischen Wellen eine Art Kanonenschlag. Für Heinrich Hertz waren das Blitze oder dessen kleine Brüder die Funken.

Heinrich Hertz erkannte, dass man mit Funken elektromagnetische Wellen erzeugen konnte.

Hertz arbeitete mit solchen Funken oder gar „Fünkchen“. Er benutzte ein Instrument, welches von einem Berliner Physiker namens Riess stammte. Es bestand praktisch aus zwei Spitzen, welche mit einer Mikrometerschraube sehr nah aneinander gebracht werden konnten. Wenn man eine Spannung an die Nadeln anlegte und die Nadeln langsam aneinander näherte gab es irgendwann einen Funken, der übersprang. Die Entfernung der Nadeln war proportional zu der Spannung und so hatte man ein Instrument zur Messung hoher Spannungen.

Nun kam es zu einem „Oerstedtschen Moment“. Hertz machte Experimente mit Entladungen von Leidnerschen Flaschen. Er bemerkte, dass wenn er die Entladungen vornahm, an einem in der nähe stehenden Riess Instrument ein Funke übersprang. Ein Zufall? Nein, das Verhalten war reproduzierbar. Aber verursachten elektromagnetische Wellen diese Erscheinung?

Herzt baute nun einen Sender mit einem sogenannten Funkeninduktor. Dies war ein Transformator mit kleiner Primär- und großer Sekundärspule, welche in der Lage war sehr hohe Spannungen zu erzeugen. Mit dieser Hochspannung konnte man gezielt Funken erzeugen. Die Funkenstrecke platzierte er zwischen zwei Stangen, die in Kugeln endeten. Dies war eine Antenne, die theoretisch Wellen mit eine Frequenz von 80 MHz abstrahlen würde. Nach Maxwell entsprach dies einer Wellenlänge von 3,75 Meter. Als Empfänger diente ein einfacher Ring, der durch zwei kleine Kugeln geöffnet war. Wenn vom Funkeninduktor eine Welle ausgelöst wurde, sprang zwischen diesen Kugeln ein kleiner Funke über. Hierfür musste man den Raum abdunkeln und den Spalt zwischen den Kugeln sehr genau beobachten. Hertz konnte den Empfänger 20 Meter von dem Sender entfernen und empfing immer noch seine Wellen.

Hertz veröffentlichte seine Ergebnisse noch im selben Jahr (1886) und löste damit ein wissenschaftliches Beben aus. Er hatte die postulierten elektromagnetischen Wellen nachgewiesen. Die nächsten zwei Jahre verfeinerte Hertz seine Experimente. Er konnte speziell die Wellennatur der elektromagnetischen Welle nachweisen in dem er sie an einer Zinkplatte reflektierte. Er konnte sogenannte stehende Wellen erzeugen und somit Wellenlänge, Frequenz und letztlich die Lichtgeschwindigkeit bestimmen. All dies veröffentlichte er in einem längeren Bericht 1888.

Heinrich Hertz war mit der Entdeckung der elektromagnetischen Wellen zufrieden. Er glaubte nicht dass sie von irgendwelchen Nutzen sein könnten.

Hertz war damit zufrieden. Er selbst glaubte nicht an irgendeine Anwendung dieser Wellen. Sie waren von rein wissenschaftlichem Interesse. Er widmete sich anderen Forschungen und starb tragischerweise sehr früh im Jahre 1894. Er erlebte somit den Siegeszug der „Funktechnik“ nicht mehr. Posthum wurde er dadurch geehrt, dass man die Einheit für Frequenz nach ihm benannte. Eine Schwingung pro Sekunde nannte man ab 1930 Hertz abgekürzt Hz.

Pioniere der Funktechnik

Vielen Ingenieuren war der Nutzen der Hertzschen Wellen wie man sie damals nannte durchaus bewusst und man forschte an Verbesserungen. Man suchte nach Möglichkeiten auf praktikable Art und Weise diese Wellen zur Telegrafie zu verwenden. Auf der Senderseite war nicht viel zu tun, um zu Verbesserungen zu kommen. Man verfeinerte lediglich die Technik, um Funken zu erzeugen und diese optimal mit Antennen abzustrahlen. Schnell war man sich auch klar, dass verschieden Frequenzen verschieden Antennen benötigten. Das größere Problem war ein Empfänger. Schließlich konnte man nicht Empfänger in dunkle Räume stellen und winzige Fünkchen zählen.

Ein wesentlicher Erfolg kam durch einen französischen Physiker namens Edouard Branly. Er experimentierte mit Eisenspänen, die er innerhalb eines Glasröhrchens zwischen zwei Elektroden platzierte. Normalerweise sollten die Eisenspäne Strom leiten und zwischen den beiden Elektroden Strom fließt. Dies war aber nicht so, da eine feine Oxidationsschicht auf den Spänen einen Kurzschluss verhinderte. Branly stellte nun fest, dass stärkere elektromagnetische Wellen diese Oxidationsschicht durchbrachen und ein Kurzschluss entstand. Somit konnte der Apparat, den er „Radio Conductor“ nannte Radiowellen detektieren.

Ein russischer Wissenschaftler namens Alexander Stephanowitsch Popow erkannte den Nutzen des Radio Conductors. Er nutzte den Kurzschluss des Radio Conductors, um einen Magneten anzutreiben, der wiederum einen Metallstab anzog der wie bei einer elektrischen Klingel gegen den Radio Conductor schlug und dadurch seinen Widerstand wiederherstellte. Popow verwendete diesen Empfänger wohl schon 1892, um ferne Blitze zu detektieren. Seine Anwendung war mehr die Warnung vor einem herannahenden Gewitter als die Telegrafie. Später, 1896 soll Popow eine komplette Demonstration eines drahtlosen Telegrafen vor dem russischen Militär gegeben haben in der 250 m überwunden wurden. Ob das wirklich geschah, ist umstritten. Dennoch gilt er in Russland und später in der Sowjetunion als „Vater des Radios“.

Ein renommierter englischer Physiker namens Oliver Lodge forschte schon seit der Veröffentlichung von Maxwells Wellengleichung an elektromagnetischen Wellen. Allerdings kam ihm Heinrich Hertz in dem Nachweis zuvor. Lodge machte viele Versuche mit elektromagnetischen Wellen und nutzte dafür auch den von Branly entwickelten Radio Conductor den er selbst als Kohärer bezeichnete. Als Heinrich Hertz 1894 starb, gab Lodge ihm zu Ehren auf einem wissenschaftlichen Treffen einen Vortrag mit Demonstrationen. Hier zeigte er neben einem Sender mit klassischem Funkeninduktor eine Kohärempfänger. Dieser war an ein Spiegelgalvanometer angeschlossen, um eine Detektion von Wellen mit dem Ausschlag eines Lichtstrahles zu demonstrieren. Der Kurzschluss im Kohärer wurde dadurch wieder aufgehoben, dass er durch eine Klingel geschüttelt wurde, die man manuell nach einem Empfang einschaltete.

Beginn der Funkkommunikation

Guglielmo Marconi

Alle bisherigen Forscher von elektromagnetischen Wellen waren vor allen an Erkenntnissen und natürlich auch an wissenschaftlichen Ruhm interessiert. Sie interessierten sich weniger für Kommerzialisierung.

Anders war dies mit Guglielmo Marconi, der wie vor ihm Alexander Graham Bell die Anwendung und das Geschäft im Auge hatte. Marconi war ein Ingenieur, der über seinen italienischen Professor Augusto Righi mit Experimenten mit elektromagnetischen Wellen vertraut war. Er kannte verschieden Anordnungen von Funkeninduktoren zu Senden von Wellen und auch nötige Elemente zum Detektieren von Elektromagnetischen Wellen, vor allen den Kohärer.

In der Mitte der Neunziger Jahre des 19. Jahrhunderts begann er selbst einen Sender und Empfänger zu bauen und damit zu experimentieren. Er verbesserte den Righi Funkeninduktor mit einer Antenne und löste die Funken mit einem Morsetaster aus. Auf der Empfangsseite benutzte auch er einen Kohärer. Wenn dieser durch den Empfang einer Welle leitete, setzte er einen Morseschreiber in Gang welcher die Nachricht aufzeichnen konnte. Gleichzeitig floss der Kurzschlussstrom des Kohärers auch durch eine Spule, die eine Metallstab anzog, welcher dann gegen den Kohärer schlug und den Kurzschluss aufhob. Dadurch wurde der Empfänger für den nächsten Empfang „scharf geschaltet“. Der Verdienst Marconis war nicht die Entdeckung oder Entwicklung einzelner Elemente, sondern die Verbesserung und der pragmatische Bau eines elektromagnetischen Telegrafen. Dennoch wird Marconi bis heute fälschlicherweise als Erfinder der Funktechnik bezeichnet.

Marconi war nicht der Erfinder der drahtlosen Telegrafie. Aber wie vor ihm Alexander Graham Bell erkannte er den enormen Nutzen der Funkwellen und es gelang ihm eine Industrie darauf aufzubauen.

Marconi demonstrierte sein System der italienischen Post. Die dortigen Verantwortlichen hielten seinen Apparat jedoch für eine nutzlose Spielerei und zeigten keinerlei Interesse. Marconi ging aus diesem Grunde nach England und stellte dort auch 1896 einen Patentantrag für sein System. Parallel demonstrierte er seine Erfindung den Behörden. Diese waren von der Nützlichkeit sofort überzeugt. Marconi konnte an vielen Stellen die Nützlichkeit und Leistungsfähigkeit seines Systems demonstrieren und offerierte der Englischen Post seine Erfindung. Dies war nötig, weil die Post das Monopol auf Telegrafie besaß. Ob Absicht oder nicht, die Post bot Marconi nur die lächerliche Summe von 10.000 Pfund für seine Technologie. Daraufhin gründete der endtäuschte Marconi 1897 die Wireless and Telegraf Company. Daraus entstand später die Marconi Wireless and Telegraf Company.

In den folgenden Jahren war Marconi und seine Firma damit beschäftigt die Leistungsfähigkeit ihres Systems mehr und mehr zu verbessern und die Reichweite zu erhöhen. So gelang es Marconi schließlich 1903 die erste öffentliche drahtlose Kommunikation über den Atlantik.

Der größte Bedarf für drahtlose Telegrafie kam nicht durch terrestrische Nutzung, sondern von der Seefahrt. Es war nun das erste Mal möglich, dass Schiffe mit dem Land und auch untereinander kommunizieren konnten. Wichtig war dies vor allen beim Militär. Für Jahrhunderte war es ein riesiges Problem von Kriegsschiffen, dass sie nur miteinander kommunizieren konnten wenn es Sichtkontakt gab. Kommunikation mit dem Land war praktisch unmöglich. Die drahtlose Telegrafie revolutionierte nun die Seeflotten. Man konnte jederzeit, über große Entfernungen kommunizieren.

Ferdinand Braun

Der deutsche Ingenieur Ferdinand Braun ist wohl vielen bekannt. Allerdings wohl eher für die Erfindung der Braunschen Röhre, die später in den Fernseher mündete als für seine Beiträge zur drahtlosen Telegrafie, für die er 1909 zusammen mit Marconi einen Nobelpreis verliehen bekam.

Als Professor für Physik war auch Braun an der drahtlosen Telegrafie interessiert. Die Reichweiten von Marconis Systemen waren anfangs nicht sehr hoch. Kritiker des Systems lästerten seinerzeit, dass man den Funkenschlag des Senders weiter hören könnten als die elektromagnetischen Wellen reichten. Es mussten also deutliche Verbesserungen her. Braun lieferte zunächst zwei wesentliche Beiträge. Die bisherigen Knallfunksender waren so gebaut, dass die Antennen direkt mit der Funkenstrecke verbunden waren. Die Dimensionierung der Antenne bestimmte dadurch auch die Abstrahlfrequenz. Braun trennte Sendeantenne und Funkenstrecke induktiv voneinander. Der Funkenkreis bestand aus einem Thomschen Schwingkreis also aus einer Kapazität und einer Induktivität. Diese bestimmten auch maßgeblich die Frequenz der angeregten Schwingung. Die Spule (Induktivität) diente auch zur induktiven Kopplung zur Antenne, die die Schwingung abstrahlte. Auch im Empfänger befand sich ein Schwingkreis, um die entsprechende Frequenz zu empfangen.

Diese Anordnung verbesserte die Funktelegrafie deutlich und auch Marconi übernahm diese Vorrichtung. Noch eine weitere Entdeckung macht Ferdinand Braun zu einem Pionier. Er beschäftigte sich mit der Leitungsfähigkeit verschiedenster Mineralien. Dabei schraubte man z.B. Kristalle in ein metallenes Gehäuse und maß den Strom der durch einen feinen Draht in den Kristall floss. Braun machte hierbei eine interessante Entdeckung. Bestimmte Kristalle (später Halbleiter genannt) ließen Strom nur in einer Richtung durch. Der Nutzen lag hierbei darin, dass Wechselströme, also Ströme die mit einer bestimmten Frequenz hin und her schwingen „gekappt“ werden und somit gepulsten Gleichstrom erzeugen. Im Gegensatz zu hochfrequentem Wechselstrom, kann man gepulster Gleichstrom direkt messen.

Als Braun später mit Funkempfängern arbeitete erkannte er, dass die Halbleiter-Gleichrichter in Empfängern eingesetzt werden können und dort besser und zuverlässiger arbeiten als Kohärer. So wurden die Kohärer um die Jahrhundertwende mehr und mehr durch „Kristalldetektoren“ ersetzt.

Braun konnte sich die Dioden-Wirkung der Kristalle nie erklären. Dies gelang erste Jahrzehnte später. Dennoch gilt er als Entdecker der Halbleiterdiode.

Telefunken

Die Marconi Wireless Telegraf Company entwickelte quasi ein Monopol. Es gelang ihr mit den großen Reedereien Verträge zu schließen. Diese Verträge sahen so aus, dass die Funktelegrafen von Marconi geleast wurden und sogar die Funker an Bord Angestellte von Marconi waren. Diese funkten dann ausschließlich mit Marconi Stationen an Land. Es gab zu dieser Zeit keinerlei Behörden, die dies verhinderten.

Der Legende nach wollte der deutsche Kaiser Wilhelm II von einem Dampfer aus ein Telegramm verschicken. Angeblich verweigerte der Funker (ein Angestellter von Marconi) die Annahme des Telegramms da dieser mit der deutschen Funkstation in Borkum nicht kommunizieren durfte. Dies empörte den Kaiser über die Maßen und er machte die Funkregulierung fortan zur „Chefsache“.

In Deutschland gab es um 1900 bereits zwei Unternehmen die Funktechnik entwickelten. AEG (Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft) und Siemens stritten sich um Schlüsselpatente. Ein Funkpionier namens Slaby der schon sehr früh die Arbeiten von Marconi in England demonstriert bekam arbeitete vor allen für AEG, während bei Siemens vor allen die wertvollen Patente von Ferdinand Braun zum Einsatz kamen. Der Kaiser machte dem ein Ende, in dem er die Firmen aufforderte ein Joint Venture zu gründen. So entstand 1903 die Firma Telefunken. Die Berliner spotteten zu dieser Zeit: „und als man von oben deutlich gewunken entstand die Firma Telefunken“. Diese Firma konzentrierte sich nun darauf das Monopol von Marconi zu brechen.

Kaiser Wilhelm II erließ 1908 ein Gesetz, welches die drahtlose Kommunikation regelte. In diesem hieß es: „Elektrische Telegraphenanlagen, welche ohne metallische Leitungen Nachrichten übermitteln, dürfen nur mit Genehmigung des Reiches errichtet oder betrieben werden.“ Diese Regulierung der drahtlosen Kommunikation war fortan eine Ländersache. Bis heute haben die Länder die „Hoheit“ über alle Funkfrequenzen.

Die Kommunikation über Funk wird von den Ländern reguliert und bedarf einer Lizenz. Das freie Funken ist damit untersagt.

Weltfunkkonferenz

Am Anfang des 20. Jahrhunderts glich die „Funkerei“ dem wilden Westen. Auch wenn der Funk wie in Deutschland staatlich kontrolliert wurde, so machte er doch vor Ländergrenzen nicht halt und auf See gab es überhaupt keine Regeln. Man kämpfte um Vorherrschaft indem und versuchte Monopole zu etablieren. Man kämpfte um Rechte und Patente und jeder konnte nach Belieben Funkwellen erzeugen egal mit welcher Frequenz. Betroffen war vor allem der Fernhandel über Schiffe, denn der Funkverkehr mit Schiffen war wie beschrieben bislang die Hauptanwendung der drahtlosen Telegrafie.

Diese Situation verlangte nach einer Regelung. Die deutsche Regierung, wohl auf Anraten von Kaiser Wilhelm II, lud 1903 zu einer Konferenz in Berlin ein, an der Deutschland, Österreich, Spanien, Vereinigte Staaten von Amerika, Frankreich, Ungarn, Russland, Italien und Großbritannien teilnahmen. Sie gelangten zu einer Schlussakte mit 8 Bestimmungen. Großbritannien und Italien hatten jedoch Vorbehalte da sie ihre Vormachtstellung durch Marconi bedroht sahen.

1906 traf man sich wieder in Berlin, diesmal offiziell unter der Führung der ITU. Diesmal nahmen bereits 27 Staaten teil und man konferierte einen Monat. Das erfolgreiche Resultat war der erste internationale Funktelegrafenvertrag. Dieser verbot die Diskriminierung von Herstellern wie es sie unter Marconi gab. Man einigte sich über bestimmte Protokolle, etwa wie ein Funkspruch aufgenommen und wie er beendet wird. Außerdem teilte man das Funkspektrum in zwei Bereiche, 300 Meter (1 MHz) sollte fortan nur für den Seefunk verwendet werden, während 600 Meter (500 kHz) für öffentlichen Funk vorgesehen war. 

Das elektromagnetische Spektrum wird erstmals reguliert und in zwei Bänder eingeteilt. 300 Meter und 600 Meter.

Eine weitere bis heute bekannte Vereinbarung war ein Notrufzeichen, welches per Funk gesendet werden sollte. Marconi und Telefunken verwendeten verschieden Notrufsignale und es war dringend geboten sich auf eines zu einigen. In Deutschland war es bereits Pflicht eine bestimmte Morsefolge im Notfall zu senden: …—… also ein S ein O und ein S. Dies war ein akustisch auffälliges Signal und dass war der Grund es zu verwenden. Es diente dazu, dass alle Stationen, die es hörten, sofort ihren Sendebetrieb einstellten um dann den eigentlichen Notruf zu empfangen. Die Konferenz von 1906 schrieb nun das SOS international vor. Das SOS für „Save our Souls“ stehen wurde wurde übrigens erst später hineininterpretiert. Marconi hatte vordem ein Notsignal CQD welches als Come Quick Danger bezeichnet wurde. Dies konnte jedoch nicht so leicht wie SOS aus den Funksignalen herausgehört werden.

Funk oder Radio

In Deutschland war das Radio wie man es in den englischsprachigen Ländern nannte stets mit dem Funken-Sendern der Anfangszeit verbunden. Obwohl die Funken-Sender im 20. Jahrhundert mehr und mehr verschwanden, spricht man noch heute immer über Funktechnik.

In England betrachtete man eher die Wellen oder „Strahlen“ als das Wesentliche der drahtlosen Übertragung. Sie nannte es Radio Telegrafie nach Radio gleich Strahlen. In Deutschland wurde Radio nur für „Rundfunkempfänger“ benutzt. In England gilt es für alle Funktechnologien. So nennt man ein „Mobilfunkgerät“ dort ein Mobile Radio.