Koherer - Coherer

Metallfeilbinder von Guglielmo Marconi entworfen .

Der Coherer war eine primitive Form von Funksignaldetektoren , die in den ersten Funkempfängern während der Ära der drahtlosen Telegrafie zu Beginn des 20. Jahrhunderts verwendet wurden. Seine Verwendung im Radio basierte auf den Erkenntnissen des französischen Physikers Édouard Branly von 1890 und wurde in den nächsten zehn Jahren von anderen Physikern und Erfindern angepasst. Das Gerät besteht aus einem Röhrchen oder einer Kapsel, die zwei Elektroden enthält, die in geringem Abstand voneinander entfernt sind und zwischen denen lose Metallspäne liegen. Wenn ein Hochfrequenzsignal an das Gerät angelegt wird, würden die Metallpartikel aneinander haften oder " zusammenhängen ", wodurch der anfänglich hohe Widerstand des Geräts verringert wird, wodurch ein viel größerer Gleichstrom durch es fließen kann. In einem Empfänger würde der Strom eine Glocke oder ein Morse-Papierbandgerät aktivieren, um das empfangene Signal aufzuzeichnen. Die Metallspäne im Coherer blieben nach Ende des Signals (Impuls) leitfähig, so dass der Coherer bei jedem Signalempfang durch Klopfen mit einer durch einen Elektromagneten betätigten Klappe "entkohert" werden musste, um den Coherer in seinen ursprünglichen Zustand zurückzusetzen Zustand. Coherer blieben bis etwa 1907 weit verbreitet, als sie durch empfindlichere elektrolytische und Kristalldetektoren ersetzt wurden .

Geschichte

Das Verhalten von Partikeln oder Metallspäne in Gegenwart von Elektrizität oder elektrischen Funken wurde in vielen Experimenten lange vor Édouard Branlys Veröffentlichung von 1890 und noch bevor es einen Beweis für die Theorie des Elektromagnetismus gab, beobachtet . Im Jahr 1835 bemerkte der schwedische Wissenschaftler Peter Samuel Munk eine Widerstandsänderung in einer Mischung von Metallspänen in Gegenwart einer Funkenentladung aus einem Leydener Glas. 1850 stellte Pierre Guitard fest, dass sich die Partikel bei der Elektrifizierung von staubiger Luft in Form von Fäden ansammeln. Die Idee, dass Teilchen auf Elektrizität reagieren könnten, wurde in der Blitzbrücke des englischen Ingenieurs Samuel Alfred Varley von 1866 verwendet , einem Blitzableiter , der an Telegrafenleitungen befestigt ist und aus einem Stück Holz mit zwei Metallspitzen besteht, die sich in eine Kammer erstrecken. Der Raum war mit pulverisiertem Kohlenstoff gefüllt, der die Niederspannungs-Telegrafensignale nicht passieren ließ, aber einen Hochspannungs-Blitzeinschlag leitete und erdete. Im Jahr 1879 fand der walisische Wissenschaftler David Edward Hughes heraus, dass lose Kontakte zwischen einem Kohlestab und zwei Kohleblöcken sowie die metallischen Körner in einem von ihm entwickelten Mikrofon auf Funken reagierten, die in einem nahegelegenen Apparat erzeugt wurden. Temistocle Calzecchi-Onesti in Italien begann in Fermo / Monterubbiano mit der Untersuchung der anomalen Widerstandsänderung dünner Metallfilme und Metallpartikel . Er stellte fest, dass Kupferspäne zwischen zwei Messingplatten zusammenklebten und leitfähig wurden, wenn er eine Spannung an sie anlegte. Er fand auch heraus, dass andere Arten von Metallspäne die gleiche Reaktion auf elektrische Funken haben, die aus der Ferne auftreten, ein Phänomen, von dem er dachte, dass es zur Erkennung von Blitzeinschlägen verwendet werden könnte. Calzecchi-Onestis Aufsätze wurden 1884, 1885 und 1886 in Il Nuovo Cimento veröffentlicht.

Branlys Stromkreisröhre gefüllt mit Eisenspäne (später "Koherer" genannt)

Im Jahr 1890 veröffentlichte der französische Physiker Édouard Branly in einer französischen Zeitschrift Über die Widerstandsänderungen von Körpern unter verschiedenen elektrischen Bedingungen, in der er seine gründliche Untersuchung der Wirkung winziger elektrischer Ladungen auf Metall und viele Arten von Metallspänen beschrieb. Bei einer Art von Schaltung wurden Feilspäne in eine Röhre aus Glas oder Ebonit gelegt, die zwischen zwei Metallplatten gehalten wurde. Wenn in der Nähe des Stromkreises eine elektrische Entladung erzeugt wurde, wurde eine große Abweichung an der angebrachten Galvanometernadel festgestellt. Er stellte fest, dass die Späne in der Röhre auf die elektrische Entladung reagieren würden, selbst wenn die Röhre in einem anderen Raum 20 Meter entfernt platziert wurde. Branly fuhr fort, viele Arten dieser Geräte zu entwickeln, die auf "unvollkommenen" Metallkontakten basieren. Branlys Filialröhre kam 1892 in Großbritannien ans Licht, als sie von Dr. Dawson Turner auf einer Sitzung der British Association in Edinburgh beschrieben wurde. Der schottische Elektroingenieur und Astronom George Forbes schlug vor, dass Branlys Feilspäne-Röhre auf Hertzsche Wellen reagiert, eine Art elektromagnetischer Strahlung in der Luft , die vom deutschen Physiker Heinrich Hertz nachgewiesen wurde (später Radiowellen genannt ).

Marconis Coherer-Empfänger von 1896 im Oxford Museum of the History of Science , UK. Der Coherer ist rechts, mit dem Dekoherer-Mechanismus dahinter. Das Relais befindet sich in dem zylindrischen Metallbehälter (Mitte) , um den Coherer vor dem HF-Rauschen seiner Kontakte abzuschirmen.

1893 stellte der Physiker WB Croft Branlys Experimente auf einer Tagung der Physical Society in London aus. Croft und anderen war unklar, ob die Späne in der Branly-Röhre auf Funken oder das Licht der Funken reagierten. George Minchin bemerkte, dass die Branly-Röhre möglicherweise genauso auf Hertzsche Wellen reagiert wie seine Solarzelle und schrieb das Papier " The Action of Electromagnetic Radiation on Films with Metallic Powders ". Diese Papiere wurden vom englischen Physiker Oliver Lodge gelesen, der dies als einen Weg sah, einen stark verbesserten Hertzschen Wellendetektor zu bauen. Am 1. Juni 1894, wenige Monate nach dem Tod von Heinrich Hertz, hielt Oliver Lodge einen Gedenkvortrag über Hertz, in dem er die Eigenschaften der "Hertzschen Wellen" (Funk) demonstrierte, einschließlich der Übertragung über kurze Distanzen mit einer verbesserten Version von Branlys Filialröhre, die Lodge den "Coherer" genannt hatte, als Detektor. Im Mai 1895 baute der russische Physiker Alexander Popov , nachdem er über Lodges Demonstrationen gelesen hatte , einen auf "Hertzschen Wellen" (Radiowellen) basierenden Blitzdetektor unter Verwendung eines Kohäreners. Im selben Jahr demonstrierte der italienische Erfinder Guglielmo Marconi ein drahtloses Telegrafiesystem mit Hertzschen Wellen (Radio), basierend auf einem Kohärenzgerät.

Der Coherer wurde um 1907 in den Empfängern durch die einfacheren und empfindlicheren Elektrolyse- und Kristalldetektoren ersetzt und war obsolet.

Eine untergeordnete Verwendung des Coherers in der Neuzeit war der japanische Spielzeughersteller Matsudaya Toy Co., der Anfang 1957 einen Funkenstreckensender und einen Coherer-basierten Empfänger in einer Reihe von funkgesteuerten (RC) Spielzeugen namens Radicon ( Abkürzung für Radio-Controlled) Spielzeug. Mehrere verschiedene Typen mit dem gleichen RC-System wurden kommerziell verkauft, darunter ein Radicon Boat (sehr selten), ein Radicon Oldsmobile Car (selten) und ein Radicon Bus (der beliebteste).

Operation

Die Schaltung eines Kohärenzempfängers, der den empfangenen Code auf einem Morse-Papierbandgerät aufzeichnet.

Im Gegensatz zu modernen AM-Radiosendern, die eine kontinuierliche Funkfrequenz aussenden, deren Amplitude (Leistung) durch ein Audiosignal moduliert wird , übermittelten die ersten Funksender Informationen per drahtloser Telegraphie ( Funktelegraphie ), der Sender wurde ein- und ausgeschaltet (Ein -Aus-Tasten ). um Pulse unterschiedlicher Länge von unmodulierten Trägerwellensignalen , "Punkten" und "Strichen", zu erzeugen , die Textnachrichten in Morsecode buchstabieren . Als Ergebnis mussten die frühen Funkempfangsgeräte lediglich das Vorhandensein oder Fehlen des Funksignals erkennen und es nicht in Audio umwandeln. Das Gerät, das dies tat, wurde Detektor genannt . Der Coherer war der erfolgreichste von vielen Detektorgeräten, die in den frühen Tagen des Radios ausprobiert wurden.

Die Funktionsweise des Coherers basiert auf dem Phänomen des elektrischen Übergangswiderstandes . Insbesondere da Metallpartikel aneinander haften (zusammenkleben), leiten sie Elektrizität viel besser, nachdem sie Hochfrequenzelektrizität ausgesetzt wurden . Das Funksignal von der Antenne wurde direkt über die Elektroden des Koherers angelegt. Wenn das Funksignal von einem "Punkt" oder "Strich" eintraf, wurde der Kohärenr leitfähig. Die Elektroden des Coherers wurden auch an einen Gleichstromkreis angeschlossen , der von einer Batterie gespeist wurde, die ein "Klick"-Geräusch in Kopfhörern oder einem Telegraphen-Sounder oder eine Markierung auf einem Papierband erzeugte, um das Signal aufzuzeichnen. Leider blieb die Verringerung des elektrischen Widerstands des Koherers bestehen, nachdem das Funksignal entfernt wurde. Dies war ein Problem, da der Coherer sofort bereit sein musste, den nächsten "Punkt" oder "Strich" zu empfangen. Daher wurde ein Dekoherer- Mechanismus hinzugefügt, um den Koherer anzuzapfen, der die Partikel mechanisch störte, um ihn in den Zustand mit hohem Widerstand zurückzusetzen.

Die Kohärenz von Teilchen durch Radiowellen ist ein obskures Phänomen, das bis heute nicht gut verstanden wird. Jüngste Experimente mit Teilchenkoherern scheinen die Hypothese bestätigt zu haben, dass die Teilchen durch ein Mikroschweißphänomen kohärent sind, das durch Hochfrequenzelektrizität verursacht wird, die über die kleine Kontaktfläche zwischen Teilchen fließt. Das zugrunde liegende Prinzip sogenannter "imperfekter Kontakt"-Koherer ist ebenfalls nicht gut verstanden, kann aber eine Art Tunneln von Ladungsträgern über einen imperfekten Übergang zwischen Leitern beinhalten.

Anwendung

Der von Marconi entwickelte Coherer bestand aus Metallspäne (Punkte), die zwischen zwei schrägen Elektroden (schwarz) im Abstand von wenigen Millimetern eingeschlossen und mit Klemmen verbunden waren.

Der in praktischen Empfängern verwendete Coherer war ein manchmal evakuiertes Glasrohr , das etwa zur Hälfte mit scharf geschnittenen Metallspänen gefüllt war, oft teils Silber und teils Nickel . Silberelektroden hergestellt Kontakt mit den Metallpartikeln an beiden Enden. Bei einigen Coherern wurden die Elektroden schräg gestellt, so dass die Breite des von den Spänen eingenommenen Spalts durch Drehen des Rohres um seine Längsachse variiert werden konnte, wodurch seine Empfindlichkeit an die vorherrschenden Bedingungen angepasst werden konnte.

Im Betrieb ist der Coherer in zwei getrennte Stromkreise eingebunden. Einer ist der Antennen-Masse-Schaltkreis, der im unten stehenden nicht abgestimmten Empfängerschaltplan gezeigt wird. Das andere ist die Batterie-Sounder-Relaisschaltung einschließlich Batterie B1 und Relais R im Diagramm. Ein Funksignal von der Antennen-Masse-Schaltung "schaltet" den Coherer ein, ermöglicht einen Stromfluss in der Batterie-Sounder-Schaltung und aktiviert den Sounder, S . Die Spulen L wirken als HF- Drosseln , um zu verhindern, dass die HF-Signalleistung durch die Relaisschaltung entweicht.

Eine Funkempfängerschaltung unter Verwendung eines Kohärenzdetektors (C) . Der "Tapper" (Decoherer) ist nicht dargestellt.

Eine Elektrode A des Coherers ( C im linken Diagramm) ist mit der Antenne und die andere Elektrode B mit Masse verbunden . Eine Reihenkombination aus einer Batterie , B1 , und ein Relais, R , wird auch an die beiden Elektroden angebracht ist . Wenn das Signal von einem Funkenstreckensender empfangen wird, neigen die Feilspäne dazu, aneinander zu haften, was den Widerstand des Kohäreners verringert . Wenn der Coherer besser leitet, liefert die Batterie B1 genügend Strom durch den Coherer, um das Relais R zu aktivieren , das die Batterie B2 mit dem Telegraphen-Sounder S verbindet und ein hörbares Klicken erzeugt. In einigen Anwendungen ersetzte ein Kopfhörer den Telegrafen-Sounder, der viel empfindlicher auf schwache Signale reagiert, oder ein Morse-Recorder, der die Punkte und Striche des Signals auf Papierband aufzeichnete.

Ein Coherer mit elektromagnetisch betriebenem "Tapper" (Decoherer), gebaut von dem frühen Radioforscher Emile Guarini um 1904.

Das Problem, dass die Feilspäne nach dem Entfernen des Signals weiterhin aneinander haften und leiten, wurde gelöst, indem der Koherer nach dem Eintreffen jedes Signals angezapft oder geschüttelt wurde, die Feilspäne geschüttelt und der Widerstand des Koherers auf den ursprünglichen Wert erhöht wurde. Dieses Gerät wurde Dekoherer genannt . Dieser Prozess wurde als "Entkohären" des Geräts bezeichnet und war während der Lebensdauer dieser Komponente vielen Innovationen unterworfen. Tesla zum Beispiel erfand einen Coherer, bei dem sich die Röhre ständig um ihre Achse drehte.

In späteren praktischen Empfängern war der Dekoherer ein Klöppel ähnlich einer elektrischen Glocke, der von einem Elektromagneten betrieben wurde, der vom Kohererstrom selbst angetrieben wurde. Als die Funkwelle den Coherer einschaltete, floss der Gleichstrom von der Batterie durch den Elektromagneten und zog den Arm nach oben, um dem Coherer einen Schlag zu geben. Dadurch kehrte der Koher in den nichtleitenden Zustand zurück, wodurch der Elektromagnetstrom abgeschaltet wurde und der Arm zurücksprang. Wenn das Funksignal noch vorhanden war, schaltete sich der Coherer sofort wieder ein und zog den Klöppel zu einem weiteren Klopfen, der ihn wieder ausschaltete. Das Ergebnis war ein ständiges "Zittern" der Klöppel während der Zeit, in der das Funksignal an war, während der "Punkte" und "Striche" des Morse-Code-Signals.

Ein 1907 patentiertes automatisches Bremssystem für Eisenbahnlokomotiven nutzte einen Koher, um elektrische Schwingungen in einer kontinuierlichen Antenne zu erkennen, die entlang des Gleises lief. Wenn der Block vor dem Zug besetzt war, wurden die Schwingungen unterbrochen und der Coherer, der über ein Relais wirkte, warnte und bremste.

Unvollkommener Verbindungskoherer

Es gibt mehrere Variationen des sogenannten imperfekten Übergangskoherers. Das oben vorgeschlagene Funktionsprinzip (Mikroschweißen) für den Feilbinder kann für diesen Typ weniger wahrscheinlich sein, da kein Entkoheren erforderlich ist. Eine Eisen- und Quecksilbervariante dieses Geräts wurde von Marconi für den ersten transatlantischen Funkspruch verwendet. Eine frühere Form wurde erfunden von Jagdish Chandra Bose in 1899. Das Gerät aus einem kleinen Metall Cup bestand aus einem Pool von haltigen Quecksilber bedeckt durch einen sehr dünnen Isolationsfilm aus Öl ; über der Öloberfläche hängt eine kleine Eisenscheibe . Mittels einer Einstellschraube wird der untere Rand der Scheibe mit einem kleinen Druck auf das ölbedeckte Quecksilber gebracht, um den Ölfilm nicht zu durchstoßen. Sein Funktionsprinzip ist nicht gut verstanden. Die Detektion erfolgt, wenn das Hochfrequenzsignal den isolierenden Ölfilm irgendwie durchbricht, so dass das Gerät leiten kann und das in Reihe geschaltete Empfangssignal betrieben wird. Diese Form des Coherers ist selbstwiederherstellend und muss nicht decoheriert werden.

Im Jahr 1899 kündigte Bose die Entwicklung eines „ Eisen-Quecksilber-Eisen coherer mit Telefon - Detektor “ in einem Vortrag auf der präsentierten Royal Society , London. Später erhielt er auch das US-Patent 755,840 " Detektor für elektrische Störungen " (1904) für einen speziellen elektromagnetischen Empfänger.

Antikoherer

Einschränkungen der Kohärenz

Da es sich um Schwellenspannungsdetektoren handelt, hatten Coherer Schwierigkeiten, zwischen den impulsiven Signalen von Funkenstreckensendern und anderem impulsiven elektrischen Rauschen zu unterscheiden:

Dieses Gerät [der Coherer] wurde als wunderbar beworben, und es war wunderbar unberechenbar und schlecht. Es würde nicht funktionieren, wenn es sollte, und es machte Überstunden, wenn es nicht sollte.

Alles war Fisch, der an das kohärentere Netz kam, und der Rekorder schrieb ganz unvoreingenommen Punkt- und Strichkombinationen auf, um legitime Signale, statische Störungen, einen rutschenden Wagen mehrere Blocks entfernt und sogar das Ein- und Ausschalten der Lichter im Gebäude zu überprüfen. Die Übersetzung des Tonbandes erforderte oft eine brillante Vorstellungskraft

Coherer waren auch wählerisch und nicht sehr empfindlich. Ein weiteres Problem war, dass der Coherer aufgrund des umständlichen mechanischen "Decohering"-Mechanismus auf eine Empfangsgeschwindigkeit von 12 – 15 Wörtern pro Minute Morsecode beschränkt war, während Telegrafen mit Raten von 50 WPM und Papierbandmaschinen mit 100 WPM.

Wichtiger für die Zukunft ist, dass der Kohärender AM- (Radio-)Sendungen nicht erkennen kann . Als einfacher Schalter, der das Vorhandensein oder Fehlen von Funkwellen registrierte, konnte der Coherer die Ein -Aus-Tasten von drahtlosen Telegrafiesendern erkennen , aber er konnte die Wellenformen von AM- Funktelefonsignalen nicht korrigieren oder demodulieren , mit denen in den USA experimentiert wurde ersten Jahre des 20. Jahrhunderts. Dieses Problem wurde durch die Berichtigung Fähigkeit der gelöst heißen Draht Barretter und elektrolytischen Detektors , entwickelt von Reginald Fessenden um 1902. durch den ersetzt Dieser Exemplare waren Kristalldetektor um 1907, und dann um 1912-1918 durch Vakuumröhre Technologien wie John Ambrose Fleming ' s thermionischen Diode und Lee De Forest ‚s Audion ( Triode ) Röhre.

Einer der ersten Coherers, entworfen von Édouard Branly. Gebaut von seinem Assistenten.
Ein "Ball" Coherer, entworfen von Branly im Jahr 1899. Dieser unvollkommene Kontakttyp hatte eine Reihe von sich leicht berührenden Metallkugeln zwischen zwei Elektroden.
Stativkoherer, 1902 von Branly gebaut, ein weiterer unvollkommener Kontakttyp. Obwohl die meisten Coherer als "Schalter" fungierten, die bei Vorhandensein von Funkwellen einen Gleichstrom aus einer Batterie einschalteten, könnte dies einer der ersten gleichrichtenden ( Dioden- ) Detektoren sein, da Branly berichtete, dass er ohne Batterie einen Gleichstrom erzeugen könnte.
Ein weiterer Stativdetektor von Branly

Siehe auch

Weiterlesen

  • Phillips, Vivian J. (1980). Frühe Funkwellendetektoren . London: Inst. der Elektroingenieure. ISBN 0906048249.. Eine umfassende Beschreibung von Funkdetektoren bis hin zur Entwicklung der Vakuumröhre mit vielen ungewöhnlichen Kohärenztypen.
  • Manschette, Thomas Mark (1993). Coherers, eine Rezension. Philadelphia, PA, Temple University, Masterarbeit. Ein technisch-historischer Bericht über die Entdeckung und Entwicklung von Coherern und kohererähnlichen Verhaltensweisen vom 19. bis zum 19. Jahrhundert, einschließlich der Untersuchungen in den 1950er Jahren zur Verwendung von Coherern auf dem damals neuen Gebiet der Digitalcomputer. Diese Arbeit untersuchte die Ähnlichkeiten zwischen Koherern und elektrolytischen HF-Detektoren, MOM (Metall-Oxid-Metall)-'Dioden', die beim Laser-Heterodyning verwendet werden, und dem STM (Scanning Tunneling Microscope).

Verweise

Externe Links