Nikola Tesla und die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen

10 KHz / 10 KW Generatorprinzip von Tesla (1891)

Die Rolle, die der in den USA naturalisierte Amerikaner Nikola Tesla bei der Entdeckung und Anwendung der elektromagnetischen Wellen spielte, ist zu heutigen Zeiten schwierig zu rekonstruieren.

Glaubt man den Tesla-Bewunderern und manchen seiner Biographen, habe Tesla nicht nur "Die Radiowellen" erfunden, sondern sei auch Erfinder des Radios, des Rundfunks, Radars und sogar des Mobilfunks. Dies ist jedoch nicht unzweifelhaft an Hand von seriösen Literaturquellen oder Zeugenaussagen abzuleiten. Letzendlich geht die Entdeckung der "Funkwellen" als elektromagnetische Wellen und die Erfindung der drahtlosen Telegraphie und des Rundfunk auf mehrere Forscher und Erfinder zurück. Mehrere Beteiligte an diesen Entdeckungen stritten sich zu dieser Zeit um Patentrechte und die kommerzielle Nutzung. Andere waren lediglich an der Grundlagenforschung interessiert.
Erste Sendeversuche, die über Laboratoriumsversuche hinausgingen sind im Falle von Nikola Tesla erst ab 1898 sicher dokumentiert.

Zu Teslas Rolle in diesem Zusammenhang liegen verschiedene Quellen sehr unterschiedlicher Verlässlichkeit und Zuverlässlichkeit vor. Auf Grund von Patentstreitigkeiten und auch aus anderen Gründen sind manche Angaben nur mit Vorsicht heranzuziehen. Auch Angaben von Tesla selbst müssen jeweils kritisch hinterfragt werden.

Als Quellenmaterial bieten sich die erteilten Tesla-Patente an, deren Datum jeweils feststeht und deren Inhalt zitiert werden kann. Bei diesen Patenten ist sowohl das Datum der Einreichung als auch das der Erteilung wichtig. Weitere Quellen sind Zeitungsberichte und Interviews der damaligen Zeit. Als weitere Quelle bieten sich auch Notizen von Tesla an, die er ursprünglich nur zur eigenen Dokumentation benutzte. Tesla hat auch viele Jahre nachdem drahtlose Telegraphie und Rundfunk eingeführt waren, rückblickend sich zu seinen Aktivitäten auf diesem Gebiet geäussert, so einmal in einem Interview im Jahre 1916 und einmal 1919 in einem Artikel der Zeitschrift "Electrical Experimenter".. Weitere wichtige Quellen sind die bekannt gewordenen Vorträge von Tesla, deren Inhalt heute noch erhalten geblieben ist. Mit großer Vorsicht sind Interpretationen und Einschätzungen von Tesla-Biographen und Veröffentlichungen der Tesla-Bewunderer zu sehen. Diese stammen beispielsweise aus den zwei Tesla-Societys, und finden sich in diversen Publikation aus den letzten Jahren, die vor allem im Michaels-Verlag erschienen. In diesem Umfeld wird versucht nahezulegen, dass Tesla der eigentliche Entdecker der elektromagnetischen Wellen sei. Andererseits wird häufig auf pseudowissenschaftlicher Basis versucht plausibel zu machen, dass es Tesla gelungen sei eine Art unerschöpfliche Energie zu nutzen, was dann als eine Form von Freier Energie interpretiert wird.

Das Studium von Texten und Interviews die eindeutig und unzweifelhaft auf Tesla zurückgehen, offenbart einige besondere Sichtweisen von Tesla in Bezug auf elektromagnetische Wellen, die nicht nur mit dem damaligen begrenzten Wissenstand aus der Zeit des Endes des 19. Jahrhunderts erklärbar sind, sondern eine eigenwillige Sichtweise von Tesla zu diesem Phänomen offenbaren. So ist bei seinen Versuchen aus dem 19. Jahrhundert stets eine Erd-Verbindung seitens des "Senders" wie des "Empfängers" vorgesehen. Tesla konnte sich daher in dieser Zeit nicht mit einer Energieabstrahlung durch einen symmetrischen Dipol anfreunden, wie ihn Heinrich Hertz zuvor verwendete. Tesla kannte die Veröffentlichung von Hertz, und soll Hertz in Aachen aufgesucht haben. Tesla glaubte an eine Beteilgung von Molekülen der Luft bei der Wellenausbreitung und glaubte beispielsweise, dass bei niedrigen Luftdrücken sich Wellen besser ausbreiten würden. Tesla sah hier eine notwendige Anwesenheit eines Äther zur Wellenausbreitung. Tesla damalige Überzeugungen, die bereits damals im Widerspruch zu Maxwell und Hertz standen, finden sich heute noch bei Anhängern der hypothetisch gebliebenen so genannten Skalarwellen.

Ganz allgemein lassen sich Teslas anfängliche und ersten Versuche zur Hochfrequenz in zwei Kategorien einteilen:

• Versuche mit Wechselspannungen im KHz-Bereich durch schnelldrehende und speziell konstruierte Generatoren, die eine ungedämpfte Schwingung bei hoher Leistung zur Verfügung stellen.
• Versuche mit gedämpften hochfrequenten Schwingungen unter Anwendung von Funkenstrecken, Schwingkreisen und Transformatoren.

Nach einer anderen Unterteilung lassen sich Hochfrequenz-Anwendungen zu Energietransportzwecken (Beleuchtung) von Anwendungen zur Kommunikation unterscheiden.

Zeitlicher Ablauf

Experiment von David E. Hughes

Patent von William Ward April 1872

Tesla-Patent 454622 vom 23.6.1891

Lampe, die unipolar mit HF-Strom betrieben wird. Der Stromkreis schliesst sich durch die Kapazität zur Erde

Der Beginn dieser Entwicklungen beginnt mit der Forschung von Ampère und der Entdeckung der magnetischen Induktion durch Faraday im Jahre 1831.

• 1746. Erfindung der Leydener Flasche durch Kleist und Cunaeus, als primitive Form eines Kondensators.
• 1750. Benjamin Franklin stellt Überlegungen an, Elektrizität aus Wolken durch hochangebrachte Metalleiter zur Erde ableiten zu können.
• 1752. Der Franzose Dalibard kam Franklin mit einem Expeiment zuvor und errichtete eine von der Erde isolierte Eisenstange. Bei einer vorbeiziehenden Gewitterwolke konnten kleine Funken zwischen dem Leiter und der Erde beobachtet werden.
• 1752. Franklin macht Versuche mit Drachen.
• 1800 bis 1804. Thomas Young zeigt den Wellencharakter des Lichts. Er führte als erster das Doppelspaltexperiment durch.
• 1804. Erman beschreibt die Erdoberfläche als gegenüber der Atmophäre negativ geladen.
• 1812 erzeugte der Chemiker Davy den ersten elektrischen Lichtbogen
• 1816. Hans Oersted beobachtet ein Magnetfeld um stromdurchflossene Leiter, er veröffentlicht die Beobachtung 1820.
• 1817. Thomas Young geht davon aus, dass Licht sich als Transversalwelle ausbreitet und nicht als Longitudinalwelle.
• 1820. André-Marie Ampère zeigt dass von stromdurchflossenen Leitern ein Magnetfeld ausgeht. Er entdeckt, dass zwei Leiter mit Strömen in gleicher Richtung sich anziehen, bei umgekehrter Stromrichtung sich abstossen.
• 1820. Michael Farady versetzt durch Stromstösse in einem Leiter eine Magnetnadel in Rotation
• 1826 Endeckung des Ohmschen Gesetz durch Ohm.
• 1829 endeckt der Amerikaner Henry Selbstinduktionsphänomene an einem Elektromagneten, bei dem es durch einen Defekt zu einer Leitungsunterbrechungen mit Funkenbildung kam. Henry veröffentlichte zum Thema unter dem Titel „Elektrische Selbstinduktion in Solenoidwindungen" im Jahre 1832, ein Jahr nach Faraday.

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• 1831. Michael Faraday entdeckt im Jahre 1831 die magnetische Induktion. Er entwickelt auch den ersten primitiven Transformator. Er hatte die geniale Idee, einen Ring aus Weicheisen herzustellen und ihn mit zwei Drahtspulen auszustatten. Eine Spule war mit einer galvanischen Batterie und die zweite mit einem Galvanometer verbunden. Ein Stromfluss in der einen Spule erzeugte eine mit einem Galvanometer messbare Spannung in der zweiten Spule. Weitere Experimente brachten das Resultat, daß es möglich war, auch durch bloße Annäherung und Entfernung eines Magnetes zu und von einer Drahtspule und umgekehrt in der Spule Strom zu erzeugen. Faraday stellte zur Induktion auch Berechnungen an, die später Maxwell zu seinen theoretischen Vorhersagen zu elektromagnetischen Feldern inspirierten.
• 1836. Der Ire Nicholas Callan erfindet die "induction coil", die aus Gleichspannung eine hohe Wechselspannung erzeugt. (identisch mit der "Rühmkorff-Spule"). Dabei handelt es sich um einen so genannten Spar-Transformator. 1837 soll Callan 600000 Volt Hochspannung erzeugt haben. Die Strominpulse erzeugte Callan zunächst einzeln von Hand, später selbstunterbrechend-periodisch nach dem Prinzip des Wagnerschen Hammers.
• 1836. Erfindung des Wagnerschen Hammers durch Johann Philipp Wagner (1799-1878).
• 1837. In diesem Jahre zeigt der Münchner Carl August von Steinheil, dass bei einer Telegraphenleitung ein Leiter durch eine beidseitige Erdung ersetzt werden kann, und somit ein Draht eingespart werden kann.
• 1853 befasst sich Lord Kelvin theoretisch mit Schwingungsvorgängen des "Thomsonschen Schwingkreises" (aus parallel geschalteter Kapazität und Induktivität). Kelvin formuliert Gleichungen zur Berechnung einer Resonanzfrequenz (Thomsonsche Schwingungsleichung) und beschreibt die Berechnung abklingender ("gedämpfter") hochfrequenter Schwingungen in Abhängigkeit von Verlustwiderständen.
• 1855. Daniel Heinrich Rühmkorff (auch Ruhmkorff, da er den Umlaut in seinem Namen ändern liess) stellt auf einer internationalen Industrieausstellung in Paris einen Induktionsapparat (Funkeninduktor oder Rühmkorff-Spule) vor, der aus einer niedrigen Gleichspannung von 15 Volt eine Wechselspannung von ca. 100000 Volt erzeugt. Der Rühmkorffsche Induktionsapparat wird spätestens ab 1860 (Dumas und Benoit) auch für Beleuchtungszwecken mit Gasentladungsröhren (Geissler-Rohr) eingesetzt, Jules Verne erwähnt die Lampe 1864 in seinem Werk "Reise zum Mittelpunkt der Erde". Derartige Rümkorff-Funkeninduktoren werden später als Funksender eingesetzt.
• 1858. Der deutsche Physiker Berend Wilhelm Feddersen zeigt dass Kondensatorentladungen von gedämpften Schwingungen begleitet sind. Wheatstone und Feddersen gelingt es durch Experimente zu erkennen dass Entladungsfunken in Wirklichkeit aus einer Vielzahl sehr kurzer Einzelfunken bestehen.
• 1860. Gewitter und atmosphärische Störungen störten mehrmals Telegraphenverbindungen in den USA. Auch werden Polarlichter in diesem Zusammenhang genannt. Die jeweiligen Telegraphisten konnten sich dann nicht mehr verständigen und klemmten zuweilen ihre Batterien ab und konnten dann trotzdem dank atmosphärischer statischer Aufladungen weiter Telegramme austauschen. Berichte darüber erschienen in der amerikanischen Presse.
• 1861. Zwischen 1861 und 1865 entwickelte James Clerk Maxwell die bis heute gültige Theorie des Elektromagnetismus, der die Vorhersage elektromagnetischer Felder beinhaltet. 1873 veröffentlichte Maxwell dazu "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" vor der "Royal Society".
• 1864 erfolgt die Beschreibung "oszillatorischer Kondensatorentladungen" durch Kirchhoff.
• 1866. Der Zahnarzt Mahlon Loomis aus Washington, behauptet im Oktober 1866 eine drahtlose Telegraphenverbindung über 14 Meilen realisiert zu haben. Auf beiden Seiten sollen aufgestiegene Drachen als "Antennen" gedient haben. Für seine Behauptungen existieren keine unabhängigen Quellen.
• 1872. Erteilung des Patents 126356 IMPROVEMENT IN COLLECTING ELECTRICITY FOR TELEGRAPHING, &c. am 30. April 1872 an den in Auburn (NY) ansässigen William Henry Ward. Ward beschreibt einen "tower", der auf dem Gipfel eines hohen Berges aufgebaut werden soll und eine die Erde umgebende "natürliche Elektrizität" anzapfen soll: My invention consists of a tower for the purpose of receiving and imparting natural electricity, so as to be in constant contact with that upper stratum of electricity which surrounds the earth, by tapping which a never-failing supply is formed when brought into contact with the earth.. Die an einen Blitzableiter erinnernde passive Anlage leitet die aerial electricity über Drahtleitungen an die Nutzer weiter. Ward schreibt weiter in seinem Patent, dass er so ohne Batterien mit der Erde als Rückleiter einen Stromkreis bilden könne um beispielsweise die Stadt Denver über eine Anlage auf dem Pike's Peak mit Buenos Aires in Argentinien über einen Telegraphenverbindung zu verbinden: ..By the use of aerial electricity I entirely dispense with artificial batteries, forming my circuit merely by connecting the aerial current with the earth current. For instance, to bring Buenos Ayres, in South America, into direct connection with New York, the following plan would be pursued: One electrical tower is erected on Pike's Peak or any other suitable high mountain in North America, and another similar tower on some suitable peak of the Andes in South America. The former would, by means of land-lines, be connected directly with Denver, which place is again connected with all the prominent cities of the States. In a similar manner the southern tower is connected by land-lines with the prominent cities via Quito. New York telegraphs to the tower on Pike's Peak, and the operator having connected the land-line with the aerial current, the signals are transmitted through the aerial current to the tower in the Andes in South America, and from there--the land-lines being suitably connected with the aerial current--to Quito and Buenos Ayres. In this manner a message would be sent entirely by natural electricity in place of artificial. In the same manner a message may be sent across the ocean by having a high tower on each continent, each of which towers would have to be, of course, through land-lines connected with the earth to enable the ground current with the aerial current to form a circuit...
• 1872. Mahlon Loomis erhält im Juli 1872 ein Patent U.S. Patent 129971 über einen "drahtlosen Telegraphen". Die Idee von Loomis war es, "natürliche atmosphärische Elektrizität" als Ersatz für Telegraphenleitungen zu nutzen, mit der Erde als Rückleitung. Auch wollte er diese Energie als Wärmequelle und zu anderen Zwecken nutzen. Loomis erläuterte jedoch nicht genau, wie er seine Erfindung realisieren wollte. Im Prinzip war dieses Patent sehr ähnlich zu einem drei Monate zuvor erteilten Patent (U.S. Patent 126,356) von William Henry Ward zu einem "Radio". Auch Ward erläuterte nicht genau wie ein derartiges Radio zu realisieren sei. Möglicherweise wollte Ward und Loomis die Nutzung atmosphärischer statischer Aufladungen bei Telegraphenleitungen patentrechtlich nutzen. Auch Tesla wird später ähnliche Vorstellungen entwickeln.
• 1874. Karl Ferdinand Braun (1850-1918) beschreibt einen Bleiglanz (Galena) Detektor.
• 1878. Dem Engländer David E. Hughes werden im Jahre 1878 mögliche Anwendungen elektromagnetischer Wellen über 500 Fuss (152 Meter) (nach anderen Angaben von einem Raum zu einem anderen Raum innerhalb eines Hauses) durch einen Sender mit Funkenstrecke nachgesagt. 1879 soll Hughes seinen Sender kontinuirlich habe laufen gelassen und soll sich mit einem Empfänger bis zu 152 Meter entfernt haben können um das Sendesignal zu empfangen. Wahrscheinlich handelte es sich jedoch um Induktionseffekte, die Royal Society lehnte 1880 seine Angaben ab.
• 1884 entdeckt der italienische Physiker Temistocle Calzecchi-Onesti den ersten Kohärer als primitiven Detektor für elektromagnetische Wellen, der kurz danach von Edouard Branly und später von Oliver Joseph Lodge verbessert wird.
• 1885 formuliert T.A. Edison das 1891 erteilte Patent zu drahtlosem Schiffsfunk. Offenbar meint Edison aber keine elektromagnetischen Wellen.
• 1886 entdeckt der Physiker Heinrich Hertz die elektromagnetischen Wellen (im UHF-Bereich) und stellt dazu Versuche an (so auch zur Reflexion) und weist die Felder als Bestätigung der Maxwell-Gleichungen nach. Zur Detektion verwendet er eine kleine Funkenstrecke. Die Veröffentlichung von Hertz erfolgt 1888. Der an einer Universität tätige Hertz glaubt an keine nutzbare Bedeutung der Wellen und erwägt auch keine Patente anzumelden.
• 1889. Der walisische Ingenieur William Henry Preece soll Morsezeichen über 1,6 km (1 Meile) bei Coniston Water (Cumberland) übertragen haben. Dieses Ereignis ist nicht sicher dokumentiert.
• 1891. Ab 1891 beschäftigt sich Nikola Tesla mit hochfrequenten Wechselspannungen und stellt Versuche im KHz-Bereich an, und verbreitet in Vorträgen die Möglichkeit einer drahtlosen Kommunikation. Zwischen 1895 und 1899 soll Tesla mehrfach Sendungen über eine große Entfernungen übertragen haben. Allerdings liegen erst ab 1898 Belege dafür vor. Auch Tesla verwendet einen Knallfunkensender. Tesla entwickelt auch Verbesserungen der Funkenstrecke.
• 1891. Tesla bekommt am 23.6.1891 das US-Patent 454622 mit dem Titel "System of Electric Lighting" erteilt [2]. Dieses Patent wird von Seiten der Tesla-Anhänger als Tesla's Entdeckung elektromagnetischer Wellen bezeichnet. In der Patentschrift spricht jedoch Tesla nur von einer "neuartigen Methode und Apparat zur elektrischen Beleuchtung", und zwar unter Hochspannungs- und Hochfrequenzbedingungen (wahrscheinlich im Bereich 15 - 18 KHz). Das Patent bezieht sich auf einen Wechselstromgenerator, dessen Spannung hochtransformiert wird. Lampen müssen werden mit einem Anschlußpol an die Hochspannung angeschlossen. Die hohe Feldstärke der Wechselspannung reicht hier aus, um über die (geringe) Kapazität ein Leuchten der Lampen zu erreichen. Eine Kabelverbindung ist aber hier (siehe Bild rechts) Voraussetzung, es handelt sich also um eine drahtgebundene Anwendung.
• 1891. Am 29.12.1891 wird T.A. Edison ein rein theoretisches Patent (U.S. Patent 465,971) über drahtlosen Schiffsfunk erteilt. Experimente stellt er jedoch nicht an.
• 1892. Angeblich reist Tesla nach Bonn um Heinrich Hertz zu treffen und um mit ihm über die Erzeugung elektromagnetischer Wellen zu sprechen, und um eine (wie Tesla meint) verbesserte Schaltung vorzustellen. Hertz soll ihn jedoch enttäuscht haben.
• 1893. Tesla führt seine Eindraht-"Hochfrequenz-Beleuchtung" auf der Weltaustellung in chicago vor.
• 1894: Hutin & LeBlanc erhalten das US-Patent 527857 über induktive Energieübertragung bei einer Frequenz von 3 KHz.
• 1894. Der indische Physiker Jagadish Chandra Bose führt im November 1894 in Kolgata eine öffentliche Funkübertragung vor, bei der der Empfänger im Sinne einer Fernsteuerung Klingeln ertönen lässt und Knallkörper gezündet werden. 1896 überbrückt Bose im UHF-Bereich eine Entfernung von einer halben Meile. Bose entwickelt später einen verbesserten Kohärer.
• 1894. Am 14 August 1894 führt der englische Physiker Oliver Lodge in Oxford eine drahtlose Nachrichtenübermittlung vor.
• 1895 beginnt Guglielmo Marconi mit Versuchen. Im Sommer 1895 gelingt ihm eine Verbindung über 1,5 km Entfernung in Salvan in den Schweizer Alpen.
• 1895. Der russische Physiker Alexander Popov führt im Mai 1895 öffentlich eine Funkverbindung vor. Die überbrückten Entfernungen zu dieser Zeit waren etwa 500 Meter. Nach anderen Angaben gelangen Popov seine Versuche erst 1897.
• 1896. Tesla gibt im Jahre 1916 an, 1896 eine drahtlose Nachrichtenverbindung über eine Entfernung von 30 Meilen (48 Km) realisiert zu haben. Dazu liegen jedoch keine weitere Zeugenaussagen vor.
• 1897 setzt Ferdinand Braun abgestimmte Schwingkreise in die damals üblichen Knallfunkensender ein, und trennt einen "Antennenkreis" von der ansteuernden Schaltung. 1900 stellt Braun die erste Funkbrücke zur Insel Helgoland auf. 1909 erhielt Braun für seine Leistungen zusammen mit Guglielmo Marconi den Nobelpreis.

Weblinks

• http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_radio
• http://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_energy_transfer
• http://earlyradiohistory.us/index.html
• http://earlywireless.com
• http://www.sparkmuseum.com
• http://en.wikisource.org/wiki/The_True_Wireless