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magnetischer Detektor

 
Die Möglichkeit mittels bewegter Magnete hochfrequente elektrische Schwingung zu detektieren wurde von dem berühmten Physiker Ernest Rutherford entdeckt. Marconi hat später diese Prinzip übernommen und den magnetischen Detektor weiter entwickelt und für seine Funksysteme eingesetzt.
Beim Detektor nach Marconi wird ein sich bewegender Draht aus ferromagnetischem Material durch einen Permanentmagneten magnetisiert. In der Bewegungsrichtung des Drahtes folgt eine Spule deren hochfrequentes Magnetfeld den Draht z.B. im Takt der Morsezeichen wieder teilweise entmagnetisiert. In einer weiteren Spule wird nun durch die Bewegung des Drahtes und der wechselden Magnetisierung eine niederfrequente Spannung induziert die den Morsezeichen entspricht und mittels Kopfhörer hörbar gemacht wird.
Der magnetische Detektor besitzt zwar keine besonders hohe Empfindlichkeit arbeitet aber sehr stabil. Im Gegensatz zu dem sonst verwendeten >>Kohärer<< ist er unempfindlich gegen Erschütterungen und wurde deshalb gern auf beweglichen Stationen, z.B. Schiffen eingesetzt.

Beim Detektor nach Marconi wird ein dünner Stahldraht oder ein Bündel vieler dünner Drähte über zwei Rollen gespannt und so in Bewegung gesetzt. Der Weg des Drahtes für durch das Magnetfeld der Permanentmagnete und durch zwei Spulen. Eine der beiden, die blaue Spule wird an die Antenne und Erde angeschlossen und so vom hochfrequenten Strom durchflossen. An die andere, rote Spule ist der Kopfhörer angeschlossen in dem die demodulierte Hochfrequenz hörbar wird.
Die Drehung der Rollen und somit die Bewegung des Drahtes wird meist durch einen Federmotor bewirkt. So braucht der magnetische Detektor in seiner Urform keine weiteren Energiequellen was auch zu seiner Zuverlässigkeit beiträgt.


Um das Prinzip zu testen wurde erst mit moderner Technik ein Funktionsmodel gebaut. Der Antrieb erfolgt durch einen Elektromotor. Die Hf-Spule hat 200 Windungen aus 0,3 mm CuL auf einem Kunststoffröhrchen von 8 mm Durchmesser. Die schmale Nf-Spule hat etwa 3000 Windungen aus 0,1 mm CuL Draht und besitzt einen Widerstand von 350 Ohm. Die Drahtschleife ist aus 0,4 mm Eisendraht wie er für Bastelarbeiten verkauft wird.

Zum Test wurde an die Hf-Spule ein mit 400 Hz AM modulierter Prüfsender angeschlossen. Die Frequenz betrug 500 kHz. Der Ausgang des Detektors führt über einen Tiefpass (100kOhm, 0,22µF) zum Oszi.

Die Messung zeigt erstmal daß der Aufbau funktioniert aber auch die sehr niedrige Empfindlichkeit. Für ein Millivolt Ausgangsspannung werden ein Volt Hf-Spannung benötigt. Das Signal ist relativ unabhängik von der Drahtgeschwindigkeit., die im obigem Beispiel 15 cm/s betrug. Erst bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten wird das Signal kleiner um bei Stillstand ganz zu verschwinden. Auch der Abstand der Magnete vom Draht, hier 5 mm, ist nicht kritisch.
Einen größeren Einfluss könnte der Draht haben. Bei den historischen Vorbildern bestand er meist aus einer Litze mit vielen, unter einander isolierten Einzeldrähten.
Wenn statt des Oszis ein Verstärker mit Lautsprecher an die Nf-Spule angeschlossen wird kann man natürlich die Töne auch hören. Im rechten Beispiel wurde die Frequenz des Senders auf 100 kHz reduziert und die Ausgangsspannung auf 30 mV reduziert. Der 800 Hz Ton wurde getastet.Von Zeit zu Zeit wurde der Draht angehalten um zu zeigen das die Demodulation wirklich vom bewegtem Draht geleistet wird.In diesen Pausen ist tatsächlich nur noch ein Brummen des Verstärkers zu hören
   
Für den nächsten Versuch wurde der Ausgang eines UKW-Radios als Modulationsquelle verwendet. Gewissermassen ein Umsetzer vom UKW-Rundfunkband auf 100 kHz zusammen gestöpselt. Die Wiedergabe ist erstaunlich gut, wirkt nicht verzerrt. Ein Teil des zu hörenden Rauschens stammt außerdem vom UKW-Radio selbst. Allerdings wurde für diesen Test Die Ausgangsspannung des Messenders auf 300 mV erhöht.

Im nächsten Versuch wurde die Empfindlichkeit des Detektors über die Frequenz der Eingangspannung getestet. Es wurde die Amplitude des A2 modulierten Signals so eingestellt dass das Signal gerade noch im Rauschen hörbar war. Das Ergebniss ist in der Kurve links dargestellt. Das ist natürlich eine weitgehend subjektive Methode. Trotzdem wurde ein Verlauf erhalten der in doppellogarithmischer Darstellung nahezu eine Gerade ergibt. Die Empfindlichkeit ist übrigens wie schon erwähnt weitgehend unabhängig von der Geschwindigkeit des Drahtes. Nicht unabhängig ist jedoch das Signal/Rauschverhältniss. Mit kleiner wrdenden Geschwindigkeit nehmen die Störgeräusche wie Jaulen, Rumpeln und Rauschen stark ab und entsprechend das Signal/Rauschverhältniss zu.
Bei einer optimalen Geschwindigkeit von 0,6 cm/s erreicht man bei 50 kHz eine Empfindlichkeit von -30 dBm und damit etwa die Werte eines >Detektorempfängers<. Eine Verwendung des Geräts zum Rundfunkempfang wäre mit einer guten Antenne durchaus möglich.
Versuche mit anderem Materialien verliefen mit wenig Erfolg. Mit einem 0,4 mm dickem Nickeldraht war die Empfindlichkeit deutlich schlechter. Mit einem ca. 3 mm breiten und 0,02 mm dickem Mumetallband funktionierte der Detektor garnicht. Versuche mit einem Kassettentape stehen noch aus.
Der historische Nachbau verwendet keinen Elektromotor sondern einen Federmotor zum Antrieb des Drahtes. Gut geeignet ist ein Grammophonmotor. Originale Grammophonmotoren sind teuer und oft ist auch die Feder schon schwach. Mittlerweile gibt's aber relativ günstige Nachbau-Ersatzmotoren. Die damalige Abspielgeschwindigkeit war 78 Umdrehungen/Minute. Bei einer normalen Rollengröße von einigen Zentimetern wäre die Geschwindigkeit des Drahtes viel zu hoch. Bei hier verwendeten Motor konnte aber das sich drehende Gehäuse der Feder als Antriebsrolle verwendet werden. Der Draht bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 0,7 cm/s, nahe dem oben gemessenen Optimun. Ansonsten muss man eine Untersetzung bauen, was aber auch nicht allzu schwierig sein dürfte. Übliche Motoren besitzen einen Fliehkraftregler der die Drehzahl der Abspielachse konstant hält. Durch das Getriebe ist dann natürlich auch die Drehzahl aller anderen Achsen einschlieslich der Federtrommelachse konstant.
Die Spulen haben ähnliche Daten wie die obige nur wurden als Material ein Glasrohr und Ebonitscheiben verwendet. Die Niederfrequenzspule hat mit 10000 Wdg aus 0,1 mm dickem Kupferlackdraht etwas mehr Wicklungen was aber keinen großen Einfluss auf die Empfindlichkeit hat.
Der Ausgang der Spule ist mit einem Glimmerkondensator von einem Nanofarad Kapazität überbrückt. Er hat die Aufgabe die von der HF-Spule induzierte Hochfrequenz vom nachfolgendem Verstärker fernzuhalten. Der heiße Anschluß der Spule liegt innen, so werden Brummeinstreuungen vermieden da die HF-Spule für niedere Frequenzen geerdet ist.
Die dünne, lange, auf ein Glasrohr gewickelte Hochfrequenzspule hat 100 Wicklungen aus Seide isoliertem Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,2 mm.
 
Alle Einzelteile wurden auf einem stabilen Buchenholzbrett montiert. Die Umlenkrolle wurde auf einem verstellbaren Schlitten (ein Übrigbleibsel eines optischen Experiments) montiert. So kann die Drahtspannung fein eingestellt und nachgestell werden. Der weiche Eisendraht neigt zur Dehnung wenn er länger unter Spannung steht. Es hat sich gezeigt das die Spannung des Drahtes niedrig sein soll, gerade so groß dass der Draht von der Antriebsrolle mit genommen wird. Eine höhere Spannung erzeugt Störgeräusche in Form von Plings und Plongs. Die Hufeisen-Magnete die durch einen Ebonitstreifen fixiert werden können in einem weiten Bereich verschoben werden. Bei den hier verwendeten Magneten war ein Abstand von circa einem Zentimeter die empfindlichste Einstellung. Hier wurde festgestellt dass der Detektor auch arbeitet wenn der Draht still steht und stattdessen die Magnete bewegt werden. Teilweise ergab sich hierbei sogar eine deutlich höhere Empfindlichkeit. Tatsächlich wurden auch Detektoren gebaut die aus Spulen mit festem Kern und einem rotierendem Magneten bestanden. So ein Aufbau erlaubt natürlich die Verwendung verschiedenster Kernmaterialen.