Engineering
Elektromechanischer Telegraf
Senden Sie Morsezeichen über eine Telegrafenleitung und sehen Sie zu, wie sie ankommen: Die Leitung lädt sich Abschnitt für Abschnitt auf, der Anker des Morseschreibers wird über seinen Luftspalt angezogen, und der Schreibstift prägt Punkte und Striche in den Papierstreifen. Verlängern Sie die Leitung, verlegen Sie sie als Kabel, ändern Sie die Feder und die Gebegeschwindigkeit, und sehen Sie, wann die Markierungen verschwimmen und wann sie ganz ausbleiben.
Was passiert
Am einen Ende einer Leitung stehen eine Taste und eine Batterie von 60 V, am anderen ein Morseschreiber. Die Leitung ist ein Kettenleiter aus bis zu acht RC-Gliedern – eine Freileitung mit 15 Ω und 10 nF je Kilometer oder ein Kabel mit 5 Ω und 200 nF – mit der Erde als Rückleiter. Die Spule des Schreibers mit 150 Ω besitzt die Induktivität ihres Magnetkreises, L(g) = L_leak + μ₀·N²·A/(2g), und zieht ihren Anker mit F = μ₀·N²·A·i²/(4g²) über einen Luftspalt, der sich von 1,0 auf 0,4 mm verengt, gegen eine Feder von 100 N/m, die um 0,2 mm vorgespannt ist; die Gleichung der Spule berücksichtigt die Bewegungsinduktion. Am vorderen Anschlag drückt der Schreibstift auf den Papierstreifen, der mit 20 mm/s läuft; die Markierungen werden anhand ihrer Länge als Punkte und Striche gelesen.
Der Anker löst sich bei 12,6 mA vom hinteren Anschlag und fällt erst unter 10,1 mA wieder zurück. Über 200 km Freileitung beträgt der Strom bei gedrückter Taste 18,9 mA; ein Punkt, mit 20 Wörtern pro Minute gesendet, kommt 19,8 ms verspätet an und hinterlässt für seine 60 ms Sendedauer eine Markierung von 42 ms. Über 20 km beträgt die Verzögerung 2,5 ms. Durch 300 km Kabel kommt SOS als SOS an, die erste Markierung 27,1 ms nach dem Tastendruck; mit 40 Wörtern pro Minute gesendet, wird es als ATA gelesen. Durch 800 km Kabel fließen in der Spule höchstens 13,6 mA, und nichts gelangt aufs Papier; mit halbierter Federvorspannung zieht der Anker ein einziges Mal an, und die ganze Nachricht wird zu einem langen, verschwommenen Strich.
Modell: konzentrierte RC-Glieder, höchstens acht; die Induktivität der Spule aus ihrem Luftspalt; der Anker eine Masse an einer gedämpften Feder zwischen zwei Anschlägen; keine Ableitung zur Erde, keine Relais. Zeitschritte von 20 µs; die Energiebilanz geht mit der Arbeit der Batterie auf.
Zum Ausprobieren
Sehen Sie zu, wie SOS die Leitung entlangläuft und auf dem Streifen ankommt. Verlegen Sie die Leitung als Kabel, verlängern Sie sie oder senden Sie schneller, und sehen Sie die Markierungen verschwimmen; lockern Sie die Feder, wenn nichts ankommt, oder halten Sie die Handtaste gedrückt.
Gleichungen des Moduls
Gleichungen C·dV_k/dt = i_(k−1) − i_k, i_k = (V_k − V_(k+1))/R d(L(g)·i)/dt = V_n − R_coil·i L(g) = L_leak + μ₀N²A/(2g), F = μ₀N²A·i²/(4g²) m·d²x/dt² = F − k·(x₀ + x) − c·dx/dt
