Veritasium oder der Strom, der nicht in der Leitung fliesst

 

Zurzeit macht ein Video eines YouTube-Professors Furore, der behauptet, dass Strom gar nicht in den Leitungen fliesse und dass es nicht die Elektronen seien, welche die Energie transportieren würden. Alles was wir in der Schule gelernt und für die Amateurfunkprüfung gebüffelt haben, sei falsch.

Der Professor geht aber noch einen Schritt weiter und propagiert ein Experiment. Zwar ist er mit einer Autobatterie und einer Lampe auf einen Berg geklettert, trotzdem ist sein Experiment kein richtiges sondern nur ein gedankliches. 

"Wenn ich nun eine Leitung von der Batterie bis zum Mond und zurück bis zu meiner Lampe ziehe", so fragt er. "Wie lange dauert es dann bis die Lampe brennt, wenn ich den Strom einschalte?" Er stellt dann vier Antworten zur Auswahl. Die Auflösung will er am Ende seiner Bergpredigt liefern. Doch um es gerade vorweg zu nehmen: die verrückteste Antwort sei die richtige, behauptet er. Wenn er den Schalter umlege, gehe die Lampe augenblicklich an. Also nix von Lichtgeschwindigkeit, Einstein zum Trotz.

Denn der Strom fliesse eben nicht in den Leitungen. Die seien nur dazu da, um der Energie, die transportiert werde, die Richtung zu zeigen. In den Drähten gäbe es zwar Elektronen, die einander durch das Kupfer schubsen. Doch die seien so langsam, dass sie erst am Nimmerleinstag am anderen Ende der Leitung ankommen würden.

Der eigentliche Energietransport finde im elektromagnetischen Feld statt, dass sich um den Leiter bildet. Unabhängig davon, ob es sich dabei um Gleich- oder Wechselstrom handle. Natürlich bemüht er den Maxwell und seinen Schüler Poynting, um seine verrückte Theorie zu untermauern. Er streitet deshalb auch nicht ab, dass die sich bewegenden Elektronen in den Leitungen ein Magnetfeld erzeugen. Auch wenn sie bloss langsam durch das Kupfer driften und nicht rasen.

Kein Wunder versetzt sein Video die YouTuber zurzeit in helle Aufregung. Zumindest die, die glauben, etwas von Strom zu verstehen. Eine ganze Reihe gescheiter Leute geben in Antwort-Videos ihren Senf dazu und die Kommentare der Zuseher quellen über.

Natürlich gibt es auch in Wissenschaft affinen Kreisen viele Gläubige und Ungläubige und der Dunning-Kruger Effekt kümmert sich nie um Fakten. Doch was soll man von dem ganzen Zirkus halten? 

Nun, als Ingenieur ist einem schon klar, dass die Elektronen nie und nimmer mit Lichtgeschwindigkeit durch die Leitungen rasen und irgendwie erinnert man sich entfernt noch an den ollen Maxwell und seine Gleichungen. Und so kommt man immer mehr ins Grübeln, je länger man über den provokativen YouTube-Professor und sein Video nachdenkt. 

Und das Verrückte daran ist: der Mann hat wahrscheinlich recht.

Aber schaut euch sein Video mal selbst an:

 

Antennen unter Dach

 

Im Alpental ist inzwischen der Winter eingezogen. Draussen käme es keinem Funker in den Sinn, bei Kälte und Eis Antennen zu bauen. Hat man aber all seine Antennen unter Dach, geht das Experimentieren mit Antennen munter weiter. Von Langwellen bis UHF. 

Meine Ferritantenne für das 136kHz und 472kHz Band bringt jede Nacht wieder neue Überraschungen und die Anzahl der empfangenen Stationen steigt weiter. Der lange Stab hat ausgeprägte Nullstellen. Dank der Richtwirkung können lokale Störungen gut ausgeblendet werden.  Ich muss nur aufpassen, dass ich nicht versehentlich in diese Antenne, beziehungsweise in ihren Verstärker sende. Doch bei dem offenen Aufbau, wie er oben im Bild zu sehen ist, ist das Teil sehr reparaturfreundlich. Und in einer alten Biscuit-Dose schlummern noch viele Transistoren, die nur darauf warten, endlich auch an die Reihe zu kommen. 

Aber auch am anderen Ende des Spektrums gibt es Neuigkeiten. Zwar baue ich meine Antennen in der Regel selbst, doch ausnahmsweise habe ich mal eine Yagi für das 70cm Band gekauft. Eine 10 Element von Anjo. Sie hängt hoch über dem Kopf des Operateurs und strahlt durch die Dachbalken hinauf zu einer Reihe von bewaldeten Felszähnen, die bis zu 1800m in den Himmel ragen. Ich war im Sommer mal oben und habe die Aussicht von dort bewundert. Die Felszacken haben eine grandiose Sicht über die vorgelagerten Gipfel hinweg auf das Mittelland bis zum Jura und bis in den Schwarzwald. Wenn sie so freundlich sind, die 70cm Wellen zu reflektieren, dann sollten Verbindungen aus meinem Tal heraus gut möglich sein. 

Natürlich kommt es auf die Ausrüstung der Gegenstation an. Meistens besteht diese aus einem Stängel von Comet oder Diamond, so genannten Blindenstöcken. Na ja, ich würde sie eher als Hörhilfen bezeichnen. Darum habe ich die Yagi auch vertikal polarisiert. Wie stark dies die Signale von SSB-Stationen mit horizontaler Polarisation beeinträchtigt, wird die Zeit zeigen. 

Die Anjo ist die am besten gebaute kommerzielle Yagi, die ich bisher in Händen gehabt habe. Sie ist sehr robust und wetterfest gebaut und es ist eine Schande, diese Vormast-Yagi im wettergeschützten Shack einzusetzen. Ich denke, sie fühlt sich hier ziemlich unterfordert, geschützt vor Regen, Schnee und Sturmwind. Allerdings hat sie einen stolzen Preis. Zumindest hier in der Schweiz, wo die Post einen exorbitanten Preis für den Transport verlangt. Sperrgut heisst die Begründung.

Zumindest einige Relaisstationen sind mit der Anjo gut zu erreichen. Aber man merkt schon, dass es auf 430 MHz wesentlich schwieriger ist als im 2m Band. Ganz hartes Brot gibt es für den Mikrowellenfreund. Zwar habe ich bereits ein paar Verbindungen auf dem 23cm Band getätigt, aber trotz meiner 100 Watt PA und der 21 Element Yagi war es mühsam. Natürlich hatte ich zu diesem Zweck die Antenne draussen vor dem Fenster installiert, damit die 23cm Wellen nicht noch durch Holz und Ziegel zusätzlich geschwächt werden. 

Was bei schwachen Signalen auf allen VHF/UHF-Bändern auffällt, sind die Reflexionen an Flugzeugen. Auch normalerweise unhörbare Stationen tauchen dann kurz aus dem Rauschen auf und während einigen Sekunden sind dann plötzlich ihre Signale klar zu lesen. Wenn sich beide Stationen an eine spezielle Betriebstechnik halten und den Flugverkehr auf Flightradar24 beobachten, sind kurze QSO's möglich. Sehr kurze Durchgänge, wie in einem Ping-Pong Spiel und klare Übergaben mit "Over" sind unabdingbar. So können Rufzeichen, Rapport und eventuell noch QTH-Kenner ausgetauscht werden. Bedingung ist jedoch, dass beide Stationen zum Flieger Sichtverbindung haben. Dann klappt es auch mit moderaten Antennen und den üblichen Leistungen. 

630m und 2200m ohne Aussenantenne

 

Mit meinen Indoor Magnetloop Antennen bin ich sehr zufrieden. Sie funktionieren besser als ich erwartet hatte. Auch auf dem 80m Band. Obschon dort der Wirkungsgrad sehr bescheiden ist. Trotzdem klappen Telegrafie-QSO's problemlos. FT-8 wäre sowieso kein Problem, aber für diese Betriebsart ist meine Begeisterung längst verflogen. Für SSB-QSO's im 80m Band fehlen jedoch gut 10dB. Ein Hinweis, dass die Berechnungen mit den bekannten Formeln schon ungefähr stimmen. Allerdings ist heutzutage die Störsituation bei vielen Stationen unerträglich geworden. Manche OM klagen darüber, dass ihr S-Meter ohne Signal bereits die 9er Marke erreicht. Schwache SSB-Signale habe da keine Chance mehr. Anyway; wer draussen lange und hohe Drähte spannen kann, sollte sich nicht mit Magnetloop Antennen rumplagen. 

Von 40m abwärts leben meine Loops so richtig auf. Mein Eindruck: die Signale können durchaus mit Dipolantennen mithalten. DX wird jedoch im Alpental durch die Berge beeinträchtigt, die flache Abstrahlwinkel verunmöglichen.  

Soweit ist alles wie es sein soll. Doch ich vermisse die langen Bänder: die Mittel- und die Langwelle.

Für 160m könnte ich sicher eine Loop bauen, wie ich es an meinem alten QTH getan habe. Mit etwas grösseren Abmessungen würden sicher ein paar CW-QSO's drin liegen. Aber es hat keinen Sinn, sich Illusionen hinzugeben. Bei gleichem Durchmesser bringt eine Loop auf 160m nur noch ein Viertel der Leistung wie auf dem 80m Band. Und anstelle einer einzigen Windung, 2, 3 oder 4 aufzuwickeln, bringt nur wenig mehr. Dafür würde die Spannung am Kondensator extrem in die Höhe klettern. 

Das 630m oder gar das 2200m Band sind dann nochmal andere Kaliber und liegen definitiv ausserhalb der Reichweite eines Indoor-Amateurs.

Trotzdem: Reinhören ist auch ohne hohe Masten und lange Drähte möglich. Und es macht auch Spass sich z.B. als WSPR-Empfangsstation zu betätigen und so am Geschehen teilzunehmen.

Genau das habe ich gestern Abend ausprobiert. Und da ich an magnetischen Antennen einen Narren gefressen habe, mit einer kleinen Magnet-Loop. Einer Ferritantenne. Ferritstäbe haben sich seit Jahrzehnten in allen Radios als Empfangsantennen bewährt. Der Ferritstab wirkt wie ein Staubsauger für die Magnetlinien des EM-Feldes und bündelt sie quasi durch die aufgebrachte Spule. Wie gut er die Feldlinien "einsammelt"  hängt vom Material, vom Durchmesser und vom Längen/Durchmesser-Verhältnis des Stabes ab.

Für meinen Versuch hatte ich aber keine grosse Auswahl. Einige wenige Ferritantennen aus alten Röhren- und Transistor-Radios lagen zuunterst in der Bastelkiste. Sie hatten allesamt je eine Wicklung für das Langwellen und das Mittelwellenrundfunkband. Ein Drehko aus alten Zeiten lag auch noch mitten drin: aus einem Hitachi-Radio. Wenn man beide Platten Pakete zusammenschaltet reicht es, um die Antenne auf 136kHz bzw. auf 472 kHz abzustimmen. 

Eine Verstärkerschaltung mit einem FET bringt die schwachen Signale aus der Ferritantenne in Schwung. Die Verstärkung ist so gross, dass sie auch scheintote Empfänger noch zum Leben erweckt. Beim IC-7300 musste ich den Attenuator einschalten.

   Während drei Stunden WSPR-Empfang im Shack konnten gestern Abend immerhin drei Stationen decodiert werden:

DC0DX        547km    -6dB sendete mit 500mW ERP

DF1VB        547km    -20dB mit 50mW Sendeleistung

G0MRF        804km    -21dB mit 5W

DL1HWK    697km    -21dB mit 1W und

OH1LSQ      2072km    -24dB mit ebenfalls 1W ERP

Auf 136 kHz war gestern Abend leider nichts los. Aber ich bin davon überzeugt, dass ich auch in diesem Band Stationen empfangen werde.

Bei meiner Suche nach Artikeln über den Einsatz von Ferritantennen bin ich auf ein interessantes Dokument der US Navy gestossen. In der U-Boot Kommunikation werden Längstwellen (<30kHz) eingesetzt, da sie ein Stück weit auch noch unter Wasser empfangen werden können. Dazu werden in den Unterseebooten auch Ferritantennen zum Empfang eingesetzt. Das Dokument, das übrigens frei zugänglich ist, beschreibt dabei, wie diese Ferritantennen verbessert werden können. Um allzu dicke Stäbe zu vermeiden, werden an den Enden grosse Ferrittrichter an dem Stab angeleimt um mehr Feldlinien einzufangen und so die Empfangsfeldstärke zu erhöhen. 

Wie auf dem nächsten Bild zu sehen ist, habe ich diesen Trick bei meinem Ferritstab auch ausprobiert und an den Enden Topfkerne aus ähnlichem Material angeklebt. Obwohl sie keine Trichterform haben, stieg der Signalpegel um ein paar dB an. Natürlich auch der Störpegel, sodass unter dem Strich keine Verbesserung zu verzeichnen war. Aber meine MW/LW-Versuche sind noch lange nicht zu Ende. Sie haben erst begonnen.

 

Wo versteckt sich in der Nacht das Licht?

 

Natürlich im Kühlschrank, wie jeder selbst nachprüfen kann.

Ähnlich lautet die Frage bei den Antennen. Wo geht unser Signal hin, wenn es nicht bei der Gegenstation ankommt? Natürlich bleibt es im Aether stecken. Dieser hat gerade keine Lust, unsere Wellen zu reflektieren, zu beugen, zu brechen oder was weiss ich. Da kann man nichts machen.

Wenn die Wellen aber bereits in der Antenne stecken bleiben, kann sehr wohl Abhilfe geleistet werden. Doch wie stellt man fest, ob die Wellen sich weigern, die Antenne zu verlassen? 

Viele glauben, das könne man dem Stehwellenverhältnis ansehen. Wenn das nicht 1:1 sei, werde nicht alle Leistung abgestrahlt. Über 1:2 werde es gefährlich und ab 1:3 gerate die Endstufe in die Todesszone und die Antenne behalte den grössten Teil der Hochfrequenz für sich.

Doch das sind Fake News, wie aufgeklärte Ham's wissen. Wenn die Antenne keine Lust hat, die HF in den Aether zu schicken, nützt auch das beste Stehwellenverhältnis nix. Sonst wäre ja ein Dummy Load eine ideale Antenne. Nein. Spielt die Antenne nicht mit, dann frisst sie die Hochfrequenz auf und transformiert sie in Wärme. Kurz: schlechte Antennen werden warm. Bei hohen Leistungen sogar richtig heiss. 

Das ist praktisch. Der Mensch hat einen eingebauten Temperaturfühler: seine Haut. Zwar kann er darauf die Temperatur nicht digital ablesen, aber meist reicht eine Schätzung aufgrund seiner Erfahrung. Bei ca. 55 Grad zuckt die Hand zurück.

Oft sind es nur ganz bestimmte Teile, die heiss werden, während die übrige Antenne kühl bleibt. Zum Beispiel irgendwelche Baluns, Ununs oder andere Teile aus Eisenpulver oder Eisenoxyd. Vorzugsweise in Ringform gepresst.

Professor Mike Underhill G3LHZ hat sich diesem Thema angenommen. Er hat nämlich festgestellt, dass Magnet-Loop Antennen viel wärmer werden müssten, wenn sie so schlecht wären, wie aus den Formeln von Maxwell hergeleitet wird. Der Professor ist ja nicht der Erste, der an Maxwell zweifelt. Viele Erfinder von "Wunderantennen" tun es ihm gleich. Und kürzlich haben Forscher sogar magnetische Monopole entdeckt, die es eigentlich nicht geben dürfte. Maxwell hatte sie quasi "verboten".

Allerdings bleibt die Hochfrequenz, die uns fehlt, nicht nur in der Antenne hängen. Ein Teil davon wird in der Umgebung in Wärme umgesetzt und erwärmt die Würmer im Boden und Nachbars Fahnenstange.

Doch bleiben wir bei der Antenne. Je kleiner Antennen im Vergleich zur Wellenlänge sind, desto kritischer wird es. Es gibt dabei einen bestimmten Parameter, der uns aufzeigt, wie wirkungsvoll eine Antenne ist. Nein. Es ist nicht das SWV (SWR in Englisch). Es ist die Güte. 

Eine Antenne ist ja nichts anderes als ein Schwingkreis. Beim Dipol ist dieser offen, beim Magnet-Loop lustigerweise geschlossen. Doch das spielt hier keine Rolle. Je kleiner die Antenne ist, desto höher muss die Güte sein, um die HF verlustarm abzustrahlen.

Doch je höher die Güte ist, desto geringer ist die Bandbreite der Antenne. Darum werden zum Beispiel Magnet-Loop Antennen extrem schmalbandig, wenn ihr Umfang unter ein Zehntel der Wellenlänge sinkt. 

Man kann eben nicht alles haben im Leben. Und bei unseren Sorgenkindern, den Antennen, können wir gleichzeitig nur je zwei der folgenden drei "Features" haben:

1. Geringe Grösse im Vergleich zur Wellenlänge

2. Grosse Bandbreite

3. Hoher Wirkungsgrad

Alles zusammen geht nicht. Wenn man einer Antenne begegnet, die alle drei Punkte verspricht, sollte man misstrauisch werden.

Hier noch ein Tipp, für die Funker, die sich speziell für Magnet-Loop Antennen interessieren: Die Web-Seiten von Frank Dörenberg N4SPP sind eine wahre Schatzkiste. Frank hat sich intensiv mit diesem Antennentyp auseinandergesetzt und mehrere Exemplare selbst gebaut und ausprobiert. Zurzeit baut er eine kleine Loop mit zwei Windungen. Ich bin gespannt auf seine Erfahrungen und den Vergleich mit den grossen 1-Windung-Loops.  

Bild: Ein SOTA-Gipfel in Sichtweite: La Berra, HB/FR-028, 1719m

   

Innenantennen im Alpental

Die Wirkung jeder Antenne wird durch ihre Umgebung beeinflusst. Ganz besonders gilt dies für Innenantennen. Sie befindet sich nicht nur in unmittelbarer Nähe von elektrischen Leitern und Mauerwerk, sie ist auch den Störungen der Heimelektronik mehr ausgesetzt als eine Aussenantenne.

Doch wer kein "Aussen" hat, ist auf "Drinnen" angewiesen. Das gilt zurzeit auch für mich an meinem neuen QTH. Und dieses "Drinnen" bewährt sich erstaunlich gut, sodass ich den Balkon als Antennenträger vorerst nicht berücksichtigen muss. Allerdings liegt nichts als Holz und einfaches Mauerwerk zwischen dem Shack und dem Aether, wie aus den Fotos zu erahnen ist. Das, zusammen mit der Höhe des Gebäudes, sind fast ideale Voraussetzungen für eine Innenantenne.

Das 2m Band ist hier im Alpental weniger für DX geeignet. Es ist aber eine Möglichkeit, neben der Benutzung von Relaisstationen, mit Funkkollegen im Flachland Kontakt zu halten. NVIS in SSB auf 80m und 160m ist wegen fehlenden Drahtantennen keine Option.

Ursprünglich wollte ich auf Reflexionen an Berggipfeln setzen. Davon gibt es ringsum eine ganze Reihe in Sichtweite. Oft mit schroffen Felswänden, die sich besonders als Reflektoren eignen. Acht davon sind übrigens SOTA-Gipfel, wenn ich richtig gezählt habe.

Jeder Reflexionspunkt hat seine Vorzugsrichtung und seine Abschattungen. Und trotzdem habe ich keinen von Ihnen gewählt. Als zurzeit beste Verbindungsmöglichkeit hat sich der Grat eines Hügelzugs im Norden herausgestellt. In diesem Fall ist wohl keine Reflexion, sondern eine Beugung der Wellen (Diffraktion) im Spiel. Die Signale über die Kante des Hügelzugs sind aussergewöhnlich kräftig. Die stärkeren Signale sind dabei sehr konstant, die schwachen oft mit dem QSB von Flugzeug-Scatter verstärkt. Zurzeit verwende ich eine 6 Element Yagi nach einem Design von DK7ZB. Sie ist vertikal polarisiert, da die meisten meiner Funkkollegen "Blindenstock-Funker" sind.

      Die Yagi strahlt direkt in die Shack-Ecke. Wieviel Dämpfung dabei das Signal durch Holz und Mauerwerk erfährt, ist schwer zu sagen. Jenseits der Wand würde die Antenne folgendes Panorama sehen:

 Allerdings stehen dort auch noch einige Tannen im Weg. Auch sie werden noch an den Dezibel knabbern.

Im Hintergrund ist eine kleine Magnet-Loop Antenne zu sehen mit 80cm Durchmesser, die für 10 bis 20m benutzt werden soll. Die Zeit war aber noch zu kurz, um damit Erfahrungen zu sammeln. Wenn sie so gut arbeitet, wie sie das an meinem vorhergehenden QTH getan hat, bin ich zufrieden.

Der neuste Spross in meinem Indoor-Antennenwald ist eine 1.6m Magnet-Loop. Sie ersetzt meine AMA-87 (1.3m Durchmesser). Natürlich hätte ich gerne noch eine grössere gebaut. 2m Durchmesser zum Beispiel. Doch dann wäre es im Shack sehr "unpraktisch" geworden.

Diese neue Loop ist aus 7/8" Cellflex gemacht und besitzt einen dicken russischen Vakuumkondensator, der mit einem DC-Motor abgestimmt wird. Im 80, 60 und 40m Band ist das SWR beinahe 1:1. Nur das 30m Band macht mir diesbezüglich noch Sorgen. Da muss ich noch an der Einkopplung arbeiten.

Wie gut sich diese Antenne bewähren wird, ist noch schwer abzuschätzen. Erste Tests lassen hoffen. Sie sollte mindestens so gut sein wie die AMA-87. Mit dem Vorteil, auch mal auf 120 Watt aufzudrehen zu können, um ein QSO zu retten. Meine AMA-87 verträgt oft keine 100W wie in den Spezifikationen angegeben und der Luftkondensator schlägt durch. Die neue würde sicher auch 500 Watt verdauen, doch dem OP dürfte das weniger bekommen.

Der Vakuumkondensator überstreicht den Bereich  von 20 bis 500 pF mit 33 Umdrehungen und ist für 10kV ausgelegt. Er stammt aus alten Militärbeständen der ehemaligen UdSSR und ist NOS.  

Hier ein Blick auf meine neuste Magnet-Loop:

     Die Magnet-Loop nimmt wenig Störungen aus der Umgebung auf. Auch im 80m Band sind die Störungen gering und das S-Meter des IC-7300 bewegt sich tagsüber kaum über S1-2 hinaus. Trotzdem: Für SSB-QSO's im 80m Band reicht es meist nicht. Denn der Wirkungsgrad ist in diesem Band bescheiden und dürfte im Bereich von 5 bis 10% liegen. Anders sieht es im 40m Band aus. Der Wirkungsgrad sollte in diesem Band gegen 50% gehen. Mit diesen -3dB gegenüber einem idealen Strahler ist man keine QRP-Station mehr.