Ivor CATT

Grundlagen elektromagnetischer Energieübertragung

Quelle:
CATT, I.: "Fundamentals of electromagnetic energy transfer" aus "Electronics & Wireless World", Sept. 1984, Seiten 45 ff, Auszug (Übersetzung: Ekkehard Friebe)

a) Schwächen der traditionellen Theorie

Der Fortschritt in der digitalen Elektronik hat Schwächen in den Grundlagen der elektro-magnetischen Theorie deutlich gemacht. Diese Arbeit diskutiert einige der Schwächen und beginnt den Aufbau einer gesünderen wissenschaftlichen Basis.

In den Jahren nach 1870 arbeitete Oliver HEAVISIDE, der Vater der digitalen Elektronik, mit seinem Bruder Arthur daran, die Impuls-Signalgabe längs einer Übertragungsleitung zu verbessern. Dabei verwendete er Theorie und Experiment zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Untersee-Telegraphen-Linie zwischen Newcastle und Dänemark. Diese praktische Erfahrung gab ihm eine Beherrschung der elektro-magnetischen Theorie, die für ein Jahrhundert lang unerreicht blieb.

Dies führte zu seiner größten Leistung, der Entdeckung des Konzepts des "Energie-Stromes" (ref. 1, 2, 3), welches er selbst unterbewertete und niemals erneut erwähnte, nachdem HERTZ zehn Jahre später die noch eindrucksvolleren drahtlosen Wellen nachgewiesen hatte.

Die drahtlose Signalübertragung war seit der Zeit ihres Aufkommens um das Jahr 1900 als ein bedeutsamerer Fortschritt betrachtet worden. In Wirklichkeit jedoch hemmte sie die theoretische Entwicklung.

Die drahtlose Übertragung ist eine resonante, stationäre Aktivität. Sie ist weit weniger bestimmend für die erfolgreiche Entwicklung der elektro-magnetischen Theorie als ihr scheinbar primitiver Vorläufer, der transversale elektro-magnetische ( = TEM) Übergang oder Impuls. Er pflanzt sich - geführt von zwei elektrischen Leitern - unverzerrt mit Lichtgeschwindigkeit fort.

Der Zauber, die magische Natur der drahtlosen Signalübertragung verursachte die Unterdrückung und den späteren Verlust eines Verständnisses, durch welchen Mechanismus sich ein Signalimpuls von einem logischen Gatter zum nächsten mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Dieser Umstand veranlaßte Albert EINSTEIN, sogar die bloße Idee eines logischen Impulses als absurd zu verwerfen!

"....Wenn ich einen Lichtstrahl mit der Geschwindigkeit c (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) verfolge, sollte ich einen solchen Lichtstrahl als ein räumlich ruhendes, oszillierendes elektro-magnetisches Feld beobachten. Dennoch scheint es etwas derartiges nicht zu geben, weder aufgrund der Erfahrung noch gemäß MAXWELL's Gleichungen" (ref. 4).

Eine tiefe Kluft entstand zwischen der "EINSTEIN-Gemeinde", die sich selbst "Moderne Physik" nannte, und dem Ingenieurwesen der digitalen Elektronik. Letztere nämlich basiert auf dem logischen Impuls, den EINSTEIN als absurd ablehnte (Innerhalb der Gemeinde der "Modernen Physik" ist die einzig mögliche elektro-magnetische Fortpflanzungsart die Sinuswelle, während die digitale Elektronik auf dem Impuls aufbaut, ref. 3, 5).

EINSTEIN las niemals HEAVISIDE. Heaviside seinerseits war zwar sehr an Einstein interessiert, ihm fehlte jedoch die erforderliche Information, um Einsteins Ideen begreifen zu können.

Heute könnte die Kluft überbrückt werden, wenn nur die Professoren der modernen Physik die logischen Impulse hoher Geschwindigkeit auf Meßoszilloskopen anschauen würden (ref. 5). Sie würden dann zugeben müssen, daß der "Energie-Strom" nach HEAVISIDE tatsächlich existiert und keineswegs absurd ist.

"Der Impuls bewegt sich als Ganzes nach rechts mit einer Geschwindigkeit v derart, daß a zu A und b zu B läuft in der Zeit, die durch vt = aA oder bB gegeben ist.

"Die übertragene Störung stellt auf diese Weise eine reine Welle dar. Sie überträgt alle ihre Eigenschaften unverändert.....

".....Denn der Impuls kann von jeder Länge und jeder Amplitude sein und es kann eine beliebige Anzahl von Impulsen Seite an Seite vorhanden sein, die alle in der gleichen Weise, unverändert und unabhängig von einander, längsbeweglich sind.

".....Da jeder Impuls unabhängig ist von allen anderen, braucht keine Verknüpfung zwischen den Richtungen ( = Polarität, Vorzeichen ) der elektrischen Feldstärken E in einem Impuls und dem nächsten vorzuliegen. Die Richtung kann beliebig längs der Welle variieren." (ref. 3).

Da EINSTEIN fortfuhr, seinen fehlerhaften Ansatz als die wesentliche Grundlage der Relativitäts-Theorie zu erklären, ist es verständlich, warum die "Moderne Physik" für die Arbeit eines Computer-Designers keine Hilfe sondern nur Verwirrung geben kann.

b) Energie-Strom

Während der übliche Ansatz der elektro-magnetischen Theorie sich auf den elektrischen Strom in Drähten mit zusätzlichen Betrachtungen zu den Spannungen zwischen den Drähten konzentriert, richtet HEAVISIDE sein Augenmerk vornehmlich auf das, was er "Energie-Strom" nennt. Dies ist das elektro-magnetische Feld, das sich in dem Dielektrikum zwischen den Drähten fortpflanzt. Es hat eine Amplitude gleich dem POYNTING-Vektor E x H . HEAVISIDEs Ausspruch: "Wir kehren dies um" deutet auf die große Meinungsverschiedenheit hin zwischen den Äther-Anhängern, die mit HEAVISIDE glauben, daß das Signal ein "Energie-Strom" ist, der sich in dem Dielektrikum zwischen den Drähten fortpflanzt, und den Praktikern der Elektrotechnik, welche gleich SPRAGUE (ref. 7) glauben, daß das Signal ein elektrischer Strom ist, der längs Kupfer-Drähten wandert. Gemäß dieser Auffassung ist - sofern in dem Zwischenraum zwischen den Drähten ein "Feld" vorhanden - dies lediglich eine Folge von dem, was in den Drähten passiert (ref. 1).

Oliver HEAVISIDE kündigte bereits vor einem Jahrhundert Theorie H an (ref. 2):

"In MAXWELL's Theorie ist die potentielle Energie der Verschiebung in den dielektrischen Bereichen durch die elektrische Kraft verursacht. Ferner ist eine kinetische oder magnetische Induktions-Energie von der magnetischen Kraft in allen Bereichen des Feldes einschließlich der leitenden Teile abhängig. Es wird vorausgesetzt, daß sie durch den Strom im Draht verursacht ist. Wir kehren dies um; der Strom im Draht ist durch die Energie hervorgerufen, die durch das Medium rund um den Draht übertragen wird...."

Die Bedeutung von HEAVISIDE's Ausspruch: "Wir kehren dies um;" kann nicht hoch genug eingeschätzt werden (siehe Fig. 1, Fig. 2). Dieser Ausspruch weist auf die große Meinungsverschiedenheit zwischen den praktischen Elektrotechnikern und den Ätheranhängern hin (ref. 7, 8). Die Elektrotechniker waren während des letzten halben Jahrhunderts maßgebend mit ihrer Theorie, die wir die Theorie N, die normale Theorie, nennen wollen. Sie besagt, daß der elektrische Strom in Drähten die Ursache und die elektromagnetischen Felder lediglich eine Folge davon sind. Die Ätheranhänger dagegen glauben - was wir die Theorie H nennen wollen - , daß das sich fortpflanzende Feld die Ursache ist und die elektrischen Ströme lediglich eine Folge dieses Feldes sind.

Fig. 1: Theorie N (Normal-Theorie): Ursache ist der elektrische Strom
Fig. 2: Theorie H (HEAVISIDE-Th.): Ursache ist der "Energie-Strom"
Fig. 3: Eingefangener "Energie-Strom"

Gemäß Theorie H ist die Energie-Dichte an jedem Punkt gleich dem Produkt aus dem elektrischen Feld D und dem magnetischen Feld B , welche stets rechtwinklig zueinander und zu der Richtung des Energie-Flusses stehen. Der Betrag des Energie-Flusses pro Flächen-Einheit ist E x H , was als POYNTING-Vektor bezeichnet wird.

Die Auffassung des "Energie-Stromes", Theorie H , ist der weit nützlichere Ansatz für den Designer der digitalen Elektronik. Die Autobatterie liefert Energie, die zwischen den Leitern für 0 Volt und +12 Volt zum Auto-Scheinwerfer geführt wird. Die elektro-magnetische Energie pflanzt sich durch das Dielektrikum mit Lichtgeschwindigkeit fort. Wenn die Energie die Lampe erreicht, durchdringt sie den Glühfaden, wird absorbiert und umgewandelt.

Wenn die Lampe des Auto-Scheinwerfers entfernt wird, wird der "Energie-Strom" an dem sich ergebenden offenen Ende reflektiert und kehrt zurück zur Batterie, sich stets mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzend. Es ergibt sich ein ständiger Energie-Austausch. Der "Energie-Strom" fließt kontinuierlich von der Batterie mit Lichtgeschwindigkeit fort, wird am offenen Ende reflektiert und kehrt zurück zur Batterie. Von den Batterie-Platten (am linken Ende) wird er erneut zurück reflektiert und läuft dann ein zweites Mal zwischen den Drähten.

Es ergibt sich ein scheinbar stationärer, ruhender Zustand. Jedoch ist kein Anlaß vorhanden für den "Energie-Strom", der in das Dielektrikum zwischen den Drähten mit Lichtgeschwindigkeit übertragen wurde, jemals langsamer zu werden. Denn er oszilliert ständig von Ende zu Ende.

Wenn jetzt die zwei Drähte plötzlich in der Mitte durchgeschnitten werden, dann wird der "Energie-Strom" (üblicherweise als elektrische Ladung aufgefaßt) zwischen den Drähten auf der rechten Seite eingefangen. Die Energie ist scheinbar stationär, aber in Wirklichkeit ist sie ständig mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Wenn die Drähte sehr großflächig und dicht benachbart sind, so liegt ein üblicher, geladener Kondensator vor. In jedem Augenblick ist die eine Hälfte der Energie, die im geladenen Kondensator eingefangen ist, nach rechts bewegt, während die andere Hälfte nach links bewegt ist.

Sowohl nach der Theorie N als auch nach der Theorie H (ref. 8) ist der Gesamtstrom in jeder Platte (oder jedem Draht) gleich NULL. Daher treten keine OHM-schen Verluste sondern nur dielektrische Verluste auf, die sich zu NULL ergeben bei einem Vakuum als Dielektrikum. Versuche, die magnetische Feldkomponente des "Energie-Stromes" festzustellen, müssen fehlschlagen aufgrund der Tatsache, daß der nach links fließende "Energie-Strom" eine magnetische Feldkomponente hat, die zu derjenigen des nach rechts fließenden "Energie-Stromes" entgegen gerichtet ist (Fig. 3; ref. 9, 10).

c) Die Natur von Raum und Äther

Ein logischer Impuls ist eine TEM-Welle (transversale elektro-magnetische Welle), bei der sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld rechtwinklig zu der Fortpflanzungsrichtung stehen. Das elektrische und das magnetische Feld stehen außerdem rechtwinklig zu einander. Wenn die Drähte in Fig. 2 einen kreisförmigen Querschnitt besitzen, ergibt sich ein Feldlinienbild gemäß Fig. 4.

Wenn das elektrische Medium die Dielektrizitäts-Konstante e und die Perme­abilitäts-Konstante m besitzt, dann ergibt sich das Verhältnis von E zu H als , was sich zu 377 Ohm errechnet im Falle eines Vakuums als Dielektrikum. Außerdem ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit dieses "Energie-Stromes" in das Papier hinein gleich , was sich zu 300 000 km/s ergibt im Falle eines Vakuums als Dielektrikum.

Fig. 4: Feldlinienbild

(Es ist bemerkenswert, daß EINSTEIN selbst und die ganze Gemeinschaft, die EINSTEIN folgte und sich "Moderne Physik" nannte, niemals die Impedanz des freien Raumes erwähnt, obwohl diese einer der elementaren Schlüssel für die digitale Elektronik ist).

Wenn "Energie-Strom" durch eine der Flächen im (Vakuum-)Dielektrikum der Fig. 4 fließt, findet er bei seiner Fortpflanzung einen Widerstand vor. Dies ist notwendig, da beim Fließen der Energie durch diese Fläche Arbeit verrichtet werden muß. Die Energie E x H arbeitet gegen die Impedanz dieser Fläche, d.h. 377 Ohm, wenn sie durch diese Fläche hindurchtritt. Der Widerstand (Impedanz) einer Fläche des Vakuums ist naturgegeben. Daher hat der leere Raum die physikalische Charakteristik einer Impedanz (eines Widerstandes). Dies ist eine Tatsache, die die "Moderne Physik" ignoriert hat, da sie glaubt, daß der leere Raum keine Eigenschaften besitzt. (Es ist bemerkenswert, daß die "Moderne Physik" zwar die Impedanz des freien Raumes ignoriert, aber die Geschwindigkeit in gleichartiger Weise berücksichtigt).

In der Weltsicht des Ingenieurs der digitalen Elektronik ist es angemessen, den freien Raum und den Äther als Synonyme zu bezeichnen. Dies schließt die Annahme ein, daß der Äther tatsächlich existiert. Er ist dasjenige Medium, das dem Durchgang der Energie Widerstand entgegensetzt und so, paradoxerweise, den Durchgang von elektro-magnetischer Energie E x H erst ermöglicht. (Es ist z.B. unmöglich, einem Ziegelstein mit der Masse NULL eine kinetische Energie zu erteilen. In ähnlicher Weise ist es unmöglich, einer Feder, deren Feder-Konstante entweder NULL oder UNENDLICH ist, eine potentielle Energie zu geben. Energie kann in eine Region nur eintreten, wenn ihr Eintritt entsprechend mit Widerstand behaftet ist - daher ergibt sich für den freien Raum die Notwendigkeit, eine Impedanz (Widerstand) zu haben, wenn Energie in ihn eintreten soll).

Auf verschiedenen Wegen sind wir zu der Auffassung gekommen, daß die Dielektrizitäts-Konstante e und die Permeabilitäts-Konstante m elementare Werte einer Raum-Region sind. Dennoch finden wir, wenn es zu einer aktuellen Messung kommt, beispielsweise zur Messung der Impedanz (des Raumes) oder der Geschwindigkeit (des Raumes), daß wir stets e und m in Kombination miteinander verwenden, um die Geschwindigkeit © oder die Impedanz Z zu formulieren.

Es erscheint klar, daß die letzten beiden Größen grundlegender und auch elementarer meßbar und e und m lediglich Hilfsparameter sind, die einer ursächlichen physikalischen Realität entbehren. Zusammenfassend: Obwohl es üblich ist, mit e und m zu beginnen und dann die Impedanz und die Geschwindigkeit abzuleiten, ist es korrekter, mit Z und © , den direkt meßbaren Parametern einer Raum-Region, zu beginnen.

Hieraus können wir anschließend e und m unter Verwendung der Formeln e = 1/(Z©) und m = Z/© ableiten. e und m bleiben so nützliche Hilfsmittel für die Berechnung, obwohl sie von einer physikalischen Realität weit entfernt sind.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist der, daß die Länge einer Raum-Region und die Fortpflanzungs-Geschwindigkeit durch diese Region nicht unabhängig voneinander meßbar sind. Was wir messen können, ist lediglich die Zeitverzögerung durch diese Region. Wir sollten uns daher der Idee nähern, daß ein Abschnitt des Raumes als eine zeitliche Länge, von z. B. 1 Nanosekunde, statt als eine räumliche Länge, von z. B. 1 Fuß, betrachtet werden kann (ref. 11).

d) Referenzen:

1. Catt, I. et al., Digital Hardware Design, Macmillan, p. 65, 1979

2. Heaviside, O., Electrical Papers, Vol. 1', Macmillan, p. 438, 1892

3. Heaviside, O., Electromagnetic Theorie, Vol. 3', chapter 9, art. 451 seqq., 1912

4. ed. Schilpp, P. A., Albert Einstein, Philosopher-Scientist, Library of Living Philosophers, p. 53, 1949

5. Catt, I., Crosstalk (Noise) in Digital Systems, IEEE Trans. Electron. Computers, Vol. EC-16, No. 6, p. 757, Fig. 39, first trace, Dec. 1967

6. ref. (1), p. 57

7. Sprague, J. T., Electricity: Its Theory, Sources and Applications, p. 239, 1892

8. Catt, I., The Death of Electric Current, Wireless World, p. 79, Dec. 1980

9. Catt, I., The L - C Oscillator Circuit, Proc. IEEE, Vol. 71, No. 6, p. 773, June 1983

10. Catt, I., Waves in Space, Wireless World, p. 43, March 1983

11. Catt, I., Electromagnetic Theory, Vol. 2', C.A.M. Publishing, p. 241, 1980

12. Catt, I. et al., A High Speed Integrated Circuit Scratchpad Memory, Fall Joint Computer Conference, Nov. 1966

13. ref. (5), p. 40

14. ref. (1), p. 40

15. ref. (1), p. 29

16. Catt, I., Digital Electronic Design, Vol. 2', C.A.M. Publishing, p. 216, 1979

17. Heaviside, O., Electromagnetic Theory, Vol. 1', p. 8, 1893

18. ref. (17), p. 68

19. Catt, I. et al., The History of Displacement Current, Wireless World, p. 68, March 1979

20. Catt, I., The Heaviside Signal, Wireless World, p. 72, July 1979

21. van der Pol, B., Oliver Heaviside, Electronics & Power p. 222, March 1978, reprinted from 1938

22. Dawe, P.G.M., Wireless World, p. 39, August 1981, and Catt, I., Wireless World, p. 59, August 1982

23. Catt, I. et al., Displacement Current, Wireless World, p. 51, December 1978

Fortsetzung vorliegender Veröffentlichung in "Electronics & Wireless World", September 1984, S. 47, 48, und Oktober 1984, S. 50, 51.

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