Alle elektrischen Einrichtungen, Apparate oder Leitungen sind von elektrischen und magnetischen Feldern umgeben und/oder senden elektromagnetische Wellen aus. Unter elektromagnetischer Umwelt versteht man die Gesamtheit aller elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Felder (z. B. aus Haushaltsgeräten, Hochspannungsleitungen, Rundfunk- und TV-Sendern), die auf den einzelnen Menschen einwirken.
Was ist ein elektrisches Feld?
Ein elektrisches Feld entsteht um eine elektrische Ladung, also auch um jeden spannungsführenden Leiter und kann in seiner Richtung und Stärke durch Feldlinien dargestellt werden. Deren Dichte ist ein Maß für die elektrische Feldstärke (E), welche die Einheit Volt/Meter (V/m) besitzt und in wachsendem Abstand vom Leiter abnimmt.
Was ist ein magnetisches Feld?
Magnetfelder werden durch bewegte elektrische Ladungen (elektrische Ströme) erzeugt. Überall, wo Strom fließt, ist neben dem elektrischen Feld auch ein magnetisches Feld vorhanden. Permanentmagnete sind jedem aus dem täglichen Leben bekannt. In diesen werden die Magnetfelder durch atomare Ströme erzeugt. Das magnetische Feld nimmt mit dem Abstand zum erzeugenden Strom ab.
Die übliche Einheit für die magnetische Feldstärke ist A/m (Ampere pro Meter). Häufig wird das Magnetfeld durch Messung der Induktion von Strömen in relativ zum Magnetfeld bewegter Materie erfaßt. Die Angabe der magnetischen Induktion oder Flußdichte in Tesla (T) ist somit eine zweite Möglichkeit, das Magnetfeld zu charakterisieren.
Da 1 T ein sehr starkes magnetisches Feld darstellt, sind die gebräuchlichsten Einheiten:
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1 mT (Milli-Tesla): |
1 Tausendstel Tesla oder |
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1 µT (Mikro-Tesla): |
1 Millionstel Tesla. |
Es gilt für Luft der Zusammenhang: 1 A/m entspricht etwa 1,25 µT.
Wenn diese Felder zeitlich unveränderlich sind, spricht man von statischen Feldern, andernfalls von Wechselfeldern. Die Feldstärken dieser Wechselfelder haben keinen konstanten Wert mehr, sondern ändern sich im Takt der sie verursachenden Spannungen und Ströme. Deshalb hat man für sie eine weitere Kenngröße eingeführt, nämlich die der Anzahl ihrer Schwingungen pro Sekunde, der Frequenz (f). Diese wird in der Einheit Hertz (Hz, Schwingungen pro Sekunde) angegeben, eine andere Möglichkeit ist die Angabe der Periodendauer 1/f.
Bei statischen und niederfrequenten Feldern können das elektrische und magnetische Feld getrennt voneinander angegeben werden. Mit zunehmender Frequenz bedingt jedoch jede Änderung elektrischer Felder ein magnetisches Feld und umgekehrt, sodaß diese bei Frequenzen über etwa 20 ...30 KHz zusammen betrachtet werden müssen, eben als elektromagnetisches Feld. Mathematisch wird diese physikalische Tatsache in den Maxwellschen Gleichungen beschrieben.
Zwischen elektrischen und magnetischen Feldern besteht ein enger, physikalischer Zusammenhang:
Ruhende (statische) elektrische Ladungen besitzen nur ein elektrisches Feld, bewegte elektrische Ladungen erzeugen darüber hinaus ein magnetisches Feld.
Dieses magnetische Feld verursacht, wenn es nicht statisch, also zeitlich nicht konstant ist, in einem elektrischen Leiter Ströme und somit bewegte elektrische Ladungen.
Zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder bedingen sich also gegenseitig. Wenn eine solche Situation vorliegt, spricht man von elektromagnetischen Feldern.
Die zeitliche Veränderung (Frequenz) von elektromagnetischen Feldern wird in Schwingungen pro sec. ausgedrückt. Die Einheit ist hier
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1 Hz (Hertz) |
= |
1 Schwingung pro sec. |
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1 kHz (Kilo-Hertz |
= |
103 Hz |
= |
1 Tausend Hertz |
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1 MHz (Mega-Hertz) |
= |
106 Hz |
= |
1 Million Hertz |
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1 GHz (Giga-Hertz |
= |
109 Hz |
= |
1 Milliarde Hertz |
Was sind elektromagnetische Wellen?
Die elektromagnetischen Felder im Niederfrequenzbereich (d. i. der Bereich bis ca. 30 kHz) sind objektgebunden bzw. leitungsgeführt, das heißt, die elektrischen und magnetischen Felder befinden sich in unmittelbarer Nähe des Gerätes oder einer Leitung und nehmen mit der Entfernung schnell ab.
Im Hochfrequenzbereich sind die elektromagnetischen Felder nicht mehr leitungsgeführt sondern werden in die Umgebung abgestrahlt. In einem solchen Fall spricht man von elektromagnetischen Wellen. Im Gegensatz zu anderen Wellen (z. B. Schallwellen in Luft) benötigen elektromagnetische Wellen kein Träger- oder Ausbreitungsmedium. Elektromagnetische Wellen können sich auch im leeren Raum (Vakuum) ausbreiten. Diese Ausbreitung erfolgt mit Lichtgeschwindigkeit. Die elektromagnetischen Wellen wurden 1864 von Maxwell theoretisch vorausgesagt, 1888 gelang es Heinrich Hertz, diese Wellen nachzuweisen.
Weitere wichtige elektrische Größen
Die Grundgrößen der Elektrizitätslehre sind die elektrische Ladung und die Spannung. Die Spannung wird stets zwischen zwei Punkten gemessen und ist deshalb die Differenz des elektrischen Potentials zwischen diesen beiden Punkten (z. B. zwischen der Oberfläche des Pluspoles und der Oberfläche des Minuspoles einer Batterie). Die Spannung gibt an, welche Energie umgesetzt wird, wenn eine Ladung diese Potentialdifferenz durchläuft.
Im Alltag treten verschieden hohe Spannungen auf. Kleinspannungen sind zu finden bei batteriegetriebenen Geräten (z. B. 1,5 - 9 V). Niederspannung nennt man Spannungen unterhalb von 1000 V. Die Haushaltsinstallationen arbeiten mit 220 V Wechselspannung (Phase gegen Nulleiter gemessen).
Im Haushalt kann sich der menschliche Körper elektrostatisch aufladen (z. B. durch Gehen mit Kunststoffsohlen auf synthetischen Teppichen). Dabei kann der Mensch Potentialdifferenzen gegen Erde von mehr als 20 000 V (20 kV) annehmen. Eine Entladung des statisch aufgeladenen Menschen ist jedoch ungefährlich, da die gesamte übertragene Ladung gering ist. Ein Mensch hat eine Eigenkapazität (Speicherfähigkeit) von 150 Pikofarad (1 pF = 0,000 000 000 001 As/V). Wenn der Mensch auf 20 000 V aufgeladen ist, enthält er eine elektrische Ladung von 0,000 003 As. In einer 25 W-Glühbirne (220 V) fließt zum Vergleich während einer Sekunde eine elektrische Ladung von 0,114 As.
Eine elektrostatische Entladung kann der Mensch nur deshalb spüren, weil der Entladungskanal (kleiner Blitz) einen sehr kleinen Durchmesser hat. An der Eintrittsstelle ist die Stromdichte so groß, daß die Nervenzellen durch den Strom angeregt werden können. Die Stromdichte ist die Ladungsmenge, die pro Sekunde durch eine bestimmte Fläche fließt.
Innerhalb des menschlichen Körpers fließen von Zelle zu Zelle infolge natürlicher Vorgänge (Stoffaustausch, Informationsaustausch) sehr kleine Ströme. In jüngster Zeit konnten Wissenschaftler feststellen, daß im Ruhezustand Stromstärken von 1 Pikoampere (1 pA = 0,000 000 000 001 A) von Zelle zu Zelle übertragen werden. Typische Zellen sind etwa 10 Mikrometer stark. Wenn über den Zellquerschnitt (der Einfachheit halber quadratisch angenommen) 1 pA fließt, tritt an der Zelloberfläche eine Stromdichte von 0,1 Mikroampere pro Quadratzentimeter auf (0,1 µA/cm2). In aktiven Nervenzellen fließen Stromdichten von mehr als 1 µA/cm2.
