Strahlen und Felder

von Bert van Dijk
Dieser Beitrag ist streng unwissenschaftlich, ich habe versucht einen abstrakten Materie einigermaßen bildlich zu beschreiben damit man die Phänomene Magnet-, elektrische Felder und elektromagnetische Strahlung und ihre Zusammenhänge etwas verstehen kann. Um die Beschreibungen einfach zu halten, habe ich bewusst fast vollständig auf Formeln verzichtet.
Aus der Diskussion über Schädlichkeit und Grenzwerte halte ich mich heraus, das ist eine unendliche Geschichte, da lese ich lieber Ende.
Elektromagnetische Strahlung entsteht durch das Zusammenspiel von elektrischen und magnetischen Feldern. Dieser Beitrag ist ein Versuch einige Zusammenhänge zwischen Strahlung und Feldern zu beschreiben.
Magnetismus ist das Phänomen das Kräfte auf Magnete oder magnetisierbare Materialien ausübt. Ein Magnet ist ein Gegenstand der von sich aus ein Magnetfeld erzeugt (Einige Materialien besitzen diese Eigenschaft, Stichwort seltene Erde).
Magnetismus und Magnetfeld
Magnetismus entsteht auch überall da wo ein elektrischer Strom fließt, zum Beispiel rundum einen stromführenden Draht oder Kabel. -Da auch in den Nerven elektrische Strömen (sehr schwache) produziert werden, entstehen im Hirn detektierbare magnetfelder- Wenn der Draht zu einer Spule aufgewickelt wird, entsteht ein Magnetfeld mit exakt den gleichen Eigenschaften wie bei einem Natürlichen Magnet. Weil dieser Magnet von einem elektrischen Strom erzeugt wird, wird er als Elektromagnet bezeichnet, produziert aber keine elektromagnetische Strahlung. Wenn man die Spule von einem Elektromagnet an einer Wechselstromquelle (die Steckdose) anschließt, wechselt das Magnetfeld die Polarität mit der Frequenz des Stroms. Umgekehrt erzeugt ein Wechselndes Magnetfeld in einer Spule einen elektrischen Strom (Induktion). Wenn in zwei nah zusammen liegenden Leitern ein Strom in entgegengesetzter Richtung fließt, wie in einem Kabel, heben sich die Magnetfelder auf. Haupteinsatzgebiete für Elektromagnete sind Elektromotoren und Transformatoren.
Das Magnetfeld kann mit feinen Eisenspänen visualisiert werden, ein bekanntes Experiment im Physikunterricht. Man streut Eisenspäne auf ein Stück Pappe. Wenn man dann unter der Pappe einen Magneten bringt werden die Späne sich so einsortieren, dass sich Linien (Feldlinien) bilden zwischen den Polen. Da wo das Feld am stärksten ist -an den Polen- häuft sich mehr Material als an weiter entfernten Stellen.
Mit diesem Experiment kann man auch demonstrieren, dass das Muster der Feldlinien sich ändert wenn ins Magnetfeld ein Fremdkörper mit anderen magnetischen Eigenschaften (Permeabilität) gebracht wird. Weicheisen wird an dieser Stelle das Feld verstärken, die Eisenspäne verdichten sich an dieser Stelle.
So wird auch das Erdmagnetfeld in der Nähe von und in einem Omnibus verzerrt, egal ob sich darin 25 Teenager Handygespräche führen oder auch nicht. Dass (vor allem) Eisen Einfluss hat auf das Erdmagnetfeld wird deutlich wenn man einen Kompass in einem Kfz montiert. Ein sonst richtig anzeigendes Gerät zeigt auch im Auto etwas an nur nicht Richtung Nord. Um eine richtige Anzeige zu bekommen müssen Kompensationsmagneten im Kompass eingestellt werden. Wenn man jetzt mit diesem Wagen über eine Metallbrücke fährt, dreht sich der Nadel nervös in allen Richtungen. Die Verzerrung des Erdmagnetfeldes durch Hochspannungsleitungen (oder auch durch andere stromführenden Drehstromleitungen) ist nur gering weil bei (Hoch)spannungsfreileitungen immer 3 Phasen Strom führen (Drehstrom). Die dazugehörende Magnetfelder heben sich auf.
Abschirmung gegen Magnetische Felder kann man erreichen durch Verwendung von Mu-Metall. Mu-Metall ist eine Legierung von Eisen und einem hohen Nickelgehalt, ist teuer und die Montage aufwändig.
Elektrisches Feld
Das zweite Phänomen das bei Elektromagnetische Strahlung eine Rolle spielt ist das elektrische Feld. Ein elektrisches Feld entsteht immer zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichem Potential ( Spannungs- oder auch Ladungsniveau). Praktisch bedeutet dies, dass zum Beispiel zwischen zwei Drähten in einem Kabel, das ans Stromnetz angeschlossen ist, ein elektrische Feld aufgebaut wird. So befindet man sich unter einer oberirdischen Stromleitung in einem elektrischen Feld (in diesem Fall ein elektrisches Wechselfeld) zwischen Leitung und Erdoberfläche. Ein in diesem Raum freischwebendes Objekt nimmt sofort das örtliche Potential an. Ein Objekt in diesem Raum das Leitend mit einem der beiden Pole verbunden ist (in diesem Fall Erde oder Spannungsleiter) übernimmt das Potential von dem angeschlossenen Pol und verzerrt das Feld. Die Anwesenheit eines starken elektrischen Feldes kann visualisiert werden mit einer gewöhnlichen Leuchtstoffröhre. Bringt man diese in ein starkes elektrisches Feld, wird sie aufleuchten. Auch ein Blitz ist eine Entladung eines elektrischen Felds, in diesem Fall des Feldes zwischen Erde und Wolken. Die Oberleitung der Eisenbahn steht unter Spannung. Zwischen Oberleitung und dem darunter stehenden Waggon entsteht ein Elektrisches Feld. Wenn der Abstand zwischen Waggon und Oberleitung verkleinert wird, kann die Feldstärke so stark zunehmen, dass eine Entladung entsteht ähnlich wie ein Blitz. Der Aufenthalt auf einem Eisenbahnwaggon kann dann tödlich sein. Bei diesen Entladungen entsteht elektromagnetische Strahlung mit einem großen Frequenzbereich, hörbar beim Radioempfang im Mittelwellenbereich. Beim Kämmen von trockenen Haaren bei niedriger Luftfeuchte bildet sich auch ein elektrisches Feld. In so einem Fall kann das Kämmen zu amüsanten Ergebnissen führen.
Abschirmung gegen Elektrische Felder kann man erreichen durch eine Umhüllung mit einem Metallgitter (Faradayscher Käfig), der Käfig übernimmt das örtliche Potential und innerhalb des Käfigs bildet sich kein neues Feld.
Wenn diese beiden Felder -das elektrische und das magnetische- von einer geeignete Quelle aufgebaut wird, entsteht ein elektromagnetisches Feld, das nach einigen Wellenlänge die für seine Frequenz typische Wirkung entfaltet. In der Nähe des Senders (Innerhalb einige Wellenlängen) können die elektrische und magnetische Eigenschaften noch getrennt wahrgenommen werden. Nach einigen Wellenlänge entfaltet sich der Charakter von der Elektromagnetischen Strahlung und hat gar keine Ähnlichkeit mehr mit elektrischen und magnetischen Feldern.
Frequenz, Wellenlänge und Fortpflanzungsgeschwindigkeit sind gegenseitig von einander abhängig. Das Mathematische Produkt von Frequenz (f) und Wellenlänge (Lambda) ergibt die Fortpflanzungsgeschwindigkeit (v). Heinrich Hertz wies Mitte 19. Jahrhundert schon nach, dass die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von allen elektromagnetischen Felder gleich der Lichtgeschwindigkeit (ca. 300 000 km/Sek gerundet) ist. Dies heißt für 50 Hertz Wellen (Netzfrequenz) eine Wellenlänge von 6000 km. Dies bedeutet, dass die Wirkung von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz von 50 Hz nach null tendiert.
Der Charakter der elektromagnetische Strahlung kann sehr unterschiedlich sein und damit auch die Wirkung. Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 10 km werden wohl technisch nicht oder kaum genützt. Ab 10 km werden sie für Radio- und Fernsehnenübertragungen genützt. Wellen im Zentimeter- und Millimeterbereich werden in Mikrowellen- und Radargeräten eingesetzt. Das sichtbare Licht liegt im Bereich von 400 Nanometer (Ultraviolett) bis 700 Nanometer (Infrarot). Noch kürzere Wellenlängen verursachen Röntgenstrahlung und Gammastrahlen.
Die Strahlung ist für Lebewesen bei hoher Intensität Tödlich. Anderseits ohne Licht und Wärme wäre kein Leben möglich. Deshalb ist die Sonne wohl für die Biologie eine unverzichtbare Strahlenquelle. (Auch eine niedrige Strahlungsintensität kann indirekt für bestimmte Kreaturen tödlich sein. Dies beschreibt ein Artikel in der RP von 21.12.13. In diesem Artikel wird unter dem Titel „Die längste Nacht und ihre Sterne“ beschrieben wie Milliarden Insekten in tödliche Fallen gehen, weil die Nächte auf Erden zu hell werden durch künstliche Beleuchtung.)
Die wissenschaftliche Beschreibung von elektromagnetischen Strahlung ist sehr Komplex.
Die Tatsache, dass die elektromagnetische Strahlung aus einem Zusammenspiel von Elektrischen und Magnetischen Felder entsteht, wobei die Wirkung der entstandenen Strahlung mit der der Felder nichts gemeinsam haben, ist schwer zu verstehen. Ich vergleiche es mit einer chemischen Reaktion, dabei entsteht ein Stoff mit ganz anderen Eigenschaften als der reagierende Stoffen. Beispiel: wenn Wasserstoff und Sauerstoff sich unter Abgabe von Energie verbinden, entsteht Wasser. Die Ausgangsstoffen haben absolut keine Ähnlichkeit mit dem entstehenden Stoff.
Die Komplexität der Materie und Zusammenhänge führt mit dazu, dass die künstliche Strahlung als unheimlich oder gar furchterregend und gefährlich empfunden wird. Dies wird noch verstärkt durch Strahlenfundamentalisten die diese Lage ausnutzen um durch das Verbreiten von unbewiesenen Horrorgeschichten Mitmenschen zu verunsichern.
Magnetische und elektrische Felder entstehen zwischen zwei Punkten (Polen), elektromagnetische Strahlen werden an einem Punkt (Sender) erzeugt und verbreiten sich in allen Richtungen.
Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung ist abhängig von der Strahlungsfrequenz. Bei Licht ist es einfach: Schatten aufsuchen. Im Auto ist Radioempfang auch schlecht wenn die Antenne nicht außerhalb oder in der Scheibe montiert ist, die Autokarosse schützt gegen elektromagnetische Strahlung (Faradayscher Käfig). Umgekehrt gilt das auch. Für eine Handyverbindung im Auto wird die Sendeleistung automatisch erhöht.
Unter Elektrosmog versteht man umgangssprachlich die summe von magnetischen, elektrischen und elektromagnetischen Feldern.
Im Beitrag von Armin Dahl führt ein Link auf eine Seite von „Diagnose-Funk“. Gezeigt wird ein Weihnachtsbaum mit eingeschalteter Beleuchtung und ein Messgerät für elektrische Felder. Das Messgerät zeigt 38 V/m (V/m -Volt pro Meter- ist die Messeinheit für elektrische Felder). Im Text wird geschrieben, dass ein maximal Wert von 200 V/m festgestellt wurde.
Die übliche Weihnachtbeleuchtung wird über einem Stromleiter gespeist (die Lämpchen sind in Reihe geschaltet) der fast Kreisförmig durch den Baum geführt wird. An einem Ende des Stromleiters ist die Beleuchtung an 0 Volt und auf der andere Seite mit 230 Volt Wechselspannung verbunden. Wenn der Kreis im Baum etwa 1 Meter Durchmesser hat, ist ein Max. Wert von 200 V/m plausibel. Wenn der Baum geerdet wird, wird das Feld begrenzt zwischen Stromleiter und Baum äste. Nach Außen tritt also fast keine Strahlung aus und der Messwert wird dann auch deutlich niedriger. Die angegebene (un)auffälligkeits Werten sind allerdings zu hinterfragen. Je nach Interessenlage des Verfassers können sie (zu) hoch oder tief ausfallen. Der Beitrag macht sonst einen wohltuend sachlichen und neutralen Eindruck. Allerdings halte ich das Schadenrisiko von Kerzen im Weihnachtsbaum für weitaus höher als bei elektrischen Beleuchtung auch wenn der Baum nicht geerdet ist. Mittlerweile gibt es die Weihnachtbeleuchtung auch mit LED-Lämpchen. Jedes einzelne Lämpchen ist parallel an einem Zwillingskabel angeschlossen. Hierbei entsteht kein Elektrisches Feld.