Woraus besteht Elektrosmog
- Grundlagen und Begriffe
Elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder — was denn nun?
Elektrostatische Felder
Niederfrequente Felder
Hochfrequente Felder
Harte oder weiche Modulation?
Grundlagen und Begriffe
Zum besseren Verständnis der Effekte und Wirkungen unterscheidet man grundsätzlich zwischen niederfrequenten und hochfrequenten elektrischen und magnetischen Feldern. Als Frequenz bezeichnet man die Anzahl Schwingungen (Wechsel der Stromrichtung) in der Sekunde. Sie wird angegeben in Hertz (Hz) — benannt nach dem Physiker Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894).
- Unser Haushaltsstrom hat eine Frequenz von 50 Herz (Wechselstrom).
- Ein Mobiltelefon sendet bei ca. 1000 Millionen Herz (1 GHz).
- Eine Batterie liefert Strom konstanter Richtung, also 0 Hz (Gleichstrom).
Die Grenze zwischen Niederfrequenz und Hochfrequenz ist nicht genau definiert. Es bietet sich aber an, zwischen leitungsgebundenen und sendefähigen Frequenzen zu unterscheiden. Letzere beginnen bei ca. 50.000 Hertz (50KHz). Ab dieser Frequenz ist das elektrische Feld in der Lage sich wellenförmig, auch über sehr grosse Distanzen, auszubreiten. Eine Anwendung ist beispielsweise der früher recht bekannte Langwellenrundfunk (ab ca. 100KHz)
An dieser Stelle sei der Begriff Wellenlänge kurz erklärt. Dem liegt die Vorstellung zu Grunde, dass der sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitende (Wechsel-) Strom in der Zeit in der er einmal die Polarisation wechselt einen bestimmten Weg zurücklegt.
Die Lichtgeschwindigkeit (= Stromgeschwindigkeit) beträgt ca. 300.000 km/s (Kilometer pro Sekunde).
Die Wellenlänge λ (= Lambda) berechnet man, in dem man die Lichtgeschwindigkeit durch die Frequenz teilt.
Wellenlänge (in Meter) = | Lichtgeschwindigkeit (in Km pro Sekunde) |
Frequenz in KiloHertz |
Beispiel | Frequenz | Wellenlänge (λ ) |
Langwellenrundfunk | ca. 100 KHz | 3.000m = 3km |
Fernsehsender | ca. 100.000 KHz | 3m |
Mobilfunk | ca. 1.000.000 KHz | 0,3m = 30cm |
Elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder — was denn nun?
Vereinfacht gesagt, entstehen elektrische Felder durch Ladungs- (Spannungs-)unterschiede. Sie werden gemessen in Volt pro Meter (V/m). Magnetische Felder entstehen durch den Stromfluss in einem Leiter oder durch permanent Magneten und werden gemessen in Ampere pro Meter (A/m).
Elektrische Felder üben Kräfte auf elektrische Ladungen aus. In Materie entsteht ein Fluss elektronischer Ladungsträger (Elektronen, Ionen) und damit ein Strom. Man spricht von Influenz. Magnetische Felder üben Kräfte auf magnetische Teilchen aus und bewegen diese — es entsteht wiederum ein Strom. Man spricht von Induktion.
Bei sehr niedriger Frequenz oder Gleichstrom (Gleichspannung) verhalten sich elektrische und magnetische Felder sehr unterschiedlich:
Das elektrische Feld nimmt im freien Raum nahezu linear mit der Entfernung ab. Es wird durch Materie sehr stark gedämpft und lässt sich leicht abschirmen. Das magnetische Feld nimmt mindestens mit dem Quadrat zur Entfernung ab, lässt sich andererseits aber nur schwer abschirmen.
Bei hohen Frequenzen (Wechselstrom, Sendeanlagen) muss man unterscheiden zwischen dem Nahbereich (Abstand deutlich geringer als Wellenlänge) und dem Fernbereich (Abstand deutlich grösser als Wellenlänge).
Dazu zwei Beispiele: Unser Haushaltsstrom (50Hz) hat eine Wellenlänge von 6000 km! Es gelten also immer die Verhältnisse des Nahbereichs. Ein Mobiltelefon (1GHz) sendet mit einer Wellenlänge von ca. 30 cm! Es gelten also meist die Verhältnisse des Fernbereichs.
Im Fernbereich treten die elektrischen und magnetischen Felder nur noch gemeinsam auf. Sie verhalten sich auch gemeinsam. Hier spricht man tatsächlich vom 'elektromagnetischen Feld'! Es wird gemessen in Watt pro Quadratmeter (W/m2, Leistungsflussdichte). Es lässt sich gut abschirmen. Allerdings gelten für unterschiedliche Frequenzbereiche auch hier unterschiedliche Regeln.
Bei dem zuletzt gesagten wird auch klar, dass wir es bei einem Mobiltelefon am Kopf mit einer Überlappung der Effekte zu tun haben! (siehe auch 'Spezifische Absorptionsrate' SAR)
Der Vollständigkeit halber, sei hier noch auf die Begriffe der ionisierenden und nichtionisierenden Strahlung hingewiesen: Strahlung wirkt ionisierend, wenn Sie in der Lage ist, die atomare Zusammensetzung der Materie zu verändern. Dieser Effekt beginnt bei ultraviolettem Licht und reicht über die Röntgenstrahlen bis zur radioaktiven Strahlung. Der Bereich der ionisierenden Strahlung beginnt bei ca. 300 GHz (Wellenlänge < 10nm) und unterliegt gänzlich anderen physikalischen Gesetzen als die hier behandelten elektromagnetischen Felder.
Der Begriff 'Strahlung' sollte der Klarheit und der Abgrenzung wegen, den radioaktiv/atomar bedingten Effekten vorbehalten bleiben.
Für die Betrachtungen rund um das Thema Elektrosmog beschränken wir uns auf die sogenannten nichtionisierenden Felder und Ihre Eigenschaften im Bereich von 0 Hz bis 10 GHz.
(Keine Regel ohne Ausnahme : Elektrostatische Felder können eine Ionisation der Luft bewirken)
Elektrostatische Felder
Jeder kennt das eigenartige Knistern und das Aufstellen der Haare, wenn man einen Pullover aus Wolle oder Kunstfaser über den Kopf zieht. Dass dieser Effekt besonders im Winter und beim Ausziehen des Kleidungsstücks wahrgenommen wird, hat seine Gründe:
Zunächst muss man wissen, dass 'Statische Elektrizität' — man spricht auch von elektrischer Aufladung — genau dort anzutreffen ist, wo man sie eigentlich nicht erwartet: auf/in elektrisch nicht-leitenden bzw. von der Umgebung isolierten Materialien!
Eine wesentliche Voraussetzung für den Aufbau statischer elektrischer Ladungen ist nämlich, dass diese nicht abfliessen kann.
In unseren modernen Wohnungen haben wir gerade im Winter oft sehr trockene Heizungsluft. Da trockene Luft ein schlechterer elektrischer Leiter als feuchte Luft ist, begünstigt sie die Aufladung.
Die eigentliche Entstehung, also die Quelle der elektrostatischen Aufladung ist etwas schwieriger zu beschreiben. Als Basis braucht man das grundsätzliche Verständnis des Prinzips eines elektrischen Kondensators.
Zwei sich gegenüberliegende elektrisch leitende Platten, die sich nicht berühren, stellen einen solchen Kondensator dar. Schließt man den Pluspol einer Batterie an die eine und den Minuspol an die andere Platte an, so behält die Konstruktion auch nach dem Entfernen der Batterie die vorher angelegte Spannung. Ein Kondensator speichert (sammelt) also elektrische Ladung. Die Ladungsmenge ist proportional abhängig von der Fläche der Platten, von der Güte des Dielektrikums (dem Material zwischen den Platten) und der angelegten Spannung. Der Plattenabstand wirkt umgekehrt proportional, d.h., mit zunehmendem Abstand sinkt die aufnehmbare Ladungsmenge (die Kapazität) des Kondensators.
Nimmt man nun einen aufgeladenen (idealen) Kondensator und vergrößert den Plattenabstand, so erhöht sich die Spannung an den Platten, da die Ladung, die Fläche und das Dielektrikum gleich bleiben.
Kondensator-Effekte entstehen auf Grund der winzig kleinen Elektronen-Spannung immer dann, wenn man verschiedene Materialien eng aneinanderbringt. Nimmt man die Materialien wieder auseinander, so entsteht, unter den oben genannten Bedingungen, eine höhere Spannung.
Bei dem schon erwähnten Physikversuch (Wolllappen und Hartgummistab) entsteht durch das Reiben ein sich wiederholender Zusammen-Ausseinander-Effekt. Die elektrische Spannung kann sich aufschaukeln.
Zurück zu unserem Pullover im Winter:
Beim Ausziehen reibt er an anderen Stoffen, unserer Haut und unseren
Haaren während wir ihn entfernen — es entsteht elektrische Ladung.
Die dabei entstehende elektrische Spannung ist so hoch, dass es zu vielen
kleinen Entladungen (Spannungsüberschlägen) kommt — es knistert.
Im Dunkeln kann man sogar kleinste Blitze erkennen. Statische elektrische
Ladungen können Spannungen von mehreren Millionen Volt erreichen.
Das beste Beispiel sind die bei Gewittern auftretenden Blitze. Die Ladung
entsteht durch Reibung der Luftschichten. Die Spannung wird dabei so hoch,
dass es eine Entladung über die Luft gegen die Erde gibt — sie wird
sichtbar als Blitz.
Nun ist Luft eigentlich ein guter Isolator — durch die sehr hohe Spannung kommt es aber zu einer sogenannten Ionisation der Luft — die Luft wird (kurzzeitig) leitfähig.
Bei der Ionisation werden Elektronen aus ihrem festen Molekular-Verbund gerissen und bilden so freie Ladungsträger — die Voraussetzung für einen Ladungsfluss.
Die in der Natur auftretenden Blitzentladungen haben neben der sehr hohen Stromspannung auch eine besonders hohe Stromstärke (gemessen in Ampere =A) . Bis zu mehreren tausend Ampere sind möglich. Die zerstörerische Wirkung dieser Kombination ist bekannt.
Bei dem Pulloverbeispiel können wir das leise Knistern durchaus mit dem Donner bei Gewittern vergleichen. Die auftretende Spannung erreicht "nur" einige Tausend Volt. Entscheidend ist aber, dass der auftretende Strom millionenfach kleiner ist als bei einem Gewitterblitz.
Trotzdem können diese "Knister-Entladungen" Schaden anrichten. Sie können empfindliche elektronische Geräte stören oder sogar zerstören und brennbare Gase entzünden. So ist beispielsweise der Benzinschlauch an der Tankstelle stets mit einem Erdungsleiter versehen und der "Rüssel" immer aus Metall. Die Reibung des Schlauches auf dem Boden, das fliessende Benzin, die Reibung des Rüssels am Stutzen — überall entsteht elektrostatische Ladung.
(siehe auch: Gesundheitliche Auswirkungen elektrostatischer Felder)
Niederfrequente Felder
"... bei uns kommt der Strom aus der Steckdose ..." Diese Aussage können wir an dieser Stelle ruhig akzeptieren. Die für das Thema Elektrosmog relevanten Fragen lauten:
wie kommt er dahin und wohin geht er von dort aus?
Der Strom wird meist über Hochspannungsleitungen (bis 380.000V) vom Elektrizitätswerk in die Regionen transportiert und, nach mehrmaligem Umspannen, mit der haushaltsüblichen Spannung von ca. 220V den Endverbrauchern zur Verfügung gestellt. Dabei entstehen um die jeweiligen Leitungen zwei Arten von Feldern:
1. Das magnetische Feld — abhängig vom elektrischen Strom
2. Das elektrische Feld — abhängig von der elektrischen Spannung
Da Strom und Spannung die Arbeitsleistung (oder Leistungsfähigkeit) bestimmen, haben wir es überall dort, wo durch den Strom Arbeit verrichtet wird (Motoren, Heizungen, Haushaltsgeräte, Licht etc.) mit beiden Feldarten zu tun. In der Umgebung von Hochspannungsleitungen sind sie besonders stark. Bei sehr hohen Spannungen überwiegt das elektrische Feld.
Im Haushalt haben wir es mit vergleichbar geringen Spannungen zu tun. Dafür sind wir oft rundum von einem Leitungsnetz umgeben. Die in Wänden und Decke verlegten Leitungen erzeugen in ihrer Nähe elektrische und magnetische Felder. Werden an einer Leitung viele Verbraucher betrieben (hoher Strom), so überwiegt das magnetische Feld.
Eine Besonderheit stellen Umspannwerke oder Trafostationen dar. Transformatoren wandeln permanent die gesamte elektrische in magnetische Energie und wieder zurück. In der Umgebung entsteht daher ein sehr starkes magnetisches Feld.
In dem Zusammenhang darf man die Kleintransformatoren im Haushalt nicht vergessen. Im Radiowecker oder der Halogenlampe arbeiten solche Transformatoren und erzeugen, je nach Bauart und Qualität, starke magnetische Felder.
Beispiele niederfrequenter Felder | |||
Felderzeuger | Frequenz | überwiegende
Feldart |
Bemerkungen |
Bahnstrom | 16,7 Hz | magnetisch | |
Haushaltsstrom | 50 Hz | elektrisch
und magnetisch |
Schwache Felder, aber durch die Nähe bemerkenswert |
Überlandleitungen | 50Hz | elektrisch | hohe Feldstärke |
Lautsprecher | 10 Hz - 20 KHz | magnetisch | permanentes Magnetfeld |
Fernsehgeräte | Achtung:
ältere und/oder defekte Geräte können Röntgenstrahlen emittieren! Die Abschirmung nach vorn ist für alle Felder und Strahlen besser als nach hinten. |
||
- Netzteil | 50 Hz | magnetisch | |
- vertikale Ablenkung | 50Hz | magnetisch | |
- horizontale Ablenkung | 16Khz | elektrisch
und magnetisch |
|
Computerbildschirme | |||
- Netzteil | 50 Hz | magnetisch | |
- vertikale Ablenkung | 50-90Hz | magnetisch | |
- horizontale Ablenkung | 32 - 90Khz | elektrisch
und magnetisch |
Hochfrequente Felder
Hochfrequente Felder werden in der Regel zur Übermittlung von Nachrichten benutzt. Bekannte Ausnahmen sind Mikrowellenöfen und medizinische Anwendungen. Bei der Nachrichtenübertragung werden die Felder von einem Sender über eine Antenne gesendet und von einem (oder vielen) Empfänger(n) wiederum mittels einer Antenne empfangen.
So kompliziert die pysikalischen und technischen Zusammenhänge der hochfrequenten Nachrichtenübertragung auch sind, so einfach kann man Sie unter dem Gesichtspunkt des Elektrosmogs betrachten (im Gegensatz zur Niederfrequenz):
Im Fernfeld (siehe Grundlagen) breiten sie sich gradlinig aus (wie Licht). Der Aufwand für die Messung ist relativ gering, da die Technik sich von Radio- oder Fernseh-Empfängern nicht wesentlich unterscheidet. Als Mess- und Vergleichsgröße wird einheitlich die Leistungsflussdichte (Watt pro Quadratmeter) verwendet.
Beispiele hochfrequenter Felder | |||
Felderzeuger | Frequenz | Wellenlänge | Bemerkungen |
Radio-Rundfunk | 150 KHz - 100 MHz | 2km - 3m | kontinuierliche (weiche) Modulation |
Fernsehfunk | 60 - 800 Mhz | 5 - 0,4m | |
Mobiltelefone | kontinuierliche
(weiche) Modulation plus zusätzlich gepulste (harte) Modulation
Ausnahme: Die UMTS - Kanaltrennung erfolgt durch Codierung - also "weich" |
||
- D-Netz | 790 - 960 MHz | 0,38 - 0,31m | |
- E-Plus | 1710 - 1880 MHz | 0,17 - 0,16 | |
- UMTS | 1920 - 2170 MHz | 0,15 - 0,13m | |
Schnurlose DECT Telefone | 1880 - 1900 MHz | 0,16 - 0,15m | |
Bluetooth | 2400 - 2450 MHz | ||
Wireless LAN | 2,4 oder 5,8 GHz | 0,12 o. 0,05m | |
Radar /Richtfunk | 2 GHZ - 10 GHz | 0,14 - 0,03m | |
Mikrowellenherde | ca. 3 GHz | 0,10m | |
1GigaHertz (GHz) = 1000 MHz; 1 MegaHertz (MHz) = 1000 KHz; 1 KiloHertz (KHz) = 1000 Hz |
Harte oder weiche Modulation?
Bei der Nachrichtenübertragung mittels Hochfrequenter Felder werden die Nutzinformationen auf eine so genannte Trägerfrequenz "moduliert".
Bei der "Amplitudenmodulation" (AM-Rundfunk, Fernsehen) schwankt die Amplitude (Spannung) der Trägerfrequenz im Rhythmus der zu übertragenen Nachricht. Bei der "Frequenzmodulation" (FM-Rundfunk) schwankt die Trägerfrequenz in einem kleinen Bereich um ihre Grundfrequenz, ebenfalls im Rhythmus der zu übertragenen Nachricht. Beide Modulationsverfahren kann man als "weich" bezeichnen.
Für die Mobile Kommunikation (GSM) kann man zunächst vereinfacht von einer Kombination der oben genannten Verfahren sprechen. Das Modulationsverfahren heisst: GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Dabei wird die eigentliche Sprachinformation also weich übertragen. Zusätzlich stellt aber die mobile Kommunikation weitere Forderungen an den Übertragungskanal:
Es sollen möglichst viele Benutzer gleichzeitig telefonieren können ohne sich gegenseitig zu stören oder gar abzuhören. Die Basisstation braucht stets aktuelle Informationen über den Status des Handgerätes und seinen Aufenthaltsort.
Speziell für GSM-Mobiltelefone wird daher zusätzlich eine Pulsmodulation verwandt. Dabei wird die Trägerfrequenz in festgelegten Rythmen ein- und ausgeschaltet. Da sich dabei die Frequenz des Trägers auch noch geringfügig ändert, spricht man von einem Zeit-/Frequenz- Multiplex-Verfahren. Dieses Modulationsverfahren kann man als "hart" bezeichnen.
Bei der Pulsmodulation entstehen zusätzliche Grundschwingungen (speziell 217 und 1733 Hz bei GSM, 100Hz bei DECT) die mit dem Träger (ca. 1 GHz) übertragen werden. Die Frequenz dieser Grundschwingungen liegt im hörbaren Bereich (20Hz bis 16KHz). Dass wir sie nicht ohne weiteres hören können liegt daran, dass unser Ohr nur auf Luftschwingungen reagiert. Die Grundschwingungen der Pulsmodulation werden aber als elektromagnetische Welle übertragen.
Eine niederfrequente elektromagnetische Welle, die mittels eines hochfrequenten Trägers übertragen wird, kommt in der Natur nicht vor!