Dipl.-Ing. (FH) Thomas Schlüter
2.1 Die Frequenz
Die Frequenz (f) ist das Maß für die zeitliche Änderung eines regelmäßig wiederkehrenden Vorgangs mit gleichen Zeitintervallen. Sie wird mit der Maßeinheit "Hertz" (1 Hz = 1 Schwingungsperiode pro Sekunde) beschrieben und gibt an, wie oft sich der Vorgang pro Sekunde wiederholt. Beim 50-Hz-Wechselstrom bedeutet dies, dass sich die Stromrichtung an den Klemmen eines Generators – und damit im nachfolgenden Verteilungsnetz und den Endgeräten – 100 Mal in der Sekunde ändert. Beide Stromrichtungen werden also 50 Mal pro Sekunde erzeugt. Wir sprechen dann von einem sog. Wechselfeld.
2.2 Das elektrische Feld
Jede elektrische Ladung wird von einem elektrischen Feld umgeben, auch jeder spannungsführende Leiter, ohne dass in ihm ein Strom zu fließen braucht. Die Kraft, die von solchen ruhenden elektrischen Ladungen ausgeht, bezeichnet man als elektrostatische Kraft.
Ebenso baut sich zwischen unterschiedlich geladenen Körpern ein eigenes elektrisches Feld auf. Abhängig von der Polarität der Ladung üben diese unterschiedliche Kräfte aufeinander aus: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab (beide positiv oder beide negativ), ungleichnamige Ladungen (eine positiv, die andere negativ) ziehen sich gegenseitig an. Die Stärke dieser Felder (Feldstärke) hängt von der Intensität der Ladung der differenten Körper (Potenzialunterschied) und vom Abstand der Körper zueinander ab, was sich in der Maßeinheit "Volt pro Meter" (V/m), mit der sie angegeben werden, widerspiegelt.
Bleiben die Feldkräfte zeitlich konstant, so spricht man von einem statischen elektrischen Feld. Im Alltag haben wir es jedoch meistens mit zeitlich veränderlichen Feldern zu tun. Die Frequenz charakterisiert diese veränderlichen Felder, ihre Maßeinheit Hertz (Hz) gibt die Zahl der Schwingungen pro Sekunde an. Bei dem im Haushalt genutzten Wechselstrom beträgt die Frequenz 50 Hz. Dies bedeutet, dass pro Sekunde 50 Schwingungen stattfinden, wobei das elektrische Feld 100 Mal seine Richtung ändert.
Wirken elektrische Feldkräfte auf einen Körper ein, so verschieben sich unter ihrem Einfluss elektrische Ladungen an der Oberfläche dieses Körpers. Diesen Vorgang nennt man Influenz (s. a. Abschn. 2.1). Dabei wird die Oberfläche aufgeladen, das Innere des Körpers wird dagegen praktisch feldfrei. In der Praxis wird dieser Effekt ausgenutzt, um von außen wirkende Felder abzuschirmen (Prinzip des Faradayschen Käfigs).
Die elektrischen Kraftlinien treten ebenso von der Oberfläche des Ladungsträgers rechtwinklig aus, wie sie in den Ladungsträger mit differentem Potenzial rechtwinklig eintreten. Elektrische Felder besitzen die positive Eigenschaft, dass sie sich recht gut abschirmen lassen und mit zunehmendem Abstand vom Ladungsträger rasch abnehmen.
2.3 Das magnetische Feld
Ursache von Magnetfeldern sind permanente Magnete und bewegte elektrische Ladungen. Werden Letztere durch eine Leitung bewegt, so sprechen wir von einem Stromfluss, und jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt um sich ein magnetisches Feld. Die Stärke dieser Felder (Feldstärke) ist sowohl von der Stromstärke als auch vom Abstand zum stromdurchflossenen Leiter abhängig. Die Maßeinheit für magnetische Felder ist die "Magnetische Feldstärke" (H) und wird in "Ampere/Meter" (A/m) angegeben. Häufig wird anstelle der Feldstärke die sog. "Magnetische Flussdichte" (B) mit der Einheit Tesla (T) angegeben (1 T = 1 Vs/m²). Der Zusammenhang zwischen H und B ist durch eine stoffabhängige Konstante µ bestimmt, welche für Luft 1,256 Vs/Am beträgt. Mit der Formel B = µ * H lassen sich beide Größen leicht ineinander umrechnen. So entsprechen in Luft oder biologischem Gewebe 80 A/m rund 100 Mikrotesla (µT), das sind 0,0001 T. Da ein Tesla eine sehr große Einheit darstellt, wird üblicherweise von Mikro- oder Nanotesla gesprochen, um die magnetische Flussdichte zu beschreiben, also von Millionsteln bzw. Milliardsteln dieser Einheit.
Ändert der Strom fortlaufend seine Richtung wie beim 50-Hz-Wechselstrom, so wird auch das Magnetfeld im gleichen Rhythmus verändert – wir haben es mit einem magnetischen Wechselfeld der gleichen Frequenz zu tun. Magnetische Wechselfelder induzieren Wirbelströme in leitfähigen Körpern. Dies ist auch ihre Wirkung auf den menschlichen Körper. Diese induzierten Ströme hängen von der Feldstärke, der Feldorientierung sowie der Form und Größe des Körpers ab. Magnetfelder in der Umgebung elektrischer Leitungen sind im Gegensatz zum Gleichfeld des Erdmagnetfelds also zeitlich veränderlich und überlagern dieses.
Die magnetische Feldstärke lässt sich im Gegensatz zur elektrischen Feldstärke kaum abschirmen, bzw. partiell nur mit sehr hohem Aufwand. Sie besitzt aber ebenfalls die positive Eigenschaft, dass sie mit zunehmendem Abstand vom felderzeugenden Bauteil recht schnell kleiner wird.
2.4 Natürliche Felder
Elektrische und magnetische Felder entstehen nicht nur um elektrische Leitungen und Geräte. Es gibt sie seit jeher auch in der natürlichen Umgebung. Zwischen künstlich erzeugten und natürlich entstandenen Feldern gibt es im Prinzip keinen Unterschied. Beiden liegen dieselben Naturgeset...