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Elektromagnetische Felder

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Elektromagnetische Felder

Was sind statische und niederfrequente elektrische und magnetische Felder?

  • Man unterscheidet zeitlich konstante (statische) und zeitlich veränderliche (niederfrequente) Felder.
  • Das elektrische und das magnetische Feld werden getrennt voneinander betrachtet:

    • Elektrische Ladungen üben Kräfte aufeinander aus. Zwischen unterschiedlich geladenen Körpern baut sich ein elektrisches (Kraft-)Feld auf.
    • Ursache von Magnetfeldern sind bewegte elektrische Ladungen (Stromfluss) oder Dauermagnete. Auch das magnetische Feld ist ein Kraftfeld, das Kräfte auf andere Magnete oder auf elektrische Ladungen ausüben kann.

Bei den statischen und niederfrequenten Feldern betrachtet man das elektrische und das magnetische Feld getrennt voneinander.

Das elektrische Feld

Grafische Darstellung eines elektrischen Feldes Elektrisches FeldDurch Ladungen verursachtes elektrisches Feld

Elektrische Ladungen üben Kräfte aufeinander aus. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen - also positive und negative - ziehen sich an.

Zwischen unterschiedlich geladenen Körpern baut sich ein elektrisches (Kraft-)Feld auf, dessen Stärke in der Maßeinheit Volt pro Meter (V/m) angegeben wird. Die Feldstärke hängt vor allem von der Ladung der Körper (Potentialunterschied) und vom Abstand der Körper zueinander ab.

Ein natürliches elektrisches Feld ist das Schönwetterfeld der Erde, das zwischen der Ionosphäre (elektrisch gut leitende atmosphärische Schicht) und dem Erdboden besteht.

Statische und zeitlich veränderliche elektrische Felder

Polarität

Die Polarität beschreibt die Anordnung zweier entgegengesetzter Pole zueinander, zum Beispiel die Anordnung des negativen und positiven elektrischen Pols einer Spannungsquelle (Batterie, Steckdose) oder die Anordnung des Nord- und Südpols eines Magneten.

Frequenz

Die Frequenz charakterisiert die zeitliche Änderung von Stärke und Richtung eines Feldes. Sie gibt die Anzahl der Schwingungen in einer Zeiteinheit an; die Maßeinheit der Frequenz ist das Hertz (Hz): 1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde = 1/s.

Bleiben die Feldkräfte zeitlich konstant, so spricht man von einem "statischen elektrischen Feld". Im Alltag haben wir es jedoch häufig mit zeitlich veränderlichen technisch erzeugten Feldern zu tun, die in einem festgelegten Rhythmus ihre Stärke und Richtung ändern.

An den Steckdosen im Haushalt liegt zum Beispiel eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz an. Dies bedeutet, dass sich das um die Steckdose entstehende elektrische Feld zeitlich so ändert, dass es 50-mal pro Sekunde wieder die maximale Stärke in gleicher Richtung erreicht. Doppelt so häufig, also 100-mal pro Sekunde, ändert dafür die an der Steckdose anliegende Spannung die Polarität und das hervorgerufene elektrische Feld die Richtung.

Influenz

Wirken statische oder niederfrequente elektrische Feldkräfte auf einen elektrisch leitfähigen Körper ein, so verschieben sich unter ihrem Einfluss elektrische Ladungen an der Körperoberfläche. Diesen Vorgang nennt man "Influenz". Dabei wird die Oberfläche aufgeladen, das Innere ist dagegen praktisch feldfrei.

Abschirmung

Elektrische Felder können wegen ihrer Influenzwirkung mit elektrisch leitenden Materialien (vor allem mit Metallen) sehr gut abgeschirmt werden. Auch die Wirkungsweise des so genannten "Faraday'schen Käfigs" beruht auf dem Prinzip der Influenz.

Das magnetische Feld

Kompass KompassKompass

Ursache von Magnetfeldern sind bewegte elektrische Ladungen (Stromfluss) oder Dauermagnete. Wie das elektrische Feld ist auch das magnetische Feld ein Kraftfeld. Es kann Kräfte auf andere Magnete oder auf elektrische Ladungen ausüben.

Die Stärke des Felds wird in der Maßeinheit Ampere pro Meter (A/m) angegeben. Oft wird statt dieser Größe auch die sogenannte "magnetische Flussdichte" in der Einheit Tesla (T) zur Beschreibung verwendet. Beide Größen lassen sich leicht ineinander umrechnen. In Luft oder in biologischem Gewebe entsprechen 80 Ampere pro Meter rund 100 Mikrotesla, das sind 0,0001 Tesla.

Wenn ein Stromfluss Ursache eines Magnetfelds ist, dann hängt die Magnetfeldstärke vor allem von der Stromstärke und vom Abstand zum Stromleiter ab.

Technischer Nachweis

Bereits seit etwa 1000 Jahren werden zum Nachweis von Magnetfeldern magnetische Materialien genutzt - meist Metalle -, die sich als Kompassnadel in Richtung der magnetischen Pole der Erde ausrichten.

Statische und zeitlich veränderliche Magnetfelder

Durch Strom verursachtes magnetisches Feld Magnetfeld StromleiterDurch Strom verursachtes magnetisches Feld

Auch bei Magnetfeldern spricht man von statischen Feldern, wenn die Feldkräfte zeitlich konstant bleiben. Ein natürliches Magnetfeld ist zum Beispiel das Erdmagnetfeld. Es kann als statisches Feld bezeichnet werden, weil signifikante Feldstärkeänderungen nur in sehr großen Zeiträumen stattfinden (einige tausend Jahre).

Wenn elektrische Ladungen durch Leitungen bewegt werden, das heißt, wenn Strom fließt, entsteht um den Leiter herum ein Magnetfeld. Je größer die Stromstärke wird, desto höher ist auch die magnetische Feldstärke.

Ändert der Strom fortlaufend seine Richtung wie beim technisch erzeugten 50-Hz-Wechselstrom, so wird auch das Magnetfeld im gleichen Rhythmus verändert - wir haben es mit einem magnetischen Wechselfeld der gleichen Frequenz zu tun.

Elektrische Gleichströme sind dagegen von statischen Magnetfeldern umgeben.

Magnetische Induktion

Magnetische Wechselfelder induzieren elektrische Spannungen und Felder in elektrisch leitfähigen Körpern. Wie hoch die Induktionswirkung ist, hängt von

  • der auf den Körper einwirkenden Magnetfeldstärke,
  • der Ausrichtung des Körpers zu den Magnetfeldlinien

sowie von

  • der Form,
  • der Größe und
  • der Leitfähigkeit des Körpers

ab. Auch im menschlichen Körper induzieren magnetische Wechselfelder elektrische Spannungen und Felder.

Abschirmung

Magnetfelder sind im Gegensatz zu elektrischen Feldern nicht leicht abzuschirmen. Hauswände werden von Magnetfeldern durchdrungen, ebenso wie organisches Gewebe und der menschliche Körper. Nur spezielle metallische Abschirmungen können bei Magnetfeldern eine nennenswerte Wirkung entfalten.

Stand: 10.10.2016

© Bundesamt für Strahlenschutz