Was sind statische und niederfrequente elektrische und magnetische Felder?

Durch Ladungen hervorgerufenes elektrisches Feld

Elektrische und magnetische Felder sind Kraftfelder. Richtung und Stärke eines Felds können zeichnerisch durch Feldlinien dargestellt werden: Die Dichte der Linien symbolisiert die Feldstärke. Im Unterschied zu elektrischen Feldlinien, die an elektrischen Ladungen beginnen und enden, sind die magnetischen Feldlinien in sich geschlossen.

Im elektrischen Feld geben die Pfeile die Richtung einer Kraft auf eine positive Elementarladung an. Magnetisierbare Materialien oder Dauermagnete, die in ein Magnetfeld eingebracht werden, versuchen sich entlang der Feldlinien auszurichten.

Das elektrische 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.

Elektrische Gleichfelder und zeitlich veränderliche Wechselfelder

Bleiben die Feldkräfte zeitlich konstant, so spricht man von einem "statischen oder stationären elektrischen Feld". Auch der Begriff elektrisches Gleichfeld ist üblich. Im Alltag haben wir es jedoch häufig mit technisch erzeugten Feldern zu tun, die in einem festgelegten Rhythmus ihre Stärke und Richtung ändern. Solche Felder können als elektrische Wechselfelder bezeichnet werden.

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.

Durch Strom hervorgerufenes magnetisches Feld

Das magnetische Feld

Ursache von Magnetfeldern sind bewegte elektrische Ladungen (Stromfluss). In Dauermagneten sind elektrische Ströme auf atomarer Ebene Ursache der Felder. Wie das elektrische Feld ist auch das magnetische Feld ein Kraftfeld. Es kann Kräfte auf Magnete, auf magnetisierbare Materialien oder auf bewegte elektrische Ladungen ausüben.

Die Stärke des Felds wird in der Maßeinheit Ampere pro Meter (A/m) angegeben. Oft wird auch die "magnetische Flussdichte" in der Einheit Tesla (T) 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, hängt die Magnetfeldstärke vor allem von der Stromstärke und vom Abstand zum Stromleiter ab.

Kompass

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

Auch bei Magnetfeldern spricht man von statischen oder stationären (Gleich-)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 magnetischen Gleichfeldern umgeben.

Magnetische Induktion

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

• der auf den Körper einwirkenden Magnetfeldstärke,
• der Ausrichtung des Körpers zu den Magnetfeldlinien
• der Form,
• der Größe und
• der Leitfähigkeit des Körpers.

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 organisches Gewebe und der menschliche Körper. Nur spezielle metallische Abschirmungen (Nickel-Eisen-Legierung, sogenanntes Mu-Metall) können bei Magnetfeldern eine nennenswerte Wirkung entfalten.