Elektromagnetisches Feld

Grundidee und Bedeutung

Ein elektromagnetisches Feld (EM-Feld) ist die miteinander verknüpfte Einheit aus elektrischem und magnetischem Feld. Solange diese Felder zeitlich konstant sind, können sie getrennt betrachtet werden. Ändern sie sich jedoch mit der Zeit, beeinflussen sie sich gegenseitig und müssen nach den Gesetzen der klassischen Elektrodynamik gemeinsam beschrieben werden.

Ein stationäres elektrisches oder magnetisches Feld bleibt an seine Quelle gebunden. Ein veränderliches elektromagnetisches Feld kann sich dagegen von seinem Ursprung entfernen und sich als elektromagnetische Welle ausbreiten. Im Vakuum bewegt sich diese mit Lichtgeschwindigkeit und überträgt Energie und Impuls.

Elektrische und magnetische Felder sind nicht nur mathematische Darstellungen der Kräfte, die ruhende oder bewegte elektrische Ladungen auf andere Ladungen ausüben. Seit den Experimenten von Michael Faraday und der mathematischen Beschreibung durch James Clerk Maxwell ist bekannt, dass sie eine reale physikalische Bedeutung besitzen und auch unabhängig von elektrischen Ladungen und Strömen existieren können.

Entstehung und Beschreibung

Nach dem Induktionsgesetz erzeugt die zeitliche Änderung eines Magnetfeldes ein elektrisches Wirbelfeld. Umgekehrt erzeugt die zeitliche Änderung eines elektrischen Feldes über den sogenannten Verschiebungsstrom ein Magnetfeld. Deshalb reichen Elektrostatik und Magnetostatik für zeitlich veränderliche Felder nicht aus. Stattdessen gelten die Maxwell-Gleichungen der Elektrodynamik.

Zeitlich veränderliche elektromagnetische Felder entstehen, wenn elektrische Ladungen innerhalb oder außerhalb von Leitern beschleunigt oder verzögert werden. Beispiele sind von Antennen abgestrahlte Rundfunk- und Radarwellen, elektromagnetische Emissionen von Wechselstromkabeln und elektrischen Geräten sowie Blitze und Funken.

Maxwell leitete aus seinen Gleichungen ab, dass elektrische und magnetische Feldkomponenten in Bereichen ohne Ladungen und Ströme einer Wellengleichung folgen. Elektromagnetische Wellen werden durch ihre Frequenz ν charakterisiert. Ihre Phasengeschwindigkeit im Vakuum ist unabhängig von der Frequenz immer die Lichtgeschwindigkeit c. Für die Wellenlänge λ gilt:

λ = c/ν

Nach der klassischen Elektrodynamik übertragen elektromagnetische Wellen Energie. In der Quantenphysik erfolgt die Übertragung in einzelnen Quanten mit der Energie:

E = h · ν = h · c/λ

Dabei ist h die Planck-Konstante. Bei Wechselstrom und Radiowellen sind diese Energieportionen unmessbar klein. Im Bereich des sichtbaren Lichts und bei höheren Frequenzen wird die Quantelung dagegen bedeutsam; die klassische Elektrodynamik ist dort nur noch eingeschränkt anwendbar. Der Mensch besitzt außer für den sichtbaren Spektralbereich, der als Licht wahrgenommen wird, keine besonderen Sinnesorgane für elektrische oder magnetische Felder und elektromagnetische Wellen.

Niederfrequente Felder

Niederfrequente elektrische und magnetische Felder liegen im elektromagnetischen Spektrum ungefähr zwischen 1 Hertz und 100 Kilohertz. Bei ihnen wechseln die Richtungen des elektrischen und des magnetischen Feldes deutlich seltener als bei hochfrequenten Feldern.

Typische Quellen im Alltag sind:

• die Stromversorgung, beispielsweise Hochspannungsleitungen, mit einer Frequenz von 50 Hz;
• Haushaltsgeräte und elektrische Hausinstallationen;
• elektrifizierte Verkehrssysteme wie Eisenbahnen mit einer Frequenz von 16,7 Hz.

Hochfrequente Felder

Hochfrequente elektromagnetische Felder liegen ungefähr zwischen 100 Kilohertz und 300 Gigahertz. Elektrisches und magnetisches Feld wechseln dabei zwischen zigtausend und mehreren Milliarden Mal pro Sekunde ihre Richtung. Dadurch sind die elektrische und die magnetische Komponente sehr eng miteinander gekoppelt.

Solche Felder entstehen in der menschlichen Umwelt besonders durch moderne Funktechnologien. Sie dienen der Übertragung von Bild, Ton und Daten, unter anderem bei Rundfunk und Fernsehen, schnurlosen DECT-Telefonen, Mobilfunk und Babyphonen. WLAN und Bluetooth verwenden sie zur Vernetzung von Computern untereinander und mit Peripheriegeräten. Polizei und Feuerwehr nutzen für die Kommunikation über größere Entfernungen das eigene Funknetz TETRA.

Arbeitsschutz

An Büroarbeitsplätzen ist die Belastung durch elektromagnetische Felder von Computern und Bildschirmen wegen der geringen Feldstärken vernachlässigbar. Wesentlich höhere Frequenzen und Feldstärken können dagegen beispielsweise an Anlagen zum induktiven Härten und Schmelzen oder an hochfrequenten Schweißeinrichtungen auftreten. Solche Arbeitsplätze müssen fachkundig unter Gesichtspunkten der Arbeitssicherheit beurteilt werden.

Berechnungen oder Messungen der elektromagnetischen Felder bilden die Grundlage, um mögliche Gefährdungen der Beschäftigten einzuschätzen und geeignete Schutzmaßnahmen festzulegen. Beschäftigte mit passiven oder aktiven Implantaten müssen bei der Gefährdungsbeurteilung grundsätzlich gesondert betrachtet werden.

Für eine erste technische Bewertung kann der Fragebogen „EMF-Bewertung“ verwendet werden, der auf dem Leitfaden der EU-Kommission beruht. Empfehlungen zum weiteren Vorgehen und zu möglichen Schutzmaßnahmen können anschließend entsprechend der Richtlinie 2013/35/EU ausgesprochen werden.

Historische Nachweise

James Clerk Maxwell sagte elektromagnetische Wellen theoretisch in seinem Artikel „Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes“ voraus. Der deutsche Physiker Heinrich Hertz wies sie 1888 experimentell nach.

Im Februar 1892 beschrieb Sir William Crookes die Möglichkeit einer „Telegraphie ohne Drähte“. Der Engländer William Henry Preece demonstrierte 1896 in London drahtlose Übertragung mithilfe eines Marconischen Senders und Empfängers. Alexandr Popow erreichte 1895 eine drahtlose Übertragung über 250 m. Guglielmo Marconi erhielt 1896 das britische Patent Nr. 12039 auf dem Gebiet der drahtlosen Telegraphie und überbrückte 1901 den Atlantik per Funk. Der 13. Mai 1897 wird im Artikel als Geburtsstunde der drahtlosen Telegraphie bezeichnet.