Wie werden elektromagnetische Strahlen durch verschiedene Stoffe beeinflusst? Laure Wagner Pit Mootz Yann Bernard 18.03.2015 Concours Jonk Fuerscher 1
1. Einleitung Wir brauchten dieses Mal nicht lange nach einem Thema zu suchen. Aufgrund von noch bestehenden Fragen des vorherigen Jahres behielten wir das gleiche Thema bei um am Wettbewerb Jonk Fuerscher 2015 teilzunehmen. Wir wollten unsere Versuche noch mit weiteren Materialien durchführen, welche wir letztes Jahr aus Zeitgründen nicht mehr machen konnten. Eine wichtige Frage, welche wir aus den gleichen Gründen nicht beantworten konnten, war ob die Form der Materialien die Abschirmeigenschaften beeinflussen. In diesem Jahr sollte sich diese Frage beantworten. Wir verwendeten die gleichen Geräte (siehe Aufbau), jedoch führten wir die Versuche mit weiteren Materialien durch, welche bei der Auflistung der Materialien wiederzufinden sind. 2
2. Methode Materialien: Hochfrequenzgenerator (Hameg HM8135), Frequenzspektrum 1Hz bis 3 GHz. logarithmisch-periodische Antenne Koaxialkabel mit BNC-Steckverbinder Hochfrequenzmessgerät (Spectran HF 6065 V4), Frequenzspektrum 10 MHz bis 6 GHz. SMA-Stabantenne Halterungen Materialien, in Form eines Tubus (Durchmesser 15-35mm; Durchmesser der Ausbohrung 12mm; Tiefe der Ausbohrung 110mm; Tiefe des ganzen Tubus' 120mm, die die Antenne aufnimmt: Holz ( 30mm Durchmesser ) Aluminium ( 30mm Durchmesser ) Messing ( 30mm Durchmesser) Eisen ( 15; 20; 25; 30; 35 mm Durchmesser ) Blei ( 30mm Durchmesser ) Plastik ( 30mm Durchmesser ) Materialen in Form eines Quaders, ähnliche Maβe: Aluminium Stahl Maschendraht der zu (in Ansicht des Faraday schen Käfigs): einem geschlossenen Käfig 1 mit mindestens 6 Schichten einem geschlossenen Käfig 2 mit 1 Schichten einem zu 3 Seiten geschlossenem Käfig für ein Handy mit 7 Schichten eine Mauer mit 8 Schichten verarbeitet wurde Ein Computer um die Resultate auszulesen 3
Skizze: Frequenzgenerator Koaxialkabel mit BNC-Steckverbinder logarithmisch-periodische Antenne Elektromagnetische Strahlen 1,80 m Verschiedene Stoffe SMA-Stabantenne Messgerät Computer 1. Arbeitsweise: Die Antennen der beiden Geräte, Frequenzgenerator und Messgerät, werden einander gegenüber mit 1,80 m Abstand aufgestellt. Die logarithmischperiodische Antenne zeigt der Länge nach auf die Antenne des Messgerätes, die im 90º Winkel zu der des Generators steht. Die Ergebnisse des Messgerätes werden per Kabel auf den Computer zu übertragen damit die Resultate in gleicherbleibender näherer Umgebung ermittelt werden können, also ohne jegliche Störungen wie zum Beispiel durch einen Person die die 4
Resultate ablesen möchte. Solche Störungen haben wir bei unseren ersten Messungen im letzten Jahr bemerkt, die sehr ungenau und somit unbrauchbar für genauere Analysen waren, da sie stark schwankten. Daraus erschlossen wir, dass die Präsenz eines Menschen in der Nähe der Messung, so die Person, die die Ergebnisse ablesen wollte, ein überwiegender Einfluss auf die gemessene Intensität der Strahlung hatte. Folglich machten wir die weiteren Messreihen mit einem Computer, der es uns ermöglichte die Ergebnisse des Messgerätes aus größerer Distanz abzulesen und genauere Werte zu erhalten. Zudem ermöglichte dieser uns die Ergebnisse gleich in die von uns gewünschte Einheit umzuwandeln. Anfangs, bei unseren allerersten Versuchen, hatten wir uns auf eine Frequenz von 700 MHz geeinigt. Allerdings merkten wir schnell, dass diese Frequenz sehr viel Grundrauschen aufwies. Deshalb wechselten wir die Frequenz des Frequenzgenerators und des Messgeräts auf 940,5 MHz. Eine Intensität von 8 dbm (Dezibel mit einem Referenzwert von einem Milliwatt) mit einer Messfrequenz von 940,5 MHz und einem Span von 5 MHz wurden eingestellt und die Geräte angeschaltet. Dann wurden die verschiedenen Metalle auf die Antenne des Messgeräts geschoben, um diese abzudecken. Schließlich wurde jeweils eine Messung durchgeführt, mit an dem Metall angebrachtem Erdungskabel, und angeschaltetem Frequenzgenerator, sowie ausgeschaltetem Frequenzgenerator. 5
3. Ergebnisse Hier führen wir nun die verschiedenen Messergebnisse an in nanowatt/m 2 ; das heiβt 1 x 10-9 W pro Quadratmeter: 1. Nachahmung des Faraday schen Käfigs: In dieser Tabelle sind alle unsere Ergebnisse (berechnete Durchschnitte von mehreren Versuchsreihen) übersichtlich aufgeführt, es folgen anschließend Diagramme, die die Daten der einzelnen Kolonnen zur ausführlicheren Analyse darstellen: Frequenzgenerator angeschaltet Frequenzgenerator abgeschaltet nw/m 2 Ohne Abschirmung Mit Abschirmung Mit Abschirmung Ohne Abschirmung Käfig 1 14300 0,000026 0,00000017 0 Käfig 2 14300 14800 0,00000012 0,28 Mauer vorne 15000 13400 0,00000012 60 Mauer dahinter 14500 32600 0,00000012 20,1 Mauer daneben 14500 19000 0,00000012 20,1 Hier eine Grafik, die die gemessene Intensität der Strahlung wiedergibt, bei angeschaltetem Frequenzgenerator mit den verschiedenen Käfigen; Käfig 1 mit mehreren Lagen an Maschendrahtzaun; Käfig 2 mit weniger Lagen und die Mauer mit mehreren Lagen, die aber die Empfangsantenne nicht ganz umschließt: 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 Ergebnisse bei angeschaltetem Generator und mit Abschirmmaterial in nw/m2 0 Käfig 1 Käfig 2 Mauer vorne Mauer dahinter Mauer daneben 6
Die hier gezeigte Grafik zeigt die verschiedene erhaltene Messergebnisse bei abgeschaltetem Frequenzgenerator und ohne Abschirmmaterial; sie spiegeln somit das Grundrauschen auf dem gemessenen Frequenzbereich: 70 60 50 40 30 20 10 Ergebnisse bei abgeschaltetem Generator und ohne Abschirmmaterial in nw/m2 0 Käfig 1 Käfig 2 Mauer vorne Mauer dahinter Mauer daneben Die folgende Grafik zeigt die empfangenen Intensitätsunterschiede bei gleichen Messparameter, da der Generator angeschaltet war, aber keine die Intensität beeinflussende Materialen um die Empfangsantenne gelegt wurden: Ergebnisse bei angeschaltetem Generator und ohne Abschirmmaterial in nw/m2 15000 14900 14800 14700 14600 14500 14400 14300 14200 14100 14000 Käfig 1 Käfig 2 Mauer vorne Mauer dahinter Mauer daneben Die untenstehende Grafik zeigt, wie sich das Grundrauschen durch die verschiedenen Käfigarten beeinflussen lässt: 7
1,8E-07 1,6E-07 1,4E-07 1,2E-07 0,0000001 8E-08 6E-08 4E-08 2E-08 0 Ergebnisse bei abgeschaltetem Generator und mit Abschirmmaterial in nw/m2 Käfig 1 Käfig 2 Mauer vorne Mauer dahinter Mauer daneben 2. Ergebnisse der Tubus förmigen Abschirmmaterialien Die unterstehende Grafik zeigt die Ergebnisse der Messungen mit eingeschaltetem Frequenzgenerator und den angebrachten Abshirmmaterialien. Somit zeigt sie das mögliche Abschirmpotential der verschiedenen Stoffe. Stahl Quader Aluminium Quader Blei Sathl(35mm) Stahl(15mm) Stahl(20mm) Stahl(25mm) Stahl(30mm) Aluminium Messing Holz Plastik Ohne Frequenzgenerator eingeschaltet und angebrachtem Abschirmmaterial in nw/m 2 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 8
4. Diskussion An den Ergebnissen, welche wir von den Messungen mit den Nachbildungen des Faraday schen Käfigs als Abschirmung unserer Messantenne durchführten, lässt sich in einigen Fällen eindeutig feststellen, dass diese Konstruktion eine sehr gute Abschirmeigenschaft besitzt. Wir fanden beim Käfig also wie erwartet eine Abschirmung der Strahlen vor, wofür unseren Vermutungen nach die Beschaffenheit des Käfigs verantwortlich ist. Wir haben die Käfige aus Maschendraht hergestellt, mit dem wir je nach Käfig mehr oder weniger Schichten übereinander gefaltet haben. Der Käfig mit den meisten Schichten schirmte die Antenne nahezu komplett von den Strahlen ab! Das könnte unserer Meinung daran liegen, dass die Maschen durch die vielen Schichten sehr eng wurden und der Käfig eine relativ kräftige Wand aufwies. Eine Anwendung dieses Prinzips wäre durchaus denkbar! So könnte man etwa beim Bau von Häusern ein einzelnes Zimmer abschirmen, zum Beispiel das Schlafzimmer (in welchem man dann logischerweise kein Handy verwendet). Indem man so beispielsweise einige Schichten Draht in die Mauern des Zimmers einbauen würde, könnte dies Menschen helfen, die etwa unter Elektrosensibilität leiden. Diese zeigen nämlich Symptome wie Kopfschmerzen oder Schlafstörungen bei Aussetzung an starke elektromagnetische Felder. Weiterhin zeigt das Beispiel der hinter der Antenne stehende Mauer, den spiegelnden Effekt von Abschirmmaterialien. So reflektiert die Mauer die Strahlung, die an der Antenne vorbei geflogen ist wieder zurück in Richtung der Antenne. Bei den zylinderförmigen Abschirmmaterialien, die aus vollem Material bestehen und nicht nur aus einem Drahtgeflecht, stellten wir letztes Jahr das Gegenteil fest. Den Resultaten der Messungen, welche wir mit den zylinderförmigen Abschirmungen durchführten, war eindeutig eine Erhöhung der Intensität der Strahlen abzulesen, also fanden wir nicht wie erwartet eine Abschirmung der Strahlung vor, sondern stellten wir fest, dass die Intensität 9
der Strahlen im Vergleich zum Versuch ohne Abschirmung zugenommen hatte. Dies erscheint bei der ersten Betrachtung sehr kontrovers, da wir ja eigentlich das Gegenteil erreichen wollten. Diese Eigenart ist nicht üblich, vergleicht man den Versuch mit anderen Studien. Wahrscheinlich war dieser Effekt, so dachten wir, auf den Umstand zurückzuführen, dass unsere Abschirmungsmaterialien eine zylindrische Form aufwiesen. So wurden die Strahlen im Inneren des Rohres wahrscheinlich mehrfach reflektiert. Außerdem stellten wir fest, dass die Intensität der Strahlen zunahm je größer der Durchmesser des Materials wurde. ( Messergebnisse Eisen). Dies könnte als zusätzlicher Beweis für das Phänomen der Intensitätsverstärkung dienen. Der Idee zufolge, dass die Intensitätsverstärkung auf die zylindrische, runde Form der Materialien zurückzuführen sei, haben wir auch Materialformen getestet, die einen quaderförmigen Aufbau hatten. Wie sie oben in den Ergebnissen erkennen können, weisen jedoch gerade diese erhöhte Strahlenwerte auf, die zylinderförmigen Materialien jedoch nicht, anders als unsere Messungen letztes Jahr. So stellten wir bei einer unserer Messreihen fest, dass die Intensität der gemessenen Strahlen stark zurückging, wenn wir die Materialien weiter über die Antenne schoben, das heißt, dass sie das Messgerät fast berührten. Dass die Quaderförmigen Materialformen nicht so stark abschirmen, ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass wir diese nicht so weit über die Antenne schieben konnten. An diesen Ergebnissen erkennt man also sehr gut, dass die verschiedenen Stoffe einen Einfluss auf die Intensität der empfangenen Strahlung haben. 10
5. Zusammenfassung 1. Faraday scher Käfig Hier können wir eine Abschirmung feststellen, welche umso effektiver ist wenn die Wände des Käfigs aus mehreren Schichten Maschendraht bestehen. 2. Zylinderförmige Abschirmmaterialien Anhand der Messergebnisse erkennen wir, dass Holz und Plastik nur geringen Einfluss auf die Intensität der elektromagnetischen Strahlung haben, wobei die von uns gemessenen Metalle eine deutliche Beeinträchtigung auf die Messergebnisse haben. Alle von uns getesteten Materialien, die zylinderförmig waren, konnten die elektromagnetischen Strahlen erfolgreich abschirmen. Eine zunehmende Dicke schirmt zudem besser ab. Bei den quaderförmigen Teststücken konnten wir dies leider nicht feststellen, da wir sie, so glauben wir zumindest, weit genug über die Antenne schieben konnten, um auch von dieser Seite eine adäquate Abschirmung zu realisieren. 11
6. Index http://de.wikipedia.org/wiki/elektromagnetische_welle http://de.wikipedia.org/wiki/leistungspegel http://de.wikipedia.org/wiki/faradayscher_k%c3%a4fig 7. Nachwort Hiermit wollen wir ein großes Dankeschön an die folgenden Personen und Institutionen geben: Herr Michel Marso, Professor Doktor in Technology of Telecommunications an der Université du Luxembourg Herr Pascal Damon, Physiklehrer im LGL, Betreuer 12