Dr. Ljiljana Udovicic Gruppe 2.2 Physikalische Faktoren Elektromagnetische Felder Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen Informationsveranstaltung Elektromagnetische Felder an Arbeitsplätzen, 15.11.2012 in Dortmund Physikalische Grundlagen 2 1
Elektrisches Feld q + E F = q E wird durch die elektrische Feldstärke E charakterisiert beschreibt die Fähigkeit des Feldes, Kraft auf eine positive Ladung q auszuüben E Einheit Volt pro Meter (V/m) Äquipotentiallinien Punkte gleichen elektrischen Potentials - senkrecht zu den elektrischen Feldlinien Potenzialdifferenz zwischen zwei Äquipotentiallinien ist die elektrische Spannung 3 Einbringen eines leitenden Körpers zwischen den Platten des Kondensators Ladungstrennung (Influenz) - an der Oberfläche treten entgegengesetzte Ladungen auf E = 0 Folgen: im Außenraum ist das elektrische Feld gegenüber dem ungestörten Feld stark verzerrt im Inneren des leitenden Körpers ist die elektrische Feldstärke gleich Null 4 2
Das elektrische Feld wird durch die Umgebung stark beeinflusst wird mit elektrisch leitenden Materialien sehr gut abgeschirmt (E im Inneren eines Hauses ist im Vergleich zu E von außen vernachlässigbar gering) Elektrische Feld- und Äquipotentiallinien in der Umgebung von Hochspannungsleitungen 5 Magnetisches Feld q F B v + F = q (v x B) entsteht bei jeder Bewegung elektrischer Ladungen wird durch die magnetische Flussdichte B charakterisiert beschreibt die Fähigkeit des Feldes, Kraft F auf eine positive Ladung q, die sich mit der Geschwindigkeit v bewegt, auszuüben B Einheit Tesla (T) B = µ H H - magnetische Feldstärke, Einheit: Ampere pro Meter (A/m) µ - Permeabilität 6 3
Statische Felder elektrische und magnetische Feldgrößen sind zeitlich konstant Zeitlich veränderliche Felder haben keinen konstanten Wert (Feldgrößen ändern sich zeitlich) E besondere Form - periodisch veränderliche Felder Zeit 7 Periodisch veränderliche Felder Beispiel: eine sinusförmige Wechselspannung U verursacht eine sinusförmige Änderung der elektrischen Feldstärke E E Maximalwert, Spitzenwert (Peak-Wert) E Effektivwert (RMS-Wert) E eff E = 2 E eff Zeit t 1 Frequenz f = T Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, Einheit Hertz (Hz) Periodendauer T 8 4
um einen von Gleichstrom durchflossenen Leiter ein statisches Magnetfeld ein Wechselstrom ändert fortlaufend seine Richtung Änderung der magnetischen Flussdichte B im gleichen Rhythmus in einem leitenden Körper entstehen Wirbelströme B(t) I (t) E(t) ODER eine Bewegung in einem statischen, aber räumlich inhomogenen Magnetfeld führt ebenfalls zur Induktion der Wirbelströme in einem Körper Elektromagnetische Induktion das Entstehen eines elektrischen Feldes durch Änderung der magnetischen Flussdichte B 9 Das magnetische Feld: ist in der Lage, Materialien nahezu unvermindert zu durchdringen ist nicht leicht abzuschirmen Magnetische Flussdichte B nimmt mit zunehmendem Abstand rasch ab. Relative magnetische Flussdichte 1/r ein gerader, langer, stromdurchflossener Leiter 1/r 2 Überlagerung zweier Leiter Entfernung in relativen Einheiten 1/r 3 eine Zylinderspule 10 5
Niederfrequente Felder (bis etwa 30 khz) E ist nur von der Spannung U abhängig, B nur von der Stromstärke I das elektrische und das magnetische Feld können getrennt voneinander betrachtet werden, diese Felder sind entkoppelt an ihre Quellen gebunden Hochfrequente Felder (ab etwa 30 khz) zeitlich veränderliche elektrische Felder erzeugen magnetische Felder und umgekehrt elektrische und magnetische Feldgrößen sind eng miteinander verknüpft ( gekoppelt ) elektromagnetische Wellen lösen sich von der Quelle ab und breiten sich im Raum aus 11 Elektromagnetische Wellen Wellen aus gekoppeltem elektrischen und magnetischen Feld Die Wellenlänge λ und die Frequenz f sind über die Lichtgeschwindigkeit c miteinander verknüpft c = λ f Energie, die eine elektromagnetische Welle überträgt ist: - proportional zur Frequenz f E = h f - umgekehrt proportional zur Wellenlänge λ E = h c / λ (h - Plancksches Wirkungsquantum) wird beim Durchgang durch Materie absorbiert und in Wärme umgewandelt 12 6
Ionisierende Strahlung besitzt ausreichende Energie, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen (Ionisation) optische Strahlung elektromagnetische Felder (EMF) Nichtionisierende Strahlung 13 Wellenlänge 91 nm Frequenz 3 290 THz Energie / ev 13,6 ionisierende Strahlung 100 nm 3 000 THz 12,4 253 nm 780 nm 1 185 THz 385 THz 4,9 1,6 optische Strahlung UMTS-Netz 1 mm 300 GHz 0,001 Diathermie Rundfunksender Mittelwelle Artikelsicherungsanlagen 15 cm 11 m 360 m 2 270 m 2 GHz 27 MHz 830 khz 132 khz 8 10-6 1 10-7 3 10-9 5 10-10 elektromagnetische Felder Tera 10 12 Giga 10 9 14 7
Elektromagnetische Felder - Frequenzbereiche Frequenzbereich 0 Hz bis 30 khz 30 khz bis 300 GHz Bezeichnung Statische elektrische und magnetische Felder Niederfrequente elektrische und magnetische Felder Hochfrequente elektromagnetische Felder Übergangsbereich 30 khz 100 khz 15 Leistungsdichte S das Maß für die Stärke eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes mit f > 10 GHz - Strahlungsleistung pro Flächeneinheit - S E B - Einheit: Watt pro Quadratmeter, W/m² Feldgrößen in % E und B (Abnahme 1/r) S (Abnahme 1/r 2 ) Entfernung von der Quelle in relativen Einheiten Leistungsdichte S nimmt mit zunehmendem Abstand rasch ab Abschirmung durch leitfähige Materialien 16 8
Wirkungen auf den Menschen 17 Mensch hat keine Sinnesorgane für elektromagnetische Felder Wahrnehmung von Effekten (Reize, Wärme) viele elektrisch geladene Teilchen im menschlichen Körper Stoffwechselvorgänge, Signalübertragung in Nervenzellen, Herzaktivität Verschiebung von Ionen Wirkungen: - unmittelbare Wirkungen, die unmittelbar auf die Einwirkung von Feldern zurückgehen, z. B. Änderung der elektrischen Feldstärke im Gewebe oder Gewebeerwärmung - mittelbare indirekte Wirkungen, z. B. Projektilwirkung im Magnetfeld, Erwärmung oder Funktionsstörung von/bei Implantaten 18 9
Wirkung elektrischer und magnetischer Felder auf den Menschen Umverteilung der elektrischen Ladungsträger durch Influenz - statisches elektrisches Feld dringt kaum in den Körper ein, das Körperinnere ist feldfrei - das elektrische Feld ist verzerrt, und an der Körperoberfläche können höhere elektrische Feldstärken auftreten als im ungestörten Feld Wirkungen auf die Körperoberfläche begrenzt (Oberflächeneffekte): - Aufrichten der Haare Statische elektrische Felder - transiente Entladungen und Kontaktströme (entweder ist der Körper oder ein Gegenstand elektrisch aufgeladen) 19 Niederfrequente elektrische Felder bei einem 50 Hz-Feld mit dieser Frequenz wechselnde Aufladung Entstehung zusätzlicher Ströme im Inneren des Körpers Stromfluss durch den Körper hindurch zur Erde 20 10
Niederfrequente magnetische Felder Magnetfeld Körperströme induzieren im Körper Wirbelströme die induzierten Körperströme sind abhängig von der Orientierung des Körpers relativ zum Magnetfeld Stromdichte J Stromstärke bezogen auf die durchströmte Fläche, Einheit: Ampere pro Quadratmeter (A/m 2 ) Stromdichte J interne elektrische Feldstärke E i entscheidend für die biologische Reaktionen im Körper 21 niederfrequente Felder können im Körper zusätzliche Ströme verursachen Reizung von Sinnesorganen, Nerven und Muskeln (Herz!) für jedes Gewebe existiert eine frequenzabhängige Reizschwelle Stromdichten, die für Frequenzen zwischen 3 und 300 Hz zu den angegebenen Wirkungen führen: Stromdichte J in ma/m 2 1-10 10-100 100-1000 > 1000 Wirkungen auf den Organismus keine Beeinträchtigungen geringe Beeinflussung des Zentralnervensystems, visuelle Sinneseindrücke (Magnetophosphene) Stimulation von Nerven- und Muskelzellen gesundheitliche Beeinträchtigung Herzrhythmusstörungen, Herzkammerflimmern möglich, deutliche Gesundheitsgefährdung 22 11
Wirkungen niederfrequenter elektrischer und magnetischer Felder: - Reizung von Sinnesorganen, Nerven und Muskeln - Beeinflussung passiver Implantate (künstliche Gelenke, Schienen) durch influenzierte oder induzierte Körperströme, die sich an metallischen Teilen verdichten können - Funktionsstörung aktiver Implantate (Herzschrittmacher, Neurostimulatoren) durch induzierte Körperströme niederfrequente elektrische Felder Oberflächeneffekte wie Haarvibrationen oder Oberflächenreizung (Kribbeln) 23 Statische Magnetfelder üben Kräfte auf elektrisch geladene Teilchen im Körper aus, wenn diese in Bewegung sind Wirkungen: - starke Magnetfelder können den Blutfluss in großen Arterien geringfügig verlangsamen - Schwindel, Übelkeit, metallischer Geschmack (schnelle Bewegung) - ferromagnetische Gegenstände können angezogen werden Projektil-Risiko - Kraftwirkung auf passive Implantate, die ferromagnetische Bestandteile enthalten - Funktionsstörung bei aktiven Implantaten durch induzierte Körperströme (wenn sich eine Person in einem statischen Magnetfeld bewegt) 24 12
Wirkung hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf den Menschen Ionen und polare Moleküle schwingen im Takt der Frequenz Wärme Energieabsorption abhängig von den Eigenschaften des Gewebes, der Intensität und Frequenz spezifische Absorptionsrate MHz 10-30 cm GHz wenige cm (SAR) maßgebend für die 10 GHz < 1mm biologische Wirkung Energie, die pro Kilogramm Körpergewicht in einer bestimmten Zeit aufgenommen wird, Einheit Watt pro Kilogramm, W/kg Wirkungen: - Erwärmung des Gewebes - Erwärmung eines passiven oder aktiven Implantats Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung: 25 Felder statische elektrische statische magnetische niederfrequente elektrische niederfrequente magnetische hochfrequente Unmittelbare Wirkung Oberflächeneffekte Entladungen (Körper - Gegenstand) geringfügige Verlangsamung des Blutflusses Reizung von Sinnesorganen, Nerven und Muskeln Oberflächeneffekte (Kribbeln der Haut) Erwärmung des Gewebes Mittelbare Wirkung Entladungen (Gegenstand - Körper) Projektil- Risiko Kraftwirkung auf passive Implantate Funktionsstörung bei aktiven Implantaten Beeinflussung passiver Implantate Funktionsstörung aktiver Implantate Erwärmung der Implantate 26 13
nachgewiesene Wirkungen von elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern Expositionsgrenzwerte können nur gesicherte Wirkungen berücksichtigen 27 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Ljiljana Udovicic Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin Gruppe 2.2 Physikalische Faktoren 28 14