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SENAK - FHL 2003
FACHHOCHSCHULE LAUSITZ
Fachbereich IEM-Elektrotechnik
Prof. Dr.-Ing. B.K. Glück
Elektrosmog - Theorie, Interpretation und Praxis
Gliederung
1.
Problemstellung
2.
Wirkung von elektromagnetischen Feldern
3.
Grenzwerte
4.
Schutzmaßnahmen
5.
Beispiele
6.
Diskussion / Zusammenfassung / Memo
7.
Literatur
Stand 12.05.2003
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1.
Problemstellung
Elektrosmog = Pseudonym; ursprünglich bezeichnet smog eine Mischung aus smok (Rauch)
und fog (Nebel), also mechanische Luftverschmutzung bzw. eine Schadstoffkonzentration (z.
B. Ruß, Abgase etc). Elektrosmog bezeichnet eine Verunreinigung bzw. Belastung der
Umwelt durch elektromagnetische Wellen.
Ziel soll es sein, reale Gefährdungen zu benennen, die Grenzwerte einzuschätzen und
persönliche Schlußfolgerungen abzuleiten
Im weiteren soll die Wirkung elektrische, magnetischer und elektromagnetischer Felder
betrachtet werden. Vom Ansatz der Beeinflussung durch elektrische Phänomene auf
Körperfunktionen betrachtet, ergeben z. B. durch verschiedene Metallimplantate erzeugte
elektrochemische bzw. galvanische Elemente ebenfalls Anlaß zu fachlichen Diskussionen.
Bild 1: Profil des magnetischen Feldes in einem typischen Wohnraum [6].
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2.
Wirkung elektromagnetischer Felder
2.1. Wirkung des elektrischen Feldes
Das elektrische Feld ist eine vektorielle Größe und wird durch seine Feldstärke
→
dw
E = −gradw = − dx ; eindim.: E =
U
d
[ mV , mV
cm ]angegeben.
Ursache des elektrischen Feldes sind Ladungen unterschiedlicher Polarität.
Das Potential w ist eine skalare Größe, hat also nur einen Betrag. Dies gilt auch für die
Potentialdifferenz, also die Spannung U zwischen zwei Punkten.
Y
E
+Q
-Q
X
s
File:e1feld.cdr
Bild 2: Elektrisches Feld zwischen zwei gleich großen Ladungen mit unterschiedlichem
Vorzeichen. Vervollständigen Sie das Bild. Woher kommen die Feldlinien einer Punktladung?
Die elektrische Flußdichte, welche das Dielektrikum e des Werkstoffes berücksichtigt, ist
→
→
D = e 0 e r E [ mAs2 =
As V
Vm m ]
Die mit der Ladung Q wirkende Kraft F ist ebenfalls vektoriell und beträgt:
→ →
F = E Q [N =
VAs
m
=
V
m As]
Elektrische Felder verursachen eine Polarisierung oder Umladung von Oberflächen bzw. von
ionisierbaren Werkstoffen (Anwendung LCD). Im Extremfall der Feldstärke erfolgt Emission
von Ladungen mit nachfolgenden Überschlägen.
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2.2. Wirkung des magnetischen Feldes
Das magnetische Feld ist ein Resultat des Stromflusses I durch einen Leiter der Länge l. Es
baut sich radial im Abstand r Leiter, senkrecht zur Stromrichtung (Rechtehandregel) auf und
wird in seiner Feldstärke bzw. sinngemäß mit der magnetischen Erregung.
→
→
H = ° dH =
l
I
4o
°
l
1
r2
 d→
l %

→
r
r
 [ A ; mA ] angegeben.
 m cm
Y
H
r
I
X
File:m1feld.cdr
Bild 3: Magnetfeld als Ergebnis des Stromflusses (Gleichstrom) im Leiter. Wohin zeigt der
Strom? Wozu dient der Ortsvektor r?
Die magnetische Flußdichte = Induktion unter Berücksichtigung der Permeabilität µ ist
→
→
B = l 0 l r H [1Tesla =
Vs
m2
=
Vs A
Am m
= 10 4 G]
magnetische Felder wirken durch ihre Induktion, war bedeutet, daß der durch das magnetische
Feld im leitenden Körper (z. B. Lebewesen) erzeugte Strom zu wirken beginnt
(Muskelkontraktion, Wärme): Anwendung: Reizstrommassage u.a.
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2.3. Wirkung des elektromagnetischen Feldes
Das elektromagnetische Feld ist ein vektorielles Produkt aus elektrischem und magnetischen
Feld mit einer aus diesen Feldern resultierenden Ausbreitungsrichtung, dem Poyntingvektor S
und der dadurch ausgedrückten Leistungsdichte:
→ → →
→ →
S = E % H = E $ H $ sin a  E , H  [ mV mA =


VA
m2
=
W
m2 ]
Die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle S ist also jeweils senkrecht zum Eund zum H-Feld. Ebenso wirkt die in der elektromagnetischen Welle enthaltene Energie.
Y
E
n
H
E
X
Z
E
r
File:em1feld.cdr
Bild 4: Stromdurchflossener Leiter mit positivem Potential ( „+”-Ladung auf der Oberfläche).
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H
H(x)
S(x)
0
a/2
3a/2
2a
a
x
E(x)
E
File: v6poynting
Bild 5: Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in Form der Leistungsdichte, dem sog.
Poyntingvektor.
Fazit: Eine Elektromagnetische Welle hat resultierend drei Ausgangskomponenten
a) E-Feld
b) H-Feld
c) Richtung, gegeben durch Kreuzprodukt S = |(E x H)|sina
mit der Zusatzbedingung, daß die Feldveränderung = Schwingung mit der Frequenz f z.
B. sinusförmig, also im öffentlichen Stromnetz ist f = 50 Hz. Mit dieser Welle breitet sich
die aus dem Produkt von E- und H-Feld entstehende Energie im Raum ähnlich dem
Sonnenlicht aus.
Die gesundheitlichen Risiken elektromagnetischer Wellen nach ICNIRP (International
Commission on Non-Ionizing Radiation) bestehen in [1]:
Ÿ
Ÿ
Ÿ
Ÿ
Ÿ
Ÿ
Gewebeerwärmung durch HF-Absorbtion
Wirkung induzierter Ströme (f< 500 kHz)
Verbrennungen
Elektroschocks durch Berührungen von Leitern
Höreffekte
Krebsförderung / -entstehung durch Veränderung von Bestandteilen der Zelle / Gewebe
Medizinische Anwendungen von elektromagnetischen Wellen sind z. B. bei diathermischer
Behandlung (Diathermie) im Einsatz.
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3.
Grenzwerte
Grenzwerte in D sind sog. Vorsorgewerte, welche i. A. weit unterhalb von zulässigen
Werten einer möglichen Gefährdung liegen und betragen in Wohngebieten [1]:
a) 50 Hz: E < 5 kV/m; B < 100 µT; 16 2/2 Hz: E < 10 kV/m; B < 300µT [3]
b) für HF-Anwendungen
Effektivwert
Mittelwert
Frequenz [MHz]
E [V/m]
H [A/m]
S = E*H [W/m2]
30 - 400
900
1.600
2.450
2*10E3 ... 3*10E5
27,5
41,1
54,8
61,4
61,4
0,07
0,11
0,14
0,16
0,16
2
4,5
7,5
10
10
Basis der Vorsorgewerte in D ist die spezifische Absortionsrate bei Exposition in
em-Feldern von 0,08 W/kg, was einer relativen Erhöhung der Körpertemteratur um
0,02 °C infolge der Energiebasorbtion entspricht:
SAR =
absorbierte HF−Leistung
Körpermasse
[W/kg]
Der SAR-Grenzwert beträgt 2 W/kg, was bedeutet, daß ein Körper von 1 kg bei einer
Exposition von 2 W HF-Leistung in ca. 1 Stunde einen Temperaturzuwachs von 0,1 °C
annimmt. Dies wird als nicht zulässiger SAR-Wert bewertet [4].
im Vergleich:
a) Körperströme des Menschen / Mitmenschen ca. 1mA/m2 :
b) Reizschwellen des Menschen für Magnetfeld: > 50 mA/m2: optische Täuschungen
medizinisch belegt [2]. Die nervliche Reizschwelle liegt bei ca. > 800 mA /m2 [2]
c) Magnetfeld der Erde: 0,5 ... 0,7 G = 50 ... 70 µT = 50 ... 70 µA/m2 [5]
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4.
Schutzmaßnahmen
a) Einhaltung von notwendigen Abständen
b) Schirmung, Leistungsreduzierung
c) Prinzip der Verhältnismäßigkeit
d) Zugang / Exposition zu em-Feldern zeitlich und personell einschränken
5.
Beispiele
a) Mikrowelle: f = 2450 Mhz; Abstand s = 5 cm: S < 0,62 W/m2
s = 30 cm: S < 0,06 W/m2
Grenzwert: S < 50 W/m2 .
b) Mobilfunk: f = 890 - 960 MHz: für s = 3 cm: S < 2 W/m2
für s = 50 cm: S = 0,001 W/m2
Grenzwert: S < 4 W/m2 oder 2 W/kg
c) Netzkabel: f = 50 / 60 Hz: E < 10kV, B < 100 µT: S < 1W/m2
für s = 10 m: S = 10 mW/m2
Grenzwert: S < 1 W/m2
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6.
Zusammenfassung
Ruhende, statische elektrische Systeme erzeugen ein statisches elektrisches Feld, kein
Magnetfeld.
Ein Gleichstrom verursacht ein konstantes magnetisches Feld, gleichzeitig ein elektrisches
Strömungsfeld.
Ein Wechselstrom verursacht ein dynamisches elektromagnetisches Feld. Das
elektromagnetische Feld breitet sich senkrecht zu seinen zwei Erzeugerfeldern aus und
transportiert Energie in Form einer elektromagnetischen Welle. Damit strahlt jeder
stromdurchflossene Leiter elektromagnetische Energie ab.
Mit steigender Frequenz steigt der Energiegehalt der elektromagnetischen Welle.
Magnetische, elektrostatische und elektrodynamische Felder verursachen bei Überschreiten
von Schwellwerten Veränderungen in Körpern in Form von Wärme, Ionisation u.a..
Bei Überschreiten von Gefährdungswerten können z. T. irreversible
(Verbrennungen, Krebs, psychische Störungen u.a.) bei Lebewesen auftreten.
Schäden
Schwellwerte für den Menschen sind:
E-Feld: 1- 10 V/m (z. Z. diskutiert)
H-Feld: 1mA/m2
Vorsorgewerte müssen unterhalb der Sensibilität von wissenschaftlich gesicherten
Grenzwerten liegen und werden vom Gesetzgeber i.A. auf Grundlage von umfangreichen
Untersuchungen festgelegt.
Vorsorgewerte:
E-Feld: 10 kV/m
H-Feld: 100µT also praktisch gleich groß wie natürliches Magnetfeld
7.
Literatur
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
„IT-Handbuch”, Westermann-Verlag 2002.
Hosemann, G: Elektromagnetische Felder ..” VDE-Studie, 1996.
www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/ „Digitaler Umweltatlas”, Berlin 2003.
www.izmf.de/html.de/2114.html
Tipler: „Lehrbuch Physik”, Spektrum Verlag 1994.
Perry, T.S.: „Today’s view of magnetic fields”; IEEE Spectrum Dec. 1994, 14.
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