EMF - Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen
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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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 1 Elektrisches Feld • wird durch die elektrische Feldstärke E charakterisiert → beschreibt die Fähigkeit des Feldes, Kraft auf eine positive Ladung q auszuüben q + • E → Einheit Volt pro Meter (V/m) E • Äquipotentiallinien → Punkte gleichen elektrischen Potentials - senkrecht zu den elektrischen Feldlinien • Potenzialdifferenz zwischen zwei Äquipotentiallinien ist die elektrische Spannung F=q·E 3 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen Magnetisches Feld B v q F + F = q ⋅ (v x B) B = µ·H H - magnetische Feldstärke, Einheit: Ampere pro Meter (A/m) µ - Permeabilität • 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) 6 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 3 Statische Felder → elektrische und magnetische Feldgrößen sind zeitlich konstant Zeitlich verä veränderliche Felder → haben keinen konstanten Wert (Feldgrößen ändern sich zeitlich) → besondere Form - periodisch veränderliche Felder E Zeit EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 7 Periodisch verä veränderliche Felder → Beispiel: eine sinusförmige Wechselspannung U verursacht eine sinusförmige Änderung der elektrischen Feldstärke E E Maximalwert, Spitzenwert (Peak-Wert) E Effektivwert (RMS-Wert) Eeff Zeit t E = √2 ⋅ Eeff 1 → T Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, Einheit Hertz (Hz) Frequenz f= Periodendauer T 8 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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 ODER • eine Bewegung in einem statischen, aber räumlich inhomogenen Magnetfeld → führt ebenfalls zur Induktion der Wirbelströme in einem Körper 9 I (t) E(t) B(t) Elektromagnetische Induktion → das Entstehen eines elektrischen Feldes durch Änderung der magnetischen Flussdichte B EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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/r2 → Überlagerung zweier Leiter 1/r3 → eine Zylinderspule Entfernung in relativen Einheiten 10 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 6 Ionisierende Strahlung besitzt ausreichende Energie, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen (Ionisation) optische Strahlung elektromagnetische Felder (EMF) 13 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen Wellenlänge UMTS-Netz Diathermie Rundfunksender – Mittelwelle Artikelsicherungsanlagen 14 Nichtionisierende Strahlung Frequenz Energie / eV 91 nm 3 290 THz 13,6 100 nm 3 000 THz 12,4 253 nm 1 185 THz 4,9 780 nm 385 THz 1,6 1 mm 300 GHz 0,001 15 cm 2 GHz 8⋅10-6 11 m 27 MHz 1⋅10-7 360 m 830 kHz 3⋅10-9 2 270 m 132 kHz 5⋅10-10 ionisierende Strahlung optische Strahlung elektromagnetische Felder Tera – 1012 Giga – 109 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 7 Elektromagnetische Felder Frequenzbereiche Frequenzbereich Bezeichnung Statische elektrische und magnetische Felder 0 Hz Niederfrequente elektrische und magnetische Felder bis 30 kHz Übergangsbereich 30 kHz – 100 kHz 30 kHz bis 300 GHz 15 Hochfrequente elektromagnetische Felder EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen • Leistungsdichte S → das Maß für die Stärke eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes mit f > 10 GHz → - Strahlungsleistung pro Flächeneinheit -S∝E⋅B Feldgrößen in % - Einheit: Watt pro Quadratmeter, W/m² E und B (Abnahme 1/r) S (Abnahme 1/r2) • Leistungsdichte S nimmt mit zunehmendem Abstand rasch ab • Abschirmung durch leitfähige Materialien Entfernung von der Quelle in relativen Einheiten 16 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 8 Wirkungen auf den Menschen 17 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen • 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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 9 Wirkung elektrischer und magnetischer Felder auf den Menschen Statische elektrische Felder • 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 - transiente Entladungen und Kontaktströme (entweder ist der Körper oder ein Gegenstand elektrisch aufgeladen) 19 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 10 Niederfrequente magnetische Felder Magnetfeld • 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/m2) Körperströme 21 • Stromdichte J ↔ interne elektrische Feldstärke Ei → entscheidend für die biologische Reaktionen im Körper EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen • 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/m2 1 - 10 10 - 100 100 - 1000 > 1000 22 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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 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 Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung: MHz → 10 - 30 cm GHz → wenige cm 10 GHz → < 1mm • spezifische Absorptionsrate (SAR) maßgebend für die 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 25 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen Felder statische elektrische Unmittelbare Wirkung Oberflächeneffekte Entladungen (Körper Gegenstand) Mittelbare Wirkung Entladungen (Gegenstand - Körper) Projektil- Risiko statische magnetische 26 geringfügige Verlangsamung des Blutflusses niederfrequente elektrische Reizung von Sinnesorganen, Nerven und Muskeln niederfrequente magnetische Oberflächeneffekte (Kribbeln der Haut) hochfrequente Erwärmung des Gewebes Kraftwirkung auf passive Implantate Funktionsstörung bei aktiven Implantaten Beeinflussung passiver Implantate Funktionsstörung aktiver Implantate Erwärmung der Implantate EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 13 • nachgewiesene Wirkungen von elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern → Expositionsgrenzwerte können nur gesicherte Wirkungen berücksichtigen 27 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Ljiljana Udovicic Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin Gruppe 2.2 „Physikalische Faktoren“ 28 EMF – Physikalische Grundlagen, Wirkungen auf den Menschen 14
