Elektromagnetische Felder

 

Elektromagnetische Felder sind aus unserem heutigen modernen Leben nicht mehr herauszudenken. Allein zur Versorgung mit Rundfunk- und Fernsehprogrammen werden in der Bundesrepublik Deutschland ca. 1000 Grundnetzsender mit Leistungen zwischen 100 und 1000 kW benötigt. Darüber hinaus gibt es ca. 10.000 lokale Füllsender mit Leistungen bis zu einigen 100 Watt. In diesem Zusammenhang nicht vergessen werden sollten Betriebsfunkstellen (Polizei, Feuerwehr, Rettungsdienste), ca. 10.000 Richtfunksender mit Leistungen bis zu mehreren 100 Watt, hochfrequente Anlagen in der Industrie (Trocknungs- und Schweißanlagen), in der Medizin (Diathermiegeräte), im Haushalt (Mikrowellenherde etc.) sowie Militär- und Flugsicherungsanlagen.

Man unterscheidet ionisierende (Röntgenstrahlung, ultraviolettes Licht und Kernstrahlung) von nichtionisierender Strahlung (sichtbares Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellenstrahlung und sonstige elektromagnetische Felder).

Wo entstehen elektromagnetische Felder im täglichen Leben (Beispiele)?

  • Bildsichtgeräte
  • U-Bahn- und Strassenbahnen (Gleichstrom)
  • Gleisanlagen (Gleich- bzw. Wechselstrom mit 16 2/3 Hz bzw. 50 Hz)
  • Sendeanlagen: 145 kHz – 110 MHz (LF, MF, HF, VHF), 144 MHz – 854 MHz (VHF, UHF, Fernsehen)
  • elektrische Feldstärke in 30 m Entfernung eines 75-kW-Sendemasten einer MF-Station wurde mit etwa 275 V/m gemessen.
    •  

    • Mobilfunk: analoge Zellularsysteme (150, 200, 450, 900 MHz) digitale Systeme (900 MHz GSM) DGS–1800–System (1800 MHz)
  • Belastung durch Felder von Handfunktelefonen normalerweise auf kleinere Körperbezirke beschränkt (Kopf und Hand)
  • Mobilfunkbasisstationen: normalerweise auf freistehenden Masten oder Gebäudedächern montiert.
  • Geradläufige Dipolreihen mit sehr geringer vertikaler Strahlbreite (Abwärtsneigung der Antennen unter 10°, so dass die Exposition der Bevölkerung durch die Hauptstrahlung bei Entfernungen von weniger als etwa 60 m in der Regel nicht möglich ist und die Expositionswerte in den meisten Fällen sehr gering sind).

    •  

    • Radar: 500 MHz bis etwa 15 GHz, mitunter auch bis 100 GHz.
      Gepulste elektromagnetische Felder mit Querschnittsleistungen mehrere Größenordnungen unter den Maxima (im Meterbereich des Drehkreises meist mittlere Leistungsdichte der Hochleistungssysteme von unter 10 W/m2).

    Bei den im täglichen Leben entstehenden elektromagnetischen Feldern unterscheiden wir statische, nieder- und hochfrequente Felder:

    Frequenzbereich

    Anwendungen (privater, medizinischer, gewerblicher Art)

    Statische Felder (0 Hz)

    • Magnetfeld der Erde
    • Permanentmagnete (wie z.B. der Hufeisenmagnet)
    • Magnetresonanztomographie (Medizin)
    • Elektrolyse

    Niederfrequente Felder (bis 30 kHz)

    • Energieversorgung (50 Hz)
    • Bahnstrom (16 2/3 Hz)
    • Therapeutische Anwendung in der Medizin
    • Elektrische Geräte mit Netzstromversorgung

    Hochfrequente Felder (300 MHz – 300 GHz)

    • Induktionsverfahren (Erwärmen, Schweissen, Härten)
    • Rundfunk
    • Medizinische Anwendungen
    • Mobilfunk
    • Mikrowellengeräte
    • Radar
    • Navigation

    Akute Wirkung durch eine Exposition gegenüber elektromagnetischen Feldern (EMF) sind recht gut dokumentiert, langfristige gesundheitliche Wirkungen (Krebs?) werden zur Zeit noch sehr kontrovers diskutiert.

    In Ihrer Ausbreitung unterscheiden sich niederfrequente und hochfrequente Felder: während niederfrequente Felder an ihre Quelle gebunden bleiben, lösen sich hochfrequente Felder vom Ort ihrer Entstehung und breiten sich als elektromagnetische Strahlung im Raum aus (z.B. Radio- und Fernsehübertragung).

    Wirkungsmechanismen

    Elektrische Felder entstehen immer durch Trennung positiver und negativer Ladungen, durch die eine sogenannte Potentialdiffenz aufgebaut wird. Die Potentialdifferenz entspricht der elektrischen Spannung.

    Wird zwischen die positiven und negativen Ladungen ein Körper gebracht, wirkt auf diesen eine Kraft ein, die sogenannte elektrische Feldstärke E [V/m]. Das elektrische Feld ist umso stärker, je höher die Spannung (V) ist und je näher sich ein Körper an dieser Spannung befindet (m).

    Bei Bewegen der positiven und negativen Ladungen – d. h. beim Fliessen des elektrischen Stromes – entsteht zusätzlich ein magnetisches Feld, das als magnetische Feldstärke H [A/m] definiert wird und ein Mass für die Stärke der magnetischen Kraftwirkung darstellt. Zur Beschreibung von Magnetfeldern kann auch die magnetische Flussdichte B [T] verwendet werden. Zwischen magnetischer Feldstärke H und magnetischer Flussdichte B besteht ein Zusammenhang: Über den Vervielfachungsfaktor "Permeabilitätszahl" stehen beide Grössen im Verhältnis zueinander. Die Permeabilitätszahl µr beträgt für biologisches Gewebe 1, so dass sich in Verbindung mit µ0 ein Wert der magnetischen Flussdichte von 1,257 µT bei einer magnetischen Feldstärke von 1A/m ergibt.

    Zwischen dem menschlichen Körper und den elektromagnetischen Feldern kommt es zu Kopplungsmechanismen, die bei Kopplung

       

    • an elektrische statische oder niederfrequente EMF zu wahrnehmbaren Oberflächenentladungen führen (elektrischer "Funkenschlag", z. B. beim Aussteigen aus dem Auto).
    •  

    • an statische Magnetfelder elektrischen Strom und elektrische Spannungen in Blutgefässen induzieren (magnetische Induktion)
    •  

    • an niederfrequente elektrische Felder zu einem elektrischen Strom, zur Polarisierung gebundener Ladung (Bildung elektrischer Dipole) und zur Umorientierung bereits im Gewebe vorhandener elektrischer Dipole führen
    •  

    • elektromagnetischer Felder an vom Menschen getragenen medizinischen Geräten zu der Funktionsbeeinträchtigung führen können.
    •  

    • durch Energieabsorption bei EMF mit Frequenzen über etwa 100 KHz zu einer nicht unerheblichen Aufwärmung führen.

     

    Zum Auslösen biologischer Wirkungen müssen in der Regel gewisse Schwellenwerte überschritten werden.

    Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung in wasserreiche Gewebearten (der Mensch besteht zu ca. 70 bis 80% aus Wasser) ist stark frequenzabhängig. Einige Beispiele mögen dies verdeutlichen:

     

    Frequenz

    Eindringtiefe

    30 MHz

    etwa 10 cm

    1 GHz.

    etwa 1 cm

    <10 GHz

    einige mm oder kleiner
    (Wirkung dieser hochfrequenten Mikrowellen vergleichbar mit der von Infrarotstrahlung)

    • Wirkungen statischer Felder: derzeit keine schädlichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit erkennbar. Langfristige Exposition durch Magnetflußdichte von 200 mT dürfte keine schädliche Folge für die Gesundheit haben.
    • Wirkungen zeitvariabler Felder < 100 kHz :
     
    • wurden u. a. funktionelle Änderungen im Nervengewebe bei höheren Werten von induzierter Stromdichte (10 – 100 mA/m2) beobachtet.

    • Auftreten visueller Phosphene (schwaches visuelles Flimmern) bei 10 mA/m2 bis 1 kHz
     
    • geringe Reduktion der Herzfrequenz während der Einwirkung EMF
     
    • derzeit kein überzeugender Beweis für karzinogene/reproduktive Wirkungen
    • Wirkungen von Feldern zwischen 100 kHz und 300 GHz
     
    • Gepulste oder amplitudenmodulierte EMF ausreichender Intensität: u. a. Mikrowellen-Hör-Phänome (thermoakustische Effekte).
     
    • Schlag- und Verbrennungseffekte bei Berührung metallischer Gegenstände im elektromagnetischen Feld.
     

    Schwellenwerte für Kontaktstrom (Frequenzbereich 100 kHz bis 110 MHz):

       
     

    Wahrnehmung

    Schmerz

    Schwere Verbrennung

    25 – 40 mA

    30 – 55 mA

    > 50 mA

     
       
     

    Aufgrund von Ladungsverschiebungen auf zellulärer Ebene bilden sich Dipole. In Abhängigkeit der Zelldurchmesser wurde daher ein Schwellenwert von 10 V/m für die elektrische Feldstärke im Gewebe festgelegt.

    Weiter beschrieben wurden Spannungsdifferenzen an Zellmembranen (bei einer Gewebefeldstärke von 100 V/m können über der Zellmembran Potentialdifferenzen in der Größenordnung von einigen mV entstehen, die sich dem normalen Potential der Zelle von 20 bis 60 mV überlagern). Bei Frequenzen oberhalb von 1 bis 10 MHz wird die Zellmembran aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften kapazitiv überbrückt, die felderzeugten Potenialdifferenzen sind oberhalb von etwa 100 MHz vernachlässigbar klein.

     
    • Erhöhung der Körpertemperatur um weniger als 1°C bei einer Ganzkörper-Absorptionsrate (SAR) von 1 bis 4 W/kg; über 4 W/kg schädliche Gewebeerwärmung möglich.

      Daher berufliche Expositionsbeschränkung von 0,4 W/kg.
     

    Die Absorption im ganzen Körper oder in einzelnen Körperteilen ist stark frequenzabhängig und umfaßt drei typische Bereiche:

    • einen Resonanzbereich (Maximum der Energieabsorption, beim Erwachsenen etwa 70 bis 100 MHz)
    • stark frequenzabhängiger Bereich für Frequenzen unterhalb des Resonanzbereiches
    • wenig frequenzabhängiger Bereich oberhalb des Resonanzbereiches (mit zunehmenden Frequenzen erfolgt jedoch eine Absorption immer mehr an der Körperoberfläche)
    •  

    • Beschrieben wurde die Aktivierung von Thermoregulationsmechanismen, Beeinträchtigung des Stoffwechsels oder des Nervensystems, Verhaltensänderungen, aber auch degenerative Wirkungen (z. B. grauer Star). Diese Wirkungen wurden größtenteils an Tieren untersucht. Es ist davon auszugehen, dass ähnliche Effekte auch am Menschen auftreten können, wenn die Exposition (spezifische Absorptionsrate) von vergleichbarer Größenordnung ist. Die Erwärmung des Gewebes durch Hochfrequenzstrahlung führte zu den derzeit gültigen Grenzwertempfehlungen.
     
    • "Hot spots" in den Frequenzbereichen von 300 MHz bis 2 GHz durch lokal überhöhte Energieabsorptionen. Die Größe dieser "hot spots" ist frequenzabhängig (einige cm bei 915 MHz bis 1 cm bei 3 GHz).

    Rechtsvorschriften der Gemeinschaft für Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz

    • Arbeit an Bildschirmgeräten 90/270/EWG
    • Massnahmen zur Verbesserung der Gesundheit und Sicherheit bei der Arbeit von schwangeren Frauen 92/85/EWG

    Eine Mindestvorschrift zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen wurde 1993 vorgelegt, ist aber derzeit noch nicht verabschiedet.

    Rechtsvorschriften in Deutschland

    • Berufsgenossenschaftliche Verordnung B11 (BGV B11)
    • DIN VDE 0848

    International werden von der IRPA Empfehlungen für Grenzwertfestlegungen für die Allgemeinbevölkerung ausgesprochen. Aus den folgenden Tabellen können einige Leistungsdaten von Erzeugern hochfrequenter EMF entnommen werden:

    Typische-Werte der Exposition durch hochfrequente elektromagnetische Felder in Wohnungen und Umgebung

    Quelle

    Frequenz

    Abstand

    Typische Werte für die Exposition

    Genzwerte (Allgemeinheit)

    Bemerkungen

    Mikrowellen-Kochgerät

    2,45 GHz

    0,3 m
    0,5 m
    1,0 m

    < 10 W/m2
    < 5 W/m2
    < 1 W/m2

    DIN VDE: 10 W/m2
    IRPA 88:10 W/m2

    Worst Case angenommen, d. h.: 50 W/m2 in 5 cm Abstand ist erreicht

    Verkehrsradar

    9-35 GHZ

    3 m
    10 m

    <250 mW/m2
    < 10 mW/m2

    DIN VDE: 10 W/m2
    IRPA 88: 10 W/m2

    Leistung
    0,5-100 mW

    Diebstahl-Sicherungs-Systeme

    0,9 –10 GHz

     

    < 2mW/m2

    DIN VDE: 5 – 10 W/m2

    im Nutzstrahl

    CB-Funk, Walkie-Talkies

    27 MHz

    5 cm
    12 cm

    bis 1000 V/m
    bis 200 V/m

    DIN VDE:27,5 V/m
    IRPA 88: 27,5 V/m

    Leistung wenige Watt

    Starke Rundfunk- u. Fernsehsender, UKW, VHF-TV

    88-108 MHz
    54- 88 MHz
    174-216 MHz

    ~ 1,5 km
    ~ 1,5 km

    < 50 mW/m2
    < 20 mW/m2

    DIN VDE: 2 W/m2

    IRPA 88: 2 W/m2

    Leistung bis 100 kW
    100-300 kW

    UHF-TV

    470-890 MHz

    ~ 1,5 km

    < 5 m W/m2

    DIN VDE: 2 – 4 W/m2
    IRPA 88: 2 – 4 W/m2

    bis 5 MW

    Kurzwelle

    6 –10 MHz

    220 m
    50 m

    27,5 V/m
    121 V/m

    DIN VDE: 27,5-45 V/m
    IRPA 88: 27,5-36 V/m

    Leistung 750 KW

    Mittelwelle

    1,4 MHz

    300 m
    50 m

    90 V/m
    450 V/m

    DIN VDE: 200 V/m
    IRPA 88: 73,5 V/m

    Leistung 1,8 MW

    HF-Belastung in Ballungsgebieten

    Rundfunk- und Fernsehsender

     

    100 - 400 mW/m2

    DIN VDE: 2 – 4 W/m2
    IRPA 88: 2 – 4 W/m2

    An einigen Orten in Großstädten der Bundesrepublik Deutschland (1985)

    Flugüberwachungs- und Militärradar

    1 – 10 GHz

    0,1 – 1 km

    > 1 km

    0,1–10 W/m2

    < 0,5 W/m2

    DIN VDE: 5 – 10 W/m2

    IRPA 88: 5 – 10 W/m2

    Leistung
    0,2 – 20 kW

    Expositionen durch hochfrequente elektromagnetische Felder bei medizinischen Anwendungen

    Quelle

    Frequenz
    [MHz]

    Abstand
    [m]

    Exposition

    Grenzwerte

    (berufliche

    Exposition)

    Bemerkungen

    Kurzwellendiathermie

    27,12

    27,12

    27,12

    0,2

    1,0

    Bis 1000 V/m

    bis 140 V/m

    100-1000 V/m

    DIN VDE: 61 V/m

    IRPA 88: 61 V/m

    entfällt

    Behandlungspersonal


    Patient, unbehandelte Körperstellen

    Mikrowellen-Erwärmung

    433


    2450


    433

    0,5
    1

    0,3 -3

    25 W/m2
    10 W/m2

    6 – 100 W/m2


    20-140 W/m2

    DIN VDE: 11 W/m2
    IRPA 88: 11 W/m2

    DIN VDE: 50 W/m2
    IRPA 88: 50 W/m2

    (entfällt)

    Behandlungspersonal




    Hyperthermiebehandlung von Patienten, unbehandelte Körperstellen

    Magnetische Resonanz

    6 – 100

    im Gerät

    bis 1 W/kg

    (entfällt)

    Patient, gemittelt über den ganzen Körper

    Typische Expositionswerte durch elektromagnetische Felder, die an Arbeitsplätzen auftreten können. Der Vergleich mit den Grenzwerten zeigt, dass in vielen Fällen durch Messungen die Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen geprüft werden muss.

    Quelle

    Frequenz

    [MHz]

    Exposition

    Grenzwerte (berufliche Exposition).

    Bemerkungen

    Induktives Löten

    300 – 600 kHz

    Bis 1000 V/m

    DIN VDE: 1000-1500 V/m
    IRPA 88: 614 V/m

     

    Dielektrische Erwärmung

    27,12 MHz

    Bis 1000 V/m

    DIN VDE: 61,4 V/m
    IRPA 88: 61 V/m

    Leistungen bis 2000 kW

    Nachrichten-Übertragung

    UKW- und Fernsehsender Sender-Generatoren

    2000 W/m2

    bis 2000 W/m
    2

    DIN VDE: 10 W/m2

    IRPA 88: 10 W/m2

    Unmittelbar an Antenne bzw. Generator

    Expositionsbereich 1: Bereich, der kontrollierte Bereiche sowie Bereiche umfasst, in denen aufgrund der Betriebsweise oder aufgrund der Aufenthaltsdauer sichergestellt ist, dass eine Exposition oberhalb der zulässigen Werte von Expositionsbereich 2 nur vorübergehend erfolgt.

    Expositionsbereich 2: Bereich, der alle Bereiche eines Unternehmens umfasst, sofern sie nicht dem Expositionsbereich 1, dem Bereich erhöhter Exposition oder dem Gefahrenbereich (Expositionsbereich, Bereich erhöhter Exposition, Gefahrberieich) zuzuordnen sind.

    Bereich erhöhter Exposition: kontrollierter Bereich, in dem die Werte des Expositionsbereiches 1 überschritten werden.

    Gefahrbereich: kontrollierter Bereich, in dem die Werte für Bereiche erhöhter Exposition überschritten werden.

    Die Einhaltung der abgeleiteten Werte gewährleistet nicht zwangsläufig die Sicherheit von Trägern aktiver elektronischer Körperhilfsmittel.

    Expositionsbereich 2

    Frequenz f /MHz

    Elektr. Feldstärke Eeff [V/m]

    Magn. Feldstärke Heff [A/m]

    Mittelwert Leistungsflussdichte [W/m2]

    0,091 – 0,14

    333,3

    16,8

    (-)

    0,14 – 0,826

    333,3

    2,35 / f

    (-)

    0,826 – 10

    275 / f

    2,35 / f

    (-)

    10 – 30

    27,5

    2,35 / f

    (-)

    30 – 400

    27,5

    0,073

    2

    400 – 2000

    1,375 * √f

    3,64 * √f * 10-3

    f/ 200

    2000 – 300.000

    61,5

    0,163

    10

    Werte Expositionsbereich 2 bei Expositionszeiten ³ 6 min

     

    Expositionsbereich 1

    Frequenz f /MHz

    Elektr. Feldstärke Eeff [V/m]

    Magn. Feldstärke Heff [A/m]

    Mittelwert Leistungsflussdichte [W/m2]

    0,091 – 0,576

    1066

    4,9 / f

    (-)

    0,576 - 10

    614 / f

    4,9 / f

    (-)

    10 – 30

    61,4

    4,9 / f

    (-)

    30 – 400

    61,4

    0,163

    10

    400 – 2000

    3,07 * √f

    8,14 * √f * 10-3

    f / 40

    2000 – 300.000

    137,3

    0,364

    50

    Werte Expositionsbereich 1 bei Expositionszeiten ³ 6 min

     

    Bereich höherer Exposition

    Frequenz f /MHz

    Elektr. Feldstärke Eeff [V/m]

    Magn. Feldstärke Heff [A/m]

    Mittelwert Leistungsflussdichte [W/m2]

    1 - 10

    2,26 * 106 / f2

    143 / f2

    (-)

    10 – 30

    22,6 * 103

    143 / f2

    (-)

    30 – 400

    22,6 * 103

    0,16

    60

    400 – 2000

    56,5 * f

    0,4 * 10-3 * f

    0,15 * f

    2000 – 300.000

    113 * 103

    0,8

    300

    Werte im Bereich höherer Exposition bei Expositionszeiten < 6 min

     

    Bereich höherer Exposition

    Frequenz f /MHz

    Elektr. Feldstärke Eeff [V/m]

    Magn. Feldstärke Heff [A/m]

    Mittelwert Leistungsflussdichte [W/m2]

    0,091 – 0,1

    2222

    10 / f

    (-)

    0,1 – 0,2

    22222 * f

    10 / f

    (-)

    0,2 – 0,3

    22222 * f

    50

    (-)

    0,3 - 3

    6667

    50

    (-)

    3 - 10

    20.000 / f

    150 / f

    (-)

    10 – 30

    2000

    150 / f

    (-)

    30 – 400

    2000

    5

    10.000

    400 – 2000

    100 * √f

    0,25 * √f

    25 * f

    2000 – 300.000

    4472

    11,2

    50.000

    Spitzenwerte im Bereich höherer Exposition bei Expositionszeiten < 6 min

    Ausblick

    Der bereits oben erwähnte Vorschlag der Mindestvorschrift zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen sieht folgendes vor:

    Grundbeschränkungen:

    direkt auf nachgewiesenen Gesundheitswirkungen und auf biologischen Erwägungen beruhende Beschränkungen der Exposition durch zeitvariable, magnetische und elektromagnetische Felder.

    Referenzwerte:

    dienen der praktischen Expositionsbewertung zur Entscheidung der Frage, ob die Grundbeschränkungen überschritten werden können.

    Die folgende Tabelle gibt die Werte für die Allgemeinbevölkerung nach IRPA 4/98 wieder:

    Grundbeschränkungen für elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder (0 Hz – 300 GHz).

    Frequenzbereich

    Magnet.

    Fluß-

    Dichte

    [mT]

    Stromdichte

    [mA/m2]

    [rms]

    Mittlere Ganzkörper SAR

    [W/kg]

    Örtliche SAR (Kopf und Rumpf)

    [W/kg]

    Örtliche SAR

    (Extremitäten)

    [W7kg]

    Leistungsdichte

    S

    [W/m2]

    0 Hz

    >0-1 Hz

    1-4 Hz

    4-1000 Hz

    1000 Hz-100kHz

    100 kHz-10 MHz

    10 MHz-10 GHz

    10-300 GHz

    40

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    8

    8/f

    2

    f/500

    f/500

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    0,08

    0,08

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    2

    2

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    4

    4

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    10

    f ist die Frequenz in Hz

    Bei gepulsten Expositionen im Frequenzbereich 0,3 bis 10 GHz und bei lokalisierten Expositionen des Kopfes wird zur Begrenzung bzw. Vermeidung auditiver Effekte durch thermoelastische Dehnung als zusätzliche Grundbeschränkungen empfohlen, dass die über 10g Gewebe gemittelte spezifische Energieabsorption 2 mJ/kg nicht überschreitet.

    Literatur

    1. Schmid, Dr. Heinz: Elektromagnetische Felder, Teil 1, DIE BG, Februar 2002
    2. Ausführliche Frequenznutzungspläne (Amateurfunk, Mobilfunk etc.) - Link mit freundlicher Genehmigung der AAronia AG