Elektromagnetische Welle

Ab einer Frequenz von ca. 30 kHz kann sich ein elektro- magnetisches Feld ausbilden. Vereinfacht ausgedrückt, wenn wir die Frequenz unseres Stromes in der Leitung stetig erhöhen, wird sich irgendwann eine elektromagnetische Welle bilden, die das Kabel (in diesem Fall dann die Antenne) verlässt. Diese Grenze ist weniger eine physikalische Grenze sondern eher eine technische mechanische Problematik. Ab einer Frequenz von 30 kHz werden das elektrische und magnetische Feld gekoppelt als elektromagnetische Welle betrachtet.

Mobilfunkantennen
WLAN und Bluetooth

Elektromagnetisches Feld

Das elektrische Feld ist jetzt zum 90 Grad versetzt untrennbar mit dem magnetischen Feld verbunden (sozusagen „verklebt“). E-Feld und H-Feld sind gekoppelt, die Schwingung erfolgt senkrecht und waagrecht versetzt zur Ausbreitungsrichtung. Es ist ein neues Feld entstanden, das als solches völlig eigenständig betrachtet werden muss. Es gehorcht anderen physikalischen Gesetzen als das elektrische und magnetische Feld alleine betrachtet. Es löst sich als elektromagnetisches Feld von der Leitung bzw. von der Antenne ab, das sich als Energie frei im Raum ausbreitet..

Diesen Effekt der Ablösung des Feldes von der Quelle macht man sich dann heutzutage technisch zu Nutze, in dem man dieser abgestrahlten Energie eine Information mitgibt (bzw. aufmoduliert). Das sind dann unsere klassischen Funkanwendungen. Ob sich das Feld von der Quelle löst oder nicht, das hängt hauptsächlich von der Leitung bzw. Antenne ab. Damit sich das elektromagnetische Feld von der Antenne ablösen kann, muss die mechanische Länge der Antenne mindestens λ/4 betragen. Das Zeichen λ ist das griechische Lambda, damit wird die Wellenlänge angegeben. Somit kommen wir zu einem zweiten Einflussfaktor, der die elektromagnetische Welle beschreibt – der Wellenlänge. Die Wellenlänge ist direkt von der Frequenz abhängig, je höher die Frequenz ist, desto kleiner ist die Wellenlänge. Sie können sich die Wellenlänge auch analog einer Wasserwelle vorstellen. Je nachdem wie oft und was für einen Stein man ins Wasser wirft, entstehen Wellenberge und –Täler. Der Abstand von Wellenberg zu Wellenberg entspricht der Wellenlänge. Die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes berechnet sich nach folgender Formel: λ = c / f. c ist die konstante Lichtgeschwindigkeit in m/s (ca. 300.000 km/s). f ist die Frequenz in 1/s. Da c eine Konstante ist, wird die Wellenlänge immer kleiner je höher die Frequenz wird.
Beispiele für Frequenznutzungen: Es beginnt bei 0 Hz mit den statischen Feldern, bei 16 2/3 Hz arbeitet die Bahn und irgendwo zwischen 50 Hz bis 250 kHz (400 kHz) liegen die Geräte unserer Hausinstallation. Für diese Anwendungen  betrachten wir das elektrische und magnetische Wechselfeld noch getrennt. Ab ca. 30 kHz jedoch kann sich theoretisch ein elektromagnetisches Feld bilden. Technisch als Funkanwendung genutzt wird die elektromagnetische Welle aber erst ab ca. 150 kHz (Langwelle) bis 108 MHz (UKW-Rundfunkempfang). UKW steht übrigens für Ultrakurzwelle im Gegensatz zum Kurzwellenradio, das zwischen 3 und 25 MHz lag. CB-Funk liegt bei 27 MHz. Zwischen 900 MHz und 2,4 GHz arbeitet das Mobilfunknetz, UMTS, sowie schnurlose Telefone und WLANs. Für die nähere Zukunft sind weitere Frequenzen für diese Dienste vergeben worden, die dann im Bereich zwischen 2,5 GHz und 6 GHz liegen werden. Im Bereich bis 10 GHz arbeitet der Satellitenfunk (Astra usw.), Richtfunkstrecken und Radaranlagen. Wenn wir im Frequenzspektrum dann noch weiter nach oben gehen, kommen wir in den Bereich einer natürlichen elektromagnetischen Welle, dem für uns sichtbaren Licht. Nur für diesen Frequenzbereich haben wir ein Sinnesorgan, mit dem wir dieses elektromagnetische Feld wahrnehmen können. Wir liegen beim sichtbaren Lichtspektrum bei einer Wellenlänge von 700 nm – 400 nm. Bei unserer Arbeit beschäftigen wir uns überwiegend mit Frequenzen zwischen 800 MHz bis 6 GHz. In diesem Frequenzbereich liegen überwiegend die Funkdienste, die für uns elektrobiologisch relevant sind.
Bei der Belastung der elektromagnetischen Welle auf den menschlichen Organismus sprechen wir von sogenannten thermischen Effekten und athermischen (biologischen) Effekten. Die elektromagnetische Strahlung dringt zum Teil in den Körper ein. Sie wird dabei gedämpft. Der Körper absorbiert einen gewissen Teil der Energie und wandelt sie in Wärme um (thermischer Effekt). Die Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit ändern sich dabei. Ein Bruchteil der Welle durchdringt den Körper ganz und verlässt ihn dann in geänderter Form wieder.  Beispiele für athermische bzw. nicht-thermische Effekte werden sind unter Elektrobiologie aufgeführt.