Elektrische Felder

Bereits in der Antike war bekannt, dass zwischen elektrisch geladenen Körpern anziehende bzw. abstoßende Kräfte wirken, ohne dass zwischen diesen Körpern eine sichtbare Verbindung besteht. Auch die Eigenschaft des natürlich vorkommenden Magneteisensteins, Körper aus Eisen anzuziehen, kennt man seit mindestens zweieinhalbtausend Jahren.

Zur wissenschaftlich Untersuchung und Erklärung dieser Erscheinungen hat man die Modelle des elektrischen und des magnetischen Feldes entwickelt. Für die Wahrnehmung solcher Felder besitzt der Mensch kein Sinnesorgan. Wir müssen uns daher mit Messgeräten und mit indirekten, über Experimente vermittelten Erfahrungen begnügen. Einen guten Teil ihrer Brisanz gewinnt die Diskussion um mögliche Auswirkungen elektrischer und magnetischer Felder gerade daraus, dass solche Felder unsichtbar, buchstäblich "unfassbar" sind.

In Physik und Technik wird der Begriff "Feld" generell dazu benutzt, Zustände und Wirkungen im Raum zu beschreiben. Elektrische Felder bestehen in der Umgebung aller elektrisch geladenen Körper. Werden unterschiedlich geladene Körper elektrisch leitend verbunden, so dass ein Strom fließt, tritt zusätzlich ein Magnetfeld auf. Elektrische und magnetische Felder kommen auch in der unberührten Natur vor. Selbst unser Nervensystem und die Muskeln werden elektrisch erregt.

Technisch erzeugte elektrische und magnetische Felder entstehen überall dort, wo elektrischer Strom übertragen und genutzt wird, wie bei Freileitungen und Kabeln beziehungsweise in Haushaltsgeräten, Industrie und Medizin.

Elektromagnetische Felder haben verschiedene Frequenzen und reichen von Gammastrahlen mit hohen Frequenzen und kurzen Wellenlängen über Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlung, das Spektrum des sichtbaren Lichtes, Infrarotstrahlen, Mikrowellen und Radiowellen bis zu niederfrequenten und langwelligen elektromagnetischen Feldern, die bei der öffentlichen Stromversorgung 50 Hz und bei der Bundesbahn 16 2/3 Hz betragen.

Ein wesentlicher Erklärungsansatz für die Entstehung und Wirkung solcher Felder findet sich in der Theorie über den Elektromagnetismus. Sie wurde im 19. Jahrhundert von James Clerk Maxwell entwickelt und in den so genannten maxwellschen Gleichungen dargestellt. Sie beschreiben die Tatsache, dass sich elektrische und magnetische Felder bei ihrer Veränderung gegenseitig erzeugen und untrennbar miteinander verknüpft sind.

Jede elektrische Ladung und damit jeder spannungsführende Leiter ist von einem elektrischen Feld umgeben, dessen Richtung und Stärke durch Feldlinien dargestellt werden können. Die elektrischen Feldlinien führen definitionsgemäß von einer positiven zu einer negativen Ladung. Dies ist der Weg, den eine frei bewegliche positive Ladung infolge der Kraftwirkung des Feldes einschlagen würde.

Die Stärke dieser Kraftwirkung wird durch die physikalische Größe "elektrische Feldstärke" - Formelzeichen: E - beschrieben. Sie ist umso größer, je dichter die Feldlinien verlaufen. Die Einheit der elektrischen Feldstärke ist ein Volt pro Meter bzw. ein Kilovolt pro Meter. Man unterscheidet zwischen homogenen und inhomogenen elektrischen Feldern. Bei einem inhomogenen elektrischen Feld nimmt die elektrische Feldstärke an unterschiedlichen Punkten verschiedene Werte an. So verringert sich beispielsweise die elektrische Feldstärke um einen elektrischen Leiter mit wachsendem Abstand. Beim homogenen elektrischen Feld ist die Feldstärke dagegen überall gleich.

Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts hat die vielfältige Nutzung elektrischer Energie elektrische Felder zu einem fast allgegenwärtigen Bestandteil unserer Umwelt gemacht. Technische Systeme verwenden zumeist Wechselspannung und Wechselströme, dabei ändern sich auch die dabei entstehenden Felder periodisch in Richtung und Stärke.
Das Innere eines elektrisch leitfähigen Körpers, der sich in einem elektrischen Feld befindet, ist feldfrei. So wird beim so genannten Faradaykäfig der Innenraum durch die leitfähige Umhüllung gegen ein elektrisches Feld abgeschirmt. Leitfähige Gegenstände, wie Bäume, Büsche und Gebäude, beeinflussen ebenfalls elektrische Felder. Die Leitfähigkeit der meisten Baustoffe ist ausreichend, um ein von außen wirkendes Feld im Inneren eines Gebäudes auf vernachlässigbar kleine Werte herabzusetzen.

Dies gilt auch für den Menschen, dessen Körperoberfläche (Haut) das Innere des Körpers von elektrischen Feldern abschirmt.

Elektrische Felder gibt es aber auch in der natürlichen Umgebung. An der Erdoberfläche existiert neben dem Erdmagnetfeld ein natürliches elektrisches Gleichfeld. Seine Stärke wird bestimmt durch die ionisierende Wirkung kosmischer Strahlung auf höheren Luftschichten (Ionosphäre) und durch Luftbewegungen in der Atmosphäre. Dieses Feld besteht also zwischen den Gegenpolen Ionosphäre und Erde und erreicht bei normalen Wetterbedingungen höchstens 0,5 kV/m. Unter einer Gewitterwolke über ebenem Gelände kann das natürliche Gleichfeld vor einer Blitzentladung bis auf 20 kV/m anwachsen. Über Bodenerhebungen oder an den Spitzen hoher Bäume oder Türme können sogar noch weit höhere Werte auftreten.

Eine weitere Leuchterscheinung kann an der Oberfläche der Leiterseile von Hochspannungsfreileitungen entstehen. Durch die hohen elektrischen Feldstärken um den Leiter werden elektrische Entladungen hervorgerufen, die eine Ionisation der Luft (Zerteilung von Luftmolekülen) bewirken. Man nennt dieses Phänomen Koronaeffekt. Die Geräusche (Knistern, Prasseln, Rauschen und in besonderen Fällen ein tiefes Brummen), die fallweise bei regnerischem Wetter oder Nebel in der Nähe von Hochspannungsfreileitungen zu hören sind, gehen darauf zurück.

Die durch die Ionisation erzeugten Ozonmengen sind außerordentlich gering. Bei einer 380-kV-Leitung kann 4 m vom Leiterseil entfernt keine Konzentrationserhöhung mehr gemessen werden. Es gilt als erwiesen, dass die von den Hochspannungsfreileitungen erzeugten Ozonmengen, gemessen an der natürlichen Schwankung des Ozongehaltes der Luft, ohne jede Bedeutung sind. Hinsichtlich des Geräuschpegels ist der Koronaeffekt bei Freileitungen bis 110 kV kaum feststellbar, bei höheren Spannungen können durch die Verwendung von Bündelleitern der Koronaeffekt und gleichzeitig auch das Geräusch (Knistern) reduziert werden.