Magnetische 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.

Hans Christian Ørsted (1777 bis 1851) entdeckte die magnetische Wirkung des fließenden Stroms. Michael Faraday (1791 bis 1867) erkannte die Bedeutung des magnetischen Wechselfeldes.

Das magnetische Feld umgibt jede bewegte elektrische Ladung, also jeden stromdurchflossenen Leiter. Die Feldstärke richtet sich nach dem Stromfluss I und der Entfernung r vom Leiter. Sie wird durch die magnetische Feldstärke H in Ampere pro Meter (A/m) angegeben. Üblicherweise wird aber die zu ihr in Luft proportionale magnetische Flussdichte B angegeben. Da die Einheit der Flussdichte 1 Tesla eine sehr große Einheit ist, wird meist von Milli- und Mikrotesla gesprochen, um magnetische Felder zu charakterisieren, also von Tausendsteln und Millionsteln dieser Einheit.

B = mo × H mo = Permeabilität des Vakuums

Mit H = 1 A/m ergibt sich B = 1,26 Mikrotesla

Magnetische Felder entstehen nicht nur um elektrische Leitungen und Geräte. Es gibt sie seit jeher auch in der natürlichen Umgebung. Das von der Kompasswirkung her bekannte Erdmagnetfeld und das bei Gewittern in Erscheinung tretende elektrische Feld sind die vielleicht augenfälligsten Beispiele für natürliche Felder, die seit jeher Bestandteil der Umwelt des Menschen sind. In ihren Eigenschaften unterscheiden sie sich allerdings von den meisten technischen Feldern.

Das Erdmagnetfeld ist ein nahezu konstantes Gleichfeld. Es ändert seine Stärke und Richtung nur geringfügig in Abhängigkeit von Ort, Tages- und Jahreszeit. In Mitteleuropa liegt seine durchschnittliche Feldstärke bei 36 A/m, entsprechend einer Flussdichte von 45 Mikrotesla.

Auch das "Polarlicht" bzw. "Südlicht" in den Nord- und Südzonen der Erde ist ein magnetisches Phänomen. Es ist eine Begleiterscheinung kosmischer Strahlung, deren elektrisch geladene Teilchen nur in den Zonen um die erdmagnetischen Pole in die Atmosphäre eindringen können und dort Atome und Moleküle durch Ionisation zum Eigenleuchten anregen. Bei starken Störungen des Erdmagnetfeldes durch so genannte magnetische Stürme lässt sich das Polarlicht bis in den Mittelmeerraum beobachten.