Die bekannteste Form elektromagnetischer Energie ist das Sonnenlicht. Die Frequenz des Sonnenlichts (sichtbares Licht) ist die Trennlinie zwischen der stärkeren, ionisierenden Strahlung (Röntgenstrahlen, kosmische Strahlung) bei höheren Frequenzen und der harmloseren, nicht-ionisierenden Strahlung bei niedrigeren Frequenzen. Es gibt ein Spektrum nichtionisierender Strahlung. Im Kontext dieses Kapitels ist Infrarotstrahlung am oberen Ende knapp unterhalb des sichtbaren Lichts. Darunter befindet sich der breite Bereich von Funkfrequenzen, der (in absteigender Reihenfolge) Mikrowellen, Mobilfunk, Fernsehen, FM-Radio und AM-Radio, Kurzwellen, die in dielektrischen und Induktionsheizgeräten verwendet werden, und am unteren Ende Felder mit Netzfrequenz umfasst. Das elektromagnetische Spektrum ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Das elektromagnetische Spektrum
So wie sichtbares Licht oder Schall unsere Umgebung, den Raum, in dem wir leben und arbeiten, durchdringt, so durchdringen auch die Energien elektromagnetischer Felder. Genauso wie der Großteil der Schallenergie, der wir ausgesetzt sind, durch menschliche Aktivitäten erzeugt wird, werden auch die elektromagnetischen Energien erzeugt: von den schwachen Pegeln, die von unseren alltäglichen Elektrogeräten ausgestrahlt werden – die unsere Radio- und Fernsehgeräte zum Laufen bringen – bis hin zu den hohen Niveaus, die Ärzte für wohltuende Zwecke anwenden – zum Beispiel Diathermie (Wärmebehandlungen). Im Allgemeinen nimmt die Stärke solcher Energien mit der Entfernung von der Quelle schnell ab. Die natürlichen Konzentrationen dieser Felder in der Umwelt sind gering.
Nichtionisierende Strahlung (NIR) umfasst alle Strahlungen und Felder des elektromagnetischen Spektrums, die nicht genügend Energie haben, um Materie zu ionisieren. Das heißt, NIR ist nicht in der Lage, einem Molekül oder Atom genügend Energie zuzuführen, um seine Struktur durch Entfernen eines oder mehrerer Elektronen zu zerstören. Die Grenze zwischen NIR und ionisierender Strahlung liegt üblicherweise bei einer Wellenlänge von etwa 100 Nanometern.
Wie jede Energieform hat NIR-Energie das Potenzial, mit biologischen Systemen zu interagieren, und das Ergebnis kann ohne Bedeutung, in unterschiedlichem Maße schädlich oder vorteilhaft sein. Bei Hochfrequenz- (RF) und Mikrowellenstrahlung ist der Hauptwechselwirkungsmechanismus die Erwärmung, aber im niederfrequenten Teil des Spektrums können Felder mit hoher Intensität Ströme im Körper induzieren und dadurch gefährlich sein. Die Wechselwirkungsmechanismen für niedrige Feldstärken sind jedoch unbekannt.
Mengen und Einheiten
Felder bei Frequenzen unter etwa 300 MHz werden in Bezug auf die elektrische Feldstärke quantifiziert (E) und magnetische Feldstärke (H). E wird in Volt pro Meter (V/m) ausgedrückt und H in Ampere pro Meter (A/m). Beide sind Vektorfelder, das heißt, sie sind an jedem Punkt durch Größe und Richtung gekennzeichnet. Für den niederfrequenten Bereich wird das Magnetfeld oft durch die Flussdichte ausgedrückt, B, mit der SI-Einheit Tesla (T). Wenn es um Felder in unserem täglichen Umfeld geht, ist die Untereinheit Mikrotesla (μT) meist die bevorzugte Einheit. In einigen Literaturstellen wird die Flussdichte in Gauss (G) ausgedrückt, und die Umrechnung zwischen diesen Einheiten ist (für Felder in Luft):
1 T = 104 G oder 0.1 μT = 1 mG und 1 A/m = 1.26 μT.
Übersichten über Konzepte, Mengen, Einheiten und Terminologie für den Schutz vor nichtionisierender Strahlung, einschließlich hochfrequenter Strahlung, sind verfügbar (NCRP 1981; Polk und Postow 1986; WHO 1993).
Die Strahlung bedeutet einfach Energie, die durch Wellen übertragen wird. Elektromagnetische Wellen sind Wellen elektrischer und magnetischer Kräfte, wobei eine Wellenbewegung als Ausbreitung von Störungen in einem physikalischen System definiert ist. Eine Änderung des elektrischen Feldes geht mit einer Änderung des magnetischen Feldes einher und umgekehrt. Diese Phänomene wurden 1865 von JC Maxwell in vier Gleichungen beschrieben, die als Maxwellsche Gleichungen bekannt wurden.
Elektromagnetische Wellen sind durch eine Reihe von Parametern gekennzeichnet, darunter Frequenz (f), Wellenlänge (λ), elektrische Feldstärke, magnetische Feldstärke, elektrische Polarisation (P) (die Richtung der E Feld), Ausbreitungsgeschwindigkeit (c) und Poynting-Vektor (S). Figur 2 veranschaulicht die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle im freien Raum. Die Frequenz ist definiert als die Anzahl vollständiger Änderungen des elektrischen oder magnetischen Felds an einem bestimmten Punkt pro Sekunde und wird in Hertz (Hz) ausgedrückt. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen oder Wellentälern (Maxima oder Minima). Die Frequenz, Wellenlänge und Wellengeschwindigkeit (v) hängen wie folgt zusammen:
v = f λ
Abbildung 2. Eine ebene Welle, die sich mit Lichtgeschwindigkeit in x-Richtung ausbreitet
Die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle im freien Raum ist gleich der Lichtgeschwindigkeit, aber die Geschwindigkeit in Materialien hängt von den elektrischen Eigenschaften des Materials ab, dh von seiner Permittivität (ε) und Permeabilität (μ). Die Permittivität betrifft die Wechselwirkungen des Materials mit dem elektrischen Feld und die Permeabilität drückt die Wechselwirkungen mit dem magnetischen Feld aus. Biologische Substanzen haben von der Wellenlänge (insbesondere im HF-Bereich) und vom Gewebetyp abhängige Permittivitäten, die sich stark von denen des freien Weltraums unterscheiden. Die Durchlässigkeit biologischer Substanzen ist jedoch gleich der des freien Raums.
In einer ebenen Welle, wie in Abbildung 2 dargestellt , das elektrische Feld steht senkrecht zum magnetischen Feld und die Ausbreitungsrichtung ist senkrecht sowohl zum elektrischen als auch zum magnetischen Feld.
Bei einer ebenen Welle wird das Verhältnis des Wertes der elektrischen Feldstärke zum konstanten Wert der magnetischen Feldstärke als charakteristische Impedanz bezeichnet (Z):
Z = E/H
Im freien Raum, Z= 120π ≈ 377Ω aber sonst Z hängt von der Permittivität und Permeabilität des Materials ab, durch das sich die Welle bewegt.
Die Energieübertragung wird durch den Poynting-Vektor beschrieben, der die Größe und Richtung der elektromagnetischen Flussdichte darstellt:
S = E x H
Für eine sich ausbreitende Welle ist das Integral von S über einer beliebigen Oberfläche stellt die momentane Leistung dar, die durch diese Oberfläche übertragen wird (Leistungsdichte). Die Größe des Poynting-Vektors wird in Watt pro Quadratmeter (W/m2) (in manchen Literaturstellen ist die Einheit mW/cm2 verwendet – die Umrechnung in SI-Einheiten ist 1 mW/cm2 = 10 W / m2) und für ebene Wellen hängt mit den Werten der elektrischen und magnetischen Feldstärken zusammen:
S = E2 / 120π = E2 / 377
und
S = 120π H2 = 377 H2
Nicht alle in der Praxis anzutreffenden Expositionsbedingungen können durch ebene Wellen dargestellt werden. In Entfernungen in der Nähe von Quellen hochfrequenter Strahlung sind die für ebene Wellen charakteristischen Beziehungen nicht erfüllt. Das von einer Antenne abgestrahlte elektromagnetische Feld kann in zwei Bereiche unterteilt werden: die Nahfeldzone und die Fernfeldzone. Die Grenze zwischen diesen Zonen wird normalerweise gesetzt bei:
r = 2a2 / λ
woher a ist die größte Abmessung der Antenne.
Im Nahfeldbereich muss die Exposition sowohl durch das elektrische als auch durch das magnetische Feld charakterisiert werden. Im Fernfeld genügt eine davon, da sie durch die obigen Gleichungen miteinander in Beziehung stehen E und H. In der Praxis wird die Nahfeldsituation oft bei Frequenzen unter 300 MHz realisiert.
Die Exposition gegenüber HF-Feldern wird durch Wechselwirkungen elektromagnetischer Wellen mit Objekten weiter erschwert. Wenn elektromagnetische Wellen auf ein Objekt treffen, wird im Allgemeinen ein Teil der einfallenden Energie reflektiert, ein Teil absorbiert und ein Teil übertragen. Die vom Objekt übertragenen, absorbierten oder reflektierten Energieanteile hängen von der Frequenz und Polarisation des Feldes sowie den elektrischen Eigenschaften und der Form des Objekts ab. Eine Überlagerung der einfallenden und reflektierten Wellen führt zu stehenden Wellen und räumlich ungleichmäßiger Feldverteilung. Da Wellen von metallischen Objekten total reflektiert werden, bilden sich in der Nähe solcher Objekte stehende Wellen.
Da die Wechselwirkung von HF-Feldern mit biologischen Systemen von vielen verschiedenen Feldeigenschaften abhängt und die in der Praxis anzutreffenden Felder komplex sind, sollten die folgenden Faktoren bei der Beschreibung der Exposition gegenüber HF-Feldern berücksichtigt werden:
- ob die Exposition in der Nah- oder Fernfeldzone erfolgt
- wenn Nahfeld, dann Werte für beide E und H wird gebraucht; wenn Fernfeld, dann entweder E or H
- räumliche Variation der Stärke des/der Feldes/Felder
- Feldpolarisation, also die Richtung des elektrischen Feldes in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der Welle.
Für die Exposition bei niederfrequenten Magnetfeldern ist noch nicht klar, ob es allein auf die Feldstärke oder die Flussdichte ankommt. Es kann sich herausstellen, dass auch andere Faktoren wichtig sind, wie die Belichtungszeit oder die Schnelligkeit der Feldänderungen.
Die elektromagnetisches Feld (EMF), wie es in den Nachrichtenmedien und der Boulevardpresse verwendet wird, bezieht sich normalerweise auf elektrische und magnetische Felder am niederfrequenten Ende des Spektrums, kann aber auch in einem viel breiteren Sinne verwendet werden, um das gesamte Spektrum von zu umfassen elektromagnetische Strahlung. Beachten Sie, dass im Niederfrequenzbereich die E und B Felder sind nicht auf die gleiche Weise gekoppelt oder miteinander verbunden wie bei höheren Frequenzen, und es ist daher genauer, sie als „elektrische und magnetische Felder“ und nicht als EMF zu bezeichnen.