Künstliche Felder

Künstliche Felder entstehen bei der Nutzung elektrischer Energie (z. B. öffentliche Stromversorgung) und bei der drahtlosen Kommunikation durch unterschiedliche Funkanwendungen (z. B. Rundfunk und Fernsehen oder Mobiltelefon). Welche künstlichen Felder in der Praxis von Bedeutung sind und was sie charakterisiert, wird hier näher beschrieben.

Gleichfelder

Gleichfelder treten insbesondere bei Straßen- und S-Bahnen im Nahverkehrsbereich auf. Diese werden größtenteils mit Gleichstromnetzen bei einer Fahrdrahtspannung von 600 Volt betrieben. Im Fahrzeuginnenraum tritt dabei lediglich ein magnetisches Feld auf, da das elektrische Feld nahezu vollständig abgeschirmt wird ("Faradayscher Käfig"). 

Andere künstliche Gleichfelder spielen eine eher untergeordnete Rolle: Entweder sind die Feldstärken vernachlässigbar gering, etwa bei Batterien und Akkumulatoren, oder aber die Exposition betrifft nur einen begrenzten Personenkreis, beispielsweise an Arbeitsplätzen in der Elektrochemie-Industrie oder in der Medizin.

Bahnstromanlagen der Deutschen Bahn

Die Deutsche Bahn AG (DB) betreibt ihr elektrisches Netz aus historischen Gründen mit Wechselstrom der Frequenz 16 2/3 Hertz. Gleichartige Netze gibt es in Österreich, der Schweiz, Schweden und Norwegen. In anderen europäischen Ländern wird entweder 50 Hz-Wechselstrom oder Gleichstrom verwendet. 

Das Stromsystem der DB besteht aus ca. 12 000 km Oberleitungen mit 15 Kilovolt Versorgungsspannung und einem ca. 5 500 km langen eigenen Hochspannungsnetz mit 110 Kilovolt-Freileitungen, die häufig parallel zu den Bahntrassen verlaufen. 

Zur Versorgung der Züge mit Energie wird der Strom über die 15 Kilovolt-Oberleitung zugeführt, als Rückleiter dient die Schiene. Durch den im Gegensatz zu Hochspannungsfreileitungen verhältnismäßig großen Abstand zwischen Hin- und Rückleiter kompensieren sich die entgegen gerichteten magnetischen Felder in geringerem Umfang, die Feldstärke nimmt daher mit dem Abstand langsamer ab. Aus Sicherheitsgründen sind die Schienen geerdet, damit dort keinesfalls eine Spannung anliegen kann, die bei Berührung gefährlich werden könnte.

Öffentliche Stromversorgung

In Deutschland wird für die Versorgung mit elektrischer Energie Drehstrom mit einer Frequenz von 50 Hz eingesetzt. Dieser benötigt zum Transport mindestens drei unabhängige Leiter, die so genannten Phasen. Ein weit verzweigtes Transport- und Verteilernetz sorgt dafür, dass alle Endverbraucher jederzeit mit ausreichend Strom versorgt werden. 

Damit die Verluste auf dem Weg vom Erzeuger zum Verbraucher möglichst gering bleiben, wird der Strom auf hohem Spannungsniveau transportiert. Für die Hochspannungsebenen 110, 220 und 380 kV werden Überlandnetze zum Transport großer Leistungen über weite Entfernungen eingesetzt. Die Länge der Hochspannungsfreileitungen beträgt in Baden-Württemberg ca. 14.000 km. Hinzu kommen noch ca. 600 km Hochspannungserdkabel, vorwiegend im Bereich von Städten. 

In der Nähe der Städte transformieren Umspannwerke den Strom auf die Mittelspannungsebene von meist 10 kV oder 20 kV herunter. Das regionale Mittelspannungsnetz umfasst ca. 20.500 km Freileitungen und ca. 33.000 km Erdkabel. Die Mittelspannungsnetze wiederum versorgen kommunale Versorgungsnetze und Gewerbe- und Industriebetriebe, in denen der Strom in Niederspannungs-Netzstationen auf die Niederspannungsebene von 400 V bzw. 230 V transformiert wird und letztendlich bei privaten und gewerblichen Endverbrauchern ankommt. Das regionale Niederspannungsnetz umfasst ca. 35.000 km Freileitungen und ca. 90.000 km Erdkabel. 

Beim Vergleich mit den gesetzlichen Grenzwerten wird bei der Berechnung der Feldstärken im Bereich einer Hochspannungsfreileitung die höchste betriebliche Anlagenauslastung zugrunde gelegt. Die Hochspannungsleitungen werden in der Regel mit einer Auslastung von maximal 30 % betrieben. Wie Messungen ergeben haben, ist daher die tatsächlich auftretende Feldstärke des Magnetfeldes deutlich niedriger (etwa um den Faktor 3). 

Die elektrische Feldstärke in der Nähe von Hochspannungsfreileitungen ist in Bodennähe um so größer, je höher die elektrische Spannung der Leitung ist, je weiter die einzelnen Leiter voneinander entfernt sind und je geringer der Abstand ist. Sie ist ferner abhängig von der Phasenbelegung, d. h. der Anordnung der Phasen auf den Masten. Am höchsten sind die Felder an der Stelle des maximalen Seildurchhangs. Die magnetische Flussdichte in Bodennähe und nahe an einer Hochspannungsfreileitung hängt u. a. von der Stromstärke, der Leiteranordnung, dem Abstand der Leiter untereinander, der Phasenbelegung und insbesondere der Entfernung von den Leiterseilen ab. 

Im Bereich von Transformatoren treten höhere Magnetfeldstärken nur bei der Niederspannungsableitung und auch nur unmittelbar an der Außenwand auf. So wurden bei Transformatorenstationen mit Leistungen von 400 Kilowatt und einer Auslastung von 80 bis 90 % Werte für die magnetische Flussdichte bis zu 200 Mikro-Tesla (µT) direkt an der Wand gemessen. In 2 m Abstand traten jedoch nur noch maximal 1,2 µT auf.

Hochfrequente Felder

Die niederfrequenten Felder sind meist unerwünschte Nebeneffekte bei der Nutzung elektrischer Energie. Bei den hochfrequenten Feldern dagegen ist es gerade umgekehrt: Sie werden in der Regel gezielt erzeugt
  • zur Übertragung von Informationen (z. B. Radio, Fernsehen, Mobilfunk)
  • zum Erheben von Informationen (z. B. Diebstahlsicherungsanlagen, Radar)
  • zum Erhitzen von Gegenständen (z. B. Induktionsöfen, Hochfrequenz-Schweiß- oder Mikrowellengeräte).

In Baden-Württemberg gab es im Jahre 2016 insgesamt gut 490 Rundfunk- bzw. Fernsehsendeanlagen an circa 220 Standorten mit einer Gesamtsendeleistung von rund 5,4 Megawatt.

Fast jeder nutzt heute ein Mobiltelefon. Wegen der hohen Nachfrage nach mobilem Internet werden momentan die Mobilfunknetze der 4. und 5. Generation (LTE, 5G) ausgebaut; die Bedeutung der Mobilfunknetze der 3. Generation (UMTS) und der 2. Generation (GSM) schwindet hingegen. In Baden-Württemberg gibt es eine gute Mobilfunkversorgung, die mit Mobilfunkbasisstationen an circa 8 700 verschiedenen Senderstandorten (Stand 2019) realisiert wird.

Die Sendeleistungen von Basisstationen liegt bei GSM-Netzen zwischen 10 Watt (je Kanal) in Wohngebieten und bis zu 50 Watt (je Kanal) außerorts. Bei UMTS und bei LTE beträgt die Sendeleistung maximal 20 Watt (je Kanal). Da jede Basisstation lediglich einen Bereich von einigen hundert Metern in den Städten und einigen Kilometern in der freien Landschaft versorgen kann, erfordert eine flächendeckende Mobilfunkversorgung eine große Dichte von Basisstationen. Für die Aufstellung der Antennen werden vorrangig höher gelegene Masten oder höhere Gebäude gesucht, damit die einzelnen Basisstationen möglichst abschattungsfrei ihr Versorgungsgebiet abdecken können. Es werden allerdings in Städten auch Antennen in Litfaßsäulen oder auf Telefonzellen errichtet, etwa auf wichtigen Plätzen, in Fußgängerzonen oder in Messe- und Bahnhofgebäuden.

Die Sendeleistung des Handys und der Basisstation wird in Abhängigkeit von der Verbindungsqualität zwischen Handy und Basisstation gesteuert. Dies bedeutet, dass bei schlechter Verbindungsqualität eine deutlich höhere Sendeleistung erforderlich ist als bei guter Versorgung. Die Sendeleistungen von Handys liegen im D-Netz bei maximal 2 Watt und im E-Netz bei maximal 1 Watt.