Elektromagnetische Felder

Basis des Mobilfunks

Elektromagnetische Felder sind seit Entstehung der Erde allgegenwärtiger Bestandteil unserer Umwelt. Das Erdmagnetfeld, sichtbar in der Ausrichtung einer Kompassnadel, oder das elektromagnetische Feld der Sonne bestimmen seit Urzeiten die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Starke natürliche Felder entstehen etwa durch Gewitter. Seit Beginn des 19. Jahrhunderts mit der Erfindung der Batterie und des Generators entstanden durch den Menschen neue Quellen für elektromagnetische Felder.

Jedes technische Gerät - ein Rasierapparat, ein Staubsauger oder ein Toaster - erzeugt beim Verbrauch von Energie (Strom) elektromagnetische Felder. Sie sind ein physikalisch unvermeidbares, aus Nutzersicht aber ungewolltes Nebenprodukt. Für die Informationsübertragung bei Fernsehen, Radio und Mobilfunk sind die elektromagnetischen Felder jedoch unverzichtbar: Sie sind das Transportmedium für die drahtlose Informations- und Signalübertragung.

Elektromagnetische Wellen

Die elektromagnetischen Felder des Mobilfunks entstehen in der Antenne, wo die elektrischen Ladungen zu Schwingungen angeregt werden. Diese lösen sich von der Antenne und breiten sich als Welle im Raum aus. Stellen Sie sich einfach einen Kieselstein vor, den Sie in einen ruhigen See fallen lassen. Dort, wo der Kiesel ins Wasser eintaucht, wird die Wasseroberfläche aus der Ruhe gebracht und beginnt zu "schwingen": es bilden sich gleichmäßige Kreise, die sich in alle Richtungen fortsetzen.

Bei ihrer Ausbreitung durch den Raum führen elektromagnetische Wellen Energie mit sich. Auch die wärmende Wirkung von Sonnenstrahlen ist nichts anderes als die Energie, die das Sonnenlicht, ebenfalls eine elektromagnetische Welle, an unsere Haut abgibt.

Das elektromagnetische Spektrum

In der Physik unterscheidet man elektromagnetische Wellen nach ihrer Frequenz. Die Frequenz einer Welle wird in Hertz (Hz) gemessen. Ein Hertz bedeutet eine Schwingung pro Sekunde. Bis zu einer Frequenz von etwa 10.000 Hertz spricht man vom niederfrequenten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, darüber vom hochfrequenten Bereich. Vodafone nutzt für den Mobilfunk fünf Frequenzbereiche: um 800 Megahertz (1 MHz = 1 Millionen Hertz) bei LTE (Long Term Evolution), 900 MHz und 1.800 MHz bei GSM (Global System for Mobile Communications), 2.000 MHz bei UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) und 2.600 MHz bei LTE (Long Term Evolution).

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen der sogenannten ionisierenden und der nicht-ionisierenden Strahlung. Die elektromagnetischen Felder des Mobilfunks zählen zur nicht-ionisierenden Strahlung. Dieser Bereich umfasst alle Frequenzbereiche unterhalb der ultravioletten Strahlung, also auch Radio- und Mikrowellen und das sichtbare Licht. Besonderes Kennzeichen: Die Energie dieser Felder reicht nicht aus, um Atome oder Moleküle in einen elektrisch geladenen Zustand zu versetzen - eine Eigenschaft, die ionisierende Strahlung dagegen besitzt. In diese Kategorie fallen zum Beispiel die Röntgen- und Gammastrahlung (radioaktive Strahlung).

Physikalisch betrachtet besteht ein elektromagnetisches Feld aus zwei Komponenten: einem elektrischen und einem magnetischen Feld. Die Stärke des elektrischen Feldes wird in Volt pro Meter (V/m) gemessen, die des magnetischen Feldes in Ampere pro Meter (A/m). Bei hochfrequenten elektromagnetischen Wellen erfolgt die Angabe ihrer Intensität meistens als Leistungsflussdichte in Watt pro Quadratmeter (W/m2). Diese Größe gibt an, wie viel Energie zu einem Zeitpunkt auf eine Fläche einwirkt.

Physikalische Einheiten im Überblick
V/m Volt pro Meter Stärke des elektrischen Feldes
A/m Ampere pro Meter Stärke des magnetischen Feldes
W/m2 Watt pro Quadratmeter Leistungsflußdichte
Frequenz Anzahl der Schwingungen einer elektromagnetischen Welle pro Sekunde
1 Hz 1 Hertz 1 Schwingung pro Sekunde
1 kHz 1000 Hz
1 MHz 1 Million Hz
1 GHz 1000 Millionen Hz

Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen

Ähnlich wie Lichtstrahlen breiten sich elektromagnetische Wellen im freien Raum gradlinig aus. Dabei nimmt ihre Stärke mit der Entfernung von der Quelle ab. In diesem Punkt kann man ihr Verhalten mit dem einer Taschenlampe vergleichen: Je weiter man sich von der Lichtquelle entfernt, desto größer wird der ausgeleuchtete Bereich und desto geringer die Lichtintensität. Die Intensität von elektromagnetische Wellen fällt mit der Entfernung quadratisch ab: Verdoppelt man den Abstand zur Quelle, beträgt die Intensität nur noch ein Viertel.

In der Realität können sich elektromagnetische Wellen selten ungehindert ausbreiten, sondern treffen auf eine Vielzahl von Hindernissen. Dies können Berge, Bäume, Gebäude oder Tunnel sein. Auch Witterungsbedingungen (Regen, Nebel) können solche Hindernisse verursachen. Treffen Funkwellen bei ihrer Ausbreitung auf ein Hindernis, kann dreierlei passieren:

  • Reflexion: Ein Teil der Welle wird vom Hindernis zurückgeworfen.
  • Absorption: Ein Teil der Energie der Welle wird vom Hindernis aufgenommen.
  • Brechung und Beugung: Ein Teil der Welle wird in ihrer Ausbreitungsrichtung verändert.

All diese Effekte haben Einfluss auf die Planung und den Aufbau unserer Mobilfunknetze.




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