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Biologie – Gleichfelder und niederfrequente Wechselfelder
Wirkungen niederfrequenter Magnetfelder
Wirbelströme
Wo Strom fliesst, treten sowohl elektrische als auch magnetische Felder auf. Dabei sind die niederfrequenten Magnetfelder gesundheitlich problematischer als die niederfrequenten elektrischen Felder, denn Magnetfelder werden durch die Haut nicht abgeschirmt. Niederfrequente Magnetfelder sind Wechselfelder, d.h. sie ändern kontinuierlich mit der Periodizität der Wechselstromfrequenz ihre Feldstärke und Flussrichtung. Gemäss Induktionsgesetz der Physik bewirken Änderungen der magnetischen Flussdichte elektrische Wirbelfelder (Ringspannungen). Durchflutet ein magnetisches Wechselfeld einen elektrisch leitfähigen Gegenstand, z.B. den menschlichen Körper der in seinem Inneren elektrisch nicht neutrale Teilchen wie Elektronen, Ionen und polarisierte Moleküle hat, so induziert dieses Feld Wirbelströme, die sich vorrangig dort bewegen, wo das Körperinnere besonders leitfähig ist: das sind die Blutgefässe und gut durchblutete Gewebe. Generell handelt es sich bei Wirbelströmen um kreisförmige Ströme (eine schematische Darstellung des Prinzips zeigt die Figur).
Massgebende Messgrössen
Zur Beurteilung der gesundheitlichen Bedeutung der Wirkung niederfrequenter Magnetfelder werden heute die induzierten elektrischen Feldstärken (Volt pro Meter; V/m) betrachtet, früher bezog man sich auf die durch die Spannungen induzierten Ströme bzw. Stromdichten d. h. die durch eine bestimmte Fläche fliessende Strommenge (Milliampère pro Quadratmeter; mA/m2). Wenn die Spannungen bzw. Stromdichten ein gewisses Mass überschreitet, können sie die natürlichen Nervenaktivitäten stören. Unglücklicherweise sprechen unsere Nerven sehr gut auf die tiefen Frequenzen an, wie wir sie etwa im Strom- und Eisenbahnnetz verwenden.
Schwellenwerte für Effekte
Für die Stimulation von Nerven des zentralen Nervensystem genügen im Falle des Sehnervs interne Feldstärken um 0.05 V/m (bei 20 Hz). Die Wirkung zeigt sich als Flimmererscheinung oder Lichtblitz (sog. Magnetophosphene). Der Sehnerv ist der sensibelste Nerv, wenn es um elektromagnetische Beeinflussung geht. Etwa 10 mal robuster gegenüber niederfrequenten Signalen sind die Synapsen im Gehirn. Das Hirn als Ganzes (als Netz interagierender Neuronen) ist dagegen sehr empfänglich für elektrische Signale. Interne Feldstärken von 0.001 V/m können Hirnströme beeinflussen. Diese Veränderungen sind, nach allem was man heute weiss, gesundheitlich unproblematisch, denn sie liegen innerhalb der normale Schwankungen.
Um periphere Nerven zu stimulieren, sind (bei 50 Hz) körperinterne elektrische Feldstärken in der Grössenordnung von einigen wenigen V/m (oder 5-10 mA/m2) nötig. Der Effekt ist gesundheitlich unproblematisch, aber lästig. Der Herzmuskel kann bei internen Feldstärken um 10 V/m (ein bis wenige 10 mA/m2) angeregt werden. Muskelverkrampfungen können bei internen Feldstärken im Bereich von einigen 100 V/m (um 500 mA/m2) auftreten. Das gesundheitlich kritische Herzkammerflimmern (Grafik) benötigt im allgemeinen um 500 V/m (Stromdichte um 1 A/m2), also etwa 50 Mal stärkere Felder als die „blosse“ Stimulation. Muskeln sind generell weniger sensibel als das zentrale Nervensystem. Das Herz ist deshalb recht störfest gegenüber elektrischen Signalen. In sehr ungünstigen und seltenen Fällen ist es jedoch möglich, dass interne Feldstärken von wenigen 10 V/m den Herzmuskeltakt negativ beeinflussen können.
Notwendige Stärke externer Magnetfelder
Ein körperexternes 50 Hz-Wechselfeld muss eine magnetische Flussdichte um 5-10 mT (Millitesla, ein mT = 1/1‘000 Tesla) haben, damit die induzierten Spannungen und Körperströme wahrnehmbar sind (zuerst in Form von Magnetophosphenen). Aktionspotenziale von Synapsen können durch 50 Hz-Magnetfelder, wie wir sie im Alltag erleben, nicht beeinflusst werden. Dazu wären Felder von 40-50 mT notwendig. In der Medizin werden solche Felder eingesetzt, um gezielt bestimmte Hirnregionen anzuregen (transkranielle Magnetfeldstimulation z. B. zur Diagnose von Rückenmarkschädigungen; siehe Grafik). Als gesundheitliche Gefährdung werden 50 Hz-Magnetfelder ab ca. 50 mT betrachtet. Diese induzieren Spannungen von 20-30 V/m und Stromdichten um 50 mA/m2. Um das Herzkammerflimmern auszulösen, sind Magnetfelder von 1 Tesla und mehr nötig. Die Grenzwerte der maximal zulässigen Magnetfeldstärken liegen bei 0.1 mT (0.0001 T), also einen Faktor 10 unterhalb der Wahrnehmungsschwelle (Flimmern in den Augen). Unter grossen Hochspannungsleitungen können körperinterne Wechselströme die Wahrnehmbarkeitsschwelle erreichen (Wärmegefühl).
Über die Frage, ob schwache niederfrequente Magnetfelder das Wohlbefinden oder die Gesundheit negativ beeinflussen können, wird an anderer Stelle berichtet.