EHS-Teknik.dk


Om EHS - Grundlæggende Fysik - Opmåling - Beregninger - Grænseværdier - Skærmning - Mikrobølger - Lavfrekvente Felter - Earthing - Smartmeters - Leverandører - FAQ - Publikationer - Teknisk Analyse - Links

Grundlæggende fysik

Den overvældende anvendelse af trådløst udstyr og elektriske apparater tvinger en ironisk bestræbelse ned over alle EHS-ramte; for at undgå de felter eller stråler man reagerer på, bliver man nødt til at opbygge en betragtelig viden om, hvorledes de elektriske, magnetiske og elektromagnetiske felter udbreder sig.




Sidens indhold:

De forskellige felttyper
Kilder til stråler og felter
Reaktioner på felttyper og stråler
Historisk baggrund
Den elektromagnetiske bølge
Måleenheder
Faraday-buret
Hvor langt er vi fra antennen? - Near Field og Far Field
Pulseringsforhold





De forskellige felttyper

Der er nogle få meget vigtige begreber – som forståelsen af elektromagnetisk feltteori afhænger af.

Vi kan måle en spændingsforskel, når to punkter har forskelligt elektrisk potentiale. Spændingen siger intet om, at der løber en strøm mellem de to punkter, kun at der er en forskel i elektrisk ladning. Der er eksempelvis en stor spændingsforskel mellem en person og en tordensky; men det er heldigvis kun meget sjældent, at der rent faktisk løber en strøm mellem personen og tordenskyen (lynnedslag).

Vi kan måle en strøm, når der løber en elektrisk ladning mellem to punkter – eksempelvis i en elektrisk ledning.

Hvis de to begreber skulle omsættes til en haveslange, så siger spændingen noget om, hvor højt trykket er, mens strømstyrken siger noget om, hvor meget vand, der ledes gennem haveslangen (haveslangens diameter).

Både elektriske og magnetiske felter kan stamme fra AC (Alternating Current, vekselstrøm/vekselspænding) eller DC (Direct Current, jævnstrøm/jævnspænding). AC spændingskilder findes i vores almindelige elforsyning (220 volt vekselspænding), mens DC eksempelvis findes i biler (12 volt jævnspænding) og i andre batteridrevne enheder.

Det elektriske felt opstår når der er en spændingsforskel mellem to punkter.

Det magnetiske felt opstår, når der løber en strøm mellem to punkter.

Det elektromagnetiske felt opstår, når en antenne tilføres en elektrisk strøm. Det elektromagnetiske felts frekvens er antallet af svingninger pr sekund. Elektromagnetiske felter kaldes ofte i dagligdags tale for stråler – eksempelvis lysstråler, røntgenstråler, gammastråler, mikrobølgestråler, etc.

Tilbage til oversigten



Kilder til stråler og felter

I ethvert hjem med indlagt el er der et eller andet niveau af elektriske og magnetiske felter. De elektriske felter dannes omkring alle spændingstilsluttede ledninger, og de magnetiske felter dannes omkring ledninger, hvor der rent faktisk løber en strøm.

De elektromagnetiske felter – som blandt andet omfatter mikrobølgerne – dannes ved alle trådløse kommunikationsapparater.

Tilbage til oversigten



Reaktioner på felttyper og stråler

Forskellige personer reagerer forskelligt på de forskellige felter og stråler, men bemærk at kraftigheden af reaktionen ikke nødvendigvis giver en indikation af, hvor farlig eksponeringen er på længere sigt. Man kan således underbygge en forventning om, at EHS-ramte faktisk vil kunne undgå de værste af langtids-følgevirkningerne, idet de generelt er omhyggelige med eksponeringsmindskning.

Tilbage til oversigten



Historisk baggrund

I størsteparten af menneskehedens historie har man kun kendt til en ganske smal del af det elektromagnetiske spektrum, nemlig det synlige lys mellem ~400nm og ~700nm. Udforskningen af de elektromagnetiske bølger startede med eksperimenter i antikkens Grækenland, hvor fænomener som refleksion og refraktion var genstand for begyndende udforskning.

Først i 1800 opdagede man, at det elektromagnetiske spektrum indeholdt mere end synligt lys. William Herschel undersøgte temperaturen på forskellige af lysets farver og opdagede derved, at det varmeste punkt var umiddelbart uden for den røde farve - og fandt, hvad vi i dag betegner som infrarød stråling. Johan Ritter gjorde en tilsvarende opdagelse i den anden ende af det visuelle spektrum, hvorved han påviste de ultraviolette stråler.

På daværende tidspunkt blev lyset dog ikke koblet til elektromagnetiske fænomener - først i 1845 opdagede Michael Faraday, at magnetiske felter kan påvirke lysets polarisering (Faraday-effekten), og herefter gik der ikke lang tid, før James Maxwell i 1865 offentliggjorde sine berømte fire grundligninger for det elektromagnetiske felt. Ligningerne gav basis for, at Maxwell konkluderede, at lyset i sig selv er en elektromagnetisk bølge.

I et forsøg på at bevise Maxwells ligninger byggede Heinrich Hertz i 1886 et apparat til at udsende og opfange elektromagnetiske bølger i det spektrum, vi i dag forstår som radiobølger. Han påviste, at disse bølger udbredte sig med lysets hastighed og lagde i sine eksperimenter grundlaget for senere opfindelser som radio, tv og lignende.

Den anden ende af spektret blev udvidet i 1895, da Wilhelm Röntgen opdagede elektromagnetiske stråler, der kunne trænge gennem mennesker. Hans oprindelige betegnelse for disse stråler var x-rays, hvilket stadig bruges i mange engelsktalende lande. Herhjemme kaldes strålingen ofte for Røntgen-stråler.

Udvidelsen af den energirige del af spektret blev fuldført i 1900, da Paul Villard opdagede stråler med langt større penetrationsevne end Røntgen-strålerne. Det var dog først i 1910, at William Henry Bragg kunne påvise, at disse stråler rent faktisk var en del af det elektromagnetiske spektrum - og det var først i 1914, at Ernest Rutherford og Edward Andrade målte gamma-strålernes bølgelænge og frekvens.

For den lavere del af det elektromagnetiske spektrum karakteriseres strålingen nemmest ved dens frekvens. Frekvensen er et mål for, hvor mange bølger der passerer pr sekund, hvorfor frekvensen står i direkte forhold til bølgelængden. Frekvensen udtrykker samtidig, hvor energirig strålingen er - desto højere frekvens, desto højere energi findes der i hver enkelt lyspartikel (foton).

Mikrobølgerne, generelt forstået som området mellem 300 MHz (0,3 GHz) og 300 GHz, har ikke fotonenergi nok til at bryde molekylebindinger direkte, hvorfor strålingen ofte betegnes som ikke-ioniserende stråling. Som det beskrives senere, er bioreaktiviteten således medieret ved mere komplekse reaktioner.

I Danmark er anvendelsen af det radiofrekvente elektromagnetiske spektrum underlagt myndighedernes kontrol. Radiospektrummet er en knap ressource, hvorfor tilladelser til anvendelse af specifikke frekvensområder ofte indbringer staten betragtelige summer.

Tilbage til oversigten



Den elektromagnetiske bølge

Elektromagnetiske bølger består - som navnet antyder - af både elektriske og magnetiske komponenter. De elektriske og magnetiske komponenter står vinkelret på hinanden - og begge står igen vinkelret på udbredelsesretningen. Grafisk kan det vises således:

Elektromagnetisk bølge

Tredimensionel struktur for en elektromagnetisk bølge i Far-field regionen. X, Y, Z refererer til et traditionelt tre-dimensionelt koordinatsystem. betegner den elektriske feltvektor og betegner den magnetiske feltvektor. Udbredelsesretningen sker langs x-aksen, betegnet med, symbolet for frekvens. Illustration: Wikipedia / Emmanuel Boutet - GFDL


Idet frekvensen for en elektromagnetisk bølge udtrykker, hvor mange bølger der passerer pr sekund, er både bølgelænge, frekvens og hastighed for den elektromagnetiske bølge relateret ved (v = frekvens i Hz; c = lysets hastighed; λ = bølgelængde i m). Samtidigt bestemmer frekvens (og dermed bølgelængde), hvor højt energiniveau den enkelte foton har.

På lidt mere præcist fysisk sprog kan et elektromagnetisk felt således anskues som produktet af to vektorer, nemlig den magnetiske feltvektor og den elektriske feltvektor, hvis interaktioner kan udregnes efter Maxwells ligninger. Det samlede elektromagnetiske felt benævnes ofte Poynting-vektoren efter ophavsmanden til udregningsmetoden, John Henry Poynting. Poynting-vektoren udtrykker egentlig raten af energioverførsel pr arealenhed – hvilket vi på normalt dansk ofte kalder effekttætheden. Effekttætheden giver altså et mål for, hvor megen energi det elektromagnetiske felt er i stand til at overføre pr arealenhed. Det engelske begreb er ”Power Flux Density”. Der måles altid i watt pr kvadratmeter som grundenhed.

Alle elektromagnetiske felter aftager med kvadratet på afstanden. Dvs, at afstand er meget vigtigt ved eksponeringsmindskning.

Tilbage til oversigten



Måleenheder

Elektrisk spændingsforskel måles i Volt
Elektrisk strømstyrke måles i Ampere.


Intensiteten af et elektrisk felt måles i Volt pr meter (V/m).
Intensiteten af et magnetisk felt måles i Ampere pr meter (A/m).


For at opnå yderligere underinddeling af målingerne måles ofte i millivolt eller i milliampere. En millivolt pr meter (mV/m) er en tusindedel V/m.

Den magnetiske fluxtæthed måles i Tesla (eller, primært i USA, i Gauss). En Tesla er en meget stor enhed, så der måles normalt i mikroTesla, hvilket forkortes uT. En mikroTesla er en milliontedel af en Tesla.

Energien overført via et elektromagnetisk felt (effekttætheden, eller energifluxtætheden) måles i Watt pr kvadratmeter (W/m^2).

Tilbage til oversigten



Faraday-buret

Michael Faraday opdagede i 1836 at et indelukke opbygget af elektrisk ledende materialer skærmer mod et eksternt elektrisk eller elektromagnetisk felt. Det er denne effekt, der anvendes ved skærmende maling, skærmende tøj, og øvrige skærmende produkter. Faraday-buret skærmer kun mod elektriske felter – ikke mod magnetiske.

Hvis man er langt nok væk fra antennen til at være i far-field (se næste afsnit) skærmer Faraday-buret også mod elektromagnetiske felter. Det skyldes, at Faraday-buret fjerner den elektriske feltkomponent fra det elektromagnetiske felt, hvorefter det magnetiske felt kollapser. I near-field (tæt på antennen) er den elektriske og den magnetiske del af det elektriske felt ikke på samme måde afhængige af hinanden, hvorfor Faraday-bure ikke virker særlig godt i near-field, idet det magnetiske felt går lige gennem.

Tilbage til oversigten



Hvor langt er vi fra antennen? - Near Field og Far Field

Sammenhængen mellem det elektriske og det magnetiske felt gælder således kun, når man er langt væk fra antennen - det såkaldte far-field. Løst regnet starter far-field, når man er mere end to bølgelængder væk fra antennen. I far-field regenererer de to felter kontinuerligt hinanden og kan således anses for sammenkoblede til een elektromagnetisk bølge.

I near-field, altså området tæt på antennen, gælder samme kobling ikke mellem det elektriske og det magnetiske felt. Her kan et af felterne dominere det andet, og samtidigt kan der opstå kapacitive koblinger mellem senderen og et modtagende objekt i near field. En absorption af energi i near-field påvirker direkte belastningen på senderen. Ved modtagelse af radiosignaler i far-field påvirkes belastningen på senderen derimod ikke ved modtagelse af signalet.

For EHS-ramte er kendskab til near-field og far-field meget vigtigt. Hvis man vil skærme mod en elektromagnetisk bølge, er det meget vanskeligt at gøre det i near-field (altså under to bølgelængder fra antennen), idet det magnetiske felt vil fortsætte uhindret. Er man derimod mere end to bølgelængder fra senderen, vil et Faradaybur bremse hele det elektromagnetiske felt, idet den magnetiske feltkomponent kollapser, når den elektriske feltkomponent fjernes.

Tilbage til oversigten



Pulseringsforhold

Når man arbejder med bølger og bølgeformer, er det væsentligt at adskille de to former for målinger, nemlig hvor man måler bølgens højeste punkt (peak), og hvor man måler en slags gennemsnit af bølgen (RMS).

Den almindelige måde at finde et gennemsnit er at lægge tallene sammen for derefter at dividere med antallet af tal. Man kan gøre noget lignende ved en bølgefunktion, hvor man udmåler arealet under kurven og dividerer med bredden af det pågældende kurveudsnit.

Denne måde at lave et gennemsnit af en kurve på er ikke særlig meget anvendt, selv om metoden godt kan give mening i visse tilfælde. En af grundene til, at denne metode ikke er særligt udbredt, er, at den giver et underligt resultat, når man anvender den på en AC-kurve, hvor halvdelen af kurven jo ligger under 0. Gennemsnittet for en sådan AC-kurve vil således give 0, hvilket måske nok er matematisk sandt, men ikke kan bruges til ret meget.

I stedet for en simpel gennemsnitsmåling anvender man derfor en måling kaldet RMS (Root-Mean-Square), som i matematisk henseende svarer til at udføre følgende procedure:

1: Tegn (eller beregn) en kurve, der er kvadratet på den første kurve. At kvadrere noget vil sige at sætte det i anden.
2: Dernæst udregn arealet under kurven og divider det med bredden af det ønskede kurveudsnit
3: Hvorefter man tager kvadratroden af det fremkomne tal

RMS er således igen relateret til arealet under kurven; men man kan med lige så god ret sige, at det er en form for udregning af standardafvigelsen af en række tal.

For en sinuskurve er RMS altid 0,707 gange amplituden (bølgehøjden).

RMS-værdien er i virkeligheden meget anvendelig i forhold til almindelige elektriske udregninger. Man kan således opfatte RMS-værdien af en AC-elektrisk spænding som den tilsvarende værdi, hvis et tilsvarende arbejde skulle udføres af en DC-spænding. Dette betyder (heldigvis, for ellers ville AC-udregninger blive langhårede), at når vi bruger RMS-værdien, kan vi meningsfyldt anvende de velkendte formler fra DC-verdenen til at udregne AC, nemlig:

Ohms Lov: U = R x I

Effektloven: P = U x I

U er spænding målt i volt
R er resistans (modstand) målt i ohm
I er strømstyrke målt i ampere
P er effekt målt i watt

Både Ohms lov og Effektloven kan begge anvendes på AC-spænding når spændingen opgives som RMS.

RMS-værdien er således den værdi, der normalt opgives, når man omtaler AC-spænding. Eksempelvis vil vores normale 230 volt lysnet have en peak-værdi på omkring 320V. Man kan således umiddelbart se, at der er en vis forskel på de to målinger.

I forhold til biologisk påvirkningspotentiale er det næsten altid peak-værdierne, der er interessante.

Forskellen mellem RMS og peak-målinger er een af grundene til, at personer med interesse for de non-termiske effekter af mikrobølgestråling meget sjældent finder støtte for deres synspunkter hos personer, hvis opfattelse af mikrobølgestråler udelukkende er baseret på RMS-værdier. Forholdet mellem peak og EMS ved non-sinusodiale kurver (som eksempelvis mobilstråling) kan nemlig blive yderst markant.

I figuren nedenfor findes et signalstrukturplot over strukturen i et GSM telefonopkald. Plottet er dannet ud fra et simpelt detektorkredsløb (baseret på en mikrobølgediode) koblet til et digitalt oscilloskop. Herved kan de enkelte pulser i transmissionen enkelt overskues:

GSM Voice

Signalstrukturplot for en GSM-forbindelse. Pulsinterval 4,62ms, pulsvarighed: 0,57ms.


GSM er bygget op omkring en kombination af to forskellige måder at organisere radiotransmissioner på. Den ene af disse måder kaldes FDMA (frequency division multiple access), og den anden kaldes TDMA (time division multiple access).

Denne kombinatiovn er valgt for at give plads til så mange samtaler som muligt på så få radiofrekvenser som muligt, idet operatørerne skal betale staten for adgang til frekvensbåndene.

FDMA-strukturen giver således mulighed for omkring hundrede samtidige kommunikationsbånd inden for det allokerede frekvensbånd. Der er omkring 200kHz mellemrum mellem de forskellige kommunikationsbånd.

For at give plads til endnu flere samtaler benyttes TDMA-strukturen oven på FDMA.

TDMA bryder hver kommunikationsbånd (GSM "multiframe" på 120 millisekunder) op i 8 tidsenheder, således at 8 mobiltelefoner samtidigt kan bruge samme kommunikationsbånd.

En konsekvens heraf er, at den enkelte mobiltelefon opererer med en transmissionscyklus på 1:8, således at den kun sender i en ottendedel af tiden, den er online.

Samtidigt vil en basestation i en mobilmast (ud over normalt at sende med højere effekt) også have en markant højere (8/8) transmissionscyklus end en mobiltelefon. Basestationen kan altså forventes at sende hele tiden.

På strukturplottet kan der, som tidligere nævnt, findes et grafisk overblik over, hvorledes en GSM-mobilsamtale kan foregå.

Disse pulseringsformer giver to distinkte ELF (Extremely Low Frequency)-komponenter i GSM-signalet, nemlig en på 8,33Hz, idet hvert 26. signalpuls udelades og en på 217Hz, idet telefonen sender hvert 4,6ms med varighed af 0,57ms. Sådanne ELF-komponentfrekvenser er af stor væsentlighed i forbindelse med biologisk påvirkningspotentiale

På strukturplottet er det umiddelbart indlysende, at der er stor forskel på signalets RMS-værdi og signalets peak-værdier. Det er RMS-værdien, der benyttes i alle offentlige målinger i forbindelse med tilladelser og grænseværdier. Det er samtidigt RMS-værdien, der opgives fra teleselskaber og producenter.

De enkelte bølgetoppe - peaks - er de væsentlige i forbindelse med biologisk påvirkningspotentiale og deraf følgende risiko for helbredsskader. Som det umiddelbart ses af grafen, kan der være væsentlig forskel. Især på grund af den specielle dobbelte organisering af signaltransmissionen, der er grundlæggende i GSM, derved at den målte RMS-værdi bliver særdeles lav - på trods af at de enkelte signalpulser kan være betydelige.

Hvis man måler på batteriet i en telefon, trækkes der i visse tilfælde (telefonen justerer sendestyrke efter signalforhold) - lige i transmissionsøjeblikket - omkring 2 ampere. Det er ganske betydeligt i forhold til samlet batterikapacitet - og må et eller andet sted også være en udfordring for batteriproducenterne. Men det er altså også et tydeligt bevis på den særdeles kraftige forskel mellem de enkelte stadier i transmissionsstrukturen.

Mange andre trådløse produkter har lignende pulserende transmissionsstruktur; men ikke alle pulserende strukturer er ens. Dette er væsentligt at være opmærksom på ved læsning af statistiske metaanalyser, hvor denne forskel kan optræde som confounder og skabe et ukendt strukturelt bias.

I forhold til biologisk påvirkningspotentiale for RF-EMF vil det hovedsageligt være peak-målinger, der er interessante, hvorimod mere teknisk betonede anvendelsesområder altid opgiver (og måler) intensitetsværdier i RMS. Samtidigt kan de ELF-komponenter, som pulsstrukturen danner i sig selv, være biologisk aktive. Dette er en af grundene til, at man ofte misforstår hinanden - og at mennesker uden egentlig teknisk indsigt i målemetoderne nemt kan have en tendens til at forkaste ideerne om biologisk påvirkningspotentiale, idet der, regnet i RMS-facon, kun måles en meget lille effekttæthed.

Tilbage til oversigten