Arbeitsblatt: Handystrahlung

1 Einleitung 1.1 Motivation Durch die grosse Verbreitung der Handys und die Gewöhnung an diese Technologie, ist kaum einer sich den elektromagnetischen Wellen bewusst, die von einem Handy ausgehen. Heutzutage besitzt so ziemlich jede und jeder ein Natel. In unserer mobilen Welt muss man stets erreichbar sein, mögliche gesundheitliche Risiken spielen dabei eine sekundäre Rolle bzw. werden gar nicht erst wahrgenommen. Vor einigen Jahren war der Besitz eines Natels bei Kindern nur ein Luxus. Mittlerweile besitzen schon Kinder im Alter von 12 Jahren ein Natel. Es ist nun nicht mehr ein Luxusgut, sondern eine Selbstverständlichkeit eines zu besitzen. Das Thema Gesundheit spielt eine immer grössere Rolle. Befürchtungen von Hirntumoren bei Kindern und Impotenz bei Erwachsenen verwirren Handybesitzer und Eltern. Unterdessen ist die Suche nach möglichen Effekten von Handystrahlungen ein aktuelles Forschungsgebiet. Physik hat mich schon immer begeistert. Mittels einfachen Formeln kann man ganze Abfolgen beschreiben und ausrechnen. Für mich war es klar, dass ich meine Maturaarbeit in diesem Fach ablegen möchte. Wieso aber gerade über Handystrahlung? Eines Tages als ich einmal für eine längere Zeit telefonierte, fiel mir auf, dass der Bereich um mein Ohr und das Ohr selber sich erwärmt hatte. Zuerst verstand ich nicht wieso, aber ich wusste, diese Erwärmung musste vom Natel kommen. Ich habe im Internet recherchiert und fand heraus, dass die Erwärmung den elektromagnetischen Wellen zugrunde liegt. Denn diese können in den Organismus eindringen und die Materie erwärmen. Durch weiteres Forschen fand ich heraus, dass das Handy je nach Standort mehr oder weniger stark strahlt. Erstaunlicherweise hiess es, das Benutzen des Handys auf dem Land führe zu einer grösseren Exposition als in der Stadt. Diese Hypothese schien mir vorerst fragwürdig zu sein, denn rein spontan würde man doch denken, das Umgekehrte sei der Fall. In meiner Maturaarbeit möchte ich nun herausfinden, wie die Intensität der Strahlung durch den Standort beeinflusst wird. 1 1.2 Ziele Über Handystrahlung findet man endlos viele Internetseiten und Bücher. Dabei muss man sehr gut eruieren, welche Quellen verlässlich und vertrauenswürdig sind und welche nicht. Darum habe ich mich auch mit einigen Spezialisten in Verbindung gesetzt um Klarheit zu bekommen. Meine Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Der theoretische Teil schafft das Grundverständnis um danach den praktischen Teil verstehen zu können. Meine Arbeit erklärt, welche Strahlungen von einem Handy ausgehen, wie das Handy eine Verbindung aufbaut und wie gross die Belastung von Handys auf den Benutzer in verschiedenen Standorten ist. Ich will den Leserinnen und Lesern meiner Maturaarbeit das Natel ein bisschen näher bringen, denn ich bin der Meinung viele besitzen ein Natel aber wissen nicht sonderlich viel darüber. Im praktischen Teil habe ich verschiedene Standorte ausgesucht. Von dichtbesiedelten Gebieten wie die Stadt bis hin zu kaum bewohnten Bereichen wie in den Bergen. Dabei habe ich untersucht, wie stark das Mobiltelefon bei diesen verschiedenen Standorten strahlt, wenn man telefoniert. Einen herzlichen Dank richte ich an Herr Dr. Hugo Lehmann vom Innovation Competence Center der Swisscom AG. Er hat mir sein Gerät für die Messungen zur Verfügung gestellt und hat mir in diesem doch kompliziertem Thema sehr gut weiterhelfen können. Ich möchte mich auch bei meiner Betreuerin und Physiklehrerinn Frau Dubacher bedanken. Sie war mir bei der Wahl des Themas und der Vorgehensweise sehr behilflich. 2 2 Elektrosmog Als erstes möchte ich den Begriff Elektrosmog aufgreifen. Denn dieses Unwort wird immer aktueller. Wieso ein Unwort? Das Wort Elektrosmog wird im Allgemeinen abwertend eingesetzt, denn Smog setzt sich aus dem englischen Wort smoke für Rauch und fog für Nebel zusammen und steht für eine Belastung der Umwelt. Der nichtwertende Fachbegriff lautet elektromagnetische Umweltverträglichkeit (EMVU). Was versteht man eigentlich unter Elektrosmog? Ob Stromkabel, elektrische Lampen und Haushaltsgeräte, schnurlose Telefone und Handys, Computer, Fernseher oder Mobilfunkantennen; Elektrosmog entsteht, wenn Strom fliesst, Sender senden und Funker funken. Der Begriff wird im Zusammenhang mit der Belastung der Umwelt mit elektromagnetischen Feldern verwendet. Elektrosmog wird immer mehr als Gefahr wahrgenommen und ist in unserer heutigen Zeit ein brisantes und aktuelles Thema, das immer wieder für Diskussionsstoff sorgt. Elektrische Vorgänge beeinflussen Mensch und Tier. Die Wirkung von Elektrosmog auf Lebewesen hängt in erster Linie von der Frequenz ab. Die Kommunikation mittels Mobiltelefonen ist ein Bereich des Elektrosmog. Um die verschiedenen Felder genauer verstehen zu können, müssen wir zunächst einmal einen tieferen Einblick in die Physik erhalten. 3 3 Felder 3.1 Elektrisches Feld In meiner Maturaarbeit messe ich mit meinem Gerät (zudem ich später kommen werde), das elektrische Feld, welches von einem Handy ausgestrahlt wird. Daher ist das Verständnis des elektrischen Feldes wichtig. Elektrische Felder entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen vorhanden sind. Unsere Materie besteht vorallem aus solchen Teilchen. Aus positiven Protonen, die mit den Neutronen den Atomkern bilden und aus den negativ geladenen Elektronen, die die Atomhülle bilden. Ein negativ geladenes Elektron ist ebenso wie ein positiv geladenes Proton von einem elektrischen Feld umgeben, nur dass die Feldlinien der Felder in entgegengesetzter Richtung sind. negativ geladenes Elektron positiv geladenes Proton Abb. 1 elektrisches Feld von Elektron und Proton 4 Stehen zwei unterschiedliche Ladungen gegenüber, so sind sie bestrebt, aufeinander zukommen. Die Masseinheit des elektrischen Feldes ist Volt pro Meter [V/m]. Ein allgemein bekanntes Phänomen, das etwas mit elektrischen Feldern zu tun hat, ist das der elektrostatischen Aufladung. Auftreten kann dieses Phänomen beispielsweise, wenn man in Schuhen mit verschiedenen Sohlenmaterialien auf Kunststoffteppichböden läuft oder mit der Kleidung an den Kunststoffbezügen von Möbeln entlang streift. Die Aufladung macht sich aber erst bemerkbar, wenn man einen geerdeten Gegenstand wie einen Wasserhahn oder eine Türklinke berührt. Wie gross die Kraft zwischen zwei Punktladungen ist, lässt sich nach dem Coulombschen Gesetz berechnen. Die elektrische Feldstärke Punkt im Raum die elektrische Kraft gibt an, wie gross an einem bestimmten auf eine Probeladung ist und in welche Richtung die Kraft zeigt. Die Einheit für die elektrische Feldstärke ist [E] 1 NC-1. Abb. 2 Kraft auf eine Probeladung Analog dazu gilt auch das Gravitationsgesetz So wie die Gravitationskraft zwischen Körpern durch deren Masse verursacht wird, wird die elektrische Kraft durch die Ladung der beteiligten Körper hervorgerufen. 5 3.2 Magnetische Flussdichte Im Gegensatz zum elektrischen Feld, das durch elektrische Ladungen entsteht, besitzt ein Magnetfeld keine Quellen. Somit gibt es keine magnetischen Punktladungen, sondern Magnetfelder entstehen durch bewegte Ladungen. Elektrischer Strom fliesst, wenn die Spannung1, die ein elektrisches Feld aufbaut, durch fliessen von Elektronen abgebaut wird. In diesem Moment entsteht rund um den vom Strom durchflossenen Draht ein Magnetfeld. Feldlinienbilder Abb. 3 Feldlinien A) eines Dauermagneten B) eines geraden, stromdurchflossenen Leiters C) einer stromdurchflossenen Zylinderspule Die magnetische Flussdichte wird in Tesla2 [T] gemessen. Alle elektrischen Geräte sind von Magnetfeldern umgeben, sobald sie in Betrieb genommen werden (Fernseher, Radio, Musikboxen etc.). Die Feldlinien verlaufen ausserhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol, innerhalb des Magneten vom Südpol zum Nordpol. 1 Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit oder Energie nötig ist, um ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung innerhalb eines elektrischen Feldes zu bewegen. Spannung ist also das spezifische Arbeitsvermögen der Ladung. 2 Nikola Tesla (1856-1943) war ein Erfinder und ein Elektroingenieur. 6 4 Induktion Unter Induktion versteht man das Entstehen einer elektrischen Spannung durch die Änderung des magnetischen Flusses3. Die elektromagnetische Induktion wurde 1831 von Michael Faraday entdeckt. 4.1 Faraday Michael Faraday (geboren 22.7.1791 gestorben 25.8.1867) war ein englischer Forscher, der als einer der bedeutendsten Physiker gilt. Seine Entdeckung der Induktion legte den Grundstein für die Elektroindustrie. Für Michael Faraday war es klar, wenn man ein Magnetfeld rund um einen stromdurchflossenen Leiter erzeugen kann, dann kann man auch elektrischen Strom erzeugen, wenn ein Magnetfeld quer zu einem Leiter bewegt wird. Der Motor wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Abb. 4 Motor Michael Faraday wollte jedoch mit der Bewegung eines Magnetfeldes einen elektrischen Stromstoss in einem Leiter erzeugen. Im Jahre 1831 hatte er es geschafft. Der Generator wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Abb. 5 Generator 3 Der magnetische Feldfluss ] ist eine physikalische Größe zur Beschreibung des magnetischen Feldes. 7 Sein Grundversuch war eine Leiterschleife quer zu einem Magnetfeld zu bewegen. Auf den Leiter wirkt eine Kraft, die sogenannte Lorentzkraft. Die Elektronen im Leiter bewegen sich, es fliesst ein Strom. Zwischen den Enden des Leiters entsteht eine Spannung. Der Vorgang heisst elektromagnetische Induktion. Die Spannung heisst Induktionsspannung, der Strom heisst Induktionsstrom. Es spielt keine Rolle, ob man den Leiter gegen die Schleife oder die Schleife gegen den Leiter bewegt. Wichtig ist einfach, dass sich das Magnetfeld in einem Zeitabschnitt Abb. 6 Lorentzkraft ändert. Mit einer Leiterschleife kann keine hohe Induktionsspannung erreicht werden, darum ist eine Verwendung von Spulen effektiver. Stösst man einen Magneten in eine Spule oder zieht man ihn schnell aus der Spule heraus, wird an den Spulenenden eine Induktionsspannung erzeugt. Die Induktionsspannung ist umso höher, je stärker das Magnetfeld, je schneller die Bewegung und je grösser die Windungszahl der Spule ist. Je grösser die Windungszahl der Spule, umso mehr Ladungsträger stehen in den vielen Drahtwindungen zur Verfügung, an denen das sich ändernde Magnetfeld Verschiebearbeit verrichten kann. In der Spule fliesst nun ein Induktionsstrom. Der erzeugt seinerseits ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld wirkt dem Magnetfeld entgegen, das den Induktionsstrom gerade erzeugt. Die Lenzsche4 Regel besagt, dass der Induktionsstrom so gerichtet ist, dass das erzeugte Magnetfeld der Spule dem Erzeugermagnetfeld des bewegten Stabmagneten entgegenwirkt. 4 Heinrich Friedrich Emil Lenz war ein deutscher Physiker. 8 4.2 Elektromagnetische Wellen 4.2.1 Frequenz Wellen und Schwingungsphänomene sind allgegenwärtig. Wellen werden auch als Kommunikationsmittel benutzt. Unsere Stimmbänder versetzen durch Schwingung der Luft das Trommelfell anderer Menschen in Schwingung. Das Gehirn verarbeitet schliesslich diese Information. Wie die Natur, so nutzt auch die Kommunikationstechnologie unterschiedlichste Frequenzen, um Informationen zu übermitteln. Die unzähligen unterschiedlichen Sender funktionieren bei Frequenzen von einigen Megahertz bis zu Gigahertz. Radiowellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlen und viele andere Wellen sind dabei genauso elektromagnetische Wellen wie das sichtbare Licht. Dabei unterscheiden sich Licht und Radiowellen sowie alle anderen Erscheinungen durch die Frequenz. Bei der Frequenz unterscheidet man zwischen Hochfrequenz und Niederfrequenz. Hochfrequente elektromagnetische Felder werden z.B von Radio, Fernseher oder Rettungsfunk genutzt. Niederfrequente elektrische und magnetische Felder sind zwischen 0 und 10 kHz vorhanden. Ab 30 KHz bis 300 GHz spricht man von Hochfrequenz. Auch der moderne Mobilfunk nutzt hochfrequente elektromagnetische Felder zur digitalen Übertragung von Gesprächen und Daten. Ein Hz ist eine vollständige Schwingung innerhalb einer Sekunde. Gibt es zehn Schwingungen in der Sekunde, so erhalten wir eine Frequenz von 10 Hz und eine zehnmal kürzere Wellenlänge. Beim Haushaltsstrom ist die Frequenz 50 Hz, beim Mobilfunk 900 Millionen Hz. Während die Wellenlänge beim Strom mehrere 1000 km beträgt, ist sie beim Mobilfunk nur noch 33 cm. Abb. 7 Schwingung 9 Folgende Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge der Welle und ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit (im Falle der elektromagnetischen Welle handelt es sich um Lichtgeschwindigkeit): fc/ Frequenz Ausbreitungsgeschwindigkeit Wellenlänge 4.2.2 Elektromagnetisches Spektrum Das elektromagnetische Spektrum bezeichnet die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen. Abb. 8 elektromagnetisches Spektrum Ist die Energie sehr hoch, so kann die Strahlung ionisierend wirken. Das heisst, die Strahlung kann aus Atomen oder Molekülen Elektronen entfernen, sodass positiv geladene Ionen 10 zurückbleiben. Gesundheitliche Folgen sind unter anderem eine Schwächung des Immunsystems, Steigerung des Krebsrisikos, Impotenz und die Zerstörung des Erbguts. Es gibt elektromagnetische Felder, die in der Natur entstehen. Dies sind beispielsweise das Tageslicht oder Blitze bei einem Unwetter. Andere werden von Menschen verursacht. Denn überall dort, wo Strom fließt, gibt es auch elektromagnetische Felder. Im elektromagnetischen Feld gibt ist also künstliche, von Menschen hergestellte Quellen und natürliche Quellen. einige künstliche Quellen einige natürliche Quellen Eisenbahnen, Hochspannungsleitungen, Sonne, Sterne, Weltall, Blitze. Haushaltsgeräte, Mobilfunk, Rundfunk, Bluethooth, GPS. 4.2.3 Elektromagnetische Welle Eine fortschreitende elektromagnetische Welle ist ein räumlich und zeitlich periodischer Vorgang, bei dem sich elektrische und magnetische Wechselfelder im Raum ausbreiten. Bei der Ausbreitung wird während einer Schwingung des elektrischen Feldes ein magnetisches Feld erzeugt, welches wieder ein elektrisches Feld bewirkt. Abb. 9 elektromagnetische Welle 11 Bei Frequenzen über 30 kHz sind das elektrische Feld und das magnetische Feld untrennbar miteinander verbunden. Bei einer elektromagnetischen Welle schwingen die Vektoren des Feldes und des -Feldes stets senkrecht zueinander. Jedes Handy sendet solche elektromagnetischen Wellen aus. Diese Wellen können mehr oder weniger ungehindert den menschlichen Organismus durchdringen. So nimmt das elektrische Feld im Innern des Körpers relativ schnell ab, das Magnetfeld dringt allerdings fast ungehindert in den Körper ein. Mit meinem Messgerät messe ich die elektrische Komponente einer elektromagnetischen Welle. 12 5 Informationsübertragung Wie wird mittels den Felder Information übertragen? Nun wissen wir, wie die verschiedenen Felder aufgebaut sind und wie sie funktionieren. Dies ist notwendig um danach den praktischen Teil verstehen zu können. Ein Beispiel für den technischen Einsatz dieser Felder ist der Lautsprecher. 5.1 Funktionsweise Lautsprecher Die meisten Lautsprecher sind als Tauchspulenlautsprecher aufgebaut. Dabei wird der Leiter zu einer Spule aufgewickelt und in ein ringförmiges Magnetfeld eingetaucht. Durch die Verbindung der Spule mit der Membran, bilden sie zusammen ein schwingungsfähiges System. Vom Verstärker fliesst nun Strom durch die Spule, desser Stärke im Takte der zu übertragenden Musik oder Sprache schwankt. Auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft. So wird die Spule horizontal hin und her geschoben und die mitbewegte Membran strahlt Schall ab. Abb. 10 Funktionsweise Lautsprecher 13 5.2 Modulation Es gibt drei verschiedene Arten von Modulation. Die Amplitudenmodulation, die Phasenmodulation und die Frequenzmodulation. Wir werden jedoch nur auf die Amplitudenmodulation eingehen, da diese in der Anfangszeit der Signalübertragung das wichtigste Verfahren zur Aufbereitung von Signalen war. Das niederfrequente Informationssignal Ui beeinflusst das hochfrequente Trägersignal UT. Das Informationssignal verändert nur die Amplitude. Bei der Amplitudenmodulation wird ein hochfrequentes Trägersignal erzeugt und mit der Amplitude zum Beispiel eines Audiosignals verändert. Die Frequenz des Informationssignals ist nicht mehr im Träger enthalten, sondern wirkt sich als Amplitudenschwankungen des Trägersignals aus. Jedoch ist die AM sehr anfällig, weil die Information in der Amplitude steckt. Wird sie beeinflusst, so ist die Information weg oder verfälscht. Im Grunde genommen funktionieren die anderen beiden Abb. 11 Amplitudenmodulation Modulationen gleich, nur dass ein anderer Faktor verändert wird. 5.3 Funktionsweise des Handys Wer ein Handy benutzt, der will auch zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort erreichbar sein. In den letzten zehn Jahren ist das Handynetz nun soweit ausgebaut worden, dass dies nahezu überall in der Schweiz möglich ist. Dazu war ein grosser technischer Aufwand nötig, denn es ist weit viel mehr erforderlich als nur ein Handy Damit Mobilfunk funktionieren kann, braucht es eine umfassende technische Infrastruktur. Dies wird von den Mobilfunknetzbetreibern zur Verfügung gestellt. In der Schweiz sind das Swisscom, Orange und Sunrise. Diese unterhalten zwei verschiedene Netze; das GSM-Netz 14 und das UMTS-Netz. Diese beiden Systeme sind internationale Mobilfunkstandards, die mit identischer Technik in über 218 Länder und Regionen der Welt verwendet werden. Mehr als 80 der weltweit über 4.5 Milliarden Handynutzer telefonieren in einem GSM-Netz. Der zellenstrukturartige Aufbau des Mobilfunknetzes erlaubt eine hohe Übertragungsqualität. Die Mobilfunknetze bestehen aus zahlreichen nebeneinander liegenden, vernetzten Funkzellen. Jede Funkzelle besitzt eine Sende- und eine Empfangsstation, die so genannte Mobilfunkbasisstation. Die ortsunabhängige Erreichbarkeit per Mobiltelefon beruht auf dem Prinzip, dass ein Gespräch immer zwischen einem Handy und einer in der Nähe liegenden Basisstation des persönlichen Netzbetreibers aufgebaut wird. Eine Basisstation versorgt eine räumlich begrenzte Funkzelle mit Empfang und registriert gleichzeitig, welche Handys des eigenen Netzes in ihrem Versorgungsraum eingeschaltet sind. Aus diesem Grund kann jedes Handy auf der Welt innerhalb von Sekunden gefunden und angerufen werden. Die physikalischen Voraussetzungen für das Telefonieren sind die hochfrequenten elektromagnetischen Wellen. Sie dienen als Transportmittel, weil sie Informationen mit Lichtgeschwindigkeit vom Handy zur nächstgelegenen Basisstation transportieren können. Die Mobilfunkbasisstation nimmt die Funksignale eines Handys und die zu vermittelnden Daten über ihre Empfangsantenne auf und leitet sie an eine entfernte Funkvermittlungsstelle weiter. Von dort aus werden die Gespräche zum Empfänger weitergeleitet. Abb. 12 Senden und Empfangen 15 Mobilfunkbasisstationen sind Sende und Empfangsanlagen, die mit sehr niedrigen Sendeleistungen zwischen 10-50 Watt arbeiten. Ein GSM-Handy hat eine Leistung von zwei Watt. Um ein Gespräch aufbauen zu können, braucht das Handy immer eine Verbindung zu einer Basisstation. Daher werden diese bevorzugt dort gebaut, wo viele Nutzer telefonieren möchten. Die grösste Zahl der Sendeanlagen wurde daher in Städten und Gemeinden errichtet, weil die Menschen nicht nur unterwegs, sondern auch in ihren Wohnungen und Büros mobil telefonieren möchten. Abb. 13 Streuung der Basisstationen 5.4 Antennen 5.4.1 Analoge Sendetechnik Bei analoger Sendetechnik nutzt man das Wellenmuster einer bestimmten Frequenz. Der Vergleich eines in den See geworfenen Steins ist dabei hilfreich. Die Wellen von einer Antenne jedoch verlaufen nicht nur auf einer Ebene, sondern auch nach oben und unten in den Raum. Diesem Wellenmuster wird die Information von zum Beispiel einem 16 Radioprogramm auf moduliert. Dies kann man entweder durch die Veränderung der Höhe (Amplitudenmodulation) oder durch die Veränderung der Wellenlängen (Frequenzmodulation) machen. Die grossen Radioantennen arbeiten auch heute noch mit analoger Sendetechnik. Allerdings will man jetzt vermehrt auf digital umstellen, um das Problem um heutigen Qualitätsansprüchen besser genügen zu können. Die Fernsehsender sind heute in der Schweiz bereits alle als digitale Sender ausgelegt. 5.4.2 Digitale Sendetechnik Bei digitaler Sendetechnik werden die Informationen erst in ein binäres5 Signal (Null oder Eins) umgewandelt, bevor sie gesendet werden. Dies ist am besten mit dem Tropfmuster eines Tintenstrahldruckers vergleichbar, der erst auf dem Blatt Papier wieder ein Bild erzeugt. Genau wie beim Tintenstrahldrucker werden bei dieser Sendetechnik sehr viele Impulse in kürzester Zeit übermittelt. Der technische Vorteil dieses Systems liegt in der meist kleineren Leistungsabgabe des Senders und der guten Übertragungsqualität. Die Mobilfunkanlagen der heutigen Generationen nutzen diese digitale Sendetechnik. 5.4.3 Gepulste Sendetechnik Mit digitaler Sendetechnik wird soviel Informationen in so kurzer Zeit gesendet, dass dazwischen sogar längere Pausen möglich sind. Diese Tatsache macht sich die Mobilfunktechnologie zunutze. Wie schnell man auch in ein Handy spricht, der integrierte Chip wandelt die Sprache in eine Folge von Null oder Eins-Impulsen um und sendet diese paketweise, also gepulst ab. Für das Versenden jedes Pakets benötigt das GSM-Handy gerade mal 0.6 Millisekunden. Danach macht es etwa 4 Millisekunden Pause, währenddessen andere Teilnehmer zum Zug kommen. Mit dieser Technik können auf derselben Frequenz acht Teilnehmer über die gleiche Antenne telefonieren. 5 Binärcode ist die allgemeine Bezeichnung für einen Code, mit dem Nachrichten durch Sequenzen von zwei verschiedenen Symbolen dargestellt werden können. 17 6 EME SPY Mein Gerät ist das EME SPY, das ich vom Hugo Lehmann des Innovation Competence Centers von der Swisscom AG erhalten habe. Dieses Gerät misst die elektrischen Felder von 12 verschiedenen Frequenzenbändern TV, FM, Wifi etc.). Es genügt die elektrischen Felder zu messen, da das elektrische Feld eine Komponente der elektromagnetischen Welle ist. Dabei ist jedoch die obere Messgrenze 10 V/m. Die Messempfindlichkeit ist mit 0.05 V/m relativ schlecht, was vor allem für die Felder des Mobilfunknetzes oft zu wenig sensibel ist, aber für meine Anwendung unproblematisch. Für meine Messungen verwende ich nur das GSM900 Frequenzband, in der die Handys strahlen GSMtx 880 – 915 MHz ). Um optimale Messergebnisse zu erhalten muss man das Gerät etwa 30 cm vom Natel entfernt aufstellen. Per USB-Kabel kann man das Gerät am Computer anschliessen und die nötigen Einstellungen vornehmen. Dabei kann man die Messdauer bestimmen. Danach muss man auf den schwarzen Knopf drücken und das Gerät misst die elektrischen Felder aller Bänder während der bestimmten Zeitspanne. Die Ergebnisse kann man dann mit Hilfe der Abb. 9 EME- Spy mitgelieferten Software einsehen. 18 7 Messungen 7 .1 Abnahme Strahlung Bei meinem ersten Versuch wollte ich herausfinden, wie die Strahlung abnimmt, wenn man das Mobiltelefon vom Ohr entfernt. Symbolisch ist das EME-Spy das Ohr, das die elektrische Strahlung erfährt. Nach der Theorie sollte das elektrische Feld mit 1/r abnehmen. 7.1.1 Versuchsaufbau Ich habe das EME-Spy an einem festen Standort platziert und ein Messband gespannt. Danach habe ich die Abstände von 0 – 90 cm markiert. Beim Versuch habe ich mein Handy bei 0 cm angesetzt und darauf telefoniert und 16 Sekunden läuten lassen. Dabei hat das Handy Strahlung emittiert, denn für den Verbindungsaufbau müssen elektromagnetische Wellen zu einer Basisstation ausgestrahlt werden. Den gleichen Ablauf habe ich schliesslich bei 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 60 cm, 70 cm, 80 cm und 90 cm gemacht. Um stabilere Resultate zu erhalten, habe ich diesen Versuch sechsmal durchgeführt und die Mittelwerte davon genommen. 19 7.1.2 Resultat und Diskussion Am Computer kann man die Werte einsehen und in einem Diagramm darstellen. Man sieht, dass die ersten drei Balken bei zehn V/m aufhören, da das Gerät eine obere Grenze von 10 V/m hat. Hält man das Mobiltelefon direkt am Ohr ist die Belastung am grössten. Sie nimmt jedoch mit zunehmendem Abstand sehr schnell ab. Hat man eine Freisprechanlage 50 cm vom Ohr entfernt, so ist Strahlung weit mehr als die Hälfte kleiner. Daher sollte man bei Möglichkeit mit einer Freisprechanlage oder einem Headset telefonieren. Da das Mobilfunknetz selber kontinuierlich ein elektrisches Feld von etwa 0.2 V/m ausstrahlt, hat das elektrische Feld vom Natel bei einem Abstand von 90 cm immer noch eine Relevanz. 7.2 Verbindungsaufbau Wenn man auf ein Handy anruft oder von einem Handy aus einen Anruf tätigt, so muss das Handy zuerst eine Basisstation finden. Um dies zu finden, muss das Natel elektromagnetische Wellen aussenden. Je weiter eine Basisstation entfernt ist, desto mehr muss das Mobiltelefon strahlen, bis es eine erreicht hat. In den ersten paar Sekunden ist also 20 die Strahlungsintensität am grössten. Wenn das Handy nun eine Basisstation gefunden hat, so nimmt die Intensität kontinuierlich auf eine minimale Sendeleistung ab. Das allgemeine Schema der elektrischen Feldstärke beim Verbindungsaufbau sieht wie folgt aus: Ich habe auf mein Natel angerufen und während 24 Sekunden klingeln lassen. Man sieht während diesen 24 Sekunden hat das Natel von 9 V/m auf 1 V/m reguliert. Nur bei der Stärke des elektrischen Feldes wird es Unterschiede geben, denn diese sind standortabhängig, wie wir bei der nächsten Messung sehen werden. Bevor man einen Anruf tätigt, ist es also ratsam das Handy ca. vier Sekunden vom Ohr entfernt zu halten, um sich nicht unnötig einer grossen Belastung auszusetzen. 21 7.3 Stadt-Land Vergleich Viele würden spontan denken, das Mobiltelefon strahlt in der Stadt mehr als auf dem Land. Das umgekehrte ist jedoch der Fall. Durch die kleine Anzahl der Basisstationen auf dem Land muss das Handy viel mehr elektromagnetische Wellen aussenden, um eine Station finden zu können, als in der Stadt. Mein Ziel ist bei diesem Versuch herauszufinden, wie gross die Unterschiede zwischen den verschiedenen Standorten sind. 7.3.1 Versuchsaufbau Ich habe mir verschiedene Standpunkte ausgesucht, die verschieden stark besiedelt sind. Stadt-Vorort-Land. Innerhalb dieser Gebiete habe ich an drei verschiedenen Orten Messungen unternommen. Ich habe mein Gerät 30 cm vom Natel entfernt aufgestellt und danach während 24 Sekunden darauf angeläutet und mit meinem Gerät die Strahlung erfasst. Jede Messung habe ich dreimal durchgeführt. Stadt Vorort Land Bahnhof Luzern Reussbühl Seelisberg Schwanenplatz Obernau Bauen Kasernenplatz Stans Eigental 7.3.2 Resultat und Diskussion Stadt In der Stadt habe ich am Bahnhof Luzern, beim Schwanenplatz und beim Kasernenplatz meine Messungen durchgeführt. Das die Werte alle nahe beieinander liegen, hat den Grund, 22 dass diese Orte alle ähnlich gut mit Basisstationen ausgestattet sind. Wegen der grossen Bevölkerungsdichte in der Stadt braucht es viele solcher Stationen. Mit 5 V/m muss das Natel relativ wenig strahlen, bis es eine Basisstation gefunden hat. Nach dem schnellen Fund kann das Handy sogar auf knapp 2 V/m regulieren, um immer noch eine Verbindung aufrechterhalten zu können. Vorort Die ausgewählten Gebiete zwischen Stadt und Land sind Reussbühl, Obernau und Stans. Diese drei Orte sind weniger dicht besiedelt als die Stadt, aber dennoch benutzen viele Leute das Handy. 23 Wie man gut an der y-Achse sehen kann, braucht das Handy etwas länger, bis es eine Basisstation gefunden hat. Diese Gebiete sind nicht mehr so dicht mit Basisstationen bestückt wie die Stadt. Hat das Handy aber eine Mobilfunkstation gefunden, so kann es bis auf 2 V/m regulieren und man hat trotzdem noch eine gute Verbindung. Man sieht, dass die Belastung in Stans grösser ist als in Obernau oder Reussbühl. Dies kann man so deuten, dass in Stans weniger Leute wohnen und analog dazu auch weniger Basisstationen nötig sind und unsere zufällig ausgewählten Messorte im Mittel weiter weg von der nächsten Basisstation sind als in der Stadt. Es ist durchaus auch möglich, dass dies ein Messfehler ist. Das EME-Spy ist nicht so sensibel, um eindeutig sagen zu können, ob die Belastung nun in Obernau oder in Stans grösser ist. Land Ländliche Gebiete, an denen ich meine Messungen unternommen habe sind das Eigental, Seelisberg und Bauen. Diese Gebiete sind kaum bewohnt und ein Anruf von einem Mobiltelefon wird nur gelegentlich getätigt. 24 Man sieht, dass der Balken während den ersten acht bis zwölf Sekunden über der 10 V/m Grenze liegt. In den ersten vier Sekunden wird die Belastung ca. bei 13-14 V/m liegen. Auch nach 24 Sekunden benötigt das Handy noch etwa 5 V/m um die Verbindung nicht zu verlieren. Man sieht gut, dass in ländlichen Gebieten weniger Mobilfunkbasisstationen vorhanden sind. Daher sind unsere zufällig ausgewählten Messorte im Mittel weiter weg von der nächsten Basisstation als in der Stadt. Vergleich Stadt, Vorort und Land Um meine Resultate vergleichen zu können, habe ich die einzelnen Mittelwerte von den jeweiligen drei Orten der Stadt, dem Vorort und dem Land genommen und sie in einer Tabelle dargestellt. 25 Viele Menschen würden das Gegenteil behaupten, aber meine Messungen zeigen eindeutig, dass die Strahlungsintensität des Handys auf ländlichen Gebieten viel höher ist als in der Stadt. Wenn man sich aber länger mit diesem Thema befasst, ist das Resultat nicht sonderlich erstaunlich. Da die Mobilfunkbasisstationen auf dem Land viel weiter auseinander liegen, muss das Handy viel mehr strahlen, bis es eine Antenne erreicht hat. So ist der Handynutzer einer grösseren Belastung ausgesetzt als im Zentrum. Hat jetzt Handystrahlung nun gesundheitliche Folgen oder nicht? Dies werden wir im nächsten Kapitel sehen. 26 7.3.3 Fehlerabschätzungen Bei einer wissenschaftlichen Arbeit ist es wichtig, sich im Klaren zu sein, wie gross der Fehler bei den Messungen sein könnte. Jede Messung unterliegt einem Messfehler, im Falle vom EME-Spy sind das sicherlich 40%. Dies ist jedoch unproblematisch, da es bei meinen Messungen letztlich um quantitative Abschätzungen zwischen Stadt und Land geht und nicht um qualitativ genaue Werte. In Gebieten, wo die Belastung ähnlich ist, kann man also nicht sagen, welche mehr belastend sind und welche weniger. Bei meinen Versuchen habe ich jede Messung an einem Punkt dreimal durchgeführt und den Mittelwert genommen. Die Fehlerquote sinkt natürlich mit jeder weiteren Messung. Da man relativ starke Unterschiede zwischen Stadt, Vorort und Land sieht, kann man aus den Mittelwerten von drei Messungen eindeutige Schlüsse ziehen. In der Stadt ist das Handy wesentlich weniger belastend für den Benutzer als auf dem Land. Eine weitere Fehlerquelle ist die Platzierung des Handys. Der Fehler steigt, wenn man das Handy weiter weg oder näher am Gerät aufstellt als die 30 cm. Auch der Winkel zum Gerät hat einen Einfluss, zum Beispiel wenn man das Handy nicht direkt frontal, sondern etwas verschoben zum EME-Spy platziert. Im Weiteren können auch die Umweltbedingungen den Fehler erhöhen, schlechtes Wetter könnten die Messresultate verfälschen. Es fliessen viele Faktoren in eine Messung hinein, die die Fehlerquote erhöhen. Alle diese Faktoren zu isolieren ist sehr schwierig und in meiner Arbeit auch nicht notwendig, da ich nur eine grobe Übersicht zwischen diesen Gebieten erstellen möchte. 27 8 Grenzwert Die Handybenutzer wollen telefonieren ohne dabei gesundheitlich geschädigt zu werden. Um dies zu garantieren, hat der Gesetzgeber verbindliche Grenzwerte für den Schutz der Gesundheit festgelegt. Grenzwerte basieren auf dem aktuellen Forschungsstand und bestimmen die Grenze erlaubter Belastungen, die nicht überschritten werden dürfen. Durch die Einhaltung der Grenzwerte wird garantiert, dass von den elektromagnetischen Wellen des Handys keine gesundheitlichen Risiken für die Bevölkerung ausgehen. Die Grenzwerte wurden auf der Grundlage der biologischen Wirkungsschwelle ermittelt. Diese Schwelle bezeichnet die Grenze, unterhalb derer keine biologischen Wirkungen auftreten. Beim Handy gibt die Wirkungsschwelle die Menge an Energie an, ab der mit biologischen Effekten zu rechnen ist, der sogenannte SAR-Wert. Für den gesundheitlichen Aspekt ist nicht die elektrische Feldstärke sondern der SAR-Wert der aussagekräftige Faktor. Wer sich ein neues Handy kaufen will, dem entgeht dieser Wert sicher nicht. Denn der SARWert ist in der Schweiz auf fast allen Handysteckbriefen zu finden. SAR ist die Abkürzung für spezifische Absorptionsrate und wird in W/kg gemessen und angegeben. Sie ist eine physikalische Grösse und ist das Mass für die Absorption von elektromagnetischen Wellen im biologischem Gewebe. Die Absorption führt immer zu einer Erwärmung des Gewebes was gesundheitliche Probleme mit sich führen kann. Der Grenzwert bei Handys liegt bei 2 W/kg. Die meistens Natels haben einen SAR-Wert zwischen 0.5 – 1.5 W/kg. Elektromagnetische Wellen können in den Organismus eindringen und das Gewebe schädigen. Man unterscheidet zwischen thermischen und nicht-thermischen Effekten. Thermische Effekte beziehen sich darauf, dass ein Teil der Mobilfunkstrahlen im Gewebe absorbiert wird und so eine Erwärmung stattfindet. Unterhalb der Grenzwerte, welche auf dem thermischen Effekt beruhen sind heute keine schädlichen nicht-thermischen Effekte bekannt. Auch wenn man heute trotz intensiver Forschung noch keine solche nichtthermischen Effekte gefunden hat, ist eine wissenschaftliche Untersuchung durchaus angebracht. Abb. 10 thermischer Effekt 28 9 Schlussbemerkung Diese Arbeit hat mir einen tieferen Einblick in die Welt der Kommunikation und Handys verschafft. Ich war stets motiviert Neues zu erfahren und habe mich durch eine grosse Anzahl an Büchern und Internetseiten gekämpft. Da das Thema der elektromagnetischen Welle erst ein Thema der 6. Klasse ist, musste ich mir das Wissen selber erarbeiten, um so ein Verständnis über die Funktionsweise von Handys zu erhalten. Die Messungen durchzuführen war sehr interessant, da ich im Vorfeld nicht wusste, wie die Ergebnisse aussehen werden. Ich bin stolz aus den Messungen logische Schlüsse und Zusammenhänge zu erkennen und diese in meiner Maturaarbeit festhalten zu können. 29 10 Quellenverzeichnis 10.1 Internet 1 29.6.2010 2 29.6.2010 3 2.8.2010 4 2.8.2010 5 8.8.2010 6 12.8.2010 7 2.9.2010 8 5.9.2010 9 5.9.2010 10 5.9.2010 11 8.9.2010 12 8.9.2010 13 30 8.9.2010 14 10.9.2010 10.2 Bücher 1 SKS, 2006, Elektrosmog – Entstehung, Risiken, Versorgungsmassnahmen 2 Dominik F. Rollé, 2003 Elektrosmog S.16-55 3 Grazyna Fosar/Franz Bludorf, 2004, Im Netz der Frequenzen S.18-27 4 Harald Moritz, 2005 Elektrosmog Ursachen, Gesundheit, Schutzmassnahmen S.10-19 5 Mentor, 2003, Physik Alle wichtigen Themen S.165-174 6 Dumont, 2009, Physik ein Schnellkurs S. 76-78 7 C.F.Müller,1994, Elektrosmog Gesundheitsrisiken, Grenzwerte, Verbraucherschutz 10-33 S. 81-89 8 Stiftung für Konsumentenschutz, 2006, Elektrosmog Konsumentenschutz S.26 9 Lehmann Schmidt, 2004, Abiturtraining Physik S. 38-48/ S.103-119/ S.145-146 10 Manz Lernhilfen, 2007, Abit-Countdown Physik S.68-95 11 Birkhäuser,1994, Risiko Elektrosmog? S.136-177/ S.257-305 10.3 Bilder Abb.1 Mentor, 2003, Physik Alle wichtigen Themen S. 23 Abb.2 Mentor, 2003, Physik Alle wichtigen Themen S. 18 Abb.3 Manz Lernhilfen, 2007, Abit-Countdown Physik S. 80 Abb.4 Dumont, 2009, Physik ein Schnellkurs S.34 Abb.5 Dumont, 2009, Physik ein Schnellkurs S.34 Abb.6 Dumont, 2009, Physik ein Schnellkurs S.36 Abb.7 Dominik F. Rollé, 2003 Elektrosmog S. 133 Abb.8 Hugo Lehmann, PDF-Datei 31 Abb.9 26.8.2010 Abb.10 12quellen/12lautsprecher/lautsprecher.htm (26.8.2010) Abb.11 (27.8.2010) Abb.12 (3.9.2010) Abb.13 (3.9.2010) Abb.14 EME-Spy Bedienungsanleitung Abb.15 (8.9.2010) 10.4 Andere Quellen 1 Hugo Lehmann, Innovation Competence Center der Swisscom AG, PDF-Dateien 32 11 Anhang 11.1 Abnahme Strahlung 0 cm 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm 50 cm 60 cm 70 cm 80 cm 90 cm 10,01 10,01 10,01 10,01 7,10 3,24 2,80 2,14 2,17 1,23 10,01 10,01 10,01 10,01 7,05 3,36 2,52 1,75 1,31 1,02 10,01 10,01 10,01 9,45 6,83 3,38 2,00 1,40 1,31 0,82 10,01 10,01 10,01 9,54 6,85 3,46 2,02 1,41 1,28 0,82 10,01 10,01 10,01 9,29 6,69 3,36 2,03 1,80 1,56 0,82 10,01 10,01 9,91 9,27 6,96 3,39 2,09 1,43 1,27 0,68 MITTELWERT 10,01 10,01 9,99 9,60 6,91 3,37 2,24 1,65 1,48 0,90 11.2 Verbindungsaufbau Balken V/m 1 8,93 2 4,41 3 3,44 4 2,86 5 2,19 6 1,17 11.3 Stadt-Land Vergleich Bahnhof Luzern Messung 1 4,86 4,21 3,54 2,72 2,21 1,78 Messung 2 Messung 3 4,86 4,27 3,52 2,67 2,27 1,79 4,84 4,22 3,48 2,75 2,26 1,74 Mittelwert 4,85 4,23 3,51 2,71 2,25 1,77 33 Schwanenplatz Messung 1 Messung 2 Messung 3 Mittelwert 4,89 4,58 3,92 2,98 2,25 1,66 4,94 4,71 4,10 2,91 2,37 1,65 4,96 4,70 4,02 2,89 2,23 1,71 4,93 Messung 2 Messung 3 4,91 4,20 3,81 2,99 2,71 1,90 4,93 4,32 3,90 3,15 2,81 1,76 Mittelwert 4,91 4,25 3,84 3,12 2,72 1,88 Kasernenplatz Messung 1 4,89 4,23 3,82 3,23 2,63 1,97 Stadt Bahnhof Luzern 4,85 4,23 3,51 2,71 2,25 1,77 Reussbühl Messung 1 8,99 4,29 3,53 2,68 2,18 1,23 4,66 4,01 2,93 2,28 1,67 Schwanenplatz Kasernenplatz Mittelwert 4,93 4,66 4,01 2,93 2,28 1,67 4,91 4,25 3,84 3,19 2,72 1,88 4,90 4,38 3,79 2,94 2,42 1,77 Messung 2 Messung 3 8,93 4,40 3,39 2,81 2,21 1,17 8,95 4,38 3,48 2,80 2,11 1,15 Mittelwert 8,96 4,36 3,47 2,76 2,17 1,18 34 Obernau Messung 1 Messung 2 Messung 3 9,26 4,61 4,13 2,60 2,19 1,80 9,19 4,66 4,10 2,52 2,24 1,86 9,25 4,65 4,05 2,57 2,19 1,84 Messung 1 Messung 2 Messung 3 9,47 5,17 4,28 3,12 2,90 2,21 9,45 5,12 4,38 3,08 2,84 2,19 9,54 5,04 4,35 3,18 2,88 2,12 Mittelwert 9,23 4,64 4,09 2,56 2,21 1,83 Stans Mittelwert 9,49 5,11 4,34 3,13 2,87 2,17 Vorort Reussbühl Obernau Stans Mittelwert 8,96 9,23 4,64 4,09 2,56 2,21 1,83 9,49 5,11 4,34 3,13 2,87 2,17 9,23 4,36 3,47 2,76 2,17 1,18 Seelisberg Messung 1 10,01 10,01 10,01 8,73 6,61 5,79 Messung 2 Messung 3 10,01 10,01 10,01 8,67 6,67 5,76 10,01 10,01 10,01 8,63 6,65 5,84 4,70 3,97 2,82 2,42 1,73 Mittelwert 10,01 10,01 10,01 8,68 6,64 5,80 35 Bauen Messung 1 Messung 2 Messung 3 10,01 10,01 9,91 8,51 6,62 5,55 10,01 10,01 9,80 8,46 6,58 5,63 10,01 10,01 9,88 8,39 6,69 5,58 Messung 2 Messung 3 10,01 8,99 8,43 8,07 6,01 4,49 10,01 9,01 8,38 7,93 6,00 4,56 Eigental Messung 1 10,01 9,04 8,31 8,04 6,09 4,48 Mittelwert 10,01 10,01 9,86 8,45 6,63 5,59 Mittelwert 10,01 9,01 8,37 8,01 6,03 4,51 Land Seelisberg Bauen Eigental 10,01 10,01 10,01 9,86 8,45 6,63 5,59 10,01 9,01 8,37 8,01 6,03 4,51 10,01 10,01 8,68 6,64 5,80 Mittelwert 10,01 9,68 9,41 8,38 6,43 5,30 36 Erklärung Ich bestätige mit meiner Unterschrift, dass ich die Arbeit selbständig verfasst und in schriftliche Form gebracht habe, dass ich die Mitwirkung anderer Personen auf Beratung und Korrekturlesung beschränkt habe und dass alle verwendeten Unterlagen und Gewährspersonen aufgeführt sind. Datum: Unterschrift: 37