Elektromagnetischer Puls - EX

Elektromagnetischer Puls
Der elektromagnetische Impuls oder auch elektromagnetische Puls (englisch
electromagnetic pulse, abgekürzt EMP) bezeichnet eine kurzzeitige breitbandige
elektromagnetische Strahlung, die bei einem einmaligen, hochenergetischen
Ausgleichsvorgang abgegeben wird.
Ein energetisch hoch angeregtes System klingt unter Aussendung des elektromagnetischen
Impulses in den Grundzustand ab. Ursache sind meist elektrostatische Aufladungsprozesse
etwa durch Gewitter oder nukleare Explosionen, aber auch in speziellen elektrischen
Schaltungen. Im sichtbaren Spektrum kann dieser Prozess als Lichtblitz wahrgenommen
werden.
Durch die Wechselwirkung der niederfrequenten elektromagnetischen Strahlungsanteile mit
freien Ladungsträgern in Metallen und Halbleitern werden dort starke, kurzzeitig
schwankende Ströme induziert. In nicht oder unzureichend abgeschirmten elektrischen
Geräten kann dies zu Fehlfunktionen bis hin zum Totalausfall oder sogar zur Zerstörung
einzelner elektronischer Bauteile führen. Für technische Anwendungen wird der Begriff
meist auf das hier relevante Frequenzspektrum mit Wellenlängen zwischen 10 mm und
10 km beschränkt.
Inhaltsverzeichnis
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1 Allgemeines
2 Natürliche Quellen und ihre Auswirkungen
o 2.1 Blitz (LEMP)
o 2.2 Magnetohydrodynamischer EMP
o 2.3 Elektrostatische Entladungen
o 2.4 Asteroideneinschlag
3 Künstliche Quellen und ihre Auswirkungen
o 3.1 Geschaltete Induktivitäten
o 3.2 Laserstrahlung
4 Waffen und ihre Auswirkungen
o 4.1 Nuklearer elektromagnetischer Impuls (NEMP)
o 4.2 Weitere EMP-Waffen
5 Gefahrensituation
6 Schutz
7 EMP in Film und Fernsehen
8 Einzelnachweise
9 Literatur
10 Weblinks
Allgemeines
Der Begriff Impuls in diesem Kontext ist dabei nicht mit dem Begriff des mechanischen
Impulses aus dem Bereich der Physik zu verwechseln.
Mathematisch ist ein Impuls als eine einmalige Zeitfunktion f(t) (vgl. Impulsfunktion) einer
physikalischen Größe wie Feldstärke, Spannung oder Druck darstellbar. Wird ein Impuls mit
der Periode T laufend wiederholt, spricht man von einem Puls mit der Pulsfrequenz f = 1/T.
Diese Begriffsdefinition folgt der deutschsprachigen Fachliteratur, insbesondere sei dazu auf
Theoretische Elektrotechnik[1] von Karl Küpfmüller verwiesen.
In der englischsprachigen Literatur wird hingegen meist kein Unterschied zwischen den
Begriffen Impuls und Puls gemacht. Die im Deutschen übliche begriffliche Trennung hat
jedoch Vorteile für das Verständnis. Insbesondere kann ein Puls durch eine Überlagerung
einer diskreten Reihe harmonischer Schwingungen dargestellt werden. Für einen Impuls
benötigt man eine kontinuierliche Überlagerung von harmonischen Schwingungen. Ein
einzelner Impuls weist somit ein kontinuierliches Spektrum auf, während ein periodisch
wiederholter Impuls ein diskretes Linienspektrum aufweist.
Natürliche Quellen und ihre Auswirkungen
Blitz (LEMP)
Blitze sind natürliche Entladungsvorgänge in der Atmosphäre, welche zu einer massiven
elektromagnetischen Beeinflussung vor allem im Bereich des Blitzkanals und des
Einschlagpunktes führen. Diese Wirkung kann durch metallische Leitungen weitergeleitet
werden und somit weitreichende Schäden bewirken. Dieser elektromagnetische Impuls wird
auch LEMP (engl. Lightning Electromagnetic Pulse) genannt.
Magnetohydrodynamischer EMP
Dieser Impuls mit einer vergleichsweise langen Dauer, im Bereich von Sekunden bis zu
einigen Minuten, wird durch natürliche thermische Ausgleichsvorgänge in der Erdatmosphäre
ausgelöst. Ursache ist eine Wechselwirkung zwischen dem Erdmagnetfeld und ionisierten
Gasmassen in der Erdatmosphäre. Bei diesem Impuls kann es zur induktiven Einkopplung
niederfrequenter Ströme in räumlich weitflächig ausgedehnten Energieversorgungsnetzen
kommen, welche beispielsweise zu Sättigungserscheinungen in Leistungstransformatoren
führen kann. Die Folge können Stromausfälle sein.
Elektrostatische Entladungen
Bei der Funkenentladung elektrostatisch geladener Körper entstehen transiente Spannungen
und Ströme, verknüpft mit transienten elektrischen und magnetischen Feldern, welche einen
elektromagnetischen Impuls erzeugen.
Die Vorgänge und Gegenmaßnahmen werden unter dem Begriff ESD zusammengefasst.
Durch derartige Entladungen kann es zur Schädigung oder Zerstörung von elektronischen
Bauteilen kommen.
Für Prüfzwecke können solche Entladungsvorgänge auch durch
Hochspannungskondensatoren erzeugt werden. Hierzu wird ein Kondensator auf die
Testspannung aufgeladen und dann über einen definierten Widerstand in das zu prüfende
Bauteil entladen. Man simuliert damit die Handhabung eines Bauteiles durch eine
elektrostatisch aufgeladene Person (human body model). Je nach Koppelnetzwerk und Größe
des Kondensators können verschieden starke Impulse bzw. Impulsformen für Prüfzwecke
erzeugt werden.
Asteroideneinschlag
Ein Impakt kann ebenfalls einen EMP auslösen, dessen Wirkung einem nuklearen
elektromagnetischen Impuls (NEMP) ähnelt.
Künstliche Quellen und ihre Auswirkungen
Geschaltete Induktivitäten
Durch hohe Stromimpulse in Spulen lassen sich starke elektromagnetische Impulse erzeugen.
Beispiele sind Magnetspulen zur Untersuchung der Wirkung von hohen Magnetfeldern auf
Materie. Diese Spulen können bei Feldern bis etwa 100 Tesla wiederverwendet werden, bei
höheren Feldern werden sie jedoch zerstört. Zum mechanischen Schutz und zur magnetischen
Abschirmung sind entsprechende Labore in dicken Stahlbetongebäuden untergebracht. Die
durch Kondensatorentladung erzeugten Stromimpulse erreichen einige 100 Kiloampere, die
Dauer liegt im Bereich von Millisekunden.
In Railguns und Wirbelstrombeschleunigern liegen ähnliche Verhältnisse vor.
Durch Impuls-Teslatransformatoren werden starke elektromagnetische Felder im
Mittelwellenbereich erzeugt.
Auch das Abschalten von Induktivitäten führt zu elektromagnetischen Impulsen. Durch das
Bestreben des elektrischen Stromes, beim Ausschaltvorgang weiter durch die Induktivität
fließen zu wollen, entstehen an der Spule sehr hohe Spannungen, welche zu Funkenbildung
führen können. Die Störimpulse breiten sich auf Leitungen aus, verursachen Signalstörungen
und haben unter Umständen ähnliche Auswirkungen wie elektrostatische Entladungen.
Solche Impulse treten beispielsweise beim Abschalten von Elektromotoren, Schützen und
anderen induktiven Bauteilen auf. Eine häufige Störquelle dieser Art ist die Zündanlage von
Otto-Motoren, in welcher der Effekt des Spannungsanstieges jedoch wie bei einem
Funkeninduktor ausgenutzt wird.
Laserstrahlung
Auch starke Laserpulse lösen bei der Wechselwirkung mit Materie einen EMP aus.
Laboratorien zu Forschungszwecken mit Laser-Strahlungsleistungen bis in den
Petawattbereich weisen daher einen Strahlenschutz und entsprechende weitere Maßnahmen
zum Schutz der Kommunikationsnetze auf.
Waffen und ihre Auswirkungen
Nuklearer elektromagnetischer Impuls (NEMP)
Ein nuklearer elektromagnetischer Impuls, abgekürzt NEMP (engl. Nuclear Electromagnetic
Pulse) oder auch HEMP (High Altitude Nuclear Electromagnetic Pulse) wird indirekt als
Folge von intensiver Gammastrahlung in einigen 100 km Höhe über der Erdatmosphäre im
Zusammenhang mit dem Erdmagnetfeld in der Atmosphäre durch den Compton-Effekt
ausgelöst. Eine solch starke transiente Gammastrahlungsquelle ist nur durch eine
Atomexplosion zu erzeugen.
Bis zum Verbot oberirdischer Kernwaffentests fanden solche Explosionen tatsächlich statt
und beschädigten oder zerstörten in den betroffenen Gebieten Versorgungsnetze und Schiffe,
so beim Kernwaffentest Starfish Prime über dem Pazifik am 9. Juli 1962.
Durch hochenergetische Gammaquanten im Energiebereich von einigen MeV aufwärts, die
bei einer solchen Nuklearexplosion emittiert werden, kommt es an den Molekülen der
obersten Schichten der Erdatmosphäre zu einer als Stoßionisation bezeichneten schlagartigen
Ionisierung. Dabei werden aus den Molekülen Elektronen herausgeschlagen, von denen ein
großer Anteil die ursprüngliche Bewegungsrichtung des aufgetroffenen Gammaquants erhält
und sich somit in Richtung dichterer Atmosphärenschichten bewegt. Ein Teil dieser freien
Primärelektronen verursacht wegen ihrer hohen Energie weitere Stoßionisationen und setzt
dabei weitere Sekundärelektronen frei. Die auf die Erde zufliegenden negativen Elektronen
und die zurückgebliebenen positiven Luftionen bilden einen transienten elektrischen Dipol.
Aufgrund der Ablenkung der bewegten Ladungsträger im Erdmagnetfeld als Folge der
Lorentzkraft entsteht dabei ein transienter magnetischer Dipol.
Diese zeitlich und räumlich schnell veränderliche Ladungs- und Stromverteilung der Dipole
in oberen Atmosphärenschichten erzeugt ein breitbandiges, transientes Wellenfeld, welches
erst den eigentlichen elektromagnetischen Impuls ergibt, der für Beeinträchtigungen von
elektronischen Geräten und elektrischen Anlagen verantwortlich ist.
Ein NEMP ist im Unterschied zum LEMP durch die besonders steile
Anstiegsgeschwindigkeit und somit Breitbandigkeit gekennzeichnet. Bereits nach 4 ns
werden 90 % des Maximalwerts erreicht.
Der genormte NEMP, wie er in Prüflaboratorien zum Prüfen von Abschirmungen verwendet
wird, weist als Maximalwert eine elektrische Feldstärke von 50 kV/m und eine magnetische
Feldstärke von 133 A/m auf.
Ähnliche Effekte treten auch bei nuklearen Explosionen in Bodennähe auf. Dort ist die
Wirkung des NEMP allerdings auf einen kleineren räumlichen Bereich beschränkt und durch
die thermischen und mechanischen Effekte der Nuklearexplosion überlagert.
Weitere EMP-Waffen
Elektromagnetische Impulse können elektrische und vor allem elektronische Bauteile im
Wirkungsbereich zerstören und werden daher vom Militär auch in Form bodengebundener
EMP-Waffen eingesetzt (siehe auch: elektronische Kampfführung). Als Strahlungsquelle
dient hierfür z. B. die gerichtete Mikrowellenstrahlung von relativistischen Magnetrons, die,
aus Kondensatoren gespeist, Spitzenleistungen im Terawattbereich liefern.
Gefahrensituation
Die Schutzkommission beim Bundesminister des Innern hat einen eigenen Buchstabencode
„E-Gefahren“, unterscheidet dabei aber nicht zwischen dem natürlichen EMP und dem
künstlichen. E-Gefahren gehören zu den fünf aktuellen bzw. sechs bis 2016 erwarteten
schwersten Gefahren.[2]
Schutz
Ein Schutz vor EMP, auch als EMP-Härtung bezeichnet[3], ist durch die Einkapselung der
Geräte in einen Faradayschen Käfig und entsprechende Schutzschaltungen (Galvanische
Trennung, Überspannungsableiter) auf allen elektrischen Zuleitungen möglich.
Bei Funkanlagen lässt sich die Abschirmung allerdings nur unvollkommen erreichen, da
deren Antennen nicht abgeschirmt werden können und die elektromagnetischen Felder ins
Innere leiten.
Räumlich weit ausgedehnte elektrische Leiter, wie Energieversorgungs- und KupferTelekommunikationsnetze, sind vor allem durch LEMP bzw. NEMP gefährdet. Metallene
Rohrleitungen sind auch durch NEMP gefährdet. Während Energieversorgungsnetze kaum
geschützt werden können, kann man in Kommunikationsleitungen Trennübertrager oder verstärker einbauen oder sie durch Glasfasernetze ersetzen. Rohrleitungen kann man zum
Schutz stellenweise oder ganz aus isolierenden Werkstoffen herstellen.
Hausinstallationen (Energie und Kommunikation) lassen sich mit einigem Aufwand durch
geeignete Erdung und Überspannungsableiter schützen.
Faradayscher Käfig
Der Faradaysche Käfig (auch Faraday-Käfig) ist eine allseitig geschlossene Hülle aus
einem elektrischen Leiter (z. B. Drahtgeflecht oder Blech), die als elektrische Abschirmung
wirkt. Bei äußeren statischen oder quasistatischen elektrischen Feldern bleibt der innere
Bereich infolge der Influenz feldfrei. Bei zeitlich veränderlichen Vorgängen wie
elektromagnetischen Wellen beruht die Abschirmwirkung auf den sich in der leitfähigen
Hülle ausbildenden Wirbelströmen, die dem äußeren elektromagnetischen Feld
entgegenwirken. Statische oder langsam variierende Magnetfelder (wie das Erdmagnetfeld)
werden durch einen Faradayschen Käfig nicht abgeschirmt.
Faradayscher Käfig, besetzt mit Probanden im feldfreien Innenraum Der Begriff geht auf den englischen Physiker Michael Faraday (1791–1867) zurück. Die
Quantität der Schirmwirkung wird über die Schirmdämpfung (zum Beispiel einer
Abschirmung) erfasst.
Ein Faradayscher Käfig führt unter anderem zu folgenden Effekten:
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Schlägt ein Blitz in einen Faradayschen Käfig, zum Beispiel ein Auto oder ein Flugzeug ein, bleiben Personen im Innenraum ungefährdet, weil die elektrische Feldstärke im Innenraum erheblich geringer ist als im Außenraum. In der Nähe von Öffnungen in der Metallhülle dringt ein äußeres Feld anteilig in den geschirmten Raum ein. Das Ausmaß der Durchdringung hängt von der Ausdehnung der Öffnung im Verhältnis zur Wellenlänge des Spektrums des äußeren Feldes ab. Wird eine elektrische Entladung innerhalb eines Faradayschen Käfigs erzeugt, bleiben dagegen außenstehende Beobachter ungefährdet. Dieses Prinzip wird bei der metallischen Auskleidung in Hochspannungslabors ausgenutzt. Inhaltsverzeichnis
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1 Abschirmung elektrostatischer Felder 2 Abschirmung von Wechselfeldern (Elektrodynamik) 3 Anwendungen Abschirmung elektrostatischer Felder
Animation zur Ladungsverschiebung bei einem Faradayschen Käfig Die Abschirmung von elektrostatischen bzw. quasistationären elektrischen Feldern beruht auf
der Wirkung der Influenz. Wird eine elektrisch leitende Hülle, beispielsweise eine Hohlkugel,
in ein von außen aufgebrachtes elektrostatisches Feld E gebracht, kommt es aufgrund der
Kraftwirkung
auf die in der Hülle frei beweglichen Ladungen Q zu räumlichen
Umverteilung der Ladungen an der Oberfläche bis die tangential auf der Oberfläche stehende
elektrische äußere Feldkomponente null wird und damit ein Ausgleich gefunden ist. Dadurch
entspringt bzw. endet im statischen Fall der elektrische Fluss an der Oberfläche der Hülle,
womit das Innere der Hülle feldfrei bleibt. Diese Schirmwirkung ist nicht an eine bestimmte
Form der Hülle gebunden und tritt bei beliebig geformten Hohlkörpern auf, sofern sie
elektrisch leitfähig sind.
Die Dämpfung ist bei einer komplett geschlossenen leitenden Hülle im statischen Fall ideal
und unendlich groß, bei quasistationären Feldern ist dies mit guter Näherung erfüllt. Mit
Hilfe des Gaußschen Gesetzes lässt sich für die Normalkomponenten des elektrischen Feldes
im leeren Außenraum unmittelbar über der Hülle:
und im Innenraum zu
bestimmen, mit
der Flächenladungsdichte und
der Dielektrizitätskonstante.
Die leitfähige Hülle ist eine Äquipotentialfläche, die im Sprachgebrauch elektrische Wand
genannt wird. Wesentlich ist, dass die Schirmwirkung nur gegen äußere elektrische Felder
wirkt. Ein elektrischer Fluss, der durch eine von der Hülle isolierte Ladungsansammlung im
Inneren der Hülle entspringt, die davon getrennte Ladung mit umgekehrtem Vorzeichen
befindet sich im Außenbereich, führt so auch im Außenraum zu einem elektrischen Feld.
Besteht hingegen eine elektrische Verbindung zwischen den ladungstragenden
Innenbereichen und der Hülle, werden die elektrische Ladungen zur Oberfläche verschoben
und der innere Bereich bleibt feldfrei. Dieses Prinzip der Ladungsverschiebung wird bei
manchen Hochspannungsgeneratoren wie dem Van-de-Graaff-Generator zur
Ladungsspeicherung und zur Erzeugung von hohen elektrischen Spannungen genutzt.
Bei nicht zu hochfrequenten Wechselfeldern kann ein Faradayscher Käfig statt aus einer
geschlossenen Leiter-Wand auch aus einem Käfig aus Leiterstäben, -drähten oder aus einem
Blech mit kleinen Öffnungen bestehen. Die Schirmdämpfung hängt mit der Maschenweite
zusammen, die etwa 1/10 der Wellenlänge nicht überschreiten sollte.
Abschirmung von Wechselfeldern (Elektrodynamik)
Ein idealer Faradayscher Käfig schirmt auch hochfrequente Wechselfelder ab, weil auf der
Oberfläche des Käfigs Wirbelströme induziert werden, die dem äußeren Feld nach der
Lenzschen Regel entgegenwirken. Die Schirmwirkung ist in diesem Fall aber nicht ideal,
sondern durch endliche Schirmdämpfungen und Eindringtiefen in den Schirm
gekennzeichnet.
Faradaysche Käfige aus nicht-ferromagnetischem Metall schirmen aufgrund ihrer endlichen
Leitfähigkeit dann hochfrequente Wechselfelder ab, wenn die Metallschicht deutlich stärker
als die Eindringtiefe der induzierten Ströme ist.
Schlitze führen zur Unterbrechung der Induktionsströme im Schirm. Elektromagnetische
Wellen durchdringen den Schirm vergleichsweise gut, wenn Schlitze im Schirm parallel zur
Magnetfeldkomponente der Welle liegen. Die Schirmdämpfung lässt mit zunehmender
Apertur nach und wird gering, wenn die Wellenlänge der ankommenden elektromagnetischen
Welle in der Größenordnung der Schlitzabmessungen liegt.
Anwendungen
Faradaysche Käfige werden häufig dort angewandt, wo Einflüsse von äußeren elektrischen
oder elektromagnetischen Feldern die Funktionsweise eines Gerätes negativ beeinflussen
können oder wo innere elektromagnetische Felder nicht nach außen gelangen sollen.
Beispielsweise wird er zur Abschirmung von Messinstrumenten, elektrischen Leitungen, oder
Messräumen z.B. vor Sendern verwendet. Der Faradaysche Käfig ist dann z. B. das Gehäuse
aus einem leitenden Material oder eine dünne metallische Folie, mit welcher der zu
schützende Raum umhüllt ist.
Die Abschirmung kann ganze Räume umfassen, zum Beispiel geschirmte Räume als
elektromagnetisch beruhigte Prüfumgebung in EMV-Laboren (Absorberhalle).
Das Prinzip des Faradayschen Käfigs findet auch Anwendung beim Blitzschutz für Gebäude.
Hier ist er durch eine grobe Struktur aus Blitzableitern und geerdeten Gebäudeteilen
angenähert.
Auch Autos und Flugzeuge mit einer leitfähigen Hülle wirken wie Faradaysche Käfige.
Elektromagnetische Felder, deren Wellenlänge im Vergleich zu den elektrisch offenen Fugen
und Spalten der Karosserie klein sind, werden allerdings nicht effizient geschirmt. Dies
erklärt, warum im Auto Mobilfunk-Empfang möglich ist.
Kleine, oft aus Weißblech gefertigte Abschirmkäfige findet man um die HochfrequenzBaugruppen in elektronischen Geräten (Mobiltelefone, Radio- und Fernseh-Tuner, drahtlose
Babyfone usw.).
Der Mikrowellenherd ist ein Beispiel für einen Faradayschen Käfig, bei dem gewissermaßen
Innen und Außen vertauscht sind. Der metallene Garraum schirmt die Umgebung von der
starken Mikrowellenstrahlung innerhalb des Ofens ab. An der Tür befindet sich meist eine
Resonanzdichtung, die nur für eine ganz bestimmte Wellenlänge wirksam ist.
Das metallische Gehäuse eines Magnetrons sorgt dafür, dass das hochenergetische
elektromagnetische Feld im Inneren des Magnetrons bleibt. Ein geringer Teil des Feldes wird
durch den Antennenanschluss nach außen geleitet.
Die vereinfachte, zweidimensionale Ausführung eines Faradayschen Käfigs wird als
Koronaring bezeichnet und wird im Hochspannungsbereich beispielsweise bei Isolatoren und
Überspannungsableitern (Varistoren) eingesetzt. Im Ringinneren ist die Feldstärke sehr
gering, deshalb kann dort auch an Ecken und Spitzen wie dem Montagegeschirr keine
verlustbringende Feldemission auftreten.

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