Elektromagnetischer Puls - Ex

Transcript

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 • • • • • • • • • • • 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: • • 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 • • • 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.