Warum kann ein hochfrequentes Strom nicht tief in den Menschlichen Körper eindringen?
Wenn zum Beispiel ein Körperschluss durch den Menschlichen Körper geschieht, wieso fliesst ein hochfrequentes Strom nicht durch den Körper, sondern auf dem Körper bzw. über die Haut?
Wieso gelangt der Strom, aufgrund der hohen Frequenz nicht tief in den Körper, was hindert ihn daran durch den Körper zu fliessen und wie kann ich es mir vorstellen?
3 Antworten
Der Grund liegt im sogenannten Skin-Effekt. Bei hohen Frequenzen neigt elektrischer Strom dazu, sich auf die äußeren Bereiche eines Leiters zu konzentrieren. Das passiert, weil das sich ständig ändernde Magnetfeld des Stroms in den Leiter Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, das dem ursprünglichen Stromfluss im Inneren des Leiters entgegenwirkt. Das führt dazu, dass der Strom "nach außen gedrängt" wird.
Man kann sich das so vorstellen: Stell dir vor, du hast einen dicken Rohr, durch den Wasser fließt. Bei normalen Bedingungen verteilt sich das Wasser recht gleichmäßig im Rohr. Ändert sich aber der Druck sehr schnell (vergleichbar mit einer hohen Frequenz), dann fließt das Wasser vor allem am Rand des Rohres, während in der Mitte weniger Bewegung stattfindet.
Übertragen auf den menschlichen Körper heißt das, dass bei hochfrequentem Strom (also Strom, der mit sehr schnellen Wechseln fließt) der Strom primär an der Haut entlangläuft und nicht tief ins Innere des Körpers eindringt. Dadurch wirkt die Haut wie eine Art "Schutzschild", der den Strom daran hindert, ins Körperinnere vorzudringen.
der Strom primär an der Haut entlangläuft und nicht tief ins Innere des Körpers eindringt.
Dazu muss die Frequenz aber sehr hoch sein. Selbst bei 2GHz beträgt die Eindringtiefe noch um die 2cm.
Der Skineffekt wurde dir ja schon erklärt, aber beim Menschen ist dieser tatsächlich weniger relevant. Die Eindringtiefe des Stroms ist nicht nur von der Frequenz abhängig, schlechter leitendere Stoffe scheinen eher eine höhere Eindringtiefe zu haben. Hier mal zwei Graphen zur Eindringtiefe bei Metallen und verschiedenen Geweben/Bestandteilen des menschlichen Körpers.
(Falls die Qualität zu niedrig ist klick das Bild an, dann wird es in voller Qualität angezeigt.)
Nehmen wie z.B. eine Frequenz von 2,4GHz als Beispiel, die Frequenz mit der Haushaltsmikrowellen arbeiten. Kupfer hat da eine Eindringtiefe von knapp 1um. Bei Muskelgewebe sind es aber noch ganze 2cm, bei Fettgewebe sogar noch 12cm. Darum kann eine Mikrowelle überhaupt erst Essen von innen erwärmen, die Skintiefe wird da in einem ähnlichen Bereich wirken.
Ich hab jetzt nichts zum Messen da und bin schlecht im Schätzen, aber sagen wir mal, der Mensch hat einen ca. 30cm dicken Oberkörper. Eine Skintiefe von 15cm würde also noch immer reichen um Strom durch den kompletten Oberkörper fließen zu lassen, und das ist bei schätzungsweise 20MHz der Fall. Bei niedrigeren Frequenzen ist der Skineffekt beim Menschen praktisch nicht existent.
Für den Fall dass du dich fragst, warum man hochfrequenten Strom (über ca. 20kHz) trotzdem nicht spürt bzw. keinen Stromschlag bekommt, obwohl dieser durch den ganzen Körper fließt - die Nerven und Muskeln (auch das Herz) können einfach nicht auf diese schnellen Stromänderungen reagieren. Man geht davon aus, dass eine bestimmte Ladungsmenge die Zellmembram durchdringen muss, dass diese depolarisiert und z.B. einen Schmerzreiz aussendet. Bei sehr hoher Frequenz wird der Strom einfach umgekehrt, bevor diese kritische Ladungsmenge erreicht ist.
Nennt sich Skineffekt und ist ein elektrodynamisches Problem.
Im wesentlichen wird der Strom durch sein eigenes Magnetfeld und die draus erzeugten Wirbelströme an die Oberfläche gedrängt und kann daher nicht tiefern in den Leiter eindringen, das gilt für Menschen als auch Kabel.
Bei 5MHz dringt zB Wechselstrom nur noch etwa 60um weit in einen Kupferleiter ein.
Also liegt es am Magnetfeld, das länger bestehen bleibt, nachdem der Strom seine Richtung verändert hat, wodurch dann erstmal ein gegen EMF aufgebaut werden muss, was ein hohen Widerstand darstellt.
EMF ist ein alter Ausdruck für Spannung die tritt natürlich auf muss man aber nicht beachten, aber die Wirbelfelder müssen ihre Energie dissipieren. Das geschieht über den Widerstand daher kann bei schlechten Leitern das Feld weiter eindringen als bei guten Leitern.
Das Magnetfeld entsteht nicht erst dann wenn der Strom seine Richtung ändert, sondern wenn sich der Strom bzw das Magnetfeld ändert, siehe Induktionsgesetz und Lenzsche Regel.
Erwähnenswert ist aber, dass die Eindringtiefe bei Körpergewebe deutlich größer ist. Selbst bei 2GHz sind es noch um die 2cm (bei Fettgewebe sogar 10cm).