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Geschichtlicher Rückblick

Schon lange kennt der Mensch statische elektrische und magnetische Felder. So sind bereits aus dem antiken Griechenland um etwa 500 v. Chr. Experimente mit Bernstein zur statischen Elektrizität überliefert. Zu dieser Zeit erkannte der Naturphilosoph Thales von Milet (ca. 624–546 v. Chr.) die Eigenschaft des Bernsteins (griechisch „elektron“), nach dem Reiben mit einem Wolltuch oder einem Katzenfell kleine Gegenstände anzuziehen, was – wie wir heute wissen – auf der statischen elektrischen Aufladung des Bernsteins beruht. Diese ersten überlieferten Beobachtungen zur Elektrizität erklären auch die Herkunft des Begriffs aus dem griechischen Wort „elektron“. Aus der gleichen Zeit sind auch therapeutische Anwendungen mit elektrischen Strömen, die von Zitterrochen abgegeben werden, beschrieben. In China wurde schon vor mehr als 3000 Jahren der Magnetismus der Erde als “Südweiser“ – also als Kompass – verwendet. Aber diese Wirkungen wurden vom Menschen ebenso wenig verstanden wie das elektrische Phänomen des Blitzes.

Im 17. und 18. Jahrhundert begannen die Menschen, sich eingehender mit diesen Phänomenen auseinander zu setzen. Es wurden Elektrisiermaschinen (die ersten elektrostatischen Generatoren) und Batterien gebaut. Um das Jahr 1800 erfand der italienische Physiker Alessandro Volta die chemische Spannungsquelle – die sogenannte Voltasche Säule – einen Vorgänger unserer heutigen Akkumulatoren und Trockenbatterien. Erstmalig gelang es damit, technisch nutzbare Gleichströme zu erzeugen. Benjamin Franklin entwickelte den Blitzableiter und Luigi Galvani zeigte mit seinen 1791 veröffentlichten Versuchen an Froschschenkel-Muskeln, dass elektrische Vorgänge für Lebewesen von Bedeutung sind. Aber erst durch die Versuche im 19. Jahrhundert von Hans Christian Oersted, Michael Faraday, André-Marie Ampère, Georg Simon Ohm, Joseph Henry, Heinrich Hertz und vielen anderen wurde die Natur der elektrischen und magnetischen Felder allmählich besser verstanden. Um 1860 gelang es James Clerk Maxwell, alle elektrischen und magnetischen Phänomene mit nur einem Gleichungssystem zu beschreiben, den so genannten “Maxwell-Gleichungen“. Damit war die Grundlage für das eingehende Verständnis aller elektromagnetischen Vorgänge gelegt. Die von Maxwell theoretisch beschriebenen elektromagnetischen Wellen wurden 1887 von Hertz experimentell bestätigt.
Links: Voltasche Säule, rechts: Versuchsanordnung des Froschschenkel-Experiments von Luigi Galvani
linkes Bild: Luigi Ciesa, Lizenz: CC BY-SA 3.0, rechtes Bild: unbekannt, Lizenz: gemeinfrei, beide via Wikimedia Commons
Die Elektrizität und elektromagnetische Felder in ihrer vielfältigen Nutzbarkeit haben wie kaum eine andere Technik in nur rund 120 Jahren das Leben der Menschen von Grund auf verändert. Die Anzahl unterschiedlicher Nutzungen im privaten, industriellen, militärischen und medizinischen Bereich sowie die Menge der netzbetriebenen Geräte haben sich dabei in den letzten sechs Jahrzehnten explosionsartig vermehrt.

Gleichstrom und Wechselstrom

Mit dem Verständnis der elektrischen und magnetischen Phänomene ging auch ihre technische Nutzung – zunächst in Form von Gleichstrom und Wechselstrom – einher. So wurden das Galvanisieren, die Telegraphie und das elektrische Licht entwickelt. Die ersten öffentlichen Kohlebogenlampen wurden schon um 1810 verwendet. Glühlampen im heutigen Sinne (umgangssprachlich „Glühbirnen“) wurden ab 1835 entwickelt und um 1880 unter Mitwirkung von Thomas Alva Edison zur Marktreife gebracht. Zum Betrieb von Glühlampen wurde 1882 das erste öffentliche Stromnetz in New York aufgebaut – alles noch unter Verwendung von Gleichstrom. Auch die Entwicklung von Stromgeneratoren und Elektromotoren – z. B. durch Werner Siemens – fällt in diese Zeit. In Berlin wurde 1881 die erste elektrische Straßenbahn in Betrieb genommen. In den USA gab es um 1887 ca. 2000 Elektromotoren, 1889 waren es schon über 18.000.
Links: Frühe Glühlampen von Edison, rechts: Erste elektrische Straßenbahn von Siemens & Halske, die Bahn Lichterfelde–Kadettenanstalt
linkes Bild: William J. Hammer, Lizenz: gemeinfrei, rechtes Bild: unbekannt, Lizenz: gemeinfrei, beide via Wikimedia Commons
Die weltweit erste Fernübertragung von elektrischem Strom fand 1882 von Miesbach nach München über eine Strecke von 57 Kilometern statt. Bei dieser Pioniertat setzte Oscar von Miller, der spätere Gründer des Deutschen Museums in München, Gleichstrom mit einer Spannung von 2.000 Volt ein, der über eine dafür wenig geeignete Telegrafenleitung aus Eisendraht übertragen wurde – weshalb die Leitung nach wenigen Tagen versagte. Die ersten Strom-Versorgungsnetze wurden mit Gleichstrom-Block-Generatorstationen direkt in den Städten betrieben, da der Strom wegen der hohen Leitungsverluste nicht gut über weite Strecken übertragen werden konnte. In den Jahren 1887 bis 1889 leistete Nikola Tesla in Amerika Pionierarbeit zu mehrphasigem Wechselstrom und dessen Übertragung. Der Wechselstrom konnte sich in der Folgezeit nur deshalb durchsetzen, weil durch die Verwendung von Transformatoren und Hochspannungsleitungen elektrische Energie über große Entfernungen mit geringeren Verlusten übertragen werden konnte. Während Thomas Alva Edison sich in Amerika noch eindeutig gegen die Verwendung von Wechselstrom ausgesprochen hatte, wurde 1891, wieder von Oscar von Miller, in einer weiteren Pioniertat die erste 15 kV Drehstrom-Hochspannungsleitung in Deutschland vom Wasserkraftwerk Lauffen am Neckar (heute Landkreis Heilbronn) über 175 km nach Frankfurt gebaut. Miller kann daher als Gründer einer Entwicklung angesehen werden, die bis heute zu einer Vernetzung von engmaschigen Wechselstrom-Energiesystemen in vielen Teilen der Welt geführt hat.
25. August 1891. Der elektrifizierte Arkadenbogen der Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung in Frankfurt am Main, bestückt mit 1000 Glühbirnen, deren Energie über die 175 km lange Hochspannungsleitung aus Lauffen am Neckar übertragen wurde
Foto: unbekannt, Lizenz: gemeinfrei, via Wikimedia Commons
Um 1890 wurden noch ca. 96 % des erzeugten Stroms für Beleuchtungszwecke verwendet, um 1900 war dieser Anteil schon auf 53 % gesunken. Im Jahr 2013 betrug der Anteil weltweit noch 15 % (Quelle: en.lighten-Initiative). Vom Nettostromverbrauch in Deutschland von 534 Milliarden Kilowattstunden (kWh) im Jahr 2012 entfielen auf die Industrie ca. 47 %, auf private Haushalte ca. 26 %, auf Handel und Gewerbe ca. 14 %, auf öffentliche Einrichtungen ca. 10 %, auf die Landwirtschaft ca. 2 % sowie auf den Verkehr einschließlich der Bahn 2–3 % (Quellen: statista; RWE; AG Energiebilanzen e.V.).

Hochfrequente Felder

Die frühe Geschichte der technischen Anwendung hochfrequenter Felder ist eng mit der Entwicklung der drahtlosen Informationsübertragung verbunden. 1886 gelang Heinrich Hertz im Laborexperiment die Übertragung elektromagnetischer Wellen über kurze Distanz von einem Sender zu einem Empfänger. Er entdeckte damit die Funktechnik und publizierte dies im Jahr 1888. Erste praktische Anwendungen wurden in den Jahren 1897-1899 in Form von (zunächst kurzen) Funk-Telegrafenverbindungen von Guglielmo Marconi und Ferdinand Braun realisiert, die dafür 1909 gemeinsam den Physik-Nobelpreis erhielten (Quelle: Nobelprize.org). Zu diesem Zeitpunkt existierten bereits drahtlose Telegrafieverbindungen zwischen Schiffen und dem Festland sowie zwischen der „alten“ und der „neuen Welt“.
Guglielmo Marconi mit einem von ihm erfundenen Funk-Telegrafen. Dieser ist dem Gerät ähnlich, mit dem er das erste Funksignal über den atlantischen Ozean sendete
Foto: anonym, Lizenz: gemeinfrei, via Wikimedia Commons
Die Entwicklung der elektrischen Sprach- und Tonübertragung begann – zunächst drahtgebunden – in den Jahren 1860-1861 mit der Erfindung des Telefons durch Philipp Reis, das bis 1876 von Alexander Graham Bell zur Gebrauchs- und Marktreife weiterentwickelt wurde. Erste Versuche, die auf zivile mobile Sprechverbindungen über Funk abzielten, wurden im Jahr 1918 im Auftrag der Deutschen Reichspost von fahrenden Zügen aus durchgeführt. Anfang 1926 startete der reguläre Zugsprechfunk-Betrieb für Reisende auf der Bahnstrecke Berlin-Hamburg. Nach dem 2. Weltkrieg betrieb die Bundespost erste Mobilfunk-Versuchsnetze in Großstädten, an wichtigen Häfen, Autobahnen und Binnenwasserstraßen in den Frequenzbereichen 30 MHz, 80 MHz und 160 MHz, bevor 1958 das A-Netz, ein öffentliches analoges Mobilfunk-System in einheitlicher 160-MHz-Technik gegründet wurde (Betrieb bis 1977). Es folgten das B-Netz (1972-1994, ca. 150-160 MHz), das C-Netz (1985-2000, ca. 450-456 MHz) und ab 1992 mit den D-, E-, UMTS- und LTE-Netzen die digitalen Mobilfunk-Netze in Frequenz-Bereichen zwischen ca. 870 MHz und ca. 2690 MHz.
Links: Zeichnung des Telefons von Philipp Reis aus dem Jahre 1863, rechts: Funk-Telefon für das Funkfernsprechnetz A im Fernmeldemuseum Aachen; hergestellt 1963 von TeKaDe GmbH
linkes Bild: verschiedene, Lizenz: gemeinfrei, via Wikimedia Commons, rechtes Bild: Foto: © Túrelio (via Wikimedia-Commons), 2007 / Lizenz: CC BY-SA 3.0
Neben dem Sprech- und Mobilfunk wurden seit Beginn des vorigen Jahrhunderts eine unüberschaubare Zahl weiterer ziviler und militärischer Anwendungen hochfrequenter Felder entwickelt, bei denen diese zur Kommunikation, Navigation, Ortung, Steuerung, Therapie, Messung und Erwärmung sowie zur Übertragung von Tönen, Bildern und Daten eingesetzt werden. Hiervon zählen Radio, Fernsehen, Radar, Satellitenkommunikation, See- und Flugfunk, Funksteueranlagen, Mikrowellenöfen und WLAN zu den bekanntesten Anwendungen. Während in den Kriegsjahren des vorigen Jahrhunderts aus militärischen und Propaganda-Gründen vor allem die Entwicklungen von Sprechfunk, Radar, See- und Flugkommunikation sowie Radio technisch vorangetrieben wurden, standen in den Nachkriegsjahren bis zum späten vorigen Jahrhundert die Weiterentwicklungen ziviler Anwendungen mit analoger Technik, wie Fernsehen, Therapieanwendungen und Mikrowellenöfen im Vordergrund. In den letzten Jahren des vorigen Jahrhunderts bis zur heutigen Zeit fand dann ein beispielloser Siegeszug digitaler Funkanwendungen mit Hochfrequenz-Feldern statt, allen voran in den Bereichen Mobilfunk und drahtloser Datenverkehr. Als ein Beispiel dafür stieg die weltweite Anzahl von Mobilfunkanschlüssen von 34 Millionen im Jahr 1993 (Quelle: statista) auf 6,7 Milliarden im Jahr 2013 (Quelle: ITU) (mit allerdings „nur“ ca. 3,2 Milliarden Nutzern, d. h. ca. 46 Prozent der Weltbevölkerung) (Quelle: GSMA).
Antennenfeld 2 der Erdfunkstelle Fuchsstadt. Die Erdfunkstelle selbst gehört mit ihren etwa 50 Parabolantennen zu eine der größten Satelliten-Kommunikationsanlagen der Welt
Bild: Rainer Lippert, Lizenz: gemeinfrei, via Wikimedia Commons
Heutige Mobiltelefone bzw. Smartphones arbeiten überwiegend nach dem GSM-Standard (Global System for Mobile Communications, in Deutschland seit 1992), der neben einer guten Übertragungsqualität auch Datenanwendungen ermöglicht. Seit 2001 wurde in Deutschland zusätzlich ein flächendeckendes UMTS-Netz ausgebaut. Mit UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) und HSPA (High Speed Packet Access, seit 2006) ist mobiles Internet-Surfen mit hoher Geschwindigkeit möglich. In den neuesten LTE-Netzen (Long Term Evolution, seit 2010; LTE-Advanced, seit 2013) sind noch höhere Übertragungsgeschwindigkeiten mit Downloadraten bis zu 300 Megabit pro Sekunde bei LTE und bis zu ca. 1 Gigabit pro Sekunde bei LTE-Advanced (Quelle: ZTE) möglich.
Evolution des Mobiltelefons, jeweils von links nach rechts: Motorola 8900X-2, Nokia 2146 orange 5.1, Nokia 3210, Nokia 3510, Nokia 6210, Ericsson T39, HTC Typhoon
Foto: Anders, Lizenz: gemeinfrei, via Wikimedia Commons