ELF steht für Extremely Low Frequency. In der ITU-Nomenklatur umfasst ELF den Bereich 3–30 Hz. Manche Fachgebiete verwenden den Ausdruck weiter gefasst. Deshalb sollten Sie bei einer Veröffentlichung oder Messung immer den Zahlenbereich und die untersuchte Feldgröße prüfen.
ELF, SLF und ULF unterscheiden
| ITU-Band | Frequenz | Ungefähre Freiraumwellenlänge |
|---|---|---|
| ELF | 3–30 Hz | 100.000–10.000 km. |
| SLF | 30–300 Hz | 10.000–1.000 km. |
| ULF | 300–3.000 Hz | 1.000–100 km. |
Netzfrequente Felder bei 50 oder 60 Hz werden in manchen Arbeiten unter einem weiter gefassten ELF-Begriff behandelt. Die Einordnung in der ITU-Tabelle bleibt davon unberührt. Vermischen Sie 3–30 Hz und 3–300 Hz nicht ohne Erklärung.
Wellenlänge berechnen
Im freien Raum gilt λ = c/f mit c ≈ 299.792.458 m/s. Bei 10 Hz sind es rund 30.000 km, bei 100 Hz rund 3.000 km. Für 70–150 Hz pauschal 200 km anzugeben, ist falsch.
Übliche technische Antennengrößen sind gegenüber diesen Wellenlängen elektrisch sehr klein. Effiziente Abstrahlung und Anpassung stellen daher besondere Anforderungen. Die niedrigere Frequenz macht einen effizienten Sender nicht automatisch klein.
Natürliche Quellen und Schumann-Resonanzen
Blitzentladungen regen elektromagnetische Felder an. Im Bereich zwischen Erdoberfläche und Ionosphäre bilden sich globale Resonanzen, die Schumann-Resonanzen. Der erste Modus liegt in der Nähe von 8 Hz, weitere Moden liegen höher.
Die gemessenen Maxima besitzen Breite und ändern sich mit den Bedingungen. Ionosphäre, Gewitterverteilung und Messort beeinflussen die Beobachtung. Das ist keine mechanische Schwingung der gesamten Erde mit einer stets identischen Amplitude.
Eindringen in leitfähige Medien
Bei bestimmten leitfähigen Medien nimmt die Dämpfung pro Strecke mit sinkender Frequenz ab. Sie verschwindet aber nicht. Für einen homogenen guten Leiter beschreibt δ = √[2/(ωμσ)] die Eindringtiefe der Amplitude im einfachen Modell.
Mit σ = 4 S/m und μ ≈ μ0 ergeben sich beispielhaft etwa 80 m bei 10 Hz und 25 m bei 100 Hz. Nach einer Strecke δ ist die Amplitude auf 1/e abgefallen. Das ist keine zugesicherte Kommunikationstiefe oder Reichweite; Grenzflächen, Quellengeometrie und Rauschen sind zusätzlich wichtig.
Die Erdkruste hat keine einheitliche Leitfähigkeit. Ein einzelner Wert für Eindringtiefe kann nicht ohne Orts- und Strukturangaben übertragen werden.
Anwendungen und Grenzen
Solche Felder werden in Atmosphärenphysik, Geophysik, Umweltmessungen und speziellen niederfrequenten Kommunikationssystemen untersucht. Bei letzteren kann ELF weiter gefasst sein als in der ITU-Nomenklatur.
Geringe Bandbreite und schwierige Antennenbedingungen begrenzen die Datenübertragung. Die bessere Durchdringung bestimmter Medien bedeutet keinen schnellen Internetzugang. Ein schmaler Fernfeld-Richtstrahl lässt sich bei diesen Wellenlängen auch nicht wie mit einer kleinen Mikrowellenschüssel erzeugen.
Messungen richtig interpretieren
Ein geeignetes Magnetometer oder eine Induktionsspule misst magnetische Komponenten; eine elektrische Feldsonde misst eine andere Größe. Kalibrierung, Orientierung, Eigenrauschen, Frequenzgang und Beobachtungsdauer müssen bekannt sein.
Trennen Sie Netzfrequenz und Oberwellen, Sensorbewegung, Drift und lokale Gerätefelder von der gesuchten Quelle. Ein einzelner Spektralpeak identifiziert sie nicht zuverlässig. Dokumentieren Sie Hz für Frequenz, V/m für elektrische Feldstärke und T beziehungsweise Untereinheiten für magnetische Flussdichte.
Quellen
Die Bandbezeichnungen stehen in ITU-R V.431. Die NASA-Darstellung der Schumann-Resonanzen erklärt die Anregung durch Blitze und die Rolle der Erde-Ionosphäre-Umgebung. Für einen reproduzierbaren Versuch gehören Zahlenband, Sensor und Auswertung immer zum Ergebnis.
