Skin-Effekt in der Haut ?

Wissenschaft Physik
#1

Tatsache ist: Hochfrequente Ströme verursachen, zumindest bei großflächiger Zuführung, kaum bzw. keine Schmerzen oder sichtbare Schäden im Menschlichen Körper, selbst wenn der bei Gleichstrom tödliche Wert um ein vielfaches überschritten wird.
Von Physikern höre ich zur Erklärung immer wieder die Geschichte vom Skin-Effekt, der den Strom auf der Haut abfließen lassen soll. Vor etwas mehr als einem Jahr wurde diese Behauptung auch in der Sendung „Kopfball“ (ARD So 10:25 Uhr) öffentlich verbreitet. Da ich nach wie vor fest davon überzeugt bin, daß das völliger Unsinn ist, habe ich mit einem Mail an den Sender versucht die Sache Richtig zu stellen, leider bis heute ohne Erfolg.
Ich würde gerne mal andere Meinungen zu diesem Thema lesen.
Ich kenne jedenfalls kein Experiment, daß diese Behauptung stützt, aber viele die sie widerlegen. Da es sich um einen Wirbelstromeffekt handelt, kann der Skin-Effekt praktisch sowieso nur in guten Stromleitern wie Metallen auftreten.
Meine Gegenthese besagt, daß das Ganze eine elektrochemische Ursache hat: Bei hohen Frequenzen können die Ionen im Körper einfach nicht mehr die Wege zurücklegen, die nötig sind um irgendwelche biologischen Effekte zu bewirken.

Ich hoffe auf eine interessante Diskussion.

#2

Die Eindringtiefe delta des Skineffektes berechnet sich nach folgender Formel:

delta =1/sqrt(sigma*mu*pi*f)

sigma ist die Leitfähigkeit des Materials
mu ist die Permeabilität. Wenn es nicht gerade Eisen ist, dann ist hier also in etwa mu_0 einzusetzen also 4*pi*10^(-7)*Vs/Am
pi=3.1415926…
f ist die Frequenz

Für die Leitfähigkeit des Körpers oder speziell der Haut lassen sich nur ungefähre Werte angeben, da das ja auch wechselt, je nachdem, ob die Haut nun trocken ist oder nicht.

Stefan

#3

Ich hab noch nie was von diesem komischen Effekt gehört (Asche über mein Haupt), aber Ströme können nur einen biologischen Effekt haben, wenn sie Ionen verschieben. Das kann Gleichstrom besonders gut. Etwas schlimmer ist der üblibliche 50 Hz Wechselstrom, weil dieser mit der den Depolarisierungszeiten der Herzschrittmacherzellen interferiert und so ganz schnell massive Herzrhythmusstörungen verursacht.

Jochen

#4

Vielen Dank für die schnelle Antwort
Die Formel habe ich, samt Herleitung auch in meinem alten Script HF-Technik gefunden; leider kenne ich den Hautwiderstand auch nicht, sodaß ich keine Zahlenwerte einsetzen konnte. Zwischen Haut und Kupfer dürften aber viele Zehnerpotenzen liegen. Nach der Skin-Effekt-Theorie dürfte z.B. ein Mikrowellenherd allenfalls zum Grillen geeignet sein, denn die HF-Ströme dürften ja nur die Haut den Hänchens ( oder was auch immer darin schmort ) erhitzen. Jede® Hausfrau(mann) weis aber das die Mikrowelle tief (mehrere cm ) in das Material eindringt und das Hänchen von innen aufheitzt, während die Haut nicht knusprig wird.

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#5

Du hättest ja einfach mal Deinen Hautwiderstand messen können. Als ungefähren Mittelwert kannst Du etwa 100 KiloOhm annehmen.
Übrigens liegt die eindringtiefe von Mikrowellen nur bei 2,5 cm.

CU
Peter

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#6

Habe ich auch schon gemacht, allerdings nicht deswegen. Je nachdem wie, wann und wo ich die Meßstrippen bei mir anlege, bekomme ich so ziemlich alles von 10k bis unendlich.
Aber vor allem: Wie berechne ich daraus den spezifischen Widerstand ?

Jörg

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#7

Hallo Jörg.
Man muß unterscheiden zwischen der Eindringtiefe von elektromagnetischen Wellen und der Stromverteilung von hochfrequenten Strömen in Leitern. Bei letzteren tritt der Skineffekt aufgrund von Wirbelstromeffekten auf indem sich die einzelnen Stromfäden gegenseitig verdrängen und so an der Außenhaut landen. Diesen Effekt nutzt man z.B. aus bei der induktiven Metallerwärmumg. Die „Skin“ bei Stahl und einer Frequenz von einigen zig-kHz (10-30) liegt bei einigen Millimetern, bei 1-4 Mhz bei einigen Zehnteln Millimetern. Übrigens werden wegen des Skineffekts auch HF-Drähte versilbert weil Silber noch etwas besser leitet als Kupfer und die Leitung nur außen stattfindet. Daß der Effekt auch auf der menschlichen Haut auftritt beweist der ‚Elektro-Jo‘ auf dem Jahrmarkt, der arbeitet mit hochfrequenten und -gespannten Teslaströmen.
MfG. A. Berresheim

#8

Hallo Alexander,
die Argumentation kann ich leider nicht ganz nachvollziehen.
Für den Skin-Effekt ist es doch egal, ob ein Strom durch direktes Anlegen einer HF-Spannung oder durch das Auftreffen einer Welle gleicher Frequenz verursacht wird. Wenn aber der Strom nicht in das Material eindringen kann, kann es die Welle erst recht nicht. Daraus folgt umgekehrt, wenn eine Welle bzw. der von ihr verursachte Strom in das Material eindringen kann, gibt es dort keinen ausgeprägten Skin-Effekt.
Bei ca. 6cm Wellenlänge und einer Eindringtiefe von 2-3 cm beim Hänchen im Mikrowellenofen kann man sowieso kaum von dem Eindringen einer Welle sprechen.
Die von einem Tesla-Trafo erzeugten Frequenzen liegen, je nach Aufbau, bei max. 500 kHz. Hier würde sich die Eindringtiefe im Vergleich zur Mikrowelle nochmal etwa um den Faktor 100 erhöhen. Der Skin-Effekt wäre also vernachlässigbar gering.
Wenn denn der Skin-Effekt doch auf der Haut auftreten sollte, frage ich mich, wo der Strom langfliessen sollte. In der nichtleitenden Hornhaut ? In oberen lebenden Zellschichten ? ( Das müßte dann doch richtig schön wehtun ) Oder wo ?
Wie Du siehst, hast Du mich noch nicht so richtig überzeugt

Jörg

#9

Hallo Alexander,
die Argumentation kann ich leider nicht
ganz nachvollziehen.

Hallo Jörg,
der Unterschied liegt darin, daß ein Hähnchen in der Mikrowelle als Dielektrikum im elektrischen Feld eines Kondensators liegt und sich aufgrund der dielektrischen Verluste erwärmt. Das gleiche geschieht bei Kurzwellentherapie-Geräten. Die Erwärmung eines Dielektrikums erfolgt auch bei Nichtleitern (Kunststoffschweißen).
Als weitere Beispiele für den Skineffekt in der Hoch- und Höchstfrequenztechnik nenne ich HF-Litzen bei denen der Leiter aus vielen gegeneinander lackisolierten Einzeldrähten besteht um den Skineffekt auf jeden Leiter zu beschränken.
MfG. A.Berresheim

#10

Hallo Alexander,
verstehe ich immer noch nicht. Die Erwärmung in der Mikrowelle funktioniert meines Wissens deshalb so gut, weil Wasser in diesem Frequenzbereich ein Absorbtionsmaximum hat. Da elektromagnetische Wellen, wie der Name schon sagt, eine elektrische und eine magnetische Feldkomponente haben, kann man sich jetzt darüber streiten, ob die dielektrischen oder die magnetisch bedingten Verluste vorwiegend zur Erwärmung beitragen. Das bringt uns bei der Lösung des ursprünglichen Problems aber nicht weiter.
Tatsache ist jedenfalls, daß eine Erwärmung im Inneren nur stattfinden kann, wenn Felder in das Material eindringen können. Wenn ein starker Skin-Effekt auftritt, kann definitionsgemäß kein Strom im Inneren des Materials fließen. Ohne Strom kein Magnetfeld, bleibt also nur noch das elektrische Feld. Selbst wenn das elektrische Wechselfeld in das Material eindringen könnte, würde es dort einen dielektrischen Verschiebungsstrom verursachen, der wie jeder andere Strom an die Oberfläche verdrängt würde. Dieser Verschiebungsstrom ist aber untrennbar mit dem elektrisches Wechselfeld verbunden. Wenn ein Kondensator ge- und entladen wird, muß der Lade- und Entladestrom ja auch durch das gesamte Dielektrikum fließen.
Fazit: Wenn der Skin-Effekt auftritt, dann richtig. D.h. Wechelfelder aller Art mit der betroffenen Frequenz sind im Inneren des Leiters tabu und auftrefende Wellen werden nur an der Oberfläche reflektiert oder teilweise absorbiert.
Das Hähnchen in der Mikrowelle wird von innen erwärmt, also dringen Felder in das Hähnchen ein. Es kann dort also zumindest kein starker Skin-Effekt auftreten.
Bei wesentlich niedrigeren Frequenzen kann beim Menschen also erst recht kein Skin-Effekt auftreten.
Um es nochmal zu betonen: Ich zweifle nicht an der grundsätzlichen Existenz des Effektes, sondern nur an seiner Bedeutung bei der Stromleitung im menschlischen Körper. Der Skin-Effekt kann nur bei guten Leitern und hohen Frequenzen (siehe Formel in einer der Antworten) auftreten. Das Hähnchen und der Mensch sind, im Vergleich zu Metallen, nun mal sehr schlechte Leiter.

Jörg

#11

Hallo Jörg.
Vielleicht liegt bei Dir die Schwierigkeit darin, daß Du in dem Zusammenhang ‚Skin‘ mit der biologischen Haut von lebendigen oder toten Wesen übersetzt. Das trifft jedoch in diesem Falle nicht zu. Mit ‚Skin‘ ist hier die Oberfläche oder Randzone von elektrischen Leitern gemeint wenn sie zur Leitung hochfrequenter Wechselströme dienen.
Ob, und in welcher Dermis (mediz. Haut) diese Leitung bei Lebewesen auftritt weiß ich nicht. Was ich aber weiß ist, daß wenn man an einer Senderöhre mit dem Finger die ausgekoppelte HF berührt, gibt es einen oberflächlichen Brandfleck, sonst spürt man nicht viel.
MfG. A. Berresheim

#12

Hallo Alexander,
irgenwie habe ich das Gefühl, wir schreiben aneinander vorbei. Das mit Skin nicht eine biologische Haut gemeint ist, ist mir natürlich klar. Ich habe doch schließlich behauptet, daß der Skin-Effekt praktisch nur bei Metallen auftritt.
Brandstellen entstehen, wenn Du nicht gerade direkt vom Blitz erschlagen wirst, immer an der Oberfläche. Das hat nichts mit HF oder Skin-Effekt zu tun. Strom-Unfallopfer, ob tot oder lebendig, haben meistens auch nur oberflächliche Verbrennungen. Das liegt einfach daran, daß die Stromdichte an der Eintrittsstelle besonders hoch ist und meistens dort noch ein Lichtbogen entsteht.
Wenn der HF-Strom ansonsten schmerzlos ist, ist das doch noch lange kein Beweis dafür, daß das am Skin-Effekt liegt. Es ist doch auch relativ unwahrscheinlich, daß der Strom ausgerechnet in einer Hautschicht fließt, in der sich keinerlei Nervenzellen befinden, falls es die überhaupt gibt. Eine Alternativerklärung (Ionenwanderung) habe ich ja bereits meiner ursprünglichen Frage beigefügt. Genausogut könnte ich deine Beobachtung an der Senderöhre als Beweis für diese Erklärung ansehen.

Jörg

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