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Die Elektrodynamik in der Medizin befasst sich mit den Auswirkungen elektrischer Ströme auf den menschlichen Körper, der diagnostischen und therapeutischen Nutzung elektrischer Signale sowie den physikalischen Grundlagen und medizinischen Anwendungen elektromagnetischer Wellen.
Elektrischer Strom kann im Körper schwerwiegende Schäden verursachen. Da die Reizweiterleitung der Nervenzellen und die Muskelkontraktion auf elektrischen Impulsen beruhen, kann eine von außen angelegte Spannung Nerven irritieren, zu unkontrollierbaren Muskelverkrampfungen führen und bei hohen Stromstärken Verbrennungen hervorrufen. In der Folge kann es zu Kammerflimmern, Herzstillstand, Atemlähmung und sogar zur Sepsis kommen.
Die tatsächlichen Auswirkungen hängen von mehreren Faktoren ab: der umgesetzten Energiemenge (bestimmt durch Stromstärke und Einwirkdauer), dem Weg des Stroms durch den Körper (z. B. über das Herz oder die Lunge) sowie der Spannung. Kleinspannungen unter 50 Volt sind meist harmlos. Ein Taser gibt zwar ca. 50.000 Volt ab, liefert aber kaum Strom nach und ist daher in der Regel nicht tödlich. Die im Haushalt üblichen 230 Volt können dagegen lebensgefährlich sein, da hier hohe Ströme fließen können.
Bei einem Stromunfall steht der Eigenschutz an erster Stelle. Solange die betroffene Person noch im Stromkreis ist, darf man sie auf keinen Fall direkt berühren. Vorrangig sollte der Strom abgeschaltet werden; falls das nicht möglich ist, muss versucht werden, die Person mit einem nichtleitenden Gegenstand (z. B. Holzstab) vom Stromkreis zu trennen. Bei Hochspannungsunfällen ist ein Sicherheitsabstand von mindestens 3 Metern bei 110 kV und 5 Metern bei 400 kV einzuhalten.
In der Medizin werden elektrische Signale gezielt genutzt. Mit dem EKG (Elektrokardiogramm) lassen sich die elektrischen Impulse des Herzens ableiten, mit dem EEG (Elektroenzephalogramm) die Gehirnströme. Dabei gilt: Je mehr Elektroden verwendet werden, desto besser ist die räumliche Auflösung. Ein Defibrillator kann durch einen starken elektrischen Impuls das flimmernde Herz 'stören' und es so wieder in einen normalen Rhythmus überführen. Herzschrittmacher geben regelmäßige elektrische Impulse ab, um die Herzfrequenz zu stabilisieren.
Elektromagnetische Wellen entstehen, wenn elektrische Ladungen beschleunigt werden. Ein sich zeitlich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein sich änderndes magnetisches Feld und umgekehrt. Diese wechselseitige Induktion führt dazu, dass sich die Energie in Form einer Welle vom Ursprung weg ausbreitet. Grundlage für dieses Phänomen sind die vier Maxwell-Gleichungen: (1) Elektrische Felder haben ihren Ursprung in elektrischen Ladungen – die Feldlinien laufen auseinander. (2) Magnetische Felder haben keine Quellen – die Feldlinien sind geschlossen. (3) Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld. (4) Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld.
Im Gegensatz zu mechanischen Wellen benötigen elektromagnetische Wellen kein Trägermedium. Sie können sich im Vakuum mit der universellen Naturkonstante, der Lichtgeschwindigkeit (c ≈ 3 × 10⁸ m/s), ausbreiten. Diese Geschwindigkeit ist im Vakuum für alle Beobachter gleich, unabhängig von deren Bewegung – eine Erkenntnis, die zur Entwicklung der Relativitätstheorie führte. In Materie ist ihre Geschwindigkeit geringer, was durch den Brechungsindex des Mediums beschrieben wird.
Die Struktur dieser Wellen ist immer transversal. Das bedeutet, dass der Vektor des elektrischen Feldes (E) und der Vektor des magnetischen Feldes (B) senkrecht zueinander sowie senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Man kann sie sich wie zwei miteinander gekoppelte, rechtwinklige Sinuskurven vorstellen.
Die grundlegenden Kenngrößen sind die Amplitude (maximale Auslenkung der Feldstärke), die Frequenz (f, Schwingungen pro Sekunde) und die Wellenlänge (λ, Abstand zwischen zwei Wellenbergen). Es gilt der fundamentale Zusammenhang: c = λ × f. Da c im Vakuum konstant ist, sind Wellenlänge und Frequenz indirekt proportional zueinander.
Das elektromagnetische Spektrum ordnet alle Wellen nach ihrer Frequenz bzw. Wellenlänge. Es reicht von niederfrequenten Radiowellen über Mikrowellen, Infrarotstrahlung, das sichtbare Licht (ca. 380–780 nm), Ultraviolettstrahlung und Röntgenstrahlung bis hin zur hochenergetischen Gammastrahlung. Nicht zu den elektromagnetischen Wellen zählt Alpha-Strahlung, da es sich um Teilchenstrahlung handelt. Radiowellen haben kaum Wechselwirkung mit Materie und dringen fast ungehindert hindurch – sie werden bevorzugt zur Signalübertragung genutzt. Infrarotstrahlung wechselwirkt stark mit praktisch jedem Material, sodass für eine IR-Signalübertragung direkter Sichtkontakt nötig ist. Gammastrahlung hingegen wechselwirkt nur wenig, verursacht aber aufgrund ihrer extrem hohen Energie große biologische Schäden.
Die Energie einer elektromagnetischen Welle ist direkt proportional zu ihrer Frequenz (E = h × f, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist). Das bedeutet: Je kurzwelliger (und damit hochfrequenter) eine Strahlung ist, desto energiereicher ist sie. Dies erklärt, warum UV- oder Röntgenstrahlung biologisches Gewebe schädigen kann, während Radiowellen dies nicht tun.
Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen kann durch verschiedene Faktoren gestört werden, z. B. durch Wettererscheinungen, Schaltvorgänge im Stromnetz, hochfrequente Übertragungen, metallische Gegenstände und großflächige Objekte. Besonders bei kurzen Wellenlängen (hohen Frequenzen) reagiert die Ausbreitung empfindlich auf Umgebungseinflüsse. Gut leitende Materialien wie Metalle und Beton schirmen Funksignale stark ab, indem sie die Wellen reflektieren oder absorbieren. Diese Eigenschaft kann gezielt zur Abschirmung genutzt werden.
