Sähkömagneettinen spektri
Sähkömagneettinen spektri kattaa kaikki sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusalueet. Sähkömagneettinen spektri jaotellaan osiin lähtien suurimmasta aallonpituudesta pienimpään: radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, valo, ultraviolettisäteily, röntgensäteily ja gammasäteily.[1] Aallonpituuden mittayksikönä käytetään metriä tai sen johdannaisia.
Sähkömagneettisen spektrin osat voidaan jaotella myös sähkömagneettisen säteilyn taajuuden mukaan. Taajuuden yksikkönä käytetään hertsiä (Hz), joka ilmoittaa värähdysten lukumäärän yhden sekunnin aikana. Pienen aallonpituuden korkeataajuisessa säteilyssä on enemmän energiaa kuin suuren aallonpituuden matalataajuisessa säteilyssä.
Tietyn sähkömagneettisen säteilylähteen (esimerkiksi tähti, radiolähetin) spektri tarkoittaa sen emittoimien taajuuksien joukkoa.
Aallonpituuden ja taajuuden välillä on seuraava yhteys:
Sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus λ tyhjiössä on valonnopeus c jaettuna sen taajuudella f
- .
Suurienergiaista sähkömagneettista säteilyä eli röntgen- ja gammasäteilyä kuvataan yleensä aallonpituuden tai taajuuden sijaan sen kvantin eli fotonin energialla elektronivolttiyksiköissä. Säteilyn energia E ilmaistaan taajuuden ja Planckin vakion h avulla
- .
Radioaallot
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Radioaallot
Radioaaltoihin kuuluu infrapuna-aaltoja pidempiaaltoiset sähkömagneettiset aallot. Toisin sanoin; radioaaltoja ovat kaikki infrapunataajuuksia (näkyvä valo–300 GHz) matalataajuisemmat sähkömagneettisen säteilyn taajuudet. Radiotaajuusalueita ovat - matalataajuisimmasta korkeataajuisimpaan - ELF, SLF, ULF, VLF, LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF ja EHF. Myös Mikroaallot ovat osa radiotaajuusspektriä kattaen sen korkeimmat taajuudet (1-300 GHz); osa UHF-aluetta (1–3 GHz), SHF-alue (3–30 GHz) ja EHF-alue (30–300 GHz).
Mikroaallot
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Mikroaalto
Mikroaallot ovat sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on lyhyempi kuin metri ja pidempi kuin millimetri. Toisin sanoen taajuus on 300 MHz:n ja 300 GHz:n välillä (radiotaajuusalueet; UHF, SHF, EHF). Lisäksi mikroaaltoihin lasketaan mukaan alimillimetrisäteily, jonka aallonpituus on alle millimetrin
Infrapuna
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Infrapunasäteily
Infrapuna (”alipuna”) eli IR (engl. infrared) on lämpösäteilyä. Infrapuna-alueita, 3–30 THz (kaukoinfrapuna) ja 30–300 THz (lähi-infrapuna), käytetään esimerkiksi lämpökameroissa, infrapunasensoreissa (FLIR; Forward Looking Infra Red) sekä infrapuna-alueen lasereissa.
Näkyvä valo
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkelit: Valo ja Näkyvän valon spektri
Ihmissilmä näkee aallonpituuksia välillä 400–700 nm; maksimi on vihreässä 555 nanometrin paikkeilla. Jotkut näkevät 340–780 nanometriin.
Laser
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Laser-valo koostuu samanvaiheisista ja -suuntaisista valoaalloista. Valokaapelia pitkin kulkeva lasersäde on nykyajan ratkaisu tiedonsiirtopulmiin. Valoalueelle, 300–3 000 THz, on erikoista erittäin suuri tiedonsiirtokapasiteetti. Jos UHF-alueelle (300–3 000 MHz) mahtuu teoreettisesti 540 kappaletta 5 MHz:n televisiokanavia, mahtuu niitä valoalueelle 540 000 000 kappaletta. Tämän kapasiteetin käytön tekevät teknisesti mahdolliseksi uusimmat valokaapelit ja niihin liittyvät lähetys- ja vastaanottokomponentit (GaAs ja MIMIC).
Valokaapelin etuja ovat valtava tiedonsiirtokaista, pieni koko ja paino, sähköinen immuniteetti (ei häiriöitä), kaapelista toiseen kytkeytyvien häiriöiden puute, kuuntelun vaikeus, pieni vaimennus, luotettavuus ja potentiaalinen matala hinta. Kaupalliset sovellukset mahdollistavat 1–2 GHz:n kaistaleveyden ja 40 GHz on teoriassa mahdollista. (1 GHz = 1 000 000 000 Hz = noin 200 000 puhekanavaa.)
Ultravioletti
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Ultraviolettisäteily
Aurinko säteilee rusketusta ja ihosyöpää aiheuttavia ultraviolettisäteitä eli UV-säteitä, joilta Maan ilmakehän otsonikerros kuitenkin suojaa. Ultravioletti jaetaan lähiultraviolettiin ja kaukoultraviolettiin (Exterme Ulraviolet, EUV). Ihmiskehon kannalta (lähi)ultravioletti jaetaan UVA- ja UVB-säteisiin.
Röntgen
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Röntgensäteily
Röntgensäteilyä käytetään muun muassa röntgenkuvauksessa. Röntgensäteily on ionisoivaa säteilyä ja suurina annoksina ihmiskeholle vaarallista. Röntgensäteilyä syntyy muun muassa radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä ja varauksellisten hiukkasten kiihtyessä. Avaruudessa miljoonien asteiden lämpöiset kaasupilvet säteilevät röntgensäteilyä.[2] Röntgensäteily voidaan jakaa pehmeään ja kovaan röntgensäteilyalueeseen. Pehmeän röntgensäteilyn energia on suunnilleen 1–10 keV ja kovan noin 10–100 keV. Raja ei ole tarkkaan määritelty.[3]
Gammasäteily
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Gammasäteily
Gammasäteilyä (γ-säteilyä) syntyy radioaktiivisten aineiden hajotessa, esimerkiksi ydinreaktiossa. Myös kosmisessa säteilyssä on gammasäteilyä. Läpitunkevuutensa ja kudoksia vaurioittavan vaikutuksensa takia gammasäteily on erittäin vaarallista ihmiselle suurina annoksina.
Käyttöä kaikilla sähkömagneettisen spektrin alueilla
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Kaikkia sähkömagneettisen spektrin alueita käytetään tieteessä ja monissa arkipäivän sovellutuksissa. Yksi kehityssuunta on jatkuva siirtyminen yhä suurempien taajuuksien käyttöön, jotta yhä suurempien tietomäärien siirtäminen olisi mahdollista. Korkeammat taajuudet mahdollistavat muun muassa sotilaallisesti elektronisen sodankäynnin kannalta vaikeasti havaittavat, kuunneltavat ja häirittävät viestijärjestelmät (vertaa 60 GHz:n alue).
Sähkömagneettisen spektrin soveltamisista
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Eri sähkömagneettisen spektrin alueiden hyötykäyttöön soveltamiseen vaikuttaa muun muassa kyseisen alueen sähkömagneettisen aallon etenemismekanismi, haluttu kantama, käytössä oleva teho, haluttu tiedonsiirron kaistaleveys (sähkötys, puhe, liikkuva kuva), sään vaikutus ja se, minne laitteet voidaan sijoittaa (maan tai meren pinnalle, korkeaan mastoon, lentokoneeseen, avaruuteen).
Yhteydet sukellusveneisiin ovat hankalia, koska radioaallot tunkeutuvat huonosti meriveteen. Mitä suurempi taajuus, sitä heikommin se tunkeutuu. Tällöin joudutaan käyttämään erittäin pieniä taajuuksia, jolloin antennirakenteet kasvavat suuriksi (1 000 Hz:n taajuudella aallonpituus on 300 kilometriä, eli tehokkaan antennin on oltava kymmeniä kilometrejä pitkä). ELF-alueen (30–300 Hz) radioaallot vaimenevat 2,72-osaan 14 metrissä.
Esimerkki sähkömagneettisen spektrin käytön ongelmista: haluttaessa siirtää laajakaistaista signaalia (TV-kuva, 5 MHz/kanava) HF-alueelle näitä kanavia mahtuisi vain noin 5–6. SHF-alueelle niitä mahtuisi sen sijaan 5 700 kappaletta.
Toisaalta ilmakehän vaimennus alkaa vaikuttaa EHF-alueella ja siitä ylöspäin aina infrapuna-alueelle asti. Sumu ja sade vaimentavat radioaaltojen etenemistä merkittävästi noin 100–1 000 GHz:stä aina näkyvän valon alueelle asti. Vaimennuksen ollessa 1–10 desibeliä per kilometri ”normaali” yhteys tulee mahdottomaksi. Näin syntyy tiettyjä estoalueita (suuri ilmakehän vaimennus), joilla yhteydet eivät ole mahdollisia ja niin sanottuja ikkunoita, joilla radioaaltoja voidaan käyttää (pieni ilmakehän vaimennus). Ikkunoita ovat muun muassa 0–55 GHz, 94 GHz, ja seuraavat infrapuna-alueella ja näkyvän valon alueella.
Aallonpituus on tärkeä radioaaltoja luonnehtiva seikka. Muun muassa lankamaiset tai piiskamaiset antennit ovat suurin piirtein aallonpituusluokkaa (1/8 osa aallonpituutta tai suurempi) ollakseen tehokkaita. Tällöin esimerkiksi 1 MHz:n taajuudella (sähkötysradiot) antennin on oltava noin 12,5 metrin pituinen (100/8) tai suurempi. Vastaavasti 900 MHz:n alueella (NMT-900) antennin on oltava noin 4 senttimetriä (0,33/8) tai pidempi.
Maastoesteiden vaikutus on myös suoraan verrannollinen aallonpituuteen. Sama mäki tai talo on sitä suurempi este, mitä suurempaa taajuutta käytetään.
Sähkömagneettinen spektri on rajallinen luonnonvara. Siksi sen siviili- ja sotilaskäytössä törmätään taajuushallinnan ongelmiin. Taajuuksia jaetaan maailmanlaajuisesti ja kunkin maan sisällä. Taajuuksien, siis sähkömagneettisen spektrin, käyttö on voimakkaasti säännösteltyä. Radiotaajuuksien sääntely; radiotaajuusalueet
Katso myös
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Aallonpituus
- Aalto (fysiikka)
- Absorptio (sähkömagneettinen säteily)
- Albedo (heijastuskyky)
- Amplitudi
- Amplitudimodulaatio
- Antenni
- Emissiivisyys
- Fotoni (sähkömagneettisen säteilyn välittäjähiukkanen)
- Gammasäteily
- Gaussin laki sähkökentille
- Gravitaatiosäteily
- Hertsi (Hz)
- Infrapunasäteily
- Intensiteetti
- Koherenssi (Koherentit aallot)
- Lorentzin voima (voima, jonka sähkömagneettinen kenttä aiheuttaa varattuun hiukkaseen)
- Lämpösäteily
- Maxwellin yhtälöt (sähkömagneettisen kentän malli makroskooppisessa mittakaavassa)
- Maxwellin yhtälöt#Kenttien riippuvuudet väliaineissa
- Magneettikenttä
- Magneettikentän voimakkuus
- Magneettivuo
- Magneettivuon tiheys
- Magnetismi
- Mikroaallot
- Musta kappale
- Mustan kappaleen säteily
- Mustan kappaleen lämpösäteilyn teho
- Näkyvän valon spektri
- Permeabiliteetti (aineen (sähkö)magneettista käyttäytymistä kuvaava suure)
- Permittiivisyys (suure, joka kuvaa, miten sähkökenttä vaikuttaa väliaineeseen)
- Planckin laki
- Polarisaatio (aaltoliikkeen värähtelysuuntien samankaltaisuus)
- Radio (radiotaajuuksien hyödyntäminen)
- Radioaalto
- Radiotaajuusalueet
- Radiovastaanotin
- Rayleigh’n–Jeansin laki
- Röntgensäteily
- Spektri
- Stefanin–Boltzmannin laki
- Sähkö (sähkövaraukseen liittyvä luonnonilmiö)
- Sähkökenttä
- Sähkökentän voimakkuus
- Sähkömagneettinen aalto
- Sähkömagneettinen kenttä
- Sähkömagneettinen säteily
- Sähkömagneettinen vuorovaikutus
- Sähkömagneettisen säteilyn ja aineen vuorovaikutus
- Sähkömagnetismi
- Sähkönjohtavuus (väliaineen johtavuus)
- Sähkövaraus
- Sähkövuo
- Sähkövuon tiheys
- Säätutka
- Säteilyn kulmataajuus
- Säteily (aallon eteneminen avaruudessa)
- Taajuus
- Taajuusmodulaatio
- Tutka
- Tšerenkovin säteily
- Ultraviolettisäteily
- Valo
- Wienin siirtymälaki
- Värähtely
Lähteet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- ↑ David J. Griffths: ”9.2.2.”, Introduction to Electrodynamics, 3. painos, s. 377. Prentice Hall, 1999. ISBN 0-13-805326-X (englanniksi)
- ↑ X-rays betray giant particle accelerator in the sky 24.1.2008. ESA. Viitattu 8.9.2008. (englanniksi)
- ↑ What are Hard X-Rays? nasa.gov. Arkistoitu 21.7.2011. Viitattu 8.9.2008. (englanniksi)
Aiheesta muualla
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Sähkömagneettinen spektri: gammasäteily • röntgensäteily • ultraviolettisäteily • valo • infrapunasäteily • alimillimetrisäteily • mikroaallot • radioaallot
Radiotaajuusalueet: THF • EHF • SHF • UHF • VHF • HF • MF • LF • VLF • ULF • SLF • ELF
Valo: violetti • sininen • syaani • vihreä • keltainen • oranssi • punainen