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.
Sähkömagneettisen spektrin osat jaotellaan niiden säteilyn taajuuden tai aallonpituuden mukaan. Tietyn sähkömagneettisen säteilylähteen (esimerkiksi tähti, radiolähetin) spektri tarkoittaa sen emittoimien taajuuksien joukkoa. Taajuuden yksikkö on hertsi (Hz), joka ilmoittaa värähdysten lukumäärän yhden sekunnin aikana. Aallonpituuden mittayksikkö on metri tai sen johdannaiset. Aallonpituuden ja taajuuden välillä on seuraava yhteys:
Aallonpituus "λ" on valon nopeus "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
Radioaaltoihin kuuluvat taajuusalueen 3 Hz – 300 GHz säteily. Taajuusalueita ovat ELF, SLF, ULF, VLF, LF, MF, HF, VHF ja UHF. Mikroaallot kuuluvat myös radioaaltoihin.
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 (UHF, SHF, EHF). Lisäksi mikroaaltoihin lasketaan mukaan alimillimetrisäteily, jonka aallonpituus on alle millimetrin.
Infrapuna (”alipuna”) eli IR () 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.
Ihmissilmä näkee aallonpituuksia välillä 400–700 nm; maksimi on vihreässä 555 nanometrin paikkeilla. Jotkut näkevät 340–780 nanometriin.
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). Näkyvä valo on välillä 400–750 THz.
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.)
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.
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. 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.
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.
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).
Eri sähkömagneettisen spektrin alueiden käyttöön vaikuttaa muun muassa kyseisen alueen etenemismekanismi ja 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.