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. 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 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

.

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

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

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.

Näkyvä valo

Ihmissilmä näkee aallonpituuksia välillä 400–700 nm; maksimi on vihreässä 555 nanometrin paikkeilla. Jotkut näkevät 340–780 nanometriin.

Laser 
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

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 

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.

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 

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

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 

 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

Aiheesta muualla 

 Jukka Korpelan smg-sivu

Sähkömagnetismi
Radiotekniikka
Seulonnan keskeiset artikkelit