Sähkömagnetismi eli sähkömagneettinen vuorovaikutus

Sähkömagneettiset
säteilyt ja kentät

Sähkömagnetismi on yksi neljästä perusvuorovaikutuksesta. Muita ovat heikko vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja gravitaatio.

Sähkömagnetismi

Maapalloon on aina kohdistunut sähkömagneettista säteilyä. Osa tulee avaruudesta, osa Auringosta ja osa maapallon sisältä. Ihmisiin on siis aina – koko elollisen evoluution ajan – vaikuttanut yksilöön ulkopuolelta kohdistuva pysyvä sähkömagneettinen säteily, aina jollakin tehotasolla.
 
Atomien elektronien liike on sidoksissa sähkö- ja magneettikenttiin. Myös atomien muodostamat yhdisteet ja kudokset pysyvät koossa sähköisin sidoksin.  Siksi kaikki säteilystä kiinteään aineeseen, ihminen mukaan lukien, on eri tavoin kytköksissä sähkömagnetismiin. Ihminenkin siis muodostuu sähköisistä sidoksista.

Nykyisin yhä useampi henkilö huomaa olevansa herkistynyt sähkölaitteille – tai paremminkin niiden säteilemälle sähkömagneettiselle säteilylle. Tosin täytyy muistaa, että myös lämpösäteily ja näkyvä valokin ovat sähkömagneettista säteilyä. Eri taajuisilla säteilyillä on erilaisia biologisia vaikutuksia, eivätkä ne kaikki ole vielä läheskään selvillä.

Sähkö ja magnetismi ovat saman asian eli sähkömagnetismin eri olemuspuolia. Ääritapaukset muodostaa muuttumaton sähkö- ja magneettikenttä. Yleisimmin on kyse sähkömagneettisista ilmiöistä, joissa sähkökenttä muuttuu magneettikentäksi ja magneettikenttä vuorostaan sähkökentäksi.

Tasa- ja vaihtosähkökentän voimakkuuden mittayksikön laatu on volttia metriä kohti [V/m]. Tämä arvo voi vaihdella runsaasti, esimerkiksi arvosta 1 µV/m arvoon 100 000 V/m, riippuen mittauspaikasta.

Tasa- ja vaihtomagneettikentän voimakkuuden mittayksikön suuretunnus on H ja laatu ampeeria metriä kohti [A/m]. Magneettikentän tiheyden yksikkö on nykyisin Tesla [Vs/m2]. Aikaisemmin puhuttiin Gausseista. 1 Tesla = 10 000 Gaussia. Maan magneettikentän voimakkuus vaihtelee välillä 20 – 60 µT.

Vaihtuvien sähkömagneettisten kenttien muuttumista ajan suhteen kuvataan taajuudella [1/s = Hz] tai aallonpituudella [Å, nm, m, km jne]. Sähkömagneettisilla kentillä on siis monia eri asteikkoja ja kenttien voimakkuudet saattavat vaihdella suuresti.

Sähkömagneettisia kenttiä on hankala mitata varvuilla tai heilureilla. Sähkölaitteiden synnyttämän sähkömagneettisen säteilyn ihmiselle aiheuttaman haitan paikallista haittarajaa voidaan kyllä yrittää mitata varvuilla. Sähkö- ja magneettikenttien arvojen mittaus on parasta tehdä siihen suunnitelluilla mittalaitteilla, mutta mittaustulosten perusteella voidaan vain hyvin harvoin tehdä käyttökelpoisia johtopäätöksiä. Ihmisten herkkyys säteilyn haittavaikutuksille vaihtelee suuresti. Sähkömagneettisten kenttien muodostamat alueet ovat yleensä hyvin epämääräisiä, joten niiden hahmottaminen on hankalaa. Nykyisin kännykkäsäteily tuntuu haittaavan monia ihmisiä. Tällä hetkellä mobiililaitteet käyttävät useita taajuusalueita välillä 700 MHz – 3600 MHz.

Langaton tiedonsiirto käyttää rajallista luonnonvaraa, sähkömagneettista taajuusaluetta. Kaikki helpoimmin käytettävissä olevat taajuudet ovat jo varattuina eri tarkoituksiin. Siksi lähitulevaisuudessa ollaan siirtymässä 5G-tekniikassa millimetrialueelle eli taajuuksille 30–300 gigahertsiä. Suunnitteilla on ottaa 6G-tekniikassa käyttöön myös terahertsialue 300 – 3 000 GHz. Sen aallonpituus on 0,1–1 mm. Näiden taajuusalueiden haittana on huono esteiden läpäisevyys. Siksi antenneja on sijoitettava tiheään. Tällöin voidaan kuitenkin käyttää pieniä lähetystehoja.

Sähkömagneettinen spektri

Sähkömagneettinen spektri muodostuu vaihtuvasta sähkö- ja magneettikentästä. Nämä etenevät avaruudessa yleensä suoraa reittiä ja niiden värähtelytasot ovat toisiinsa nähden 90 asteen kulmassa. Sähkömagneettinen spektri on jaettu eri alueisiin joko käyttötarkoituksen tai vaikutusominaisuuksien mukaan. Silmin nähtävä taajuusspektrin alue on varsin kapea osa tästä eli vain noin 380 nm – 780 nm.

Ilmakehän kaasut vesihöyry mukaan lukien vaimentavat tehokkaasti monia sähkömagneettisen spektrin taajuusalueiden värähtelyjä. Siksi suurin osa auringon ja avaruussäteilyn haitallisista osista ei pääse maan pinnalle saakka.

Sähkömagneettinen spektri

Sähkömagneettinen säteily etenee esteettä tyhjiössä, jossa ei ole sen kulkua muuttavia sähkö- tai magneettikenttiä. Myös suuret massakeskittymät taivuttavat säteilyn kulkua.

Maapallon ilmakehä eri kaasuineen vaimentaa ja ionisoituneena heijastaa sähkömagneettisen säteilyn eri aallonpituuksia.

Kuva: Wikipedia