Sähkömagneettisen säteilyn ominaisuuksia

Sähkömagneettisen säteilyn alkuperä on sähkövarauksissa. Aiemmissa fysiikan opinnoissa on käsitelty sähkökenttää, jonka varaus muodostaa ympärilleen. Paikallaan olevan varauksen sähkökenttä on staattinen, eikä sillä ole magneettikenttää. Luvussa 1 on opittu, että liikkuvat varaukset, kuten virtajohdin, synnyttävät magneettikentän. Sähkömagneettinen aalto syntyy varauksen ollessa kiihtyvässä liikkeessä. Tällöin sen magneettikenttä ja sähkökenttä ovat jatkuvassa muutoksessa, joka etenee valonnopeudella ympäristöön. Alla oleva kuva havainnollistaa paikallaan olevan ja pystysuunnassa värähtelevän varatun hiukkasen sähkökenttää.



Sähkömagneettista säteilyä esiintyy kaikkialla, koska ympärillä olevilla kappaleilla on lämpötila. Lämpöliikkeen takia protoneista ja elektroneista koostuvat aineen rakenneosaset liikkuvat jatkuvasti edestakaisin ja ovat kiihtyvässä liikkeessä. Kappaleen lähettämän säteilyn laji riippuu sen lämpötilasta. Esimerkiksi hehkulamppu tuottaa infrapunasäteilyn lisäksi näkyvää valoa. Ihmiskeho sirottaa näkyvää valoa, mutta lähettää itse infrapunasäteilyä. Ihmisen lähettämä säteily nähdään infrapunakameran kuvassa. Vaikka Auringossa syntyy voimakkaimmin näkyvää valoa, se tuottaa myös muunlaista sähkömagneettista säteilyä, etenkin infrapuna- ja ultraviolettisäteilyä.

Kiihtyvässä liikkeessä olevat varaukset eivät ole ainoa sähkömagneettisen säteilyn lähde. Atomien ytimiin tai elektronikuoriin voi sitoutua hetkellisesti energiaa, joka vapautuu sähkömagneettisena säteilynä. Jälkimmäiseen ilmiöön perustuvat esimerkiksi laser, ledit ja loisteputket. Tähän syntytapaan perehdytään tarkemmin Resonanssi 8 -oppikirjassa.

Aaltoliikkeen taajuus [[$f$]] muodostuu säteilylähteen ominaisuuksien perusteella. Aaltoliikkeen etenemisnopeus [[$v$]] taas riippuu väliaineesta. Aallonpituus [[$\lambda$]] määrittyy aaltoliikkeen perusyhtälön mukaisesti. Sähkömagneettinen aaltoliike etenee valonnopeudella, jota merkitään tunnuksella [[$c$]]. Valonnopeus tyhjiössä on suurin mahdollinen nopeus luonnossa. Kaikissa väliaineissa valo etenee tätä hitaammin, mutta ilmassa valonnopeus on lähes sama kuin nopeus tyhjiössä.

Aaltoliikkeen perusyhtälö ja valonnopeus

[[$ \qquad c=\lambda f$]]

Sähkömagneettinen aaltoliike etenee valonnopeudella [[$c$]]. Valonnopeus tyhjiössä on [[$c_0=2{,}998\cdot 10^8 \text{ m/s} $]].

Sähkömagneettinen säteily absorboituu väliaineeseen. Tällöin säteilyn energia siirtyy väliaineen rakenneosasille. Absorption voimakkuus riippuu väliaineen lisäksi säteilylajista. Esimerkiksi näkyvä valo ja radioaallot kulkevat Maan ilmakehän läpi, mutta infrapunasäteilyä absorboituu ilmakehään merkittäviä määriä. Sähkömagneettinen säteily myös heijastuu tai siroaa rajapinnoista. Näkyvän valon käyttäytymistä rajapinnassa esitellään luvussa 6.1.