3.2 Het elektromagnetisch spectrum
3.2.1 Overzicht
Het elektromagnetisch spectrum is de verzamelnaam voor alle mogelijke vormen van elektromagnetische golven. Het is onderverdeeld in een aantal klassen, gebaseerd op de frequentie en golflengte. Deze onderverdeling is niet scherp afgelijnd.
● Radiogolven, alle golven met een frequentie kleiner dan 1 GHz
● Microgolven, elektromagnetische golven met een frequentie tussen 1 en
300 GHz.
Afbeelding 36: structuur elektromagnetische golf
Afbeelding 37: Opstelling om de golfeigenschappen van elektro- magnetische golven aan te tonen.
3 Elektromagnetische golven
● Infra-rood (IR),
elektromagnetische golven met een golflengte tussen 1 mm en 750 nm.
● Zichtbaar licht,
golven met golflente tussen 700 nm en 400 nm.
● Ultra-violet, heeft
een golflengte korter dan zichtbaar licht, tussen de 400 en de 10 nm. ● X-stralen of Röntgenstraling vinden we tussen de 10 en 0,1 nm. ● Gamma-stralen
tenslotte, zijn alle elektromagnetische golven met een golflengte kleiner dan 0,1 nm.
De atmosfeer blokkeert (is opaak voor...) de meeste hoog-energetische golven, en transparant voor zichtbaar licht en radiogolven. We bespreken nu alle vormen en hun belangrijkste toepassingen.
3 Elektromagnetische golven
3.2.2 Radiogolven
Radiogolven zijn elektro-magnetische golven die opgewekt worden door ladingen die heen- en weer oscilleren in geleiders (de antennes).
De voornaamste toepassing van radiogolven ligt in de telecommunicatie.
Radio- en TV signalen worden doorgestuurd via radiogolven. GSM-verkeer
gebruikt frequenties die op de grens liggen tussen radiogolven en microgolven.
Radiosignalen worden uitgezonden tussen 30 kHz en 3 MHz (lange golf en
middengolf AM-band) en tussen de 88 en 108 MHz (FM-band).
Televisiesignalen maken gebruik van VHF1 (54 – 88 MHz), VHF2 (174-216 MHz) en UHF (470 – 806 Mhz).
GSM's opereren binnen Europa ofwel in de GSM900 (890-915 MHz voor communicatie mobiel-station en 935-960 MHz voor communicatie station – mobiel) ofwel in de GSM1800 band (1710-1785 MHz en 1805-1880 Mhz). Single- band GSM's communiceren enkel binnen de GSM900, dual-band kunnen zowel binnen GSM900 als GSM1800 band communiceren.
Buiten Europa wordt in bepaalde gebieden ook met de GSM1900 band gewerkt. GSM's met de vermelding “tri-band” kunnen in alle drie de GSM-banden opereren.
Om geluid over te zenden, wordt het geluid door middel van een microfoon eerst omgezet in een elektrisch signaal, waarmee de opgewekte oscillatorgolf (de
draaggolf) gemoduleerd (gewijzigd) wordt.
De twee meest gebruikte technieken van modulatie zijn AM (Amplitude Modulatie) en FM (Frequentie Modulatie).
Bij amplitude-modulatie wordt de amplitude van het signaal van de draaggolf gemoduleerd met het signaal, bij frequentie-modulatie wordt de frequentie van de draaggolf gemoduleerd.
Afbeelding 39: Opaciteit van de atmosfeer voor verschillende soorten elektromagnetische golven.
3 Elektromagnetische golven
3.2.3 Microgolven
Microgolven worden meestal opgewekt door geladen deeltjes die oscilleren in een magnetisch veld (bvb. in een magnetron of klystron). Microgolven worden veelvuldig gebruik in hedendaagse toepassingen als de microgolfoven, radar en telecommunicatie.
a Radar
Radar staat voor Radio Detecting and Ranging. Radar is gebaseerd op het principe dat elektromagnetische golven gereflecteerd worden bij elke overgang tussen materialen met grote verschillen in diëlektrische constante. Dit is uitgesproken het geval voor de overgang tussen lucht en geleiders, wat radar zeer geschikt maakt voor
de detectie van schepen en vliegtuigen.
Hoewel het gereflecteerde signaal zeer zwak is, is het gemakkelijk te versterken.
Afstanden kunnen bepaald worden door de
transit tijd te meten
tussen uitgestuurd signaal en ontvangen signaal, snelheden kunnen bepaald worden door gebruik te maken van het Doppler effect. Toepassingsgebieden van
Afbeelding 40: De bovenste figuur toont een AM signaal, de onderste figuur een FM signaal. (www.vintage-radio.com)
Afbeelding 41: Boeing E3A AWACS (Airborne Warning And Control System) met grote radarantenne op de rug.
3 Elektromagnetische golven
wapengeleiding, ...) ;
● Weerradar;
● Topografie (in kaart brengen van hoogteverschillen in landschappen) ; ● Snelheidscontroles op autowegen.
b Microgolfoven
Een microgolfoven warmt voedsel op door er microgolfstralen doorheen te sturen. Polaire molecules (zoals water, vet en suikermolecules) absorberen de energie doordat zij zich continu proberen te richten volgens het wisselend magnetisch veld. Door de oscillaties van de polaire molecules zal het materiaal beginnen opwarmen. Deze opname van energie door watermolecules zal het effectiefst zijn bij een frequentie van om en bij de 2450 Mhz.
Een microgolfoven bestaat uit een magnetron om microgolven op te wekken, en uit een kookruimte, wat niet meer is dan een geleidende holte met specifieke afmetingen waarbinnen staande golven opgewekt worden. De kookruimte is een kooi van Faraday, en schermt de omgeving af tegen de microgolfstralen.
Microgolfstralen hebben al bij al maar een beperkte penetratie (hooguit enkele cm's, afhankelijk van de materie). Het voedsel wordt dus niet “van binnen uit” gekookt, het grootste gedeelte van de opwarming gebeurt door convectie.
Over de al dan niet vermeende schadelijkheid van microgolfstraling woedt al enige tijd een discussie, waar emotionele en onwetenschappelijke argumenten niet geschuwd worden. We zetten de feiten even op een rijtje :
● Microgolfstraling is niet ioniserend, en wijzigt bijgevolg niet de structuur
of samenstelling van het voedsel. Voedsel opgewarmd met de microgolfoven is niet méér kankerverwekkend dan voor opwarming.
● Het menselijk oog is zeer gevoelig voor de opwarming veroorzaakt door
microgolfstraling. Blootstelling van het netvlies aan hoogvermogen microgolfstraling (zoals opgewekt in een microgolfoven) kan permanente schade veroorzaken.
● Bij opwarming van vloeistoffen met de microgolfoven kan er “overkoken”
voorkomen. Dit is een fenomeen analoog aan onderkoeling, waar een vloeistof boven kooktemperatuur gebracht wordt, zonder echter te koken. De minste onzuiverheid die dan in de vloeistof komt kan deze hevig aan de kook brengen.
3 Elektromagnetische golven
● Scherpe metalen voorwerpen kunnen vonken veroorzaken.
● Zet nooit de microgolfoven aan zonder dat er iets instaat. Ook als je
kleine voorwerpen in de microgolfoven (bvb. een druif) plaatst, zorg dan dat er ook glas water in de oven staat om energie te absorberen.
c Telecommunicatie
WiFi en Bluetooth werken op microgolffrequenties.
3.2.4 Infra-rood
Het bestaan van IR is experimenteel vastgesteld door Friedrich Wilhelm Herschel, en eigenlijk min of meer ontdekt bij toeval. Herschel onderzocht hoe licht van verschillende kleuren voorwerpen opwarmde. Hiertoe brak hij met een prisma zonlicht, en plaatste bij de verschillende delen van het spectrum een thermometer. Hij stelde vast dat de thermometer het meest steeg naarmate hij dichter bij het rood kwam, en dat de thermometer bleef stijgen als hij hem buiten het zichtbaar gedeelte plaatste, voorbij het rood (Infra-rood, onder het rood).
We bespreken kort de belangrijkste toepassingen van IR :
● Telecommunicatie : IR is zeer nuttig in gesloten
ruimtes binnenshuis. Het dringt niet door muren, dus er kan geen interferentie optreden met IR bronnen bij de buren. Afstandsbedieningen werken bijna zonder uitzondering met IR.
● Nachtzicht : warme voorwerpen zoals lichamen, motoren, ... sturen
aanmerkelijk meer IR uit dan koude voorwerpen in de omgeving. Deze eigenschap wordt gebruikt door nachtkijkers om een beeld te vormen van de omgeving. Ook de brandweer gebruikt IR-kijkers. Vermits rook transparant is voor IR, kunnen IR kijkers
gebruikt worden om in dichte rook overlevenden te zoeken.
● Verwarming : IR lampen worden frequent
gebruikt in kinesitherapie. Het voordeel van IR om voorwerpen of lichamen te verwarmen, is dat enkel het bestraalde voorwerp verwarmd wordt, en niet de lucht rondom.
● Spectroscopie : bepaalde stoffen absorberen
sterk IR van een bepaalde frequentie (bvb. CO2, die een sterke absorptieband heeft rond 4,2 µm).
● Meteorologie : Verschillende wolkentypes
hebben een verschillende IR signatuur.
Weersatellieten uitgerust met IR camera's kunnen op die manier een goed beeld vormen welke wolken waar aan het opbouwen zijn.
Afbeelding 43: Wilhelm Friedrich Herschel, naast de ontdekker van IR, ook de ontdekker van de planeer Uranus.
Afbeelding 44: IR beeld van een kat.
3 Elektromagnetische golven
3.2.5 Zichtbaar licht
Zichtbaar licht (kortweg licht) is dat gedeelte van het elektromagnetisch
spectrum dat waargenomen kan worden door het menselijk oog. Dit is
slechts een minimale fractie van het hele elektromagnetische spectrum. Zichtbaar licht passeert quasi ongehinderd door de aardse atmosfeer, hoewel blauw licht net iets meer verstrooid wordt dan componenten meer naar het rood (de reden waarom de hemel blauw is...). Hoewel het spectrum continu is, worden volgende kleuren “afgebakend” :
Violet 380–450 nm Blauw 450–495 nm Groen 495–570 nm Geel 570–590 nm Oranje 590 - 620 nm Rood 620 – 750 nm
3.2.6 Ultra-violet
Het ultra-violette deel van het spectrum werd begin 19e eeuw ontdekt door de Duitse fysicus Johann Wilhelm Ritter. Hij observeerde dat onzichtbare straling voorbij het violet (ultra- violet) reageerde met in zilverchloride gedrenkt papier. Hij noemde deze straling
“deoxiderende” of “chemische” stralen, een term die later
vervangen werd door UV. De UV band wordt verder onderverdeeld in UVA (400–320 nm), UVB (320 – 280 nm) en UVC (< 280 nm) , naar de effecten van de straling op mens en gezondheid.
De zon zendt zowel UVA, UVB als UVC naar de aarde. De ozon-laag absorbeert het grootste gedeelte van UVB en UVC, zodat het grootste aandeel (99%) dat ons bereikt UVA is.
Zowel UVA, als UVB en UVC dringen door in de huid, en kunnen
collageenvezels beschadigen, wat het verouderen en rimpelen van de huid aanzienlijk versnelt. UVA dringt diep binnen in de huid, en veroorzaakt
Afbeelding 45: Het zichtbare spectrum
Afbeelding 46: De zon gefotgrafeerd in het UV- spectrum.
3 Elektromagnetische golven
geen zonnebrand.
UVB is energetischer dan UVA, maar dringt niet zo diep door in de huid. UVB is de primaire oorzaak van zonnebrand. UVB is tevens energetisch genoeg om DNA-molecules te exciteren, en zo permanente DNA-schade te veroorzaken, met
huidkanker tot gevolg.
UVC wordt quasi volledig geblokkeerd door de atmosfeer, en speelt geen rol van belang als we de risico's bekijken van blootstelling aan zonnestralen. UVC gegenereerd door artificiële bronnen is echter extreem gevaarlijk, en de nodige maatregelen moeten genomen worden om rechtstreekse blootstelling te voorkomen.
De huid beschermt zichzelf tegen gematigde UV-blootstelling door aanmaak van
melanine, wat de huid een bruine kleur geeft. Dit natuurlijk
beschermingsmechanisme is echter onvoldoende bij langdurige blootstelling aan zonnestralen.
Glas is gedeeltelijk transparant voor UVA, maar blokkeert UVB en UVC volledig.
Toepassingen van UV zijn o.a. : sterilisatie, spectroscopie en analyse
technieken, namaakpreventie (o.a. bij bankbiljetten), ...