Perusasiaa sähköstä ja säteilystä
Sähkömagneettista säteilyä on monenlaista. Siihen kuuluvat radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, näkyvä valo, ultraviolettisäteily, röntgensäteily ja gammasäteily.
Sähkömagneettinen säteily jaetaan osa-alueisiin säteilyn aallonpituuden mukaan. Radioaalloilla on suurin aallonpituus ja gammasäteilyllä pienin. Säteilyn aallonpituus on kääntäen verrannollinen säteilyn taajuuteen, eli mitä suurempi on säteilyn aallonpituus, sitä pienempi on säteilyn taajuus. Myös säteilyn energia riippuu taajuudesta. Mitä suurempi taajuus on, sitä enemmän energiaa säteilyssä on.
Sähkömagneettinen säteily voidaan jakaa myös sen biologisten vaikutusten mukaan ionisoivaan ja ionisoimattomaan säteilyyn. Ionisoiva säteily on niin suurienergistä, että se pystyy ionisoimaan kohteensa atomeja ja siten muuttamaan tai hajottamaan aineen rakennetta, jolloin biologiset vaikutukset ovat kiistatta todettavissa. Ionisoivaan säteilyyn kuuluvat röntgen- ja gammasäteily. Esimerkiksi radioaktiivisen aineen säteilemän gammasäteilyn haitalliset terveysvaikutukset, kuten syöpä ja säteilysairaus, ovat hyvin tunnettuja.
Ionisoimattomaan säteilyyn kuuluu kaikki matalaenergisempi säteily radioaalloista ultraviolettisäteilyyn; niillä ionisointia ei tapahdu. Ionisoimattoman säteilyn biologisista vaikutuksista ei ole vielä saavutettu tieteellistä yksimielisyyttä. Poikkeuksena on ultraviolettisäteilyn aiheuttama kohonnut ihosyöpäriski.
Sähkömagneettista säteilyä syntyy sähköstä. Missä tahansa kulkee sähköä, siellä syntyy sähkömagneettista säteilyä. Esimerkiksi gammasäteilyä syntyy muun muassa atomiydinten hajoamisessa tapahtuvista sähköisistä ilmiöistä, ja radioaaltoja syntyy muun muassa silloin, kun sähköinen signaali johdetaan sopivaan antenniin.
Arkipäivän sähkö
Kotien sähkömagneettisen säteilyn tyypillisiä lähteitä ovat verkkovirran sähköjohdot, sähkökoneet, tietokoneet ja näytöt, matkapuhelimet ja matkaviestintukiasemat, wifi sekä televisio- ja radiolähettimet. Sähkömagneettisessa säteilyssä on aina sähkökenttä ja magneettikenttä, ja ne esiintyvät aina yhdessä.
Sähkömagneettinen säteily etenee suoraan joka suuntaan lähtöpisteestään, ellei sen tiellä ole estettä. Se etenee vapaassa tilassa valon nopeudella niin sanottuna palloaaltona eli kuin paisuvan pallon pinta. Esteen kohdatessaan säteily joko läpäisee sen, imeytyy siihen tai heijastuu siitä poispäin. Kaikki kolme voivat myös tapahtua yhtä aikaa: osa säteilystä läpäisee esteen, osa imeytyy siihen ja osa heijastuu poispäin. Esteiden läpäisykyky sekä heijastuminen aiheuttavat sen, että säteily leviää tehokkaasti joka puolelle ympäristöönsä.
Hyvin sähköä johtavat materiaalit, kuten metallit, heijastavat sähkömagneettista säteilyä tehokkaasti. Niinpä on mahdollista rakentaa niin kutsuttu Faradayn häkki, metallinen kehikko, jonka sisälle säteily ei pääse.
Imeytyessään sähkömagneettinen kenttä luovuttaa energiaa kohteelleen. Energian imeytyminen voidaan todeta kohteen lämmön noususta. Esimerkiksi mikroaaltouunissa ruoka lämpenee uunin tuottaman sähkömagneettisen kentän energialla. Suurienergisen röntgen- ja gammasäteilyn on todettu pystyvän myös rikkomaan aineen rakennetta, esimerkiksi hajottamaan ihmisen dna-ketjuja.
Sähkömagneettinen säteily ei näy, kuulu, tuoksu, maistu eikä sitä voi koskettaa. Poikkeuksena on näkyvä valo, joka näkyy valona, ja infrapunasäteily eli lämpösäteily, jonka voi tuntea lämpönä. Sähkömagneettinen säteily voidaan kuitenkin mitata hyvin tarkasti. Asiaankuuluvilla mittareilla voidaan selvittää säteilyn voimakkuus, aallonpituus ja taajuus sekä suunta. Sähkömagneettisen säteilyn olemassaolo on siis varmuudella todennettavissa, kunhan käytetään oikeanlaisia mittareita asiantuntevasti.
Säteilyn voimakkuus
Sähkömagneettinen säteily etenee vapaassa tilassa yhtä voimakkaana joka suuntaan. Säteilyä voidaan siis ajatella laajenevana pallopintana, jolle säteily on jakautunut tasaisesti. Pallon pinta-ala on 4πr2 eli pinta-ala on verrannollinen säteen (r) neliöön. Säde on tässä tapauksessa sama kuin etäisyys säteilyn lähteestä ja pinta-ala säteilyn voimakkuus. Säteilyn voimakkuus eli tehotiheys on niin ollen kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön.
Tämä suhde tarkoittaa, että jos etäisyys säteilyn lähteestä kaksinkertaistuu, säteilyn tehotiheys putoaa neljäsosaan ja jos etäisyys kymmenkertaistuu, säteilyn tehotiheys putoaa sadasosaan. Jos säteilyä on viiden senttimetrin päässä 100 mW/m2, kymmenen senttimetrin päässä sitä on 25 mW/m2, 50 senttimetrin päässä 1 mW/m2 ja kahden metrin päässä enää 0,06 mW/m2. Tähän ilmiöön perustuu esimerkiksi se, että sähkölaitteista tuleva suhteellisen voimakaskin kenttä vaimenee nopeasti ja jo noin metrin tai kahden päässä se on usein lähes kadonnut.
Toisaalta esimerkiksi tukiasemista tuleva säteily ei vaimene yhtä nopeasti, vaikka se noudattaa täsmälleen samaa sääntöä. Jos tukiasemasta tuleva säteilyn tehotiheys on 50 metrin päässä antennista 10 mW/m2, säteilyn tehotiheys on 55 metrin päässä yhä 8,26 mW/m2. Viiden metrin lisäetäisyys ei siis vaikuta säteilyyn kovin paljon, koska alkuperäinen etäisyys on niin suuri.
Laskelmat ovat teoreettisia, mutta antavat hyvän kuvan säteilyn käyttäytymisestä yhden voimakkaan säteilylähteen tapauksessa. Käytännön tilanteissa säteilylähteitä on yleensä useita, ja säteilykeila on osoitettu säteilemään vain tiettyyn suuntaan. Lisäksi ympäristössä on säteilyä heijastavia ja vaimentavia elementtejä. Säteilyn voimakkuus on tällöin kaikkien eri säteilijöiden, vaimennusten ja heijastusten summa.