Ein Frequenzspektrum ist eine wissenschaftliche Methode zur Darstellung und Klassifizierung elektromagnetischer Wellen, wie sie im Weltraum und in der alltäglichen Umgebung vorkommen. Die tatsächliche Häufigkeit verschiedener Übertragungen zu berechnen kann eine komplexe Wissenschaft sein und erfordert normalerweise intensive Formeln und Messgeräte. Als Konzept ist das Spektrum selbst jedoch relativ einfach. Alles, was Energie abgibt, tut dies mit einer bestimmten Frequenz. Licht-, Ton-, Fernseh- und Radioübertragungen sind einige der häufigsten; Röntgenstrahlen, Mikrowellen und Infrarotsignale sind ebenfalls enthalten. Das Frequenzspektrum ist, wie diese und andere Emissionen dargestellt und klassifiziert werden, und die diskreten und einzigartigen Elemente von jedem werden normalerweise durch die Menge an abgestrahlter Energie dargestellt, die jeder pro Sekunde erzeugt.
Frequenz allgemein verstehen
Die Frequenz wird allgemein als die Anzahl vollständiger elektromagnetischer Energiewellenzyklen definiert, die jede Sekunde auftreten. Die internationale Maßeinheit zur Beschreibung eines Zyklus ist 1 Hertz (Hz). Da jeder Teil des elektromagnetischen Spektrums eine verräterische Frequenzsignatur hat, kann er mit Hilfe eines Spektrumanalysators identifiziert werden, der in der Lage ist, die Wellenzyklen pro Sekunde des bestimmten beobachteten elektromagnetischen Phänomens genau zu messen.
Diese Zahlen sind aus verschiedenen Gründen wirklich wichtig. Physiker verbringen oft viel Zeit damit, das Spektrum verschiedener Frequenzen aufzuzeichnen, um zu verstehen, wie diese Wellen mit Materie interagieren, und um Dinge wie die äußersten Grenzen für Schall- und Lichtwellen zu bestimmen. Sie sind auch aus gesundheitlichen Gründen wichtig; Forscher müssen wissen, in welchem Umfang Dinge wie Röntgen- und Mikrowellentechnologie für den Einsatz in Privathaushalten und Arztpraxen sicher sind. Beim Rundfunk identifiziert das Spektrum, welche Frequenzen am stärksten bevölkert sind und somit am anfälligsten für Störungen und Übertragungsschwierigkeiten.
Zeichnen von elektromagnetischer Energie
Jede der verschiedenen Formen elektromagnetischer Energie nimmt einen bestimmten Platz im Spektrum ein. Das elektromagnetische Kontinuum, ausgedrückt als Frequenz oder Intensität der von jedem einzelnen Segment emittierten Strahlung, reicht von 106 Hz bis 1025 Hz. Radiowellen nehmen das untere Ende des Spektrums ein, während radioaktive Gammastrahlen das obere Ende einnehmen. Der Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums ist immens. Frequenzen, die durch Funkübertragungen erzeugt werden, und solche, die durch sichtbares Licht erzeugt werden, variieren um eine Größenordnung von einer Million Milliarden.
Licht und Ton
Sowohl bei Licht als auch bei Ton ist die Höhe der emittierten Frequenzen maßgeblich dafür verantwortlich, wie der Mensch die übertragene Farbe oder den übertragenen Ton wahrnimmt. Damit Licht als eine bestimmte Farbe erscheinen kann, muss es Energie innerhalb des mit dieser Farbe verbundenen elektromagnetischen Bereichs emittieren. Dies lässt sich am einfachsten mit einem Prisma oder einem anderen abgeschrägten Kristall demonstrieren. Im Sonnenlicht wird die Sonnenenergie durch die unterschiedlichen Brechungen unterschiedlich übertragen, so dass unterschiedliche Farben zu scheinen scheinen. In Wahrheit ist das Licht gleich, egal wie es aussieht, aber die Brechung verändert die elektromagnetische Energie und führt zu Farbe.
Schallwellen funktionieren ähnlich. Verschiedene Musiknoten können unterschiedliche Energien nutzen, wodurch sie für diejenigen, die sich in Hörweite befinden, unterschiedliche Qualitäten haben können. Künstler nutzen dies oft, um akustische Zusammenstellungen interessanter zu machen. Das absichtliche Mischen von Tönen über das gesamte Spektrum wird oft als „weißes Rauschen“ bezeichnet, eine Technik, die manchmal verwendet wird, um einen besseren Schlaf zu fördern.
Besondere Überlegungen für Rundfunkanstalten
Das Frequenzspektrum für Radio-, Fernseh- und andere Rundfunkübertragungen wird ferner in Frequenzbereiche oder „Bänder“ eingeteilt, sowohl als Mittel zur Minimierung von Störungen als auch zur gemeinsamen Nutzung der Bandbreite unter mehreren Benutzern. Die meisten davon werden von verschiedenen Behörden reguliert. Das Übereinkommen der Internationalen Fernmeldeunion beispielsweise weist bestimmte Bereiche von Funkübertragungsfrequenzen zu, um Störungen im Kurzwellen-Funkspektrum zu minimieren. Die Hochfrequenzbänder werden zwischen internationalen Kurzwellensendern, Amateurfunkern und dem Seefunk zugeteilt.
Um eine zuverlässige und störungsfreie Funkübertragung zu gewährleisten, regulieren inländische staatliche Stellen oft bestimmte Aspekte oder Teile des Spektrums. In den Vereinigten Staaten weist die Federal Communications Commission (FCC) die Frequenzbänder zwischen Unternehmen, der breiten Öffentlichkeit und Funkamateuren zu, um potenzielle Crossband-Interferenzen zu begrenzen. Jedem Band ist ein bestimmter Frequenzbereich zugeordnet, und dieses Frequenzspektrum ist für jede der verschiedenen benutzerspezifischen Gruppen reserviert.