Elektromanyetik dalgalar, bir ortam gerektirmeden vakumdan geçmektedir. Elektromanyetizma, bu yüklerden ışık hızında dalgalar şeklinde yayılan hızlandırılmış yükler tarafından oluşturulan alternatif elektrik ve manyetik alanların kombinasyonu olarak tanımlanmaktadır. Bunlara elektromanyetik dalgalar veya radyasyon denmektedir. Dünyanın çevresi çeşitli radyasyon türlerinden yaygın olarak etkilenmektedir ve bunlar güç dalgaları, radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi, görünür, ultraviyole, X-ışınları ve gama ışınlarıdır. Bu yazıda elektromanyetik dalgaların kökeni ve teorisi hakkında bilgiler yer almaktadır.
Köken
Elektrik ve manyetizma ile ilgili olgular on dokuzuncu yüzyılın büyük bir bölümünde incelenmiştir. Ancak, iki alanın birbirine bağlı olduğu bilgisi, 1820’li yılların başında Hans Christian Orsted’in fantastik keşfi ile başlamıştır. Manyetik bir pusula iğnesinin, yanına yerleştirilen bir telden akan bir akıma tepki vermesini gözlemlediğinde, manyetizmanın nihai olarak hareketli elektrik yükleri veya akımından kaynaklandığını öğrenmiştir. Daha sonra, Michael Faraday ve Joseph Henry tarafından 1830’lu yıllarda elektromanyetik indüksiyonla ilgili eş zamanlı ama ayrı keşifler yapılmıştır. Bu çalışmalar, elektrik, manyetizma ve optiği büyük bir ışık teorisine birleştiren James Clerk Maxwell’ın elektromanyetik dalgalar teorisine öncü olmuştur.
Seçkin Bilim Adamlarının Katkısı![Elektromanyetik Dalgalar: Köken ve Teori]()
Maxwell 1873 yılında Elektrik ve Manyetizma Üzerine İnceleme adlı eserini yayınlamıştır ve dört temel matematiksel denklemin bilinen tüm elektrik ve manyetik fenomeni tanımladığını göstermiştir. İlk denklem Gauss’un pozitif ve negatif yüklerin manyetik alanlar oluşturduğunu söyleyen elektrik yasası iken, Gauss’un manyetizma yasası, akımların kuzey ve güney kutuplarını birleştiren manyetik alan oluşturduğunu, ancak tek kutupların (tekeller) olmadığını belirtmektedir. Ampere yasası, zamanla değişen manyetik ve elektrik alanlarını indüklediğini belirtmektedir. Faraday’ın indüksiyon yasası, zamanla değişen elektrik alanlarının zamanla değişen manyetik alanlar oluşturduğunu belirtmektedir. Ek olarak, Maxwell denklemi, ışık hızı ile hareket eden dalgalar, yani elektromanyetik dalgalar gibi kombine, değişen elektrik ve manyetik alanların varlığını öngörmüştür. Hızlandırılmış yüklerin nihayetinde bu dalgaları yarattıklarını, çok çeşitli frekanslarda ve dalga boylarında var olmaları gerektiğini, bir vakumda ışık hızında seyahat ettiklerini ve yansıma gibi görünür ışığın tüm optik özelliklerini sergilediklerini tahmin etmiştir.
Diğer Keşifler
1887 yılında Heinrich Rudolf Hertz Maxwell’in teorisini deneysel olarak doğrulamıştır ve bu doğeulanma ölümünden yaklaşık on yıl sonra olmuştur. Hertz, esasen yüksek çıkış voltajı kıvılcımların iki metal plaka arasındaki bir hava boşluğunda ileri geri sıçramasına neden olan bir yükseltici transformatör olan bir indüksiyon bobini cihazı inşa etmiştir. Bir tel, uçları arasında bir hava boşluğu olacak şekilde bükülmüş ve başka bir telin yanına yerleştirilmiştir. Hertz, bu telin uçları boyunca indüksiyon bobininin kıvılcımlarıyla aynı frekansta sıçradığını fark etmiştir. Elektromanyetik dalgaların havadan bobinden bükülmüş tele yayıldığı sonucuna varmıştır.
Bu dalgaların dalga boyunda yaklaşık 1 metre radyo dalgaları olduğu kanıtlanmıştır. Dalgaların ışığın tüm olağan özelliklerini sergilediğini göstermiştir yani parabolik aynalara odaklanmışlardır ve camdan kırılmışlardır. Müdahalelerine neden olmuş ve hızlarını ışık hızı olarak hesaplamasını sağlayan bir ayakta dalga deseni oluşturmuştur. Daha sonraki deneyler, çok çeşitli elektromanyetik dalga boylarının ve frekanslarının var olduğunu ve toplum için önemli olan radyo, televizyon, radar ve sayısız diğer teknolojilerin gelişmesine yol açtığını göstermiştir.
Teori – Temel İlke
Birçok doğal olay dalga benzeri davranışlar sergilemektedirler. Hepsi su dalgaları, deprem dalgaları ve ses dalgaları yaymak için bir ortam veya madde gerektirmektedir ve bunlar mekanik dalgaların örnekleridir. Işık aynı zamanda kaynaklarından dışarı doğru yayılan değişen elektrik ve manyetik alanların dalgaları olarak da tanımlanabilmektedir. Ancak bu dalgalar bir ortam gerektirmemektedir.
Vakum ile saniyede 3.000.000,00 metre hızla yayılmaktadırlar. Elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır, daha basit bir ifadeyle, değişen elektrik ve manyetik alanlar birbirine ve yayılan dalgaların yönüne dik olarak salınmaktadırlar. Elektromanyetik dalgaların en iyi kaynağı hızlandırılmış dalgalardır. Hızlandırılmış şarj, hızını artıran veya azaltan, hareket yönünü ya da her ikisini değiştiren yüktür. Birbirlerinin çevresinde, birbirinin elektrik kuvvet alanına daldırılmış iki yük olduğunu hayal edildiğinde, bir yük aniden yukarı ve aşağı salınmaya başlarsa, ikinci yük, çok küçük sınırlı bir süre geçtikten sonra ilk yük alanındaki değişikliği yaşamaktadır. Salınım yükü hızlanır ve hareketli yükün elektrik alanları, manyetik alanları gibi değişmektedir. Bu değişen elektriksel ve manyetik alanlar Faraday’ın endüksiyon yasası ve Ampere yasası ile birbirini oluşturmaktadır. Bu değişen alanlar salınım yükünden ayrılmaktadır ve ışık hızında uzaya yayılmaktadır.
Dalga boyu ve Frekans İlişkisi
Elektromanyetik veya mekanik olsun tüm periyodik dalgalar, dalga uzunluğu, frekans ve hız gibi özelliklerle karakterize edilmektedir. Elektromanyetik dalgalar için dalga boyu, elektrik veya manyetik alanların ardışık darbeleri arasındaki mesafeyi ölçmektedir. Dalgaların frekansı, saniyede belirli bir noktadan kaç dalga atımının geçtiğini göstermektedir ve saniyedeki devir veya saniyedeki dalga cinsinden ölçülmektedir. Saniyede bir dalgaya bir Hertz denmektedir. Elektromanyetik dalgalar vakumda ışık hızında hareket etmektedirler, ancak hava, cam ve su gibi çeşitli ortamlardan geçtiklerinde daha yavaş seyahat etmektedirler. Elektromanyetik dalgalar için frekans, dalga boyu ve hız arasında bir ilişki bulunmaktadır; frekans ve dalga boyu ürünü ışık hızına eşittir. Bu nedenle, dalga boyu ve frekans ters ilişkilidir. Frekans ne kadar uzun olursa, dalga boyu da o kadar düşük olmaktadır.
Elektromanyetik Dalga Türleri
Çok düşük frekanslı dalga boyundan (güç dalgaları) çok yüksek dalga boyuna (gama ışınları) kadar uzanan tam bir elektromanyetik dalga spektrumu bulunmaktadır. Tüm dalga boylarına toplu olarak elektromanyetik dalga boyları denmektedir, sadece görünür ışık olarak tanımlanan dar dalga boyları ve frekans aralıkları değildir. Işığın dalga doğası, davranışının birçok yönünü açıklamaktadır. Bununla birlikte, radyasyon da parçacık benzeri özelliklere sahiptir. Hızlandırılmış bir yükten kaynaklanan sonsuz veya neredeyse sonsuz elektromanyetik dalga serisinden ziyade, ışığın parçacık benzeri enerji patlamaları içinde olduğu görülmektedir. Bu bireysel enerji veya kuantum patlamaları foton olarak adlandırılmaktadır. Her foton, doğrudan ilişkili elektromanyetik dalganın frekansına bağlı olan bir miktarda enerjiye sahiptir. Radyasyonun fotonunun frekansını ikiye katlamak enerjisini ikiye katlamaktadır. Böylece, her türlü elektromanyetik dalga, güç dalgalarının fotonları en az enerjiye ve gama ışını fotonları en büyük enerjiye sahiptir.
Dünyadaki yaşam her türlü elektromanyetik radyasyonda sürekli olarak yıkandığından, bilim adamları potansiyel risklerin yanı sıra elektromanyetik dalgalara maruz kalmanın faydalarının farkında olmalıdır.
Kaynakça:
https://www.comsol.com/multiphysics/electromagnetic-waves-theory
https://www.britannica.com/science/electromagnetic-radiation
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu