Elektromanyetik Dalgalar

Elektromanyetik dalgalar fiziğin önemli konularından biridir. Elektronmanyetik dalgaların oluşumundan başlayarak elektromanyetik dalgalar ile ilgili detayları adım adım inceleyelim.

Elektromanyetik Dalgaların Oluşumu

Elektromanyetik dalgaların oluşumunu Maxwell dört yasa ile açıklamıştır.

James Clark Maxwell 19. yy da yaşamış İskoçyalı bir bilim insanıdır. Maxwell elektrik ve manyetizma ile ilgi­li bilinenleri tek teoride birleştirmiş ve bu teorisini dört denklem ile açıklamıştır.

Maxwell ayrıca, elektro­manyetizmanın doğası­nın dalgalı yapısının varlı­ğını önceden tahmin et­mek için bu dört bağıntı­yı kullanmıştır. Biz bura­da bağıntıları vermeden yorumları üzerinde dura­cağız.

Maxwell in bu katkılar­dan dolayı, bağıntılar ge­nellikle başkaları tarafın­dan geliştirilmiş olsa da, bu bağıntı grubuna Maxwell in ismi verilmiş ve Maxwell denklemleri olarak literatü­re geçmiştir.

Esas olarak, elektriksel kuvvetle, manyetik kuvveti tek bir elektromanyetik kuvvete indirgemiş ve birbirinden farklı kuvvetler ya da alanların birbiriyle simetrik olarak ilişkili olduğu gösterilmiştir. Bu simetri bağıntıları geliş­tirilmiş matematiksel formüllerden anlaşılmaktadır.

Durgun Yüklerle İlgili Gauss Yasası

Gauss yasası olarak da bilinen ilk denklemin anlamı elektrik alanın skaler kaynağının elektrik yükleri olma­sıdır. Elektrik alan noktasal yüklerde sonlanır. Herhan­gi bir kapalı yüzeydeki elektrik alanın akışı o yüzeyin içindeki toplam yükle doğru orantılıdır.

Diğer bir ifade ile elektrik alan, elektrik yükleri tarafın­dan oluşturulur.

Hareketli Yüklerle İlgili Gauss Yasası

İkinci denkleme göre manyetik alanın skaler kaynağı yani manyetik yük yoktur. Manyetik alan daima kendi üzerinde sonlanır. Bu nedenle herhangi bir kapalı yü­zeydeki manyetik alanın akışı sıfırdır.

Değişken Manyetik Alanlarla İlgili Faraday Yasası

Üçüncü denklem, değişen bir manyetik alan etrafında oluşan elektrik alanı inceler. Bu durum Faraday yasası olarak da bilinir.

Manyetik Dolanımla İlgili Ampere Yasası

Değişen bir elektrik alan manyetik alan oluşturur. Dör­düncü denklem bu durumu ifade eder. Bu denklemler tüm klasik elektromanyetik etkileşimleri açıklar.

Maxwell denklemleri elektromanyetik dalgaların yapı­sının anlaşılmasına ve bu dalgaların ivmeli hareket eden yükler tarafından salındığının anlaşılmasına bü­yük katkısı olmuştur.

• Zamana göre değişen bir manyetik alan zamana bağlı elektrik alan üretir.
• Zamana göre değişen bir elektrik alan zamana bağlı bir manyetik alan üretir.

İlk ifade değişen manyetik akının bir İletken telde geri­limi indüklediğini veya uzayda bir elektrik alan oluştur­duğunu söyler, ikinci ifade, değişen elektrik alanın de­ğişen bir manyetik alan oluşturduğunu vurgular. Bu si­metri elektromanyetik dalgaların analizinde önemlidir.

Temel olarak elektromanyetik dalgalar ivmeli hareket eden elektrik yükleri tarafından üretilir. Buna basit harmonik hareket yapan bir elektronun titreşimini örnek olarak verebiliriz. Bu elektronlar bir radyo vericisinde­ki birçok elektrondan biri olabilir. Buradaki her bir elek­trik yükü 10⁶ Hz frekansla titreşir. Böyle bir elektron hareket ettiğinde, elektron ivmelenir ve elektromanye­tik dalga yayar.

Herhangi bir noktada meydana gelen manyetik alan değişimi hemen bir elektrik alan değişimine, elektrik alan değişimi de bir manyetik alan değişimine sebep olur.

Bu iki alanın değişim vektörleri birbirlerine diktir. Bir noktada enerji harcanarak periyodik bir alan değişimi meydana getirilirse, bu enerji ışık hızıyla, aynı periyotlu elektrik ve manyetik alan dalgaları olarak uzaya ya­yılır. Bu olaya elektromanyetik dalgaların ışıması de­nir.

Elektrik alan vektörü E, manyetik alan vektörü B ye diktir ve her biri zamanla sinizoidal olarak değişir. E ve B ikisi birlikte aynı fazdadır ve dalganın ilerleme yönü­ne diktir. Bundan dolayı elektromanyetik dalgalar eni­ne dalgalardır.

Elektrik alan ile manyetik alan arasında,

E = c.B bağıntısı vardır. E/B oranı sabit ve ışık hızına (c) eşittir.

Elektromanyetik Dalgaların Hızı

Mekanik dalgalar çeşitli büyüklükteki hızlarla hareket edebilirler. Ancak elektromanyetik dalgalar boşlukta sadece ışık hızı ile yayılırlar. Işığın hızı saniyede 300.000 kilometredir. Bu hızın büyüklüğünü anlamak için şöyle bir modelleme yapalım.

Dünyanın çevresinin uzunluğu 40.000 km’dir. Buna göre ışık bir saniyede Dünyanın çevresini 7,5 defa do­lanabilir. Bu nedenle, elektromanyetik dalgaların kulla­nıldığı cep telefonu ile Dünyanın öbür ucundaki bir ya­kınımızla görüşmemiz fark edemeyeceğimiz kadar kü­çük bir zaman farkıyla gerçekleşir.

Elektromanyetik Dalga Çeşitleri

Elektromanyetik dalgaların frekans ve dalga boyu de­ğerleri farklı da olsa bu değerlerin çarpımı daima ışık hızına eşittir. Dalga boyu farklı elektromanyetik dalga­lar farklı özellikler gösterir. Çok çeşitli kullanım alanları olan bu elektromanyetik dalgalara örnek olarak aşağı­daki ışınlar verilebilir.

1. Radyo dalgaları
2. Televizyon dalgaları
3. Mikrodalgalar,
4. Kızılötesi dalgalar,
5. Radar dalgalan,
6. Görülebilir ışık dalgaları,
7. Ultra-viole ışınları,
8. X ışınları
9. Gamma ışınları

Elektromanyetik dalgaların, dalga boylarının büyüklü­ğüne göre sıralandığı cetvele elektromanyetik spektrum denir. Şimdi bu dalga çeşitleri hakkında bilgi ve­relim.

Elektromanyetik dalgaların özellikleri:

• Yüklerin ivmeli hareketlerinden meydana gelirler. Dolayısıyla bir elektromanyetik dalgayı oluşturmak için enerji harcanması gereklidir.
• Elektrik ve manyetik alanlar birbirini doğurarak ışık hızıyla yayılır. Dolayısıyla bütün elektromanyetik dalgalar ışık hızıyla yayılır.
• Işığın da bir elektromanyetik dalga olduğu hatırla­nırsa, elektromanyetik dalgalar yansımaya ve kırıl­maya uğrar.
• Yüklü parçacık olmadıkları için elektrik ve manye­tik alanda sapmazlar.
• Enerji taşırlar ve elektromanyetik dalgayı soğuran cisimler ısınır.
• Fotonlardan meydana gelmişlerdir.
• Hızları ortamdan etkilenir.
• Elektrik ve manyetik alan bileşenleri aynı fazdadır.

Radyo Dalgaları

Radyo dalgala­rı, iletken anten üzerinde ivmelendirilen yük­ler tarafından meydana getiri­lir. Dalga boyu en büyük olan elektromanye­tik dalgalardır. Dalga boyu 30 cm den daha büyük olan tüm elektromanye­tik dalgalar rad­yo dalgaları ola­rak adlandırılır.

Elektromanyetik spektrumdaki en geniş aralığa radyo dalgaları sahiptir. Radyo istasyonları sesi elektrik akı­mına çevirirler. Bu elektrik akımı elektromanyetik dal­galar üretir. Büyük antenlerle her yöne yayılması sağ­lanan elektromanyetik dalgalar radyolarımız tarafın­dan alınarak tekrar sese dönüştürülür.

Günümüzde en çok FM adı verilen radyo dalgaları kul­lanılmaktadır. FM radyo dalgalarına göre daha uzakla­ra gidebilir. FM dalgaları elektriksel gürültülerden daha az etkilenmesi nedeniyle radyolarımızdan alınan ses daha kalitelidir. Radyo dalgalarının taşıdıkları enerji çok küçük olduğundan canlı sağlığı üzerinde herhan­gi bir zararı yoktur.

Televizyon Dalgaları

Televizyon sinyallerinin iletiminde kullanılan elektro­manyetik dalgalar da radyo dalgalarıdır. Televizyon ya­yını yapan istasyonlar, FM kısa dalgalar ile sesleri, da­ha uzun radyo dalgaları ile de görüntüleri iletirler. Gü­nümüzde çok daha geniş bir alana televizyon yayını yapabilmek için yapay uydular kullanılmaktadır.

Yapay uydular dünya yüzeyinden belirli bir yükseklik­te ve sürekli aynı nokta üzerinde olacak şekilde belir­lenmiş yörüngede hareket ederler. Merkez istasyon­dan uyduya ulaştırılan televizyon dalgaları uydudan geniş bir alana yansıtılır. Yeryüzünde uygun alıcıya sa­hip olanlar bu yayınları izleyebilirler.

Mikro Dalgalar

Mikrodalgalar uzun mesafeli bilgi aktarımında kullanı­labilen elektromanyetik dalgalardır. Mikrodalgalar yağ­mur, kar, sis ve kirli havanın içinden geçebilir. Bu yüz­den iletişimde kullanılırlar.

Denizcilerin kullandığı telsizler ile haberleşme, mikro­dalgalarla sağlanır. Mikrodalgalar metal yüzeylerden yansır. Bu özelliklerinden faydalanılarak radarlar yapıl­mıştır. Radarlardan istifade edilerek trafikte hareket ha­lindeki araçların hız kontrolü ve uçakların iniş, kalkış ve rotalarının takip edilmesi mümkün olur.

Mikrodalga fırınlarda yiyecekler çok daha kısa sürede ısıtılabilir. Mikrodalga fırınlarda, Magnetron adı verilen cihaz ile mikrodalgalar üretir. Bu dalgalar, yiyeceklerin yapısındaki su moleküllerini titreştirerek kinetik enerji­lerini artırır. Su moleküllerinin kinetik enerjilerindeki bu artış, yiyeceğe aktarılarak hızlı bir ısınma sağlanır.

Mikrodalgalar cam ve kâğıttan kolayca geçebilirler. Bu nedenle yiyecekler cam veya kâğıt kap içinde mikro­dalga fırına yerleştirilmelidir.

Metallerin mikrodalgaları yansıtması nedeniyle metal kaplar kullanılmamalıdır. Mikrodalgaların, canlıların sağlığı üzerinde olumsuz etkileri vardır.

Kızıl Ötesi Işınlar

Kızılötesi dalgalar, dalga boyları 700 nm (nanomet­re = metrenin 1 milyarda biri) ile 1 mm arasında olan elektromanyetik dalgalardır. Tüm sıcak cisimlerin yay­dığı gözle görülemeyen elektromanyetik dalgalardır. Bitkiler, hayvanlar, eşyalar ve vücudumuz kızılötesi ışınlar yayar. Gece görüş kamerası da denilen termal kameralar, sıcak cisimlerden gelen bu dalgaları algıla­yarak görünür ışığa çevirir ve karanlık ortamlarda dahi görebilmemizi sağlar.

Canlı dokuların aşırı kızılötesi ışına maruz kalması, yanmalarına neden olabilir. Tıpta tümörlerin aranma­sında kullanılır. Endüstride bilinmeyen maddelerin hangi madde olduğunun anlaşılmasında kullanılır. Bir madde kızılötesi ışınlarına maruz kalırsa, madde için­deki atomlar titreşmeye başlar. Maddedeki her bir bi­leşiğin titreşimleri bir spektrum meydana getirir. Her bileşiğin kendine has parmak izi gibi bir kızılötesi spektrumu vardır. Petroldeki bileşiklerden birçoğu bu metotla belirlenir.

Görülebilir Işık Dalgaları

Dalga boyu 400 nm ile 700 nm arasında olan elektro­manyetik dalgalar görülebilir ışık dalgalarıdır. Görüle­bilir ışık dalgaları, elektromanyetik spektrumunun çok küçük bir bölümünü oluşturur.

Güneşten Dünyaya ulaşan enerjinin bir kısmı görünür ışık olarak gelir. İnsan gözü ışığı farklı renklerde algılar. Bunun nedeni farklı dalga boylarındaki ışığın gözde oluşturduğu farklı şiddetteki uyarılardır. En uzun dalga boylu görünür ışık ışını kırmızı renkte görülür. En kısa dalga boylu görünür ışık ışını mor renkte görülür. Diğer renklerdeki dalgaların dalga boyları kırmızı ve mor renkli ışınların dalga boylarının arasında bir değere sa­hiptir.

Görülebilir ışıkların renk sıralaması kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, lacivert ve mordur.

Morötesi Işınlar

Güneş kaynaklı olan ultraviole ışınlarının dalga boyları 60 nm ile 400 nm arasındadır. Ultraviole ışınlarının can­lılar üzerinde hem yararlı hem de zararlı etkileri vardır. Kemik gelişimi için çok önemli olan D vitamininin vü­cutta kullanılabilir hâle gelmesi için vücudun Güneş­ten gelen ultraviole ışınlara ihtiyacı vardır. Vücut bu ışınlara fazla maruz kaldığında ise yanıklara, kırışıklık­lara ve ilerleyen safhalarda cilt kanserine neden olabi­lir. Ayrıca morötesi ışınlar elektrik arklarından ve gaz boşalmalarından meydana gelir.

Bu nedenle Güneşte kalı­nan süre kontrol altında tu­tulmalıdır. Güneşin tam te­pede olduğu yaz günlerin­de mümkünse dışarı çıkma­malı veya uygun giysilerle çıkılmalıdır.

Ultraviole ışınları mikropları öldürür. Bu sebeple, has­tanelerin ameliyat odalarında mikropları yok etmek için ultraviole lambaları kullanılır.

X Işınları

Dalga boyu 0,001 nm ile 60 nm arasında olan elektro­manyetik dalgalar X ışını olarak adlandırılır. Elektronla­rın metal hedeflere çarptırılması sonucu metaller X ışı­nı yayar. X ışınları birçok maddeden geçebilir. Madde­ler X ışınlarını farklı miktarlarda soğurur.

Örneğin kemik dokusunda daha fazla, et dokusunda daha az soğurulur.

Bu nedenle tıptaki bir kol olarak gelişen röntgen uz­manlığı çok dikkatli çalışır.

X ışını cihazları hava alanları gibi yerlerde güvenlik amaçlı olarak valizleri açmadan içlerinin kontrol edil­mesinde de kullanılır. X ışınları kurşundan geçemez. X ışınlarından korunmanın gerektiği durumlarda kurşun­dan yapılmış malzemeler kullanılır.

Gamma Işınları

Dalga boyu 0,1 nm den daha küçük olan elektromanyetik dal­galardır. Birçok mad­denin içine kolayca nüfuz edebilir. Gam­ma ışınları tıpta kan­serli hücrelerin yok edilmesinde kullanılmaktadır. Gamma ışınları kullanıla­rak yiyeceklerdeki zararlı bakteriler yok edilir. Gamma ışınlarına maruz kalan yiyecekler bu ışınları üzerlerin­de tutmaz. Bu nedenle gamma ışınından geçirilmiş yi­yeceklerin yenilmesinde bir sakınca yoktur.

Cep Telefonunun Çalışma Prensibi

Cep telefonu ile konuşur­ken belki de ışıkla bir alaka­sının olmadığını düşünür­sünüz. Fakat cep telefonla­rında ışık teknolojisi yani elektromanyetik dalgalar kullanılır. Öğrendiğimiz gibi elektromanyetik dalgaların birçok çeşidi vardır. Radyo ve mikro dalgalar bu çeşit­tendir. Cep telefonları mik­ro dalgaları kullanarak sin­yal gönderir.

Cep telefonlarına, elektromanyetik dalga yayan, bir çeşit taşınabilir radyo verici ve alıcısı gözüyle bakılabi­lir. Cep telefonları yan yana dursalar bile hiçbir zaman birbirleriyle doğrudan iletişim kuramazlar. Bunların arasındaki iletişim, genellikle yüksek yerlere (ev çatıla­rına, direklere vb.) yerleştirilmiş ve adına baz istas­yonları denen, sistemler aracılığıyla yapılıyor.

Cep telefonu kullanan kişilerin sayısı çoğaldıkça zorun­lu olarak baz istasyonları sayısı da çoğalmakladır. Bir kenti ve hatta bir ülkeyi kapsayan baz istasyonları, bal peteğine benzetilebilecek birçok hücrenin merkezleri­ne yerleştirilmiş, alıcı ve verici antenli sistemlerden oluşmaktadır. 

Böyle bir sisteme hücresel iletişim sistemi deniyor. Baz istasyonu konuşmayı, sabit bir kablo üzerinden ya da yönlendirilmiş elektromanyetik dalga demeti halin­de Mobil Anahtarlama Merkezlerine ulaştırır ve konuş­ma, oradan cep telefon sistem sunucusunun ana bil­gisayarına iletilir.

Bu bilgisayar, tüm cep telefonlarının nerede oldukları­nı bildiğinden konuşmayı, alıcı cep telefonun bulundu­ğu en uygun baz istasyonuna yollar ve oradan da al­cının cep telefonuna ulaşır ve karşılıklı konuşmalar ay­nı yoldan gidip gelir.

Radyo nasıl çalışır? (Sesin aktarımı)

Radyoların yayınları alması ve bu yayınların duyulabi­lir sesler haline gelmesi nasıl mümkün olabilmektedir? Seslerin radyolarda duyulabilir hale gelme serüveni, sesin yayınlanması ve bu yayınların alınması olarak iki aşamada ele alınabilir.

Seslerin yayınlanması

Bu aşama radyo istasyonunda başlar. Konuşmacıların ses dalgaları mikrofonlar tarafından alınarak elektrik sinyallerine dönüştürülür. Audio sinyali de denilen bu sinyaller vericilerde özel frekanslı ve taşıyıcı elektro manyetik dalgalar ile birleştirilerek büyük verici anten­ler ile her yöne yayınlanır.

Yayınların alınması

Radyolarımızın antenleri, istasyondan gelen elektro­manyetik dalgaları alır. Radyonun frekans ayar düğ­mesi, istediğimiz frekanstaki dalgayı seçerek almamı­zı sağlar. Antenin aldığı dalgadaki taşıyıcı dalga ve elektrik sinyalleri birbirinden ayrıştırılır. Hoparlöre ge­len elektrik sinyalleri ses dalgalarına dönüşerek kula­ğımıza ulaşmış olur.

Televizyon nasıl çalışır? (Görüntü aktarımı)

Elektromanyetik dalgalar ile sesler taşınabildiği gibi görüntüler de taşınabilmektedir. Televizyonda görün­tüleri nasıl seyredebildiğimizi yine iki aşamada incele­yebiliriz.

Görüntülerin yayınlanması

Televizyon istasyonlarında çekim yapan kameralarda görüntüler elektrik sinyallerine dönüştürülür. Video sinyalleri de denilen bu sinyaller ve ses sinyalleri, özel frekanslı elektromanyetik dalgalar ile birleştirilerek ve­rici antenler ile her yönde yayınlanır. Ancak bu dalga­ların alınması radyo dalgalarının alınması kadar kolay değildir.

Yeryüzü şekilleri, televizyon yayınlarının alınmasını olumsuz etkiler. Bu etkilerin azaltılması için günümüz­de kablolu anten sistemleri ve uydu sistemleri kullanıl­maktadır.

Görüntülerin alınması

Televizyonlarda bulunan frekans ayarı ile alınmak iste­nen yayın seçilir. Televizyonlarda hem görüntü hem de ses alıcıları vardır.

Bu alıcılar ses ve görüntü sinyallerini elektromanyetik dalgalardan ayırırlar. Ses sinyalleri radyoda olduğu gibi hoparlörlerde sese dönüşür. Görüntü alıcıları da görün­tüleri ekrana aktararak görüntülerin oluşmasını sağlar.

Elektromanyetik Dalgalarda Doppler Olayı

Bir kaynaktan yayılan ses dalgalarının frekansı göz­lemcinin hareket durumuna göre daha büyük ya da daha küçük algılanır. Bu durum Doppler olayı adı altın­da daha önce incelenmişti. Doppler olayı elektroman­yetik dalgalar için de uygulanabilir. Ancak ses dalgala­rı ve elektromanyetik dalgalar için Doppler olayı uygu­lamasının iki temel farkına dikkat edilmelidir.

Bunlardan birincisi ses dalgalarının yayılmak için maddesel bir ortama ihtiyaç duyması, elektromanyetik dalgaların ise boşlukta da yayılabilmesidir.

İkincisi ise ses dalgalarının hızı farklı gözlemciler tara­fından farklı algılanabilirken ışık hızı ile hareket eden elektromanyetik dalgaların hızı gözlemcilerin hareke­tinden bağımsızdır. Gözlemcinin hareket durumu ne olursa olsun elektromanyetik dalgaları ışık hızında gözlemlerler. Bu nedenle elektromanyetik dalgaların Doppler etkisi kaynak ve gözlemcinin birbirine göre bağıl hızına bağlıdır.

Bu durumda gözlenen frekans aşağıda verilen formül ile bulunur:

f_g = f_k.(1 ± V_b/c)

Formülde f_g gözlenen frekans, f_k kaynağın frekansı, v_b kaynağın ve gözlemcinin birbirine göre (bağıl) hızı, c ise ışığın boşluktaki hızıdır. 

Formülde verilen ± için, gözlemci kaynağa yaklaşıyor­sa (+), uzaklaşıyorsa (-) seçilir.

Elektromanyetik Dalgaların Polarize Edilmesi

Elektromanyetik dalgaların enine dalga olma özelliği­nin en açık sonucu polarize edilebilmeleridir. Normal ışık demeti, ışık kaynağında, atom ve moleküllerdeki elektronların titreşimlerinden kaynaklanan elektro­manyetik dalgalardan oluşur.

Elektronların titreşim yönü, oluşan elektromanyetik dalganın elektrik alan vektörlerinin yönünü belirler. Bir elektromanyetik dalgadaki elektrik alan vektörlerinin titreşim yönü, polarizasyon yönü olarak tanımlanır. Atom içindeki titreşimler her yönde olabileceğinden, oluşan elektromanyetik dalga da, her yönde elektrik ve manyetik alan içerir, işte böyle ışığa polarize olma­mış ışık denir.

Güneş ışığı veya günlük hayatta kullandığımız ışık kay­naklarının çoğu, polarize olmamış ışık yayar. Polarize olmamış böyle bir elektromanyetik dalganın elektrik alan vektörlerinin, bazı metotlarla, sadece bir doğrultu üzerinde kalması sağlanabilir. Bu şekilde, elektrik alan vektörleri tek doğrultu üzerine indirgenmiş elektro­manyetik dalgaya, lineer polarize edilmiş veya kısaca polarize edilmiş elektromanyetik dalga denir.

Işığı polarize eden maddelere polarizör denir. Polarizörden geçen dalgalar polarize ekseni yönünde polarize edilmiş olur. Polarize edilen ışık, bir başka polarizörden geçirilerek polarize ekseni değiştirilebilir. Polarize edilmiş dalgayı tekrar polarize eden ikinci polarizöre analizör denir.

Polarizör ile analizörün polarize eksenleri arasındaki açı, 0° den 90° ye artarken, geçen elektromanyetik dal­ga miktarı azalır. 90° durumundaki analizörün arka ta­rafına elektromanyetik dalga geçmez.