Elektromanyetik Dalgalar: Bir Elektromanyetik Dalganın Anatomisi

İş yapabilme yeteneği olarak tanımlanan enerji, çeşitli biçimlerde olup birinden diğerine dönüşebilir. Piller ve dolu barajlar potansiyel enerjiye örnek verilebilirken durgun bir gözlemciye göre hareketli olan sistemler de kinetik enerjiyi gösterir. Elektron ve proton gibi yüklü parçacıklar hareket ettiklerinde elektromanyetik alanlar oluştururlar ve bu alanlar da elektromanyetik radyasyon şeklinde bir enerji taşınımını işaret eder.

Dalgalar Nedir?

Mekanik dalgalar ve elektromanyetik dalgalar, etrafımızdaki dünyada enerji taşınımının iki önemli yoludur. Mekanik dalgalar katı, sıvı, gaz ve plazma halindeki maddelerde gerçekleşen titreşimlerdir. Su dalgaları sıvı ortamlardaki, ses dalgaları da gaz ortamlardaki (hava) titreşimler ile oluşan dalgalara örnektir (Şekil 1). Bu tip mekanik dalgalar ortamda ilerlerken, tıpkı domino taşlarında olduğu gibi, moleküllerin birbirlerine çarpması ve enerji transfer etmesiyle oluşur. Uzayda ses dalgalarının yayılamamasının nedeni bundan kaynaklanmaktadır.

Şekil 1. Noktasal kaynaktan yayılan su dalgaları.

Burada önemli bir nokta, enerjinin taşınımıdır, maddenin değil. Mesela bir havuzdaki dalgalar bir yerden bir yere suyu taşımaz (Tsunami dalgalarının mekaniği farklıdır, buna burada değinmiyoruz), aksine suyun enerjisi suyun içerisinde hareket eder. Su molekülleri net bir yer değiştirme yapmadan...

Elektromanyetik Dalgalar

Elektrik ve manyetizma statik olabilirler. Saçımızın dikleşmesi ve mıknatıslar gibi. Ancak birinin değişmesi, diğerini indükler ve bu değişen alanlar bir elektromanyetik dalga oluşturur (Şekil 2). Mekanik dalgalardan en büyük farkları yayılmak için bir ortama ihtiyaç duymamalarıdır. Bunun anlamı elektromanyetik dalgaların sadece maddesel ortamlarda değil, aynı zamanda boşlukta da hareket edebileceğidir.

Şekil 2. Birbirine dik olan elektrik ve manyetik alan bileşenleri ile bir elektromanyetik dalganın gösterimi.

1860'lar ve 1870'lerde James Clerk Maxwell adında bir bilim adamı elektrik ve manyetik alanların elektromanyetik dalga oluşturmak için bir çiftlenim meydana getirebileceğini açıklamıştır. Bugün "Maxwell Denklemleri" olarak bilinen denklem seti, elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkinin matematiksel temelidir. Heinrich Hertz, Maxwell'in teorilerini radyo dalgalarının üretimi ve alımı için uyarlamıştır ve radyo dalgalarının bir saniyedeki devinim sayısı (frekans) ile hertz birimi tanımlanmıştır. Hertz'in radyo dalgaları ile çalışmaları iki problemi çözmüştür. İlki, radyo dalgalarının ışık hızında ilerlediğidir. Yani radyo dalgaları, ışığın (dolayısıyla elektromanyetik dalganın) bir formudur. İkincisi, elektrik ve manyetik alanların, elektromanyetik dalgalar formunda nasıl kablolardan ayrılabildiğidir.

Dalga mı, Parçacık mı?

Işık, fotonlar denilen ayrık enerji paketlerinden oluşur. Fotonlar momentum taşırlar, durgun kütleleri yoktur ve ışık hızında hareket ederler. Bütün ışıklar (elektromanyetik spektrumdaki tüm elektromanyetik dalgalar) hem dalga hem parçacık özellikleri gösterirler. Kullanılan tüm cihazlar, bu iki özelliğin biri ile çalışır veya birini ölçer. Bir spektrometre ışığın dalga özelliği ile ilgili, bir dijital kamera ise parçacık özelliği ile ilgilidir.

Kutuplanma

Işığın bir diğer özelliği de kutuplanabilmesidir (polarizasyon). Elektromanyetik alanın hizalanmasının bir ölçüsü olan kutuplanma, kumbaraya metal para atmaya benzer. Belli bir yönelim harici para giremez. Çoğumuzun kullandığı polarize camlı güneş gözlükleri de gözü rahatsız edebilecek parlaklıkları (fazladan yönelim bileşenleri ile oluşan) bu şekilde yok eder (Şekil 3).

Şekil 3. Polarize ve polarize olmayan gözlük camları.

Frekans ve Dalga boyu

Elektromanyetik dalgaların tıpkı okyanus dalgaları gibi tepe noktaları vardır. Bu tepe noktalarının bir saniyede belli bir referans noktasına göre geçişi, frekansı; iki tepe noktası arası mesafe de dalga boyunu verir (Şekil 4).

Şekil 4. Frekans ve dalga boyu.

Elektromanyetik Enerji

Elektromanyetik dalgalar ve elektromanyetik radyasyon aynı fiziksel olguyu işaret eder: Elektromanyetik enerji. Bu enerji frekans (radyo dalgalarında), dalga boyu (kızılötesi ve görünür bölgede) veya direkt enerji (x ve gama ışınlarında) ile ifade edilebilir. Üçü de matematiksel olarak birbirleriyle ilişkilidir ve biri bilinirse diğer ikisi bulunabilir. Elektromanyetik spektrumda, uzun dalga boyundan kısaya giderken, dalga boyu azalıp enerji artar, kısadan uzuna giderken ise, dalga boyu artıp enerji azalır. Benzetme olarak, iki kişinin tuttuğu bir atlama ipinde fazla dalga oluşturmak için fazla enerji harcanmalıdır (Şekil 5).

Şekil 5. Üstte: Dalga sayısı yüksek, dalga boyu düşük, kolların harcaması gereken enerji fazla. Altta: Dalga sayısı düşük, dalga boyu yüksek, kolların harcaması gereken enerji üsttekine göre daha az.

Elektromanyetik Dalga Denklemi

Uzayda herhangi bir yönde dik düzlemler şeklinde hareket eden dalgalar fizikte düzlem dalgalar olarak adlandırılır. x yönünde hareket eden bir düzlem elektromanyetik dalgada elektrik alan bileşeni için dalga denklemi

şeklindedir. Benzer şekilde, elektrik alana dik bir düzlemdeki manyetik alan için de eşitlik aynı formdadır. Düzlem dalganın doğasına uygun olarak, hem elektrik hem de manyetik alan bileşenleri hareket yönüne (x) diktir. Eşitlikte dalga hızının olması gereken yerde, boşluktaki elektromanyetik dalgaların hızı olan ışık hızı (c) yer almaktadır.
Elektromanyetik dalgalar için dalga denklemi Maxwell denklemlerinden türetilmektedir. Elektrik alan bileşeni için düzlem dalga çözümü

, manyetik alan bileşeni için ise

şeklindedir. Çözümlerin Maxwell denklemleri ile tutarlı olması için bileşenlerin genliklerinin oranı ışık hızını vermelidir.

 
Emir Haliki
Kaynaklar

1. http://missionscience.nasa.gov/ems/02_anatomy.html
2. https://www.lenspick.com/blog/polarized-vs-non-polarized-sunglasses/
3. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Waves/emwv.html