Elektromanyetik Dalga Nedir? Bir Elektromanyetik Dalganın Anatomisi Nasıldır?

İş yapabilme yeteneği olarak tanımlanan enerji, çeşitli biçimlerde gözlenebilir ve bir enerji türünden diğerine dönüşebilir. Piller ve dolu barajlar potansiyel enerji depolamasına 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.

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 titreşimler ile oluşan dalgalara örnektir. Bu tip mekanik dalgalar ortamda ilerlerken moleküllerin birbirlerine çarpması ve enerji transfer etmesiyle oluşur. Uzayda ses dalgalarının yayılamamasının nedeni de budur.

PBS Learning Media

Burada önemli olan nokta, maddenin değil enerjinin taşınıyor olmasıdır. Mesela bir havuzdaki dalgalar bir yerden bir yere su taşımaz, ancak suyun enerjisi su içerisinde hareket eder.

Öte yandan elektrik ve manyetizma, statik olabilirler. Saçımızın dikleşmesi ve mıknatıslar gibi statik elektrik ve manyetik örnekler verilebilir. Ancak birinin değişmesi, diğerini indükler ve bu değişen alanlar, aşağıdaki resimde görülebileceği gibi bir elektromanyetik dalga oluşturur. Elektromanyetik dalgaların 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.

Research Gate

1860'lar ve 1870'lerde James Clerk Maxwell adında bir bilim insanı, 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 yaptığı çalışmalar iki problemi çözmüştür: İlki, radyo dalgalarının ışık hızında ilerlemesi bilgisinin edinilmesidir. Yani radyo dalgaları, ışığın (dolayısıyla elektromanyetik dalganın) bir formudur. İkincisi ise elektrik ve manyetik alanların, elektromanyetik dalgalar formunda nasıl kablolardan ayrılabildiği bilgisinin edinilmesidir.

Dalga mı, Parçacık mı?

Işık, foton 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.

Işığın bir diğer özelliği de kutuplanabilmesidir, buna polarizasyon da denir. Elektromanyetik alanın hizalanmasının bir ölçüsü olan kutuplanma, kumbaraya metal para atma olayıyla canlandırılabilir. Belli bir yönelim haricinde para kutuya giremez. Çoğumuzun kullandığı polarize camlı güneş gözlükleri de gözü rahatsız edebilecek parlaklıkları (fazladan yönelim bileşenleri ile oluşan) bu şekilde yok eder.

Grace and Vision

Elektromanyetik Dalgaların Özellikleri

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.

NASA Science

Elektromanyetik dalgalar ve elektromanyetik radyasyon aynı fiziksel olguyu işaret eder: Her ikisi de elektromanyetik enerji ile ilgilidir. 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. Bu durum şöyle hayal edilebilir: İki kişinin tuttuğu bir atlama ipinde fazla dalga oluşturmak için fazla enerji harcanmalıdır.

NASA Science

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 şu şekildedir:

$\frac{{\partial }^{2}E}{\partial x^2}=\frac{1}{c^2}\frac{{\partial }^{2}E}{\partial t^2}$

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 şu şekildedir:

$E=E_{m}sin(kx-wt)$

Dalganın manyetik alan bileşeni ise şöyle yazılabilir:

$B=B_{m}sin(kx-wt)$

Çözümlerin Maxwell denklemleri ile tutarlı olması için bileşenlerin genliklerinin oranı ışık hızını vermeli, yani şu denklem sağlanmalıdır:

$\frac{E_m}{B_m}=c$