Elektromanyetizma Nedir? Elektromanyetik Teori, Elektriğe ve Manyetizmaya Hükmeden Elektromanyetik Kuvvet Yasalarını Nasıl Açıklar?

Elektromanyetizma, elektriksel yükleri ve onlarla ilişkili alan ve kuvvetleri inceleyen bilim dalıdır. Elektrik ve manyetizma, elektromanyetizmanın iki yönüdür.

Elektrik ve manyetizma, uzun bir süre boyunca ayrı kuvvetler olarak düşünülmüştü. Ancak 19. yüzyılda birbirleriyle ilişkili olgular olarak görülmeye başladı ve nihayetinde bunların gerçekten de aynı kuvvetin farklı parçaları olduğu keşfedildi.

1905'te Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi, şüpheye yer bırakmayacak şekilde elektrik ve manyetizmanın tek bir elektromanyetizma olgusunun ortaya çıkardığı farklı yönler olduğunu gösterdi. Ama pratikte elektriksel ve manyetik kuvvetler farklı davranmakta ve farklı denklemlerle ifade edilmekteydi. Elektriksel kuvvet, hareket eden ya da sabit yükler tarafından oluşturulur. Manyetik kuvvet ise sadece hareket eden yükler tarafından oluşturulur ve sadece hareket eden yükler üzerinde etki gösterir.

Elektrik olgusu nötr maddelerde de vardır; çünkü nötr maddeler eşit miktarda zıt elektriksel yük içerir ve kuvvet nötr madde içindeki bu yüklere ayrı ayrı etki edebilir. Elektriksel kuvvet, atom ve moleküllerin çoğu kimyasal ve fiziksel özelliğinden sorumludur. Kütleçekim kuvvetinden çok daha güçlüdür. Örneğin aralarında 2 metre mesafe olan 70 kilo iki insandaki milyarlarcası içinden sadece bir elektronun yokluğu, onları 30.000 tonluk bir kuvvetle itebilir. Elektrik olgusu, fırtınalarda ortaya çıkan gök gürültüsü ve şimşekten de sorumludur.

Elektriksel ve manyetik kuvvetler, elektriksel ve manyetik alan denen bölgeler içinde tespit edilebilirler. Bu alanlar, doğaları gereği "temel alanlardır" ve kendilerini oluşturan yük ya da akımdan uzakta, uzayda da var olabilirler. Elektriksel alanlar, dış bir yükten bağımsız olarak manyetik alanlar oluşturabilir. Bunun tam tersi de mümkündür: Michael Faraday'ın elektriksel güç eldesinin temellerini oluşturan çalışmasına göre, değişen bir manyetik alan bir elektriksel alan üretir. İskoç fizikçi James Clerk Maxwell'in çıkarımına göre değişen bir elektriksel alan da manyetik alan üretir. Maxwell tarafından formülleştirilen matematiksel eşitlikler ışık ve dalga olgusunu elektromanyetizma ile bir araya getirmiştir. Elektriksel ve manyetik alanlar, birindeki değişim diğerini sürdürmeye yarayacak biçimde, elektromanyetik radyasyon dalgaları olarak uzayda birlikte seyahat ederler. Maddeden bağımsız olarak uzayda seyahat eden elektromanyetik dalgalardan bazıları; radyo ve televizyon dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi ışınlar, görünür ışık, ultraviyole ışık, X ışınları ve gama ışınlarıdır. Tüm bu dalgalar ışık hızında (saniyede yaklaşık 300.000 kilometre hızla) seyahat eder. Birbirlerinden sadece elektriksel ve manyetik alanlarının salınım frekansı ile ayrılırlar.

Maxwell eşitlikleri bize atomaltı ölçekte de geçerli olan bütünleyici ve güzel bir açıklama sağlar. Maxwell'in çalışmalarının yorumlanması 20. yüzyılın bilim insanları için ufuk açıcıydı. Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi elektriksel ve manyetik alanları tek alanda topladı ve tüm maddenin hızını elektromanyetik radyasyon hızı ile sınırladı. 1960'ların sonlarına doğru fizikçiler, doğadaki diğer kuvvetlerin elektromanyetik alanın matematiksel yapısına benzer alanları olduğunu keşfettiler. Bu kuvvetler nükleer füzyondan sorumlu olan güçlü kuvvet ve kararsız atom çekirdeklerindeki radyoaktif bozulmada gözlenen zayıf kuvvettir. Zayıf ve elektromanyetik kuvvetler, zayıf elektromanyetik kuvvet olarak tek bir başlık altında bile toplanabilir!

Fizikçilerin kütleçekimi dahil tüm temel kuvvetleri birleştirmedeki amacı, büyük ve birleştirici bir teori elde etmektir. Elektromanyetizmanın önemli bir yönü, yüklerin kümelenme davranışı ile ilgilenen (madde içerisinde yüklerin dağılımı ve hareketleri dahil) elektrik bilimidir. Yüklerin bileşen madde içerisinde serbestçe dolaşma kabiliyetine göre iki sınıfa ayrılır: iletkenler ve yalıtkanlar. Elektrik akımı, yüklerin akışının ölçüsüdür. Teknolojide özellikle de enerjinin üretim, dağıtım ve kontrolünü içeren prosedürlerde maddede akımı yöneten kurallar önemlidir.

Voltaj kavramı da elektrik bilimi için yük ve akım kadar önemlidir. Voltaj yükün bir yerden diğerine akma "isteğinin" ölçüsüdür. Pozitif yükler, yüksek voltajdan düşüğe akma eğilimindedirler. Fiziksel bir durumda voltaj ya da akım arasındaki ilişkiyi belirleyememek elektrikte yaygın bir sorundur.

Bu makalede, elektromanyetizmaya yönelik olarak sizlere hem nitel bir anlayış kazandırmayı hem de elektromanyetik olgularla ilişkili büyüklüklere yönelik nicel bir farkındalık kazandırmayı amaçlıyoruz.

Elektromanyetizmanın Temelleri

Yaşamımız her gün, her an elektromanyetik olguların istilası altındadır. Bir ampul yandığında, akım ampuldeki ince bir filamentten akar ve filamenti korlaşacak kadar yüksek bir sıcaklığa ulaştırır. Ampul, etrafını bu şekilde aydınlatır. Elektrik saatleri ve bağlantıları, böyle basit cihazları, karmaşık sistemlere bağlarlar. Araçların akış hızı ile senkronize çalışan trafik ışıkları buna bir örnektir. Radyo ve televizyon setleri, uzayda ışık hızıyla seyahat eden elektromanyetik dalgalar tarafından taşınan bilgileri alırlar ve görüntüye veya sese çevirirler. Bir otomobili çalıştırmak için, elektrikli başlangıç motorundaki akımlar, motor şaftını döndürmeli ve motor pistonlarını patlayıcı bir karışım olan benzin ve havayı sıkıştırmaya yöneltmelidir. Patlamayı başlatan kıvılcım, anlık bir akım yaratan bir elektriksel atımdır (İng: "discharge"). Bu örnekleri yüz binlerce diğer alana genişletmemiz mümkündür. Uzun lafın kısası, basitçe, elektromanyetizma olmaksızın modern dünyanın var olması mümkün olmazdı.

Coulomb Yasası

Bu cihazların ve olguların çoğu karmaşıktır; fakat hepsi, elektromanyetizmanın aynı temel kurallarından türemişlerdir. Bunların en önemlilerinden biri, yüklü nesneler arasındaki elektriksel kuvveti tanımlayan Coulomb yasasıdır. Bu yasa 18. yüzyıldan yaşamış Fransız fizikçi Charles-Augustin de Coulomb tarafından formülleştirilmiştir ve Newton'un tanımladığı kütleçekim kuvvetinin analogu olduğunu söyleyebiliriz.

Hem kütleçekimsel hem de elektriksel kuvvet, nesneler arası uzaklığın karesi kadar azalır ve her ikisi de nesneler arasında bir ip varmış da etkileşim bu ip üzerinden gerçekleşiyormuş gibi davranır (elbette, Einstein sayesinde bunun doğru olmadığını ve Newton'unkinin kütleçekimin sadece yaklaşık bir modeli biliyoruz). Coulomb'un yasasında elektriksel kuvvetin şiddeti ve işareti (+ mı - mi yoksa nötr mü olduğu) bir nesnenin kütlesi ile değil, yüküyle belirlenir. Böylelikle yük, elektromanyetizmanın yüklü nesnelerin hareketini nasıl etkileyeceğini belirler.

Yük, maddenin basit bir özelliğidir. Maddenin her bileşeni pozitif, negatif ya da sıfır değeri alabilen bir yüke sahiptir. Örneğin elektronlar negatif, atom çekirdeği ise pozitif yüklüdür. Çoğu madde eşit miktarda pozitif ve negatif yüke sahiptir ve bu nedenle nötr (yüksüz) olarak bilinir.

Coulomb'a göre, hareketsiz yükler için elektriksel kuvvetler aşağıda özellikleri gösterir:

1. Benzer yükler birbirini iter, zıt yükler ise birbirini çeker. İki negatif yük birbirini iterken pozitif bir yük negatif bir yükü çeker.
2. Çekme ya da itme iki yük arasında bir ip varmış ve bu ip üzerinden etkileşim gerçekleşiyormuş gibi davranır.
3. Kuvvetin büyüklüğü iki yük arası mesafenin karesi ile ters orantılıdır. Bu sebeple eğer iki yük arası mesafe iki katına çıkarsa çekme ya da itme zayıflar, başlangıç değerinin 1/4'üne düşer. Eğer yükler 10 kat yakınlaşırsa kuvvet 100 kat artar.
4. Kuvvetin büyüklüğü her yükün değeri ile doğru orantılıdır. Yükü ölçmek için kullanılan birim Coulomb'dur (C). Eğer biri 0.1 C, diğeri 0.2 C olan iki pozitif yük varsa, birbirlerini 0.2 x 0.1 (yani 0.02) değerine bağlı olarak ortaya çıkan bir kuvvetle iteceklerdir. Eğer her iki yük yarıya inseydi itme, eski değerinin 1/4'ü olurdu (çünkü 0.1 x 0.05 = 0.005 olacaktır ve bu, az önceki 0.02'nin dörtte biridir).

Statik tutunma, Coulomb kuvvetinin pratik bir örneğidir. Statik tutunmada sentetik materyalden yapılan giysiler, özellikle de kışın kuru havada yük toplar. Saçlar arasından hızlıca geçirilen plastik bir tarak yüklenir ve küçük kağıt parçalarını toplayabilir. Sentetik kumaş ve tarak yalıtkanlardır. Bu nesnelerdeki yük kolayca nesne içerisinde hareket edemez. Bir yazıcı kağıda mürekkep partiküllerini geçirmek için elektriksel kuvveti benzer bir şekilde kullanır.

Yük Korunumu Prensibi

Coulomb'un yasası gibi, yük korunumu prensibi de doğanın temel bir yasasıdır. Bu prensibe göre izole edilmiş bir sistemin yükü değişemez. Sisteme pozitif yüklü bir partikül girerse, aynı miktarda negatif yük yaratılır ve böylece toplam yük miktarı korunur. Doğada zıt yüklü bir çift yük, yüksek enerjili radyoasyon, madde ile etkileştiğinde yaratılır. Bir elektron ve bir pozitron, çift üretimi adı verilen bir süreçten geçerek yaratılır.

Bir parçacığın sahip olabileceği yük miktarının en küçük alt birimi (İng: "subdivision"), bir protonun yükü olan $+1.602\times 10^{-19}$ Coulomb'dur. Elektron aynı büyüklükte ve zıt işarette, yani $-1.602\times 10^{-19}$ Coulomb yüke sahiptir. Sıradan bir el feneri bataryası tükenmeden 10²² elektrona eşit, yani toplamda yaklaşık 5000 Coulomb'luk yükün akışı kadar bir akım üretir.

Elektrik akımı, yük akışının bir ölçüsüdür. Akımın büyüklüğü, Amper ile ölçülür ve $i$ ile sembolize edilir. Bir amperlik akım, saniyede 1 Coulomb'luk yükün ya da 6.2 milyar elektronun hareketine karşılık gelir. Akım, pozitif yüklerin akışı yönünde ise pozitif, negatif yüklerin akışı yönündeyse negatiftir.

Elektriksel Alanlar ve Kuvvetler

Kuvvet ve korunum yasaları, elektromanyetizmanın sadece iki yönüdür. Elektriksel ve manyetik kuvvetler, elektromanyetik alanlar tarafından üretilirler. "Alan" terimi, bir yerin her noktasında alan niceliğinin sayısal bir değer alma özelliğini işaret eder. Bu değerler de zaman içinde değişebilir.

Elektriksel ya da manyetik alan değeri bir vektördür. Vektör; büyüklük ve yönün her ikisini de içeren bir niceliktir. Uzayda bir noktada elektriksel alanın değeri, o noktada bir birim yüke uygulanan kuvvete eşittir.

Her yüklü nesne etrafında bir elektriksel alan oluşturur. İkinci bir yük, bu alanın varlığını adeta "hisseder" (onunla "etkileşir"). İkinci yük, yüklerin işaretlerine bağlı olarak ya ilk yüke doğru çekilir ya da ilk yük tarafından itilir. Tabii ki ikinci yükün de bir elektriksel alanı vardır ve birinci yük de, bu alanın varlığını hisseder.

Yük pozitif ise elektriksel alan yükten dışarıya doğrudur, yük negatifse yüke doğrudur. Hareketsiz bir yükün elektriksel alanı 1. figürde görülebilir. Oklar elektriksel alanın yönünü gösterir ve okların uzunlukları okların orta noktasında alanın gücünü gösterir.

Britannica

Eğer pozitif bir yük elektriksel alana yerleştirilirse, alan yönünde bir kuvvet hisseder. Negatif bir yük ise, alanın tersi yönünde bir kuvvet hisseder.

Hesaplamalarda yükler yerine direkt olarak elektriksel alanla uğraşmak daha uygundur. Çünkü alan hakkında, yüklerin uzaydaki (İng: "space") dağılımı hakkında olduğumuzdan daha çok bilgiye sahibiz. Örneğin iletkenlerde yüklerin dağılımı genellikle bilinmez; çünkü yükler, iletkenler içinde serbestçe hareket edebilir. Oysa ki statik durumlarda, örneğin denge durumunda olan bir iletkenin elektriksel alanının değeri bellidir: sıfır! Çünkü iletken içerisindeki yükler üzerindeki herhangi bir kuvvet, alan yok olana kadar yükleri dağıtmaya devam eder. Elektriksel alanın birimi Newton/Coulomb ya da Volt/metre'dir.

Elektriksel potansiyel de aynı derecede kullanışlı bir kavramdır. Elektrostatik problemler de elektriksel alana bir alternatif sağlar. Potansiyelin kullanımı daha kolaydır; çünkü vektörel değil, skaler bir büyüklüktür, yani büyüklüğü vardır ama yönü yoktur. İki nokta arası potansiyel, yüklerin hareketinin etkilenme derecesinin bir ölçüsüdür. Eğer potansiyel iki noktada aynı ise, yükler bir yerden diğerine geçmek üzere alandan etkilenmeyeceklerdir.

Uzayda bir noktada bir nesnenin potansiyeli volt ile ölçülür. Bu, o noktada 1 birimlik yükün sahip olacağı elektrostatik enerjiye eşittir. Örneğin 12 voltluk tipik bir pilde pilin + ucu, - ucundan 12 volt fazla potansiyele sahiptir. Araba farı filamenti gibi bir tel + ve - uçlara bağlandığında yükler filamente doğru bir akım olarak hareket eder ve filamenti ısıtır, sıcak filament ışık saçar.

Manyetik Alanlar ve Kuvvetler

Manyetik kuvvet, sadece hareket halindeki yükleri etkiler. Manyetik kuvvet, manyetik alan tarafından iletilir. Manyetik kuvvet ve alanın her ikisi de, elektriksel kuvvet ve alandan daha karmaşıktır. Manyetik alan, alanın kaynağının yönünü göstermez. Bunun yerine, kaynağa dikey yöndedir. Buna ek olarak manyetik kuvvet, alana dikey olarak etki eder. Elektriksel kuvvet ve alanın her ikisi de yükten dışarı ya da yüke doğru doğrultudadır.

Bu düzeydeki bir anlatım, bir teldeki yük akımı tarafından üretilen bir manyetik alan gibi basit durumlarla başa çıkmak için yeterlidir. Bakır, gümüş ve alüminyum gibi materyaller yükün serbestçe hareket etmesine izin veren iletkenlerdir. Dış bir güç bir iletkende akım yaratırsa, bu akım bir manyetik alan oluşturur. Uzun ve düz bir teldeki akım; telin etrafında daireler çizen, tele dik bir manyetik alan oluşturur. Manyetik alanın şiddeti, telden uzaklaşıldıkça azalır. 2. figürdeki oklar gösterilen yöndeki akımın yarattığı manyetik alanın büyüklüğünü ve yönünü gösterir. Figür 2A'da akım okuyucuya doğruyken, Figür 2B tel boyunca manyetik alanın 3 boyutlu bir görüntüsünü verir.

Britannica

Aşağıdaki figürlerde devamlı çizgiler, elektriksel ve manyetik alanların yönlerini göstermede kullanılmıştır. Bu çizgiler elektriksel alanların pozitif yükten başlayıp negatif yükte sonlandığını vurgular. Ancak manyetik alanların başlangıcı ve sonu yoktur ve kendilerine dönmezler. Figür 2'de gösterilen manyetik alan, aslında fazlasıyla basittir. Karmaşık ve kullanışlı manyetik alanlar, akım taşıyacak biçimde seçilmiş iletkenlerle oluşturulabilir. Termonükleer füzyon reaktörleri, ışık çekirdeklerinin füzyonundan sıcak plazmalar ve hidrojen izotopları formunda enerji elde etmek amacıyla geliştirilmektedir. Herhangi bir materyalden yapılacak bir saklama kabının bu sıcaklığa dayanması imkansız olduğu için, plazmanın manyetik alanlarla sınırlandırılması gerekir (buna "manyetik şişeler" diyebiliriz).

Yüklü parçacıklar, doğada da manyetik alanlar ile sınırlandırılabilir. Çoğunluğu elektron ve proton olmak üzere büyük miktarda yüklü parçacık Dünya etrafındaki büyük kuşaklara dünyanın manyetik alanı tarafından hapsedilmişlerdir. Bu kuşaklar Van Allen Radyasyon Kuşakları olarak bilinir. Dünya'nın sınırlandırıcı manyetik alanındaki değişimler, tutsaklıktan kurtulmuş ve dünya atmosferinde çarpışan yüklü parçacıklardan oluşan kuzey ışıkları gibi muhteşem görüntülere yol açabilir.

Manyetik Alanın Yükle Etkileşimi

Manyetik alan, yüklü bir nesneyle nasıl etkileşir? Eğer yük hareketsizse, bir etkileşim olmaz. Eğer yük hareket ederse, ivmesi ile doğru orantılı bir şekilde artan bir kuvvete maruz kalır. Kuvvet hem hareket yönüne hem de manyetik alanın yönüne diktir. Verilen bir hareket yönü için kuvvet, iki zıt yönde olabilir. Bu belirsizlik verilen yükün işaretini (+ veya -) biliyorsak, çözülebilir. 3. figür, harekete dik manyetik alanda manyetik kuvvetin pozitif ve negatif yüke hangi yönde etki edeceğini gösterir.

Britannica

Manyetik alandaki parçacığın hızının yönü sabit hızlı parçacığın manyetik alanda alacağı yolu belirler. Bu yol dairesel ya da heliks şeklinde olabilir.

Tellerdeki elektrik akımı tek manyetik alan kaynağı değildir. Doğal minerallerden bazıları manyetik özelliklere sahiptir ve bu minerallerin manyetik alanları vardır. Bu manyetik alanlar, materyaldeki atomların elektronlarının hareketi sonucu ortaya çıkmaktadır. Elektronların bireysel dönüşleri ile ilgili olan manyetik dipol momentumu sonucu da ortaya çıkabilirler. Çoğu materyalde çeşitli bileşen atomların rastgele konumlanması sonucu çok zayıf manyetik alan gözlenir ya da hiç gözlenemez. Demir gibi materyallerde ise belli mesafedeki atomlar bir yönde hizalanmıştır.

Mıknatısların oyuncak, buzdolabının üstünde duran kağıt tutucu , elektrik jenaratörlerinde kullanılan temel parçalar ve parçacıkları ışık hızına yaklaşan hızlara getiren makineler olmak üzere geniş bir kullanım alanı vardır. Manyetizmanın teknolojide kullanımı, motor gibi cihazlarda elektrik akımıyla demir ve ferromanyetik maddelerin kullanımıyla artmıştır. Bu materyaller akım tarafından üretilen manyetik alanı kuvvetlendirerek daha güçlü manyetik alanlar yaratır.

Elektrik ve manyetik etkiler, çoğu olgu ve uygulamada ayrı olsalar da, ani zaman dalgalanmalarının varlığında bir araya geldikleri görülmektedir. Faraday'ın indüksiyon kanunu, değişken zamanlı bir manyetik alanın elektriksel alan yarattığını betimler. Elektrik jeneratörü ve transformatör, bu tür bir indüksiyonun önemli uygulamalardandır. Bir jeneratörde manyetik alanın fiziksel hareketi, güç için elektrik üretir. Bir transformatörde ise elektriksel güç, bir devredeki manyetik alanın bir diğerinde akım oluşturmasıyla bir voltaj seviyesine dönüştürülür.

Elektromanyetik dalgaların varlığı elektriksel ve manyetik alanların etkileşimine dayanır. Maxwell, değişken zamanlı elektriksel alanın manyetik bir alan oluşturacağını varsaydı. Teorisinde değişken zamanlı bir alanın diğerini yaratmasından yola çıkarak elektromanyetik dalgaların varlığını öngördü. Örneğin radyo dalgaları, hızlıca salınım yapan akımların antenlere akmasına sebep olan osilatör adı verilen elektronik devreler tarafından üretilir. Değişken manyetik alan ve ona bağlı oluşan bir elektriksel alan vardır. Bu süreç sonunda radyo dalgaları, her yöne doğru etrafa yayımlanır ve antenler tarafından yakalanarak görüntü veya sese dönüştürülebilir.

Çoğu elektromanyetik cihaz, iletkenler ve başka elemanlar içeren devreler olarak tarif edilebilir. Bu devreler el fenerindeki gibi sabit bir akımı ya da değişken zamanlı akımı iletebilir. Devredeki önemli elemanlar; elektromotif kuvvet yaratan güç kaynakları, verilen voltajda akımı kontrol eden dirençler, geçici olarak yük ve enerji depolayan kapasitörler ve sınırlı bir sürede elektriksel enerji depolayan indüktörlerdir. Bu elemanlardan oluşan devreler, cebir kullanarak ifade edilebilir.

Elektriksel alan ($E$) ve manyetik alan ($B$) gibi iki matematiksel vektörel nicelik, elektromanyetik olguları açıklamak için kullanışlıdır. Bunlar alanın bir yüzeydeki akısıdır ve bir çizgi boyunca alanın çizgi integralidir. Yüzey boyunca alanın akısı, alanın yüzeye ne kadar nüfuz ettiğinin ölçüsüdür. Yüzeyin her küçük parçası için akım, o parçanın alanı ile doğru orantılıdır ve parçanın ve alanın göreceli konumuna bağlıdır. Çizgi boyunca çizginin integrali, alanın çizgi ile hizalandığı dereceyi ölçer. Çizginin her küçük bölümü için bölümün uzunluğu ile doğru orantılı ve alanın çizginin o bölümüyle hizalanmasına bağlıdır.

Alan yola dik ise, çizgi integralinin hiçbir katkısı yoktur. Yüzey boyunca $E$ ve $B$ akımları ve yol boyu uzanan bu alanların çizgi integralleri elektromanyetik teoride önemli bir yol oynar. Örneğin elektriksel alanın ($E$) sınırlı bir alanda akısı yüzeyde bulunan yük miktarının bir ölçüsüdür. Manyetik alanın ($B$) sınırlı bir yüzeyden akısı ise her zaman sıfırdır. Çünkü ortada manyetik alanın kaynağı olabilecek manyetik monopoller (tek bir kutup içeren manyetik yükler) yoktur.

Çeşitli Manyetik Alanların Etkileri

Elektrik ve manyetizmanın ayrı olgular iken, sonradan elektromanyetizma olgusu olarak tek çatı altında birleşmesi, birbiriyle yakından ilişkili üç ayrı olay sayesinde gerçekleşmiştir.

1. Bunlardan ilki Hans Christian Ørsted'in kazara elektriksel akımın manyetik bir iğne üzerindeki etkisini keşfetmesidir. Ørsted'n 1820'de gözlemine dayalı yazdığı rapor ile bilim insanlarını manyetik alanların elektrik akımı ürettiğini kanıtlamak için yoğun bir çaba harcamaya teşvik etti.
2. İkincisi ise Faraday'ın değişen manyetik alanın bir devrede akım üretebileceğine dair deneysel kanıtıdır.
3. Üçüncüsü de Maxwell'in değişen bir elektriksel alanın kendisiyle ilişkili manyetik bir alana sahip olduğunu tahmin etmesidir.

Elektriksel güce katkıda bulunan teknolojik devrim, varlığını bu üç dönüm noktasına borçludur.

Faraday'ın İndüksiyon Kanunu

Faraday'ın 1831'de manyetik indüksiyon olgusunu keşfi doğayı anlama ve ondan faydalanma arayışındaki önemli kilometre taşlarındandır. Basitçe açıklamak gerekirse Faraday:

1. bir devrede değişen bir manyetik alanın bir elektromotor kuvveti ürettiğini ve
2. bu elektromotor kuvvetin büyüklüğünün manyetik alanın akısının değişim oranına eşit olduğunu bulmuştur.

Akı, alanın devreye ne kadar nüfuz ettiğinin ölçüsüdür. Elektromotor kuvvet volt ile ölçülür ve aşağıdaki eşitlikle ifade edilir:

$\text{emf}=\frac{-d\Phi }{dt}(1)$

$B$ olarak ifade edilen vektör alanının akısı olan $\varphi$, alanın devreden ne kadar geçtiğinin ölçüsüdür.

Akının anlamını görselleştirmek için, dairesel $A$ alanına yağmurda ne kadar su düşeceğini (veya havadaki bir alandan söz ediyorsak, bu alandan ne kadar suyun geçeceğini) hayal edin. Bu halka, su damlalarına paralel olacak biçimde, yani yağmur damlalarının düşüş yönüne paralel bir biçimde yerleştirildiğinde halkadan tek bir damla su bile geçmez. Halkadan maksimum su geçişi olması için, halkanın yağmur damlalarının hareket yönüne dikey olarak yerleştirilmesi gerekir. Yüzeyi geçen yağmur damlalarının oranı $\rho v$ (burada $\rho$, yağmur damlalarının yoğunluğu ve $v$, suyun hızıdır) ile ifade edilir ve bu, vektör alanın akısına eşittir.

$v$ ve yüzey arasındaki açı, akıyı belirlemede temeldir. $A$ yüzey alanının büyüklüğü, metrekare cinsinden olacak biçimde ve yüzeye dik bir $\mathbf{A}$ vektörü, yüzeyin konumunu belirlemek amacıyla tanımlanır. Yağmur damlalarının yüzeyden geçiş oranı $\rho vcos\theta A$ (burada $\theta$ açısı, $v$ ve $\mathbf{A}$ arasındaki açıdır) ile ifade edilir. Vektör işaretini kullanırsak, akı, $\rho v\cdot \mathbf{A}$ olarak ifade edilir. Manyetik alan için, küçük bir alandaki akı miktarı $B\cdot d\mathbf{A}$ formülünden gelen $d\mathbf{A}$ vektörü ile gösterilir. Tek kat tel içeren bir devre için, telle çevrili tüm yüzeyden katkıları eklediğimizde, eşitliğin manyetik akısını ($\varphi$) elde ederiz. Bu, yukarıda (1) ile gösterdiğimiz denklemdir.

Akıdaki değişim oranı indüklenen elektromotor kuvvetidir. Manyetik akı birimi Weber'dir. 1 Weber ise, metrekare başına 1 Tesla'ya eşittir. (1) numaralı eşitlikteki - işareti, indüklenen elektromotor kuvvetin ve akımın yönünü gösterir. Devredeki indüklenen akım tarafından üretilen manyetik akı toplam akının değişimine karşı koyacak yöndedir. (1) numaralı eşitlikteki - işareti, manyetik sistemler için Lenz'in kanununun bir örneğidir. Rus fizikçi Heinrich Friedrich Emil Lenz tarafından ortaya atılan bu kanun ortaya çıkanın sistemdeki değişikliğe karşı çıktığını gösterir.

Faraday kanunu, manyetik akının değişmesine neden olan süreçten bağımsız olarak geçerlidir. Bir mıknatıs devreye yaklaştırıldığında ya da devre mıknatısa yaklaştırıldığında gerçekleşebilir. 4. figür, iletken bir halkaya yaklaştırılan bir mıknatısı ve indüklenen akım ve alanın yönünü göstermektedir. Bir bakıma Lenz ve Faraday kanunlarını görselleştirmektedir. Başka bir alternatif ise, devrenin boyutunun sabit dış bir manyetik alanda değişmesi ya da alternatif akım üretimi durumunda devrenin manyetik alanda iletken telin sarılmasıyla elde edilmiş bir bobin olmasıdır. İkinci durumda akı zaman içinde sinodiyal olarak değişir.

Britannica

Bir devredeki manyetik akı ($\Phi$), (1) numaralı eşitlikteki Faraday kanununun uygulamalarında dikkatlice incelenmelidir. Örneğin eğer devre, 5 yakın aralıklı sarım içeren bir bobin içeriyorsa ve $\varphi$, bir sarımdaki manyetik akıyı ifade ediyor ise, 5 sarımlı devre için Faraday kanununda şöyle kullanılmalıdır: $\Phi =5\varphi$. Eğer 5 sarım, aynı boyutta ve eşit aralıklı değilse, akıyı ($\Phi$) belirlemek zor olacaktır.

Öz İndüksiyon ve Karşılıklı İndüktans

Bir devrenin öz indüksiyonu, devrenin değişen akıma reaksiyonunu ifade etmede kullanılır. Karşılıklı indüksiyon ise, ikinci bir devrenin diğer devredeki değişen akıma reaksiyonunu anlatmada kullanılır. 1. devrede bir $i_1$ akımı varsa, bu akım, ${\mathbf{B}}_1$ manyetik alanını yaratır. 1. devredeki $i_1$ akımı nedeniyle ortaya çıkan manyetik akı ${\Phi }_{11}$'dir. ${\mathbf{B}}_1$, $i_1$ ile orantılı olduğu için, ${\Phi }_{11}$ ile de orantılıdır. Orantının sabiti devrenin öz indüksiyonudur ve $L_1$ ile gösterilir.

${\Phi }_{11}=L_1\ast i_1(2)$

İndüktans birimi Henry'dir. Eğer ikinci bir devre mevcutsa ${\mathbf{B}}_1$ alanının birazı, ikinci devreye geçecek ve $i_1$'e bağlı olarak ${\Phi }_{21}$ akısı oluşacaktır. Karşılıklı indüktansı ifade etmekte kullanılan $M_{21}$ aşağıda verilmiştir:

${\Phi }_{21}=M_{21}{i}_1(3)$

2. devredeki akıma bağlı olarak ortaya çıkan 1. devredeki manyetik akı ${\Phi }_{12}=M_{12}{i}_2$ ile ifade edilir. Karşılıklı indüktansın önemli bir özelliği, $M_{21}=M_{12}$ olmasıdır. Bu nedenle iki devredeki karşılıklı indüktansı belirtmek için, alt simgeleri de kullanmak yerine sadece $M$ simgesini kullanmak yeterli olacaktır.

İki devredeki karşılıklı indüktans değeri $+\sqrt{L_1{L}_2}$ ve $-\sqrt{L_1{L}_2}$ arasındadır ve devreler arası akı bağlantısına bağlıdır. Eğer iki devre birbirlerinden çok uzaktaysalar ya da bir devrenin alanı diğer devreye manyetik akı sağlamıyorsa, karşılıklı indüktans değeri sıfırdır. İki devredeki karşılıklı indüktans değerinin maksimum değeri, artan benzerlikte uzamsal (İng: "spatial") biçimleri olan $\mathbf{B}$ alanları üreten iki devreninki kadardır.

Eğer değişim oranı, (2) numaralı eşitliğin her iki tarafındaki terimler için zaman ile birlikte düşünülseydi, sonuç $d{\Phi }_{11}/dt=L_{1}d{i}_1/dt$ olurdu. Faraday'ın kanununa göre $d{\Phi }_{11}/dt$ değeri, indüklenen elektromotor kuvvetinin negatifidir. Eşitliğin sonucu çoğunlukla bir alternatif akım devresindeki tek indüktör için kullanılır.

$\text{emf}=-L\frac{di}{dt}(4)$

Öz indüksiyon olgusunu ilk fark eden Amerikalı bilim insanı Joseph Henry'dir. Henry, akımı büyük bakır bobinlerle keserek, büyük ve inanılmaz elektrik arkları yaratabilmiştir. Bobinden sabit bir akım geçmekteyken, manyetik alandaki enerji $\frac{1}{2}-L{i}^2$ olarak verilmiştir. İndüktans ($L$) ve akımın ($i$) her ikisi de büyük ise, ortaya çıkan enerji miktarı da büyüktür.

Eğer devre bıçak anahtarı gibi bir eleman ile kesilmişse, akım ve bobindeki manyetik akı azalır. (4) numaralı eşitlik, bobinde indüklenen elektromotor kuvvetini ve anahtarın iki ucundaki büyük potansiyeli tanımlar. Bobinin manyetik alanında depolanan enerji anahtarın uçları arasındaki boşluktaki bir elektrik arkında ısı ve radyasyon olarak yayılır. Elektromıknatıslar için kullanılan süperiletken, tel üretimlerindeki teknolojik gelişmeler sayesinde birkaç Tesla'lık büyük manyetik alanlar oluşturan büyük mıknatıslar manyetik alandaki gibi geçici olarak elektriksel enerji depolamada kullanılabilir. Bu elektriksel gücün kullanımındaki kısa süreli dalgalanmalarla başa çıkmak için yapılır.

Bir transformatör, maksimum karşılıklı indüksiyonla devreleri kullanan bir cihazdır. 5. figür, tipik bir transformatörün görüntüsüdür. Bir transformatör, ince izole edilmiş bir demir çerçeve ve onun etrafında sarılmış ve yalıtılmış iletken tellerden oluşur. Tabakalar demirdeki Eddy akımlarını minimize ederler. Eddy akımları, değişen manyetik alan tarafından demirde indüklenen dolaşımsal (İng: "circulatory") akımlardır. Bu akımlar, istenmeyen bir yan etki olan demirin ısınmasına yol açar.

Britannica

Transformatörde enerji kaybı daha ince tabakalar kullanılarak azaltılabilir. Daha geniş kesitli ve yumuşak (düşük karbonlu) demir ve tel ya da düşük dirençli iletkenler içeren birincil ve ikincil devreler buna örnek olabilir. Maalesef ısı kaybını azaltmak transformatörlerin fiyatını arttırmaktadır. Gücü iletmek ve dağıtmak için kullanılan transformatörler çoğunlukla %98-99 oranında etkilidir Eddy akımları transformatörlerde bir problem teşkil etse de, vakumdaki nesneleri ısıtmada oldukça kullanışlıdır. Eddy akımları, nesnede yüksek frekanslı bir alternatif akım taşıyan bobinle, onu çevreleyen iletken olmayan bir vakum kutusu ile ısıtılması için indüklenir.

Bir transformatörde demir tüm manyetik alan ($\mathbf{B}$) çizgilerinin her iki devreden de geçmesini sağlar. Hatta tüm manyetik akı demir ile sınırlandırılmıştır. İletken bobindeki her sarım, aynı manyetik akıya sahiptir. Bu nedenle her bobin için toplam akı bobindeki sarım sayısı ile doğru orantılıdır. Eğer sinodiyal olarak değişen elektromotor kuvvetinin kaynağı bir bobine bağlı ise ikinci bobindeki elektromotor kuvveti:

${\text{emf}}_2={\text{emf}}_1\times \frac{N_2}{N_1}(5)$

$N_1$ ve $N_2$ bobinlerdeki dönme sayısı olmak üzere, $N_2/N_1$ oranına bağlı olarak transformatör alçaltıcı ya da yükseltici olabilir. Güvenlik nedeniyle, elektriksel gücün üretimi ve tüketimi düşük voltajlarda yapılır. Belirli miktarda güç için iletim yolunda akım çok daha düşük olduğundan yükseltici transformatörler elektriksel güç iletilmeden önce yüksek voltajları korumak için kullanılır. Bu enerji kaybı iletkenlerin ısınmaya dirençli olmasıyla minimize edilir.

Faraday'ın kanunu enerji endüstrisi ve mekanik enerjinin elektriksel enerjiye dönüştürülmesi için temel sağlar. Manyetik indüksiyonu keşfinden 10 yıl sonra 1821'de Faraday pusula iğneleri etrafında dönen elektrik telleri ile deneyler yaptı. Akım taşıyan bir telin mıknatıslanmış bir iğne etrafında dönmesini ve mıknatıslanmış bir iğnenin akım taşıyan bir tel etrafında döndürülmesini içeren bu çalışma elektrik motorunun geliştirilmesi için bir temel oluşturdu.

Değişen Elektriksel Alanların Etkileri

Maxwell'in değişen bir elektriksel alanın bir manyetik alan ürettiğini öngörmesi, kesinlikle onun sahadaki ustalığını gösterir. Maxwell'in elektromanyetik alan eşitlikleri, şimdiye kadar elektrik ve manyetizma hakkında bilinen tüm şeyleri ve boşlukta $1/\sqrt{{ϵ}_0{\mu }_0}$ hızında yol alabilen dalgaların tahmin edilen varlığını birleştirmiştir. Bu hız, yalnızca elektriksel ölçülerle ortaya çıkarılmış sabitlere dayanır ve ışık hızına eşittir. Bu sayede Maxwell, ışığın kendisinin elektromanyetik bir olgu olduğu sonucuna varmıştır. Sonrasında Einstein'ın Özel Görelilik Teorisi, ışık hızının ışık kaynağının hareketinden bağımsız olduğunu öne sürdü. O günden bugüne ışık hızı daha büyük doğruluk payı ile ölçülmektedir. 1983'te ışık hızı, tam olarak 299,792,458 m/s olarak belirlendi. Saniyeleri ölçmede kullanılan sezyum saatiyle beraber, ışık hızı uzunluk için yeni bir standart haline geldi.

6. figürdeki devre, değişen elektriksel alan tarafından üretilen manyetik alana bir örnektir. 6A figüründe paralel levhalar içeren bir kapasitör, uzun ve düz kablolardan akan sabit akımla yüklenmektedir.

Britannica

Amaç, 6A figüründeki telin etrafındaki yol (İng: "path" veya kısaca $P$) için Ampère'in manyetik alanlar için devresel kanununu uygulamaktır. Fransız fizikçi André-Marie Ampère'in adıyla anılan bu kanun bir akım tarafından oluşturulan manyetik alan için kurulmuş Biot ve Savart eşitliğinden türetilebilir. Ampère'in kanunu, vektör kalkülüs notasyonunu kullanılarak, akımın ($i$) etrafını saran kapalı bir yoldaki integralin, yani $\oint \mathbf{B}\cdot d\mathbf{l}$ integralinin ${\mu }_{0}i$'ye eşit olduğunu işaret eder.

Unutmayın, integral aslında bir toplamdır ve $\oint \mathbf{B}\cdot d\mathbf{l}$ ifadesi, $Bcos\theta dl$ işleminin tüm döngü dahil olana kadar yolun kısa parçalarının eklenmesidir. $dl$ yolunun her parçasında $\theta$, $\mathbf{B}$ ve $d\mathbf{l}$ arasındaki açıdır.

Ampère'in kanunundaki akım ($i$) kapalı yol ile çevrili herhangi bir yüzeydeki akım yoğunluğunun ($\mathbf{J}$) toplam akısıdır. 6A figüründe kapalı yol $P$ olarak etiketlenmiş ve S1 yüzeyi yol ($P$) ile çevrilidir. S1'deki tüm akım yoğunluğu, iletken tele bağlıdır. Akım yoğunluğunun toplam akısı, telden akan akımdır ($i$). S1 yüzeyi için sonuç yol ($P$) bölgesindeki telin etrafındaki manyetik alanın değerini yansıtır. 6B figüründe yol ($P$) aynıdır ama S2 kapasitörün iki levhası arasından geçer. Yüzeydeki akım yoğunluğunun toplam akısı da $i$ olmalıdır. Oysaki S2 yüzeyinde yükler hareketsizdir. Yol ($P$) için integral ($\oint \mathbf{B}\cdot d\mathbf{l}$) değeri hem ${\mu }_{0}i$ hem de sıfır olamaz.

Maxwell'in bu ikilemi çözmek için yer değiştirme akımı (${\mathbf{J}}_d$) denen, S₂ yüzeyindeki toplam akı S₁ yüzeyindeki $i$ ile aynı yapacak başka bir akım yoğunluğu olduğunu ileri sürdü. ${\mathbf{J}}_d$, S₂ yüzeyi için yük hareketi ile ilişkilendirilen akım yoğunluğunun ($\mathbf{J}$) yerini alabilecektir. Çünkü $\mathbf{J}$ kapasitörün levhaları arasında yük olmadığı için, değeri 0'dır.

Akım ($i$) varken, levhalar arasında neler olmaktadır? Levhalar arasındaki elektriksel alan zamanla artar çünkü levhalar arasındaki yük miktarı da zamanla artar. Eğer akım durursa levhalar yüklü olduğu sürece arada bir elektriksel alan vardır ama tel etrafında manyetik alan yoktur. Maxwell, yeni akım yoğunluğu tipinin elektriksel alanın değişimiyle ilişkili olduğuna karar verdi.

${\mathbf{J}}_d=\frac{d\mathbf{D}}{dt}(6)$

Burada $\mathbf{D}={ϵ}_0\mathbf{E}$ şeklinde ifade edilir ve $\mathbf{E}$, levhalar arasındaki elektriksel alandır. Madde mevcutken, bu eşitlikteki $\mathbf{D}$ alanı, polarizasyon etkilerini dahil etmek için modifiye edilir. Sonuç, $\mathbf{D}={ϵ}_0\mathbf{E}+\mathbf{P}$ olur. Burada $\mathbf{D}$ alanı, metrekare başına Coulomb ile ölçülür. Yer değiştirme akımının Ampère'in yasasına eklenmesi, değişen elektriksel alanın manyetik alan kaynağı olabileceğini söyleyen Maxwell'in fikirlerini yansıtır. Maxwell'in öngörülerini takip eden Alman fizikçi Heinrich Hertz, 1887'de elektromanyetik dalgalar üreterek, radyo iletişimi devrini başlatmıştır.

Maxwell'in elektromanyetik teorisinin 4 eşitliği aşağıda verilmiştir:

$\text{div}\mathbf{D}=\rho (7)$

$\text{div}\mathbf{B}=0(8)$

$\text{curl}\mathbf{E}=-\frac{d\mathbf{B}}{dt}(9)$

$\text{curl}\mathbf{H}=\mathbf{J}+\frac{d\mathbf{D}}{dt}(10)$

Burada $\mathbf{D}={ϵ}_0\mathbf{E}+\mathbf{P}$ ve $\mathbf{H}=\frac{\mathbf{B}}{{\mu }_0}-\mathbf{M}$ ile ifade edilir. Buradaki:

• İlk eşitlik, Coulomb'un iki yük arasındaki kuvvetler için ters kare yasasını baz alır. Sınırlı bir elektriksel alanın akısının yüzey tarafından tutulan toplam yük ile ilişkili olduğunu söyleyen Gauss yasasının bir formudur.
• İkinci eşitlik doğada manyetik monopol olmamasına dayanır. Eğer manyetik monopoller var olsaydı manyetik alanların nokta kaynakları olurlardı.
• Üçüncüsü ise değişen bir manyetik alanın elektriksel alan oluşturduğunu ortaya koyan Faraday'ın manyetik indüksiyon yasasının bir ifadesidir.
• Dördüncü ise yer değişimi akımını dahil etmek için Maxwell tarafından genişletilmiş Ampère'in yasasıdır. Bir manyetik alanın elektrik akımıyla olduğu gibi değişen elektriksel alanla da bağlantısı olduğunu ifade eder.

Maxwell'in dört eşitliği, elektromanyetik teorinin tamamlanmış bir tanımıdır. Işığın bir elektromanyetik dalga olduğunu keşfetmesi, optiğin elektromanyetizmanın bir parçası olarak anlaşılabilmesini sağladı. Maxwell'in eşitlikleri sadece mikroskopik şartlarda kuantum etkilerinin dahil edilmesiyle modifiye edilmeye ihtiyaç duyar. Bu modifikasyon Kuantum Elektrodinamiği (QED) olarak bilinir ve bazı atomik özelliklerin 100 milyonda bir mertebesinin üzerinde bir isabetlilikle bilinmesinden sorumludur.

Bazen cihazları dış kaynaklı elektromanyetik alanlardan korumak gerekir. Bir statik elektriksel alan için bu kolaydır. Cihaz, bakır gibi iyi bir iletkenle çevrelenir. Cihazları sabit bir manyetik alandan korumak daha zordur; çünkü sonsuz manyetik geçirgenliğe ($\mu$) sahip maddeler mevcut değildir. Örneğin yumuşak demirden yapılmış bir zırh, içerideki manyetik alanı azaltır; ancak sıfırlayamaz. Ters yöndeki alanları çakıştırarak zayıf alan bölgesi yaratmak mümkündür ve daha sonra yüksek manyetik geçirgenliğe ($\mu$) sahip bir madde ile daha da yüksek koruma sağlanır. Elektromanyetik dalgaların girişkenliği radyasyonun frekansına ve ortamın elektriksel iletkenliğine bağlıdır. Büyüklük (İng: "amplitude") açısından $1/e$ kadar, yani yaklaşık $1/3$ düzeyinde azalmaya sebep olması için kat edilmesi gereken derinlik olarak bilinen tabaka derinliği ($\delta$), şöyle ifade edilir:

$\delta =\sqrt{\frac{2}{\omega {\mu }_0{\delta }_J}}$

Yüksek frekansta tabaka derinliği azdır. Bu nedenle elektronik mesajları deniz suyunda iletirken, yüzeyden uzak sinyalin anlamlı bir parçasını almak için düşük frekans kullanılır.

Metal bir zırhta delikler olmasına rağmen, zırh işlevsel olabilir. Örneğin tipik bir mikrodalga fırın 12 santimetre dalga boyuna denk olan 2.5 gigahertz frekansa sahiptir. Mikrodalga fırın kapılarındaki metal zırh, 2 milimetre çapında delikler içerir. Zırh sorunsuz bir şekilde çalışır çünkü mikrodalga radyasyonu deliklerin boyutundan daha büyüktür. Aynı zırh daha kısa bir dalga boyu kullanıldığında işlevini yitirir. Görünür ışık ise zırh içindeki deliklerden geçer ve mikrodalganın içindekileri görmemizi sağlar.

Tarihsel İnceleme

Elektriksel ve manyetik kuvvetler uzun zamandır bilinmekte ama yüzyıllardır ayrı olgular olarak tanımlandılar. Manyetizma ilk olarak 13. yüzyılda deneysel olarak incelenmeye başlandı. Manyetik pusulanın özellikleri bu olgu hakkında merak uyandırdı. Elektriğe dair sistemik araştırmalar elektriksel yük ve akım üretebilecek cihazlar icat edilene kadar yapılamadı. Ucuz ve kullanması kolay elektrik kaynakları ulaşılabilir olduğunda bilim insanları deneysel bilgi ve teorik taslak hazinesi yarattı. Teknoloji geliştikçe; manyetizma ve elektrostatik, elektriksel akımlar ve iletim, elektrokimya, manyetik ve elektrik indüksiyonu, elektrik ve manyetizma arası ilişki ve elektriksel yükün doğası hakkında çalışmalar yaptılar.

İlk Gözlemler ve Uygulamalar

Antik Yunan, manyetit ve sürtünme ile yüklenen kehribarın çekici kuvvetinden haberdardı. Demirin manyetik bir oksidi olan manyetitin Teselya (Thessaly), Magnezya'da (Magnesia) çıkarılmış olduğu MÖ 800 yılında Yunan arşivlerinde geçmektedir. Ülkemiz topraklarında yer alan Milet'e yakın bir bölgede yaşayan Thales, manyetik kuvvet üzerine çalışan ilk Yunan olabilir. Thales, manyetitin demiri çektiğini ve sürtünme ile elektriklenmiş kehribarın (Yunanların "ēlektron" adını verdiği fosil ağaç reçinesi), tüy gibi hafif nesneleri çekebildiğini biliyordu.

De Rerum Natura (Nesnelerin Doğası Üzerine) şiirini yazan Romalı Lucretius'a göre mıknatıs (magnet) kelimesi Magnesia'dan türetilmişti. Plinius'a göre ise kelime mineralin kaşifi olan çoban Magnes'ten geliyordu. Plinius, şöyle anlatıyor:

Sürüyü otlatırken ayakkabılarındaki çiviler ve değneğinin ucu bu mineralin yarattığı manyetik alanda takılı kalırmış. Manyetiti bu şekilde keşfetmiş.

Manyetizmanın en eski uygulaması pusuladır ama kökeni bilinmemektedir. Bazı tarihçiler milattan önce 26. yüzyılda Çin'de kullanıldığını iddia ederler, bazıları ise İtalyanlar ya da Araplar tarafından icat edildiğini ve sonrasında milattan sonra 13.yüzyıl civarında Çinlilerin de kullandığını iddia ederler. Avrupa'da ilk kullanımı ise İngiliz Alexander Neckam sayesindedir.

Manyetizma ile ilgili ilk deneyler Fransız bir haçlı ve mühendis olan Peter Peregrinus tarafından yapılmıştır. Peregrinus Epistola de magnete'te (Mıknatıs Üzerine Mektup, 1269) ince dikdörtgen demir bir levhayı küre şeklinde bir manyetit ya da mıknatıs taşı üzerine koyduğunda levhanın oluşturduğu çizgiyi işaretlediğini anlatır. Çizgiler taşın iki zıt ucundan geçen bir grup boylam ve meridyenleri oluşturmuştur ve Dünya yüzeyindeki kutuplarda çakışan boylam çizgilerine benzerdir. Peregrinus bu analojiye dayanarak uçları kutup olarak adlandırmıştır. Bir mıknatıs küçük parçalara ayrıldığında her parçanın iki kutba sahip olduğunu da belirtmiştir. Ayrıca zıt kutupların birbirini çektiğini ve güçlü bir mıknatısın zayıf bir mıknatısın kutuplarını tersine çevirebileceğini belirtmiştir.

Modern Bilimde Elektrik ve Manyetizmanın Çıkış Noktası

Elektrik ve manyetizmanın modern biliminin kurucusu I. Elizabeth ve I. James'in her ikisine de fizikçi olarak hizmet etmiş Wiliam Gilbert'tir. Gilbert, 17 yılını manyetizma ve elektrikle ilgili deneyler yaparak geçirdi. Deneylerinden elde ettiği sonuçları ve hali hazırda bilinenleri 1600 yılında yayınlanan Treatise De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure'de (Mıknatıs, Manyetik Cisimler ve Dünya'nın Büyük Mıknatısı) derledi. Başlıktan da anlaşılacağı üzere, Gilbert Dünya'yı büyük bir mıknatıs olarak tanımladı. Sürtünmeyle yüklenmiş iki cisim arasındaki kuvveti elektrik olarak adlandırdı ve gündelik yaşamda kullandığımız çoğu materyalde sürtünme ile elektriklenmenin görülebildiğini gösterdi. Ayrıca manyetizma ve elektrik arasındaki temel ayrımları belirtti. Manyetik cisimler arasındaki kuvvet cisimleri birbirlerine göre hizaya getirmeye yatkındır ve aralarındaki cisimlerden çok etkilenmez. Elektriklenmiş cisimler arasındaki kuvvet ise aralarındaki maddeden fazlasıyla etkilenir ve cisimler arası itme ya da çekme kuvvetidir. Gilbert bir cismin sürtünmeyle elektriklenmesine nemi azaltarak ve cismin etrafında sadece bir effluvium (atmosfer) bırakarak katkıda bulunuyordu.

Öncü Çalışmalar

17 ve 18. yüzyıllarda daha iyi yük kaynaklarının ortaya çıkmasıyla elektriksel etkileri konu alan çalışmalar popüler hale geldi. Elektriksel kıvılcım yaratan ilk makine bir Alman fizikçi ve mühendis olan Otto von Guericke tarafından 1663'te üretildi. Guericke'nin elektrik jeneratörü demir bir şaft üzerine konmuş kükürt küresinden oluşuyordu. Küre bir elle döndürülürken diğer elle ovuluyor, sürtünme ile elektriklenmiş küre zeminden hafif cisimleri çekiyordu.

Britannica

İngiliz kimyacı Stephen Gray elektriğin akabileceğini keşfetmiştir (1729). Ucu mantar ile kapatılmış cam tüp ovulduğunda mantarların elektriklendiğini fark etti. Ayrıca ipek kordonlarla desteklenmiş 150 metre civarındaki kenevir ipe elektrik iletti ve metal kablolarla elektriği daha da uzağa iletti. Gray, elektriğin her yere aktığı sonucuna vardı.

18. yüzyılın ortalarından 19. yüzyılın başına kadar bilim insanları, elektriğin sıvı olduğunu düşündüler. 1733'te Fransız kimyacı Charles François de cisternay DuFay elektriğin iki sıvıdan oluştuğunu iddia etti: "vitreous" (Latince "cam") ya da pozitif elektrik ve "resinous" ya da negatif elektrik. DuFay, cam bir çubuğu elektriklendirdiğinde yakınındaki mantar parçalarını çekiyordu. Çubuk mantar parçalarına dokunduğunda ise mantar parçaları birbirini itiyordu. DuFay bu olguyu şöyle açıkladı:

Madde her iki sıvıdan eşit miktarda içerdiği için nötrdür. Maddedeki sıvılar sürtünme ile ayrıldığında ise madde diğer maddelere çekebilir ya da itebilir.

Leyden Kavanozunun İcadı

1745'te ucuz ve makul bir elektik kıvılcımı kaynağı Hollandalı matematikçi ve fizikçi Pieter van Musschenbroek tarafından icat edildi. Daha sonra Leyden kavanozu olarak adlandırılan cihaz büyük miktarda elektriksel yük depolayabilen ilk cihazdı. Leyden kavanozu, su ile dolu küçük bir cam şişe ve büyük miktarda yük depolayabilen kalın iletken bir kablodan oluşuyordu. Kablonun bir ucu şişenin ağzındaki mantarın içinden geçmekteydi. Leyden kavanozu bu dışarıda kalan kablonun ucunun statik elektrik üreten bir sürtünme cihazı ile temas etmesiyle yükleniyordu.

Britannica

Musschenbroek'in cihazının ortaya çıkmasından sonra bir yıl içinde İngiliz hekim ve bilim insanı William Watson Leyden, kavanozunun daha gelişmiş bir versiyonunu yaptı. Yük depolama kapasitesini arttırmak için kavanozun içini ve dışını alüminyum folyoyla kapladı. Watson, 1747'de Thames nehri boyunca uzanan bir kablo ile cihazında oluşturduğu bir elektrik kıvılcımını iletti.

Leyden kavanozu elektrostatik çalışmalarında devrim yarattı. Kısa zamanda elektrisyenler, Avrupa'da Leyden kavanozları ile elektriğin gücünü göstererek para kazanmaya başladılar. Çoğunlukla elektrik şoklarıyla hayvanları öldürüyorlar ya da bir kablo ile göl ve nehirlere yük iletiyorlardı. 1746'da Fransa'da fiziği popülerleştiren fizikçi Abbé Jean-Antoine Nollet, Kral 15. Louis'in önünde bir Leyden kavanozundaki yükü 180 kraliyet muhafızından oluşan zincire akım göndererek boşalttı. Başka bir gösterisinde Nollet, demir bir kablo ile 1 kilometreden uzun bir sıra Şartrö rahibini bağlamış, Leyden kavanozundaki yük boşalırken tüm rahiplerin aynı anda havaya sıçradığı gözlenmiştir.

Benjamin Franklin matbaasını, gazetesini ve yıllığını zamanını elektriksel deneyler yaparak geçirmek için sattı. Franklin, 1752'de bir fırtına sırasında, ipek bir uçurtma uçurarak şimşeğin elektrik iletiminin bir örneği olduğunu kanıtladı. Bir anahtara bağlı ıslak sicim ile bir buluttan yük topladı ve bunu Leyden kavanozuna aktardı. Biriken yükü deneylerinde kullandı. Franklin, yük korunumu (izole bir ortamda yüklerin net toplamı sabittir) olarak bilinen kanunu ortaya koymuştur. Watson gibi, DuFay'ın iki-sıvı teorisine karşı çıkmıştır. Franklin, elektriğin bir sıvının iki hali olduğunu söylemiştir. Büyük miktarda sıvı içeren bir madde "artı"dır ya da pozitif yüklüdür. Normalden az miktarda sıvı içeren madde ise "eksi"dir ya da negatif yüklüdür. Franklin'in elektrik bilimini yaklaşık 100 yıl boyunca domine eden tek sıvı teorisi temelde doğrudur; çünkü çoğu akım hareket eden elektronlardan oluşur. Ancak temel parçacıklar hem pozitif hem negatif yük bulundururlar ve bu durum, özünde DuFay'ın iki sıvı teorisini de doğru yapar.

Britannica

İngiliz fizikçi Joseph Priestley, elektriğe ait elimizde bulunan tüm bilgiyi Tarih ve Elektriğin Güncel Durumu (1767) adlı kitabında özetlemiştir. Franklin'in deneylerini tekrarlamıştır. Elektriklenmiş metal bir kaba küçük şişe mantarları bırakmış ve bu mantarların çekme ya da itmeye maruz kalmadıklarını fark etmiştir. Kabın içinde yük olmayışı Priestley'ye Newton'un kanunu olan boş bir kürenin içinde kütle çekiminin olmayışını hatırlatmıştır. Buna dayanarak Priestley, elektrik yükleri arasındaki kuvvetin kanununun kütleçekim kanunu ile aynı olduğunu düşünmüştür. Kalitatif ve betimleyici terimlerle ifade edilseler de, Priestley'nin kanunları bugün hala geçerlidir. 1767 ve 19. yüzyılın ortaları arasında elektrik ve manyetizma kantitatif ve kesin bilim dalları haline gelirken bu kanunların matematiksel modelleri de geliştirilmiştir.

Elektrostatik ve Manyetostatiğin Kantitatif Yasalarının Formüle Edilmesi

Charles-Augustin de Coulomb, 18. yüzyılın ikinci yarısında elektriğin matematiksel bir bilim haline getirmek için önemli çalışmalar yaptı. Priestley'nin betimleyici gözlemlerini elektrostatik ve manyetostatiğin basit kantitatif yasalarına dönüştürdü. Ayrıca elektriksel kuvvet için matematiksel bir teori geliştirdi ve 100 yıl boyunca elektrik deneylerinde kullanılacak olan burulma terazisini (İng: "torsion balance") icat etti. Coulomb, teraziyi değişen uzaklıklarda manyetik kutuplar ve elektriksel yükler arasındaki kuvveti ölçmede kullandı. 1785'te elektrik ve manyetik kuvvetin kütle çekiminde olduğu gibi mesafenin karesiyle ters orantılı olarak değiştiğini gösteren kantitatif kanıtlarını gösterdi. Coulomb'un yasasına göre eğer iki yüklü cisim arasındaki mesafe ikiye katlanırsa kuvvet 4 kat azalmalıdır. İngiliz fizikçi Henry Cavendish ve İskoçya'dan John Robinson da aynı prensibe ulaşmış ancak çalışmalarını yayınlamamışlardır.

Fransız matematikçi Siméon-Denis Poisson ve Alman matematikçi Carl Friedrich Gauss, Coulomb'un çalışmalarını 18. yüzyılda ve 19. yüzyılın başında devam ettirmişlerdir. Poisson'un eşitliği (1813'te yayınlanmış) ve yük korunumu kanunu tüm elektrostatik kanunlarının iki çizgisini de içinde bulundurur. Sabit manyetik alanlarla ilgili olan manyetostatik teorisi de Coulomb'un teorisinden geliştirilmiştir. Manyetostatik, manyetik potensiyel kavramını elektriksel potansiyelin analogu olarak kullanır.

Michael Faraday, Priestley'nin çalışmalarını geliştirmiş ve ters kare kanununu doğrulayan bir deney yapmıştır. Faraday'ın deneyi metal bir buz kovası ve altın yapraklı bir elektroskop içeren elektriksel yük üzerine yapılan ilk kantitatif deneydi. Faraday'ın döneminde altın yapraklı elektroskop bir cismin elektriksel yükünü belirlemede kullanılıyordu. Bu alet metal bir kutu içinde yalıtılmış bir metal çubuk ve ona bağlı iki ince altın yapraktan ibaretti. Çubuk yüklendiğinde yapraklar birbirini iter ve aralarındaki mesafe yükün miktarı hakkında fikir edinmede kullanılırdı. Faraday deneyine yalıtkan ipek iple sarılı metal bir topu yükleyerek başlardı. Daha sonra elektroskobu yalıtkan bir blok üstünde duran metal kovaya bağlar ve yüklü topu kovaya yavaşça koyardı. Elektroskopta okunan değer top kovaya yaklaştırıldıkça artar ve top kovanın içindeyken sabit bir değere ulaşırdı. Top kovaya dokundurulmadan çekildiğinde elektroskoptaki değer 0'a düşerdi. Ancak top kovanın dibine dokunduğunda okunan değer sabit değere eşit olurdu. Topun çekilmesi sonucu top tamamen yükünü boşaltmış olurdu.

Faraday, top, kovanın içindeyken ve ona temas etmezken kovanın dışında üretilen elektriksel yükün topun başlangıçtaki yüküne eşit olduğu sonucuna vardı. Sonra kovaya kükürt gibi maddelerle yalıtılmış iki ayrı eş merkezli kovalar gibi farklı nesneler yerleştirdi. Tüm deneylerde elektroskopta okunan değer topun tamamen kovanın içinde olduğu an okunan değerle aynıydı. Faraday, buna dayanarak sistemin toplam yükünün bağımsız bir nicelik olduğu ve topun başlangıç yüküne eşit olduğu sonucuna vardı.

Günümüzde yükün korunumunun temel bir özellik olduğu, hem Faraday ve Franklin'in yaptığı deneylerle hem de elektrik mühendisliği, kuantum elektrodinamiği ve deneysel elektrik alanlarında yapılan gözlemlerle doğrulanmıştır. Faraday'ın çalışmalarıyla elektrostatik teorisi tamamlanmıştır.

Britannica

Elektrokimya ve Elektrodinamiğin Temelleri

Pilin Gelişimi

Pilin icadı 1800'lerde elektrik akımı ve elektrokimya teorilerindeki büyük gelişmelerle mümkün olmuştur. Bunun sonucunda hem teknoloji hem de bilim hızlıca gelişti. Bazı bilim insanları bu hızlı gelişme nedeniyle 19. yüzyıla elektrik devri adını verdi.

Pilin gelişimi, Luigi Galvani'nin biyolojik deneylerinde gerçekleşen bir kazanın sonucudur. Bologna Bilim Akademisi'nin anatomi profesörü Galvani, balık ve diğer hayvanlardaki elektrik ile ilgileniyordu. Bir gün parçalara ayrılmış (İng: "dissected") bir kurbağada kasılmalara neden olan elektrostatik makinedeki elektriksel kıvılcımları fark etti. Galvani, bu olgunun atmosferik elektriğin bir ürünü olduğunu düşündü; çünkü benzer etkiler, şimşek çakarken de gözlenmişti. Daha sonra bir parça metalin kurbağanın sinir ve kası arasında bağlantı kurduğunda kasın kasıldığını keşfetti. Galvani bazı metallerin bu etkiyi yaratmada diğerlerinden daha etkili olduğunu fark etse de metalin bir sıvı taşıdığı sonucuna vardı. Bu sıvıyı ise sinirden kasa aktarılan hayvan elektriği (İng: "animal electricity") olarak tanımladı. Galvani'nin 1871'de yayınlanan gözlemleri pek çok karşıt fikir ve spekülasyon yarattı.

Pavia Üniversitesi'nden fizikçi Alessandro Volta; görme, tatma ve dokunma duyularının elektrikle uyarılması üzerine çalışmalar yapıyordu. Volta, dilinin üzerine bir madeni para koyup farklı bir metalden yapılmış bir madeni parayı da dilinin altına koyduğunda ve onları metal bir telle bağladı. Madeni paraların tadı tuzluydu. 1796'da tuzlu suya batırılmış bir mukavva parçasını dili yerine kullandığında da akım üretebildiğini görene kadar Volta, Galvani gibi hayvan elektriği üzerine çalıştığını düşünüyordu. Volta, bu etkinin metal ve nemli bir cismin temasından kaynaklandığı sonucuna vardı.

1800'de gümüş tabakalar, nemli mukavva ve çinko içeren iki ucunda farklı metaller bulunan Voltaik pili üretti. Gümüş ve çinkoyu metal bir telle birleştirdiğinde, elektrik telden akıyordu. Volta pilin etkisinin statik elektrik etkisine denk olduğunu onayladı. 20 yıl içinde galvanizm kesin olarak statik elektrikle bağlantılı hale geldi. Daha da önemlisi Volta'nın buluşu, sürekli elektrik akımı için bir kaynak sağladı. Bu ilkel akü formu, Leyden kavanozundan daha küçük bir voltaj üretiyordu ama kullanması daha kolaydı çünkü tekrar yüklenmesi gerekmiyordu ve sabit bir akım sağlıyordu.

Britannica

Galvin ve Volta arasındaki anlaşmazlık, bilim insanlarını da iki gruba böldü. Galvin, Almanya'dan Alexander von Humboldt tarafından desteklenirken, Fransız fizikçiler ve Coulomb, Volta'nın tarafındaydılar.

Volta'nın raporunun yayınlanmasını takip eden 6 hafta içinde William Nicholson ve Anthony Carlisle elektrolizi (elektrik akımının kimyasal bir reaksiyon ürettiği süreç) keşfetmek için kimyasal bir akü kullandılar ve elektrokimya alanını kurdular. Deneylerinde hidrojen ve oksijeni sudan ayırmak için bir voltaik pil kullandılar. Pilin iki ucunu pirinç tellere tutturdular ve zıt uçları tuzlu suyun içine yerleştirdiler. Tuz, suyu bir iletken haline getirdi. Telin bir ucunda hidrojen gazı birikirken diğer uç oksidasyona uğramıştı. Nicholson ve Carlisle, akım tarafından salınan hidrojen ve oksijenin miktarının akım miktarıyla doğru orantılı olduğunu fark ettiler.

1809'da İngiliz kimyacı Humphry Davy sodyum, potasyum, kalsiyum, stronyum, baryum ve magnezyum gibi bazı yüksek derecede aktif metalleri sıvı çözeltilerinden elde etmek için daha güçlü bir pil kullandı. Davy'nin asistanı Faraday, elektroliz üzerine kantitatif olarak çalıştı ve bir gram maddeyi bileşenlerinden ayırmak için gereken enerji miktarının maddenin atomik kütlesi ile orantılı olduğunu ortaya koydu. Elektroliz elektrik akımını ölçmek için kullanılan bir yöntem haline geldi ve bir elementin bir gram atomik kütlesini ayıran yük miktarı, "Faraday" olarak adlandırıldı.

Bilim insanları, bir pil ile akım yaratabildikleri an elektrik akımını kantitatif bir şekilde inceleyebildiler. Pil sayesinde Alman fizikçi George Simon Ohm, 1827'de 50 yıl önce Cavendish'in sadece kalitatif olarak yaklaşabildiği bir problemin (bir materyalin elektriği iletme yeteneği) üzerinde kantitatif olarak çalışabildi. Bu çalışma (bugün Ohm Kanunu olarak biliyoruz), yük akımına direncin iletken çeşidine, uzunluğuna ve çapına nasıl bağlı olduğunu açıklamayı başardı. Ohm'un formüllerine göre iletkenden geçen bir akım potansiyel farkla(voltajla) doğru orantılı ve direnç ile ters orantılıdır; bunu, $i=V/R$ ile ifade ederiz. Bir telin uzunluğu iki katına çıkınca, direnci de ikiye katlanır. Kesit alanı ikiye katlandığında ise telin direnci yarıya düşer. Ohm Kanunu, muhtemelen elektrik tasarımında kullanılan en yaygın eşitliktir.

Elektromanyetik Olgunun Teorik ve Deneysel İncelemesi

Fiziksel bilimlerin gelişmesindeki en önemli noktalardan biri Hans Christian Ørsted'in 1820'de elektrik akımlarının manyetik etkiler yarattığını duyurmasıdır. Ørsted, bu keşfi fizik öğrencilerine ders verirken yaptı. Akım taşıyan bir teli bir pusula iğnesinin yanına koydu ve iğnenin hareketi ilgisini çekti. Ørsted'in tesadüfi keşfi, elektrik ve manyetizmanın ilişkili olduğunu gösteriyordu. Keşfi, Faraday'ın keşfi ile birlikte James Clerk Maxwell'in birleştirici elektromanyetizma teorisine ve modern elektroteknolojiye temel oluşturdu.

Ørsted'in deneyi, elektrik akımların manyetik etkileri olduğunu gösterdiğinde bilim insanları akımlar arasında manyetik kuvvetler olması gerektiğini düşündü. Anında kuvvetler üzerine çalışmaya başladılar. Fransız fizikçi François Arago, 1820'de elektrik akımının demir tozunu tel etrafında daireler çizecek şekilde organize etmesini gözlemledi. Aynı yıl başka bir Fransız fizikçi olan André-Marie Ampère, Ørsted'in gözlemlerini kantitatif açıdan geliştirdi. Ampère, elektrik akımı taşıyan iki paralel telin mıknatıslar gibi birbirini itip çektiğini gözlemledi. Eğer akımlar aynı yönde ise teller birbirini çekiyor, ters yönde ise birbirini itiyordu.

Ampère, akım nedeniyle oluşan kuvvetin yönünü sağ el kuralı ile ifade etti. Aynı zamanda elektrik akımları arasındaki manyetik kuvvetlerin kanunlarını deneysel ve kantitatif olarak kurdu. İç elektrik akımlarının mıknatıslardan ve demir gibi mıknatıs haline getirmenin kolay olduğu (İng: "highly magnetizable") maddelerden sorumlu olduğunu iddia etti. Arago ile, elektrik akımı geçen tel ile sarılmış çelik bir iğnenin daha güçlü bir mıknatıs haline geldiğini ortaya koydu. Küçük bobinlerle yapılan deneyler, büyük mesafelerde böyle iki bobin arasındaki kuvvetlerin iki çubuk mıknatıs arasındakine benzer olduğunu ve bir bobinin kuvvetlerde değişikliğe yol açmadan aynı boyutta bir mıknatısla değiştirilebileceğini göstermiştir. Bu eş mıknatısın manyetik momenti bobinin boyutlarıyla, sarım sayısıyla ve akımla belirlenir.

İngiltere'den William Sturgeon ve Amerika'dan Joseph Henry, Ørsted'in keşfini 1820'lerde bir elektromıknatıs geliştirmek için kullandılar. Sturgeon, U şekilli bir demire 18 kez bakır bir tel sardı. Akım verdiğinde demir kendi kütlesinin 20 katını kaldırabilecek bir elektromıknatıs haline geldi. Akım kesildiğinde demir, artık bir mıknatıs değildi. Henry, kısa devreyi engellemek için yalıtılmış telle Sturgeon'un çalışmasını 1829'da tekrarladı. 100'lerce sarımla Henry, bir ton demiri kaldırabilecek bir elektromıknatıs elde etti.

Ørsted'in deneyi akıllara şöyle bir soru getiriyor: Manyetizma, başka bir devrede akım yaratabilir mi? Fransız fizikçi Augustin-Jean Fresnel'ye göre, metalik bir heliks içindeki çelik çubuk heliksten akım geçirilerek mıknatıslanabiliyorsa, çubuk mıknatıs da helikste bir akım yaratabilmeliydi. Yıllarca böyle bir akım tespit edilemedi. Ya deney yapanlar bu akımı kazara gözden kaçırdı ya da dikkate değer görmedi.

Faraday'ın Elektriksel İndüksiyonu Keşfi

19. yüzyılın elektrik ve manyetizma alanında en iyi deneysel fizikçi olan Faraday, bir mıknatısın elektrik üretebileceğini kanıtlamak için yıllar boyunca çalışmıştır. 1831'de yumuşak demirden yapılmış bir halkanın karşılıklı iki tarafına sarılmış iki bobin kullanarak bunu kanıtlamayı başarmıştır.

Bir pile bağlı ilk bobinden bir akım geçtiğinde demir halka mıknatıslanır. İkinci bobin ilk devredeki herhangi bir akımdan etkilenmeyecek uzaklıkta bir pusula iğnesine uzanır. İlk devre çalıştırıldığında Faraday, pusula iğnesinin bir anlığına sapmasını ve hızlıca orijinal konumuna geri dönmesini gözlemiştir. Birincil akım kesildiğinde, benzer bir sapmanın ters yönde gerçekleştiğini görmüştür. Bu gözlemden faydalanarak başka deneyler tasarlayan Faraday, birinci bobinin manyetik alanındaki değişikliklerin ikinci bobinde akım oluşturduğunu göstermiştir.

Faraday, elektromıknatısı açıp kapatarak ya da Dünya'nın manyetik alanında bir elektrik kablosunu hareket ettirerek elektrik akımının hareket eden bir mıknatıs tarafından da indüklenebileceğini göstermiştir. Birkaç ay içinde Faraday, ilk ilkel elektrik jenaratörünü ortaya çıkarmıştır.

Henry, elektrik indüksiyonunu 1830'da bağımsız bir şekilde keşfetmiştir; ancak çalışmaları, Faraday'ın çalışmaları kadar kapsayıcı değildir ve sonuçlarını Faraday'ın 1831'deki çalışmalarını görene kadar yayınlamamıştır. 1832 temmuzunda yayınladığı makalesinde Henry, öz indüksiyonu doğru bir şekilde yorumlamıştır. Uzun heliks şeklinde bir iletkenin pille bağlantısını keserek büyük elektrik arkları yaratmıştır. Devreyi çalıştırdığında akımdaki ani düşüş pilin bağlantı uçları ve tel arasında büyük bir potansiyel fark oluşmasına neden olmuştur. Tel ucu pilden çıkarıldığında akım pil ucu ve tel arasında parlak bir ark olarak bir süre akmaya devam etmiştir.

Britannica

Faraday'ın fikri, elektrik ve manyetik kuvvetlerin çizgileri bağlamında mümkündür. Mıknatısların, elektrik yüklerinin ve elektrik akımlarının kuvvet çizgileri oluşturduğunu hayal etmiştir.

Üzerinde demir tozu olan ince bir kağıdın altına bir mıknatıs koyduğunda mıknatısın bir ucundan diğer ucuna bir zincir oluşturduğunu görebilmişti. Bu çizgilerin kuvvetlerin yönlerini gösterdiğine ve elektrik akımının aynı çizgilere sahip olacağına inanıyordu. Yarattıkları gerilim mıknatıs ve elektriksel yüklerin çekim ve itimini açıklıyordu. Faraday manyetik eğrileri indüksiyon deneyleri yaparken görselleştirdi ve notlarına şunu yazdı:

Demir tozları tarafından belirginleştirilen manyetik kuvvet çizgilerinden manyetik eğriler olarak bahsettim.

Faraday, yaygın görüş olan indüksiyonun mesafede gerçekleşmesi fikrine karşı çıktı. Bitişik parçacıkların hareketi nedeniyle indüksiyonun kuvvet eğrileri boyunca gerçekleştiğini savundu. Daha sonra elektrik ve manyetizmanın elektriksel ya da manyetik alan gibi ortamlarda iletildiğini açıkladı.

Faraday; elektrik, manyetizma ve fiziğin diğer alanlarını sentezleyen bir çalışma ortaya koyan ilk araştırmacı değildi. Kıta Avrupası'nda özellikle de Almanya'da bilim insanları elektrik, manyetizma ve optik arasında matematiksel bağlantılar kuruyordu. Franz Ernst Neumann, Wilhelm Eduard Weber ve H. F. E. Lenz'in çalışmaları, bu döneme aittir. Aynı zamanda Helmholtz ve İngiliz fizikçi William Thomson (daha sonra da Lord Kelvin) ve James Prescott, elektrik ve diğer enerji formaları arasındaki ilişkiyi inceliyorlardı.

Joule, 1840'larda elektrik akımı ve ısı arasındaki kantitatif ilişkiyi inceledi ve iletkenlerde elektrik akımının getirdiği ısınma etkisi teorisini formüle etti. Helmholtz, Thomson, Henry, Gustav Kirchhoff ve Sir George Gabriel Stokes da iletkenlerde elektrik etkilerinin iletim ve yayılımı teorisini geliştirmişlerdir. 1856'da Weber ve Alman meslektaşı Rudolf Kohlrausch, elektrik ve manyetik birimlerin oranını belirledi ve ışıkla aynı boyutlara sahip olduğunu ve neredeyse hızına eşit olduğunu gördü. 1857'de Kirchhoff bu buluşu elektriksel bozunumların (electric disturbances) yüksek derecede iletken bir telde ışık hızıyla yayıldığını göstermede kullandı.

Britannica

Maxwell'in Birleştirici Elektromanyetizma Teorisi

Elektrik ve manyetizmayı tek bir teoride birleştirmede son adımlar Maxwell tarafından atıldı. Faraday'ın çalışmalarından çokça etkilenmiş olan Maxwell çalışmasına Faraday'ın deneysel bulgularını matematiksel modellere çevirerek başladı. Burada şunu vurgulamakta fayda var: Faraday, matematik üzerine bir eğitim almamıştır!

1856'da Maxwell'in geliştirdiği teoriye göre elektromanyetik alandaki enerji sadece iletkenlerin içinde değil, etrafında da mevcuttur. 1864'e kadar kendi elektromanyetik ışık teorisini formüle etti. Bu teoride ışık ve radyo dalgalarının elektriksel ve manyetik olgular olduğunu öne sürdü. Faraday manyetik alanlardaki değişimlerin elektriksel alanlar yarattığını keşfetti. Maxwell, bunun üzerine ekledi: Elektriksel alanlardaki değişimler, elektrik akımı olmadığında bile manyetik alanlar yaratmaktadır.

Maxwell, boşlukta seyahat eden elektromanyetik bozunumların (İng: "electromagnetic disturbances") yarattığı elektriksel ve manyetik alanların birbirine dik olduğunu ve her iki alanın da dalganın yönü ile dik açı yaptığını söylemiştir. Dalgaların sabit ve ışık hızında hareket ettiği ve ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğu sonucuna varmıştır. Maxwell'in radikal fikirleri, 1886'da Alman fizikçi Heinrich Hertz elektromanyetik dalgaların ışık hızında seyahat ettiğini onaylayana kadar pek kabul görmemişti.

Maxwell'in yukarıda verdiğimiz dört ayrı alan eşitliği, klasik elektromanyetik teorisinin zirvesini temsil eder. Daha sonraki geliştirmeler maddenin atomik yapısının elektromanyetizma ile ilişkisiyle ya da Maxwell eşitliklerin pratik ve teorik sonuçlarıyla ilgilenmiştir. Formülleri görelilik devrimine ve kuantum mekaniğine karşı koymuştur. Eşitlikleri, atom boyutundan 100 kat küçük olan 10^-10 santimetre gibi mesafelerde bile doğruluğunu korumuştur. Elektrodinamik olarak bilinen elektromanyetizma ve kuantum teorilerinin birleşimi, sadece küçük mesafeler için gereklidir.

19. yüzyıl boyunca elektriksel ve manyetik olgularla ilgilenen genel geçer teorik aktivite aralarındaki ilişkiyi çözmeye adanmış olsa da, bazı bilim insanları madde ve ısının yeni özelliklerini keşfetmek için bunları kullandı. Ampère'in metallerde moleküler seviyede içsel akımlar olabileceği fikri Weber tarafından geliştirildi. Moleküler mıknatıslar farklı yönleri gösterdiğinde bir maddenin nasıl manyetik özelliklerini kaybedebileceğini açıkladı. Dış bir kuvvet etkisi altında tümü kuvvet yönünü gösterebilir. Bu gerçekleştiğinde maksimum mıknatıslanma derecesine ulaşılmış ve madde manyetik doyuma (İng: "magnetic saturation") ulaşmıştır. 1895'te Pierre Curie bir ferromanyetik maddenin belli bir derece üzerinde manyetik özelliğini yitirdiğini keşfetti. 1900'de Alman fizikçi Heike Kammerlingh-Onnes süper iletkenliği keşfetti. Süper iletkenlikte iletkenler dirençlerini düşük sıcaklıklarda kaybederler.

Elektronun Keşfi ve Bu Keşfin Sonuçları

Maxwell'den sonra 19. yüzyılda elektromanyetik teori daha önemli bir konum gelmesine rağmen, 1898'de elektronun keşfi bambaşka bir çalışma alanı yarattı: Elektrik yükünün doğası ve maddenin kendisi.

Elektron, vakum tüplerde elektrik akımı üzerine yapılan çalışmalar sırasında keşfedildi. Bir cam üfleyici olarak Alman fizikçi Julius Plücker'in çalışmasında yer alan Heinrich Geissler, 1854'te vakum tüpünü geliştirdi. 4 yıl sonra Plücker, iki elektrodu tüp içine mühürledi, havayı boşalttı ve elektrodlar arasındaki elektrik akımını zorladı. Tüp duvarında gözlenen yeşil parıltının katottan yayılan ışınlar olduğunu düşündü.

Bu andan yüzyılın sonuna kadar, katot ışınının özellikleri pek çok bilim insanının çalışma konusu oldu. İngiliz fizikçi Sir William Crooke'un 1879'daki çalışması parlaklığın elektrik akımının bir özelliği olduğunu gösteriyordu. Crookes, ışınların yüklü parçacıklardan oluştuğu sonucuna vardı. 1898'de başka bir İngiliz fizikçi Sir J. J. Thomson, bir katot ışınını her biri bir hidrojen iyonundan 1/1836 kat küçük kütleye sahip negatif yüklü parçacıklar nehri olarak tanımladı. Thomson'un keşfi yükün parçacık doğasını ortaya çıkardı. Bu parçacıklar daha sonra elektron olarak adlandırılacaktı.

Elektronun keşfinden sonra elektromanyetik teori maddenin atomik, atom-altı ve çekirdek-altı yapısı hakkındaki teorilerin ayrılmaz bir parçası oldu. Odaktaki bu kayma, sıcak cisimlerdeki radyasyonu açıklamada elektromanyetik teori ve statik mekanik arasındaki kördüğümün bir sonucudur.

Termal radyasyon, Almanya'da fizikçi Wilhelm Wien tarafından 1890 ve 1900 arasında incelenmiştir. Wien, tüm termodinamik kaynaklarını bu problemi çözmeye çalışırken tüketmiştir. Lord Rayleigh (John William Strutt) ve Sir James Hopwood Jeans, 1900'de statik mekaniğin yeni geliştirilmiş ilkelerini bu problemi çözmek için uyguladılar. Wien'in termodinamik ile aldığı sonuçlarla kısmen örtüşen sonuçlar aldılar.

Alman fizikçi Max Planck, statik ve termodinamik yaklaşımları kaynaştırmayı denedi. Deneysel bilgileri uyumlu hale getirme gerekliliğine odaklanarak, Wien'in termodinamik kriterleri ile örtüşen ve deneysel bilgi ile bağdaşan deneysel bir yasa ortaya çıkardı. Planck, bu yasayı Rayleigh'nin statik kavramına göre yorumladığında, frekans radyasyonunun (İng: "radiation of frequency") sadece enerji kuantasında (İng: "quanta of energy") olabileceğini söyledi. Planck, 1900'de yeni bir evrensel sabiti ($h$) bilim dünyasına kazandırırken, elde ettiği sonuçlar kuantum mekaniğinin temellerini attı ve fiziksel teoride köklü değişikliklere sebep oldu.

1900'e gelindiğinde Thomson'un elektronu maddenin evrensel bir bileşeni olarak görülüyordu. Bunun sonucunda 20. yüzyılın başında çoğu fizikçi metallerin, yalıtkanların ve manyetik maddelerin elektromanyetik özellikleri hakkında teoriler üretmeye çalıştı. 1909'da Hollandalı fizikçi Hendrik Antoon Lorentz, Işık ve Termal Radyasyon Olgusunda Elektronlar ve Kullanımları Teorisi'nde (The Theory of Electrons and Its Applications to the Phenomena of Light and Radiant Heat) bunu başardı.

Özel Görelilik Teorisi

Elektromanyetik teorideki kavramsal gelişmelerden biri de özel görelilik teorisidir. Maxwell'in döneminde, Evren'e bakış açısı mekanikti. Ses, eter adı verilen bir ortamda dalgalı hareket olarak yorumlanıyordu. Etere görece hareket eden bir gözlemcinin ışık hızı ölçümü, hareketinden etkilenebilir miydi?

Albert Abraham Michelson ve Edward W. Morley, 1887'de Dünya üzerinde havasız ortamda ışığın Dünya'nın eter üzerindeki hareketinin yönünden bağımsız olarak sabit bir hızı olduğunu gözlemledi. Lorentz ve Fransız fizikçi Henri Poincaré, 1900 ve 1904'te Michelson ve Morley'nin vardığı sonuçların Maxwell'in eşitlikleriyle uyumlu olduğunu gösterdi. Lorentz ve Poincaré, hipotetik bir eter üzerinde cismin hareketinin önemsiz olduğu bir görelilik teorisi geliştirdiler. Poincaré, teoriyi Görelilik Prensipleri olarak adlandırdı. Planck, 2 yıl sonra Relatif Dinamik Formulasyonu'nu yayınladı.

Özel Görelilik Teorisi'nin en genel formulasyonu ise, 1905'te Albert Einstein'ın elinden çıkmıştır ve o günden beri adıyla anılmaktadır. Einstein, ışık hızını kaynağın hareketinden bağımsız ve sabit kabul edip, Newton yasalarının nasıl yeniden düzenlenmesi gerektiğini gösterdi. Maxwell, elektrik ve manyetizmayı bir teoride birleştirirken onları iki ayrı olgu olarak görüyordu. Einstein bunların aynı olgunun iki yönü olduğunu gösterebilmiştir.

Maxwell'in eşitlikleri, özel görelilik teorisi, maddenin elektronik yapısı ve kuantum mekaniğinin formulasyonu 1930'dan önce ortaya kondu. Bazı atomik özelliklerin hesaplanmasındaki minik uyuşmazlıkları kısmen çözen kuantum elektrodinamikleri teorisi, 1945 ile 1955 arasında geliştirildi. Bu teori sayesinde bir elektronun manyetik momentinin hesaplamasındaki doğruluk payı, New York ve Los Angeles arasındaki mesafenin bir saç teli genişliğindeki hata payı düzeyinde ölçülebilmesiyle karşılaştırılabilir. Bunun sonucunda kuantum elektrodinamikleri bir fiziksel olguya dair ortaya atılan teorilerden en net ve tamamlanmış olanıdır. Teori ve gözlem arasındaki uyum onu eşsiz kılmaktadır.

Elektromanyetik Teknolojinin Gelişimi

Elektromanyetik teknoloji, 1831'de Faraday'ın indüksiyonu keşfi ile ortaya çıkmıştır. Değişen bir manyetik alanın elektrik akımı ürettiğini keşfetmesi mekanik enerjinin elektriksel enerjiye dönüştürülebileceğini gösterdi. Elektriksel güç üretimine temel sağladı ve dinamo ve elektrik motorunun icadına öncülük etti. Faraday'ın bulguları aydınlatma ve ısıtma sistemleri için de önemli bir rol oynadı.

Elektrik endüstrisi kuruluş yıllarında büyük ölçekli elektrik üretimi problemi ile savaştı. Faraday'ın keşfinden bir yıl sonra Paris'te bir mıknatısın bobinler etrafında döndürülmesiyle elektrik üreten küçük bir jeneratör görüldü. 1833'te bobinleri sabitlenmiş bir mıknatısın oluşturduğu alanda döndüren modern düzenlemeleriyle İngiliz modeli jeneratör ortaya çıktı. 1950'de ise jeneratörler ticari olarak bir çok ülkede üretiliyordu. Sabit mıknatıslar, 1866'da kendini uyaran (İng: "self-excited") jeneratörler keşfedilene kadar jeneratörlerde manyetik alan üretmek için kullanılıyordu. (Kendini uyaran jeneratörler jeneratörün kendisi tarafından beslenen elektromıknatıslar kullandığı için daha güçlü manyetik alanlar oluşturur.)

1870'de Belçikalı üretici Zénobe Théophile Gramme, devamlı akım sağlayabilen pratik bir jeneratör icat etmiştir. Eğer bobinler demir armatüre gömülü olursa manyetik alanın daha etkili olacağı görülmüştür. bugün hala kullanılmakta olan gömülü armatür 1880'de İsveçli Jonas Wenström tarafından icat edilmiştir. Faraday'ın 1831'deki alternatif akım transformatörü prensibi keşfi güç transferi için doğru akım ya da alternatif akım kullanımı tartışmalarının ortaya çıktığı 1880'lerin sonlarına kadar pratiğe dökülmemiştir.

Başlangıçta elektriksel gücün günlük kullanımında düşünülen ark aydınlatmasıydı (iki elektrot arasında iletilen elektrik kıvılcımından çıkan parlak ışık). Ark lambası, ev kullanımı için çok güçlüydü bu nedenle kullanımı deniz fenerleri, tren istasyonları ve dükkanlarla sınırlandırıldı. 1840'larda icat edilen akkor filament lambasının ticari gelişimi akkor hale geldiğinde erimeyecek bir filament bulunana ve uygun bir havası alınmış tüp yapılana kadar ertelendi. 1865'te icat edilen cıva pompası, yeterli bir vakum sağlamış ve 1870'lerde İngiliz fizikçi Sir Joseph Wilson Swan ve Amerikan buluşçu Thomas Edison birbirinden bağımsız olarak gerekli karbon filamenti geliştirmişlerdir. 1880'de her ikisi de akkor lambaları için patent başvurusu yaptılar ve aralarındaki dava 1883'te ortak bir şirketin kurulmasıyla çözülebildi. Akkor lamba sayesinde 1900'lerin başında aydınlatma şehir hayatının bir parçası haline geldi. 1900'lerin başında ortaya çıkan Tungsten filamentli lamba ilkel lambanın yerine geçti. Daha sonra ise yerini daha etkili olan floresan gaz deşarj lambasına ve LED'lere bıraktı.

Elektrik motorunun geliştirilmesi elektrik alanında önemli bir yer tutar. Elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren bu makine mutfak gereçleri, ofis ekipmanları, endüstriyel robotlar ve hızlı ulaşım araçlarının da dahil olduğu geniş bir alanın ayrılmaz bir parçası haline geldi. Elektrik motor prensibi Faraday tarafından 1821'de ortaya konmuş olsa da ticari olarak kullanımı ancak 1873'te görülebilmiştir. Aslında Nikola Tesla tarafından geliştirilen ilk önemli alternatif akım motoru, Amerika Birleşik Devletleri'nde 1888'e kadar görülmedi. Tesla, motorlarını, doğru akım motorları Almanya ve İskoçya'da trenlerde kullanılmaya başlanmasından birkaç yıl sonra Westinghouse Elektrik Şirketi ile birlikte üretmişti. 19. yüzyılın sonunda elektrik motoru, modern şeklini aldı. Sonraki geliştirmeler, radikal fikirler içermiyordu. Yine de daha iyi tasarımlar, armatür, manyetik ve temas halindeki materyaller daha küçük, ucuz ve verimli motorların üretimine katkı sağladı.

Modern iletişim endüstrisi, elektriğin en mükemmel ürünlerine erişebildi. Kablolar ve basit elektrokimyasal ya da elektromekanik alıcılar içeren telgraf sistemleri, 1840'larda Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri'nde yayıldı. 1865'te kullanışlı bir kablo Manş Tüneli altına yerleştirildi ve bir yıl sonra bir çift transatlantik kablo da başarıyla yerleştirildi. 1872'de neredeyse tüm büyük şehirler telgraf ile birbirine bağlanmıştı.

Britannica

Alexander Graham Bell, Amerika'da ilk telefonun patentini alan kişi oldu. Birkaç yıl sonra da ilk kamusal telefon servisleri çalışmaya başladı. 1895'te İngiliz fizikçi Sir Ernest Rutherford, Hertz'in radyo dalgaları ve iletilen radyo sinyalleri alanlarındaki bilimsel araştırmalarını derinleştirmiştir. 1901'de İtalyan fizikçi ve buluşçu Guglielmo Marconi, 300 ve 3000 metre dalga boyunda radyo dalgalarını kullanarak Atlantik'te kablosuz iletişimin temellerini attı. 1920'lerde radyo yayınları başladı.

Britannica

Radyo dalgalarıyla telefon iletişimi, sesin elektriksel kaydı ve üretimi ve televizyon triod tüpünün gelişimiyle mümkün oldu. Amerikan mühendis Lee de Forest tarafından icat edilmiş bu 3 elektrotlu tüp, elektrik sinyallerinin amplifikasyonunu mümkün kıldı. Audion olarak bilinen bu cihaz elektronik endüstrisinin gelişiminde önemli bir rol oynadı.

Radyo sinyalleriyle ilk telefon görüşmesi, 1915'te Arlington Virginia'dan Eyfel Kulesi'ne yapıldı. New York ve Londra arasında 1927'de bir ticari radyo telefonu servisi hizmete açıldı. Bu dönemde alanda büyük gelişmelere neden olan çalışmalar eğlence sektöründe radyo ve fonograf ve film endüstrisinde ses kullanımı ile ilgiliydi. İngiltere'de gelişmelerden biri hareketli resimler yayınlayabilmekti. Hatta İkinci Dünya Savaşı'ndan hemen önce British Broadcasting Corporation (kısaca BBC), ilk kamusal televizyon servisini hizmete açmıştı. Bugün elektromanyetik spektrumun çoğu bölgesi iletişim için kullanılmaktadır.

1939'a kadar elektronik endüstrisi çoğunlukla iletişim ve radyo yayınları ile ilgileniyordu. 1930'larda İngiltere, Almanya, Fransa ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki bilim insanları ve mühendisler hava araçlarını tanıyabilen radarlar ve uçaksavar yangın kontrolü gibi alanlarda çalışmaya başlamışlardı. İkinci Dünya Savaşı sırasında ve sonrasında ancak kimya alanında görülebilmiş gelişmelere imza attı. Televizyon yaygınlaştı ve bir sürü yeni cihaz ve sistem üretildi. Bunlardan en önemlisi elektronik dijital bilgisayardır.

20. yüzyılın son yarısındaki elektronik devrimi transistörün icadı ve entegre devre gibi gelişmelere gerçekleşebildi. Devre elemanlarındaki bu küçülme ve entegrasyon elektronik ekipmanların boyutunun küçülmesini ve bu cihazların ucuzlamasını sağladı.

Gelecek, elektrik konusunda neler getirecek? Hep birlikte göreceğiz.