Ödüllü Soru Elektromanyetik dalgalar oluşmak için neden ivmeli hareket eden yüklü bir parçacığa ihtiyaç duyuyorlar?

Elektromanyetik dalga kavramı ilk olarak James Clerk Maxwell tarafından ortaya atılmış ardından Heinrich Hertz tarafından doğrulanmıştır. Maxwell elektrik ve manyetik alanların dalga benzeri yapılarını ve simetrilerini açığa çıkaran alan dalga formu denklemleri elde etmiştir. Maxwell, ışığın ölçülen hızının, dalga denklemlerinden çıkan EM dalgaları hızları ile çakışık olmasından dolayı ışığı da bir elektromanyetik dalga olarak kabul etmiştir. Maxwell'in denklemlerine göre, hareketsiz bir elektrik yükü etrafında bir elektrik alan oluşturur. İvmeli hareket eden bir elektrik yüküyse oluşturduğu elektrik alana ek olarak manyetik alan oluşturur. Bu alanlar birbirlerine dik olarak salınırlar ve EMR oluşur.

Maxwell denklemlerine göre, Elektromanyetik dalga asıl olarak bir yükün bir doğrultuda ivmeli salınım hareketi (harmonik hareket) yapması sonucu oluşur. Faraday'ın Elektrik alan teorisinde, durgun bir yükten uzayın her yönüne elektrik alan kuvvet noktacıkları saçılır, bu noktacıklar aynı yükten belli doğrultularda peşi sıra saçıldıkları için elektrik alan kuvvet noktacıkları birleşerek bir doğru halini alırlar, bu doğrulara elektrik alan kuvvet çizgileri yayılır.

Şimdi sayfa düzlemindeki bir durgun pozitif yükü ele alalım. Bu pozitif yükü, sayfa düzlemini dik kesen bir doğrultuda, önce sayfa düzleminden içeri doğru sonra da sayfa düzleminden dışarı yönde ivmelenecek şekilde, sürekli bu sırayla giden bir harmonik hareket yaptırırsak, yükten çıkan elektrik alan kuvvet noktacıklarının yükten ayrıldıkları konum sürekli değişeceğinden, yukarı aşağı salınım hareketi yapan yükten peşi sıra saçılan noktacıklar bu sefer bir dalgasal hareket görüntüsü oluşturacak şekilde bir yörüngede yükten uzaklaşmış olurlar.Sonuçta durgun veya sabit hızda hareket eden bir yükten elektrik alan kuvvet çizgileri yayılırken; salınım yapan bir yükten elektrik alan kuvvet dalgası yayılır denir.

Yine bu pozitif yük harmonik hareket yaptığı için, ivmeli olarak sayfa düzlemine göre yukarı aşağı salınım hareketi yapan bu pozitif yük, Maxwell denklemlerine göre uzaydaki elektrik alanın değerinin ivmeli bir şekilde değişimine neden olur ve yine Maxwell denklemlerine göre uzayın elektromanyetik eylemsizliği nedeniyle, ivmeli olarak sırayla artan ve azalan elektrik alanı dengelemek amacıyla uzay tarafından oluşturulan manyetik alan kuvvet çizgilerinin şiddeti de harmonik olarak artar ve azalır, böylece manyetik alan kuvvet çizgilerinin şiddeti de bir dalgasal hareket görüntüsü oluşturmuş olur. Pozitif yük salınım yaparken hareket yönü sürekli değiştiği için yükten yayılan elektrik alan kuvvet dalgasına daima dik yönde olan manyetik alan kuvvet dalgası da sırasıyla bir düzlemden içeri ve aynı düzlemden dışarı olacak şekilde yön değiştirecektir. Böylece elektrik alan dalgasının yayılım düzlemine dik düzlemde ve elektrik alan dalgasının yayıldığı düzlemden içeri ve dışarı salınım hareketi yapan bir manyetik alan kuvvet dalgası oluşacaktır. Bu da bir elektromanyetik dalga olan ışığın yapısıdır. Sonuç olarak, "salınım yapan her yükten elektromanyetik dalga (radyasyon) saçılır" denir. James Clerk Maxwell bunu matematiksel olarak kanıtlayan ilk bilim adamıdır. Manyetik alan ve elektrik alanı kuvvet noktacıklarının yükten salındıktan sonra yükten uzaklaşarak uzayda hareket etmeleri, vakum uzayda ışık hızıyla(c) gerçekleşir. Bu nedenle elektrik ve manyetik alan kuvvet noktacıklarının birlikte olup dalgasal bir hareket yaptığı elektromanyetik radyasyonun hareket hızı vakum uzayda ışık hızıdır ve elektromanyetik dalgaların yayılım hızı, uzaydaki hızı ne olursa olsun her gözlemci için aynı hızdadır. Bu bilgi üzerinden A.Einstein, görelilik teorilerini oluşturmuştur. Bu teorilerde ışık hızına yakın hızlarda hareket eden bir cisim için göreli olarak zamanın yavaş aktığını, cismin içerisindeki taneciklerin hareketinin yavaşladığını, bu nedenle cisme uygulanacak herhangi bir kuvvetin cismi daha az ivmelendireceğini, yani hızlanan cisimlerin kuvvete karşı direncinin artacağını bu nedenle teorik olarak hızlanan cisimlerin kütlesinin artması gerektiğinden tutun da her cismin bir iç enerjisinin mc2 kadar olduğuna dek birçok evrensel kanun bulunmuştur. Bunların hepsinin hareket noktası ışık hızının sabit olduğunu ifade eden Maxwell denklemleridir. İvmelenemeyen,yani sabit hızla hareket eden veya durağan olan bir yüklü parçacık,elektromanyetik dalga üretemez;çünkü elektrik ve manyetik alanlarında zamanla değişim olmaz.

Faraday'a göre bir yükten her doğrultuda peşi sıra elektrik alan kuvvet noktacıkları saçılır ve birleşerek elektrik alan kuvvet çizgilerini oluşturular, uzayın her yönüne yayılarak elektrik alan kuvvetini oluşturmuş olurlar. Maxwell denklemlerine göre uzay hem elektrik alan yönünden ve manyetik alan yönünden (elektromanyetik) olarak eylemsizlik kuralını sergiler. Yani, sayfa düzlemi üzerinde sabit hızla hareket eden bir elektronu ele alalım, elektronun hareket yönündeki uzay parçasında herhangi bir konumda elektrik alan kuvvet çizgilerinin yoğunluğu arttığı için, uzay kendi iç enerjisiyle bir bu artış etkisine tepki vererek, elektronun kendi üzerine hareketine karşıt olan bir negatif yük akımı oluşturur, böylece uzaklaşan negatif yükler artan elektrik alan kuvvet çizgilerinin yoğunluğunu azaltarak, elektronun hareketinden kaynaklanan artışı dengelemeye çalışarak bir eylemsizlik sağlamış olur. Buna uzayın elektromanyetik eylemsizliği denir. Bu karşıt yönlü negatif yük akımıyla oluşan manyetik alan da elektronun hareket yönünün sağında sayfa düzleminden içeri, solunda sayfa düzleminden dışarıdır. Bu durum sağ el kuralına göre oluşan manyetik alan kuvvet çizgilerinin yönünü verir. Teoriye göre, uzay kendi eylemsizliği adına, yük akımları ve manyetik alanlar oluşturabilecek bir iç enerjiye sahiptir. Manyetik alan kuvvet çizgileri daima elektrik alan kuvvet çizgilerine dik olan bir düzlemde oluşmak zorundadır.