Elektromanyetik Dalgalar Nedir, Nasıl Oluşur?
son birkaç haftadır rf haberleşmesi üzerine araştırmalar yaparken; radyo dalgaları, mikrodalgalar, haliyle de elektromanyetik dalgaların nasıl oluştuğunu merak ettim. bu yazıda, öğrenildiğinde ufku iki katına çıkarmayan bir bilgiyi, ama en azından, evrenin bir fenomeninin -elektromanyetik dalgaların- nasıl oluştuğunu/üretildiğini anlatmaya çalışacağım.
toplanın. başlıyoruz...
"elektromanyetik dalgalar, temelde, elektrik ve manyetik alanın birbirini indüklemesi ile oluşurlar" dersek; teorikte yanlış, pratikte doğru söylemiş oluruz.
elektromanyetik dalgaların nasıl oluştuğu sorusunun en temeldeki cevabı: elektrik alan veya manyetik alandaki değişim. tabii, elektromanyetik dalgaya sadece bu değişim sebep olmaz, örneğin bir elektron ve onun antiparçacağı olan pozitron çarpışırsa iki gama ışını üreterek yok olurlar. bu şekilde de elektromanyetik dalga oluşmuş olur.
aşağıda elektromanyetik spektrum görülmekte
yukarıdaki gösterimden de anlaşıldığı üzere, elektromanyetik tayf oldukça büyük. bizim bu aralıktan görebildiğimiz –görünür bölge-- kısmın ise ne kadar küçük bir alanı işgal ettiği çok rahatlıkla görülebilmekte. modern insanın arayışı ve yaptığı tüm teknolojik gelişmeler, sadece bu görülebilir alanı genişletme üzerine. benzer bir durum, hapsolmuş olduğumuz duyulabilir ve algılanabilir daracık alanlar için de geçerli.
yukarıdaki gösterimden şunu da çıkarımsayabiliriz: frekans arttıkça dalga boyu kısalır ve taşıdığı enerji artar. işte gama ışınları da enerjisi en yüksek dalgalardandır.
güncel atom modelimizde iki tür yapı taşı tanımlı: fermiyon ve bozon. fermiyonlar madde taşıyıcısı, bozonlar ise kuvvet taşıyıcılarıdır. fermiyonlara, kuarkları ve leptonları, haliyle de proton ve elektron’u örnek verebiliriz. 3 tane kuark bir proton’u oluştururken, elektron ise bir lepton’dur.
bozon’a örnek olarak foton ve graviton verilebilir. bozonlar, 4 temel kuvveti oluşturan parçacıklardır. bu kuvvetler malum: güçlü nükleer, zayıf nükleer, kütleçekim ve elektromanyetik kuvvetleridir. ama genel görelilik’te kütleçekim bir temel kuvvet değildir ve uzay-zaman ile yer değiştirir.
bir bozon olan elektron’un eksi yüklü olduğunu biliyoruz. modern fizik, bir elektron’un neden eksi yüke sahip olduğunu, dolayısıyla neden sabit bir büyüklüğün sürekli aktif bir alan üretiyor olmasını (açıklayamıyor). cph teorisi (creative particles of higgs theory) ile quantum electrodynamics (kuantum elektrodinamik) bu ve bunun gibi temel soruların cevaplarını bulmaya çalışıyor. sadece elektronun değil, fotonun yükü, foton’un şekli gibi konularda da deneyler yapılıyor ve mevcut modellerin bu yetersizliğine alternatif arayışları devam ediyor.
belki şurada, usulca çözülmeyi bekleyen birkaç soru daha vardır: neden kütlesi olan bir nesne kütleçekim yaratır? neden protonlar pozitif iken, elektronlar negatiftir?
bu tartışmaları başka bir yazıya bırakarak devam edelim. aşağıda bir pozitif yük ve etrafındaki alan büyüklüğü var.
şimdi de, yukarıdaki pozitif yükü sağa doğru hareket ettirdiğimizi düşünelim. bu durumda etrafındaki elektrik alan nasıl değişir? tam da şöyle:
gördüğünüz gibi, elektrik alan çizgilerinin şekli ve sıklığı, yükümüz hareket etmeye başladığı andan itibaren değişiyor. işte bu yükü bir yönde değilde, sağa-sola veya yukarı-aşağı hareket ettirmeye başlarsak; elimizde, su katılmamış, nur topu gibi, organik elektromanyetik dalgalar oluşacaktır. inanmazsan aha dayıya sor:
yukarıdaki gösterimden de görüldüğü üzere, hareket eden bir yükün alan’ı dalgalar üretir. işte elektromanyetik dalga’nın en temelinde bu vardır.
elektromanyetik dalga üretimine verebileceğim bir başka örnek de antenin ışıma yapması:
biraz daha gelişmiş bir gösterimi şöyle:
yukarıdaki gösterimde, elektrik alana eşlik eden bir manyetik alan da var. nereden çıkıyor bu manyetik alan? son olarak bunu açıklamaya geçmeden önce aşağıda, elektrik ve manyetik alan ilişkisini çok daha net bir şekilde görebiliriz:
manyetik alan ve elektrik alan’ın birbiriyle ilişkisi ve gerçekte ne oldukları oldukça uzun ve üzerinde konuşulması gereken bir konu: gerçekte manyetik alan ile elektrik alan farklı türler değil, sadece “aynı büyüklüğün farklı manifestosudur” diyebiliriz. bu vakayı relativistic electromagnetism açıklamaya çalışıyor. ikisinin aynı şey olmasından kastım şu örneklerdeki gibi: uzay ve zaman, kütle ve enerji gibi. einstein genel ve özel görelilik teorileri ile bu ikililerin birbirine dönüştürülebildiğini göstermişti.
relativistic electromagnetism (göreceli elektromanyetizma)’ya göre, manyetik kuvvet gerçekte var olan bir şey değil; elektrik alanın farklı bir gözlemci penceresinden manifesto edilmesidir. manyetik alan olarak adlandırdığımız şeyin varmış gibi görünmesini sağlayan şey özel görelilik sayesinde anladığımız; elektrik alanın değişiyor veya hareket ediyor olmasıdır. ki bu da tamamen elektronların hareket etmesinden kaynaklıdır.
özel görelilik, evrenimizde uzunluk ve zamanın kesin olmamasını açıklayan yegane teoridir. en basit haliyle: “uzunluk ve zaman, gözlemciler tarafından farklı algılanır” der. yani bir nesne bize göre hareket ettiğinde, aslında hareket etmediği zamandan daha az yer kaplar ve her ne kadar bu kısalma bizim gördüğümüzden çok daha az olsa da, uzunluk kısalması; diğer birçok olayı açıkladığı gibi manyetik alanın/kuvvetin de açıklamasıdır.
şimdi de bu elektromanyetik dalga oluşumunu, formüllerini vermeden, klasik maxwell elektrodinamiği ile açıklamaya çalışayım:
biot-savart kuralı’na göre, bir telde aşağı veya yukarı yönde akan akım bir manyetik alan vektörü üretir. faraday-lenz yasasına göre de, telde oluşan bu manyetik alandaki pozitif değişim, yine bu manyetik alan çizgilerinin çevresinde bir elektrik alan vektörü indükler. bu elektrik alan da başka bir manyetik alanı, bu manyetik alan da başka bir elektrik alanı indükler ve bu şekilde; biri diğerinin nedeni olarak ortaya çıkan bu alanlar zincirine elektromanyetik dalga diyoruz.