ELEKTROMANYETİKLİK

     James clerk maxwell,hesaplamalarından, « elektromanyetik dalgalar »ın saniyede 300 000 km hızla yayıldığı sonucunu çıkardığında (1865), bunların ileride modern iletişim araçlarımız durumuna geleceğini akimdan bile geçilmemiştir. Bununla birlikte, bulunuşundan birkaç on yıl sonra, kuramı henüz yeni tamamlanmış olan elektromanyetiklik, önemli sonuçlara yol açtı. Önce teknolojik alanı ele alalım. Elektromanyetiklik olmadan elektrik jeneratörlerinin, motorların, radarların, radyo veya televizyonun gerçekleşmesine imkân yoktu, sonra bilgi alanında, manyetikliğin ve ışığın yapısının, maddenin kohezyon özelliklerinin ve ayrıca, yıldırım veya gökyüzünün mavisi gibi gözle görülür, doğal olayların daha iyi anlaşılmasına imkân verdi. Nihayet, bilimsel fikirlerin gelişmesi alanında, elektromanyetiklik kuramı, Einstein’ın görelilik (izafiyet) üzerine düşüncelerinde önemli bir rol oynadı ve zaten, elektromanyetik alan kuvantumları olan fotonlarm bulunuşu da kuvantum fiziğinin doğmasıyla sonuçlandı.      Bir cismin yükü kütlesinin elektriksel benzeri olarak kabul edilebilir. Nitekim, iki cismin birbirine uyguladığı elektromanyetik kuvvetler, tipin kütlelerinin çekim kuvvetleriyle orantılı oluşu gibi yükleriyle orantılıdır. Ancak yük, kütleden farklı olarak cismin, elektronlardan (negatif yükler) daha çok veya daha az proton (pozitif yükler) içermesine bağlı olarak, pozitif veya negatif olabilen cebirsel bir niceliktir. Diğer yandan, korunundu olma gibi önemli bir özelliğe de sahiptir, yani ne yaratılabilir, ne de yok edilebilir, ve bu özelliğini kimyasal veya nükleer tepkimeler sırasında bile korur.
      Aynı türden yükler bir doğ­rultuda yer değiştirdiğinde bir elektrik akımı oluşturur. Akımın şiddeti, yer değiştirmeye dik bir kesitten saniyede geçen yük miktarıdır: i = A q / A t. Yönü, hareketli yüklerin pozitif veya negatif işaretine göre, hareketin yönü veya bunun zıttıdır. Mesela, çalışmakta olan bir pil veya akümülatörün içinde, pozitif ve negatif iyonlar zıt yönlerde yer değiştirir, toplam yük sıfırdır, ama iki iyon akımı aynı yöndedir ve birbirine eklenir, toplam şiddetse, yükün korunumu gereğince, pilin metal telleri içinde dolaşan elektron akımının şid­detine eşittir.
     Bir q yüküne, biri elektriksel, diğeri manyetik iki tür kuvvet etkiyebilir. Elektriksel kuvvet qE, yalnız diğer yüklerden kaynaklanan yerel elektrik alanı olan bir E vektörüne bağlıdır. Bu, m kütleli bir cismin, diğer kütlelerden kaynaklanan yerel yerçekimi alanı “g”'ye bağlı olan mg ağırlığıyla karşılaştırılabilir.
Bir demetin yüklü parçacıklarını hızlandırmaya yarayan ve iletken bir ortamda akımların varlığından sorumlu olan, işte bu kuvvettir. Manyetik kuvvet , diğer yüklerden kaynaklanan yerel manyetik alan olan bir B vektörüne ve yükün v hız vektörüne bağlıdır Kuvvetin doğrultusu v ve B vektörlerinin doğrultularına diktir. Şiddeti q v B sinα ifadesiyle verilir, burada α bu iki vektör arasındaki açıdır. Bu kuvvet, yüklü parçacık demetlerini, mesela bir televizyon tüpü içindeki elektron demetlerini saptırmaya imkân verir. İfadesinden de anlaşılabileceği gibi, yükleri harekete geçiremese de (hız sıfır ise kendi de sıfırdır), bir elektrik teli içinde dolaşan elektronlar üzerine etki eder. Tel içinde hapsolmuş olan e- lektronlar kuvveti doğrudan tele aktarır. Elektrik motorlarının çoğunda tele ve alana dik olan bu kuvvetten yararlanılır.

Alanlar ve Kaynakları

     Alanlar yalnız, kuvvetleri betimlemek için elverişli kavramlar değildir, bunlar her yerde mevcuttur. Mesela, manyetik alan için demir tozuyla, alan çizgileri, yani bir ırmağın akım çizgilerine benzer şekilde alanın her noktasında alana paralel çizgiler bile görünür hale getirilebilir. İlk gözlem E elektrik alanı çizgilerinin pozitif yüklerden « çıkması » ve negatif yüklere «girmesi »dir; buna karşılık manyetik alan çizgileri kendi üzerine kapanır, bu da elektrik yükünün manyetik bir karşılığının olmadığını gösterir. Bir mıknatıs, her zaman, birbirinden ayrılmaz iki kutba sahiptir. Bir yüzeyden geçen bir alan « akı »sı kavramı bu gözlemi nicelendirmeye imkân verir, burada söz konusu akı, bu yüzeyin alanının, alamn yüzeye dik ortalama bileşeniyle çarpımına eşittir. E alanının, kapalı bir yüzeyden çıkan akışı, bunun sınırladığı hacim içinde bulunan yükle orantılıdır. Ф_E=q/V burada « elektrik » değişmezi V yaklaşık olarak 10^-11 değerindedir. Buradaki B manyetik alanının akışı ise sıfırdır: ( Ф_E= 0)
     İndükleme etkileri yoksa geçerli olan ikinci bir gözlem manyetik alan çizgilerinin akım çizgileri çevresinde sarıldığıdır. Oysa elektrik alanı çizgileri kendi üzerine kapanmaz. Bu durum alanın kapalı bir eğri boyunca dolaşımı kavramı kullanılarak açıklanır. Bu, eğrinin uzunluğunun, alanın, buna paralel ortalama bileşeniyle çarpımına eşittir. E alanının dolaşımı sıfırdır. C_E = 0, oysa B alanının dolaşımı, eğrinin sınırladığı yüzeyden geçen akımın "i" şiddetiyle orantılıdır: C_B = µ₀ burada µ₀ aşağı yukarı 10^-6 değerindedir.
     Bu basit yasalar elektriksel ve manyetik alanlan hesaplanmaya imkân verir. Mesela, noktasal bir q yükünden r uzaklıkta, E alanının akışı, 4πr².E biçiminde verilir; burada 4πr², r yarıçaplı kürenin alanıdır. Bu akı aynı zamanda qε₀ ifadesiyle de verildiğinden, E = q / 4πr²ε₀ biçiminde bir eşitlik eİde edilir. Aynı şekilde, içinden bir "i" akımı geçen bir telin r uzaklığında, B alanının dolaşımı 2πrB biçiminde yazılır. Burada 2πr, r yarıçaplı çemberin çevre uzunluğudur. Dolaşım µ₀i biçiminde de ifade edildiğinden, B = µ₀i/2πr eşitliği söz konusu olur. Demek ki E ve B alanları, sırasıyla yükler ve akımlarla orantılıdır.

İndükleme Etkileri

     Bir manyetik alan kaynağına, mesela bir mıknatısa, kapalı metalik bir sarım yaldaştınlırsa, sanmda bir elektrik akımının oluştuğu gözlemlenir. Alan ne kadar şiddetli ve aynı zamanda, mıknatısın yer değiştirme hızı ne kadar büyükse, bu « indüklenen » akım da o kadar büyük olur. Mıknatısın yer değiştirme yönü tersine çevrilirse, akımın yönü de tersine döner. Mıknatıs durdurulduğunda akım da yok olur. Bu manyetik indükleme günümüzde alternatif akım üretiminin temelini oluşturmaktadır. Olayın yorumu uzayın bir bölgesindeki manyetik alanın, zaman içindeki her tür değişiminin, söz konusu uzay bölgesinde, bir E elektrik alanı indüklemesidir, bu alan ise, indüldenen akımdan sorumludur. Elektriksel kuvvet qE’nin / uzunluğunda bir sarım boyunca yaptığı işi gösteren qEl ifadesi, sarımın içinde, e = E/ ifadesiyle verilen bir elektromotor kuvvetin (volt olarak ölçülen) indüklendiğini göstermektedir. Daha kesin bir inceleme sonucunda, e ile (E'nin dolaşımı) sarım içindeki manyetik akı arasında bir bağıntı kurulur: e = - (Ф₂-Ф₁)/(t₂-t₁). Manyetik indüklemenin simetriği olan elektriksel indükleme olayı, bir bölgede mesela tek başına bir yükün yer değiştirmesiyle, elektrik alanında zaman içinde ortaya çıkacak her tür değişimin, burada bir manyetik alan indüklediği biçiminde açıklanır. Doğrudan kanıtlanması zor olsa da, bu etki, hareketli yük bir akım olarak düşünülürse daha kolay anlaşılır. Ancak, bütün yüzey boyunca bu alcımın şiddeti sıfır olduğundan (yükün geçtiği an dışında), Maxwell'in önerdiği gibi, Ampère yasasını değiştirmek ve akıma, yüzey boyunca elektrik akısı değişimlerini dikkate alan ε₀=Δ Ф_E / Δt terimini eklemek gerekir. Bu terimin en iyi doğrulamasını, Maxwell’in çalışmalarının deneysel olarak gerçeklenmesi sağlar. Bu çalışmalar, alanların karşılıklı indüklemeyle eşlenmesinin, bunların 300 000 km/s’lik bir c hızıyla yayılması gerektiğini göstermiştir; bunun ifadesi, elektrik değişmezi ε₀ ’ı, manyetik değişmez µ₀’ı ve ışık hızını bir araya getiren fiziğin en güzel bağıntılarından biridir. ε₀ µ₀c²=1

Elektomanyetik Dalgalar

     Hertz, 1880’li yılların sonunda bir indükleme devresinin açık uçları arasında, çok yüksek frekanslı, salınımlı bir boşalma oluşturdu (bu frekans yaklaşık f = 10⁹ Hz’ydi, ama kuşkusuz kendi adını taşıyan bu birimi kullanmıyordu); laboratuvarının diğer ucunda, kendi üzerine kıvrılmış bir elektrik telinin uçlarında da benzer kıvılcımlar gözlemledi (bu etki, aynı koşullarda bulunan bir radyo alıcısının cızırdamasına benzetilebilir) ve bu olayın Maxwell dalgalarıyla bağlantısı olabileceğini düşündü. Elektromanyetik dalgaların varlığını kanıtlamak için, yayılma yolları üzerine, bunları yansıtan metal bir ayna yerleştirilebilir ve oluşan durağan dalganın karın ve düğüm noktaları gözlemlenebilir (dedektörler yardımıyla). Böylece E ve B alanlarının oranı incelenebilir ve X dalga boyu ölçülerek, bunların yayılma hızları ışık hızıyla aynı olduğu gösterilebilir. Daha genel olarak bu dalgalarla optikteki bütün deneyleri (kırılma, girişim, kırınım, polarma, kılavuzlama) tekrarlamak mümkündür. Bu da, ışığın elektromanyetik yapısını doğrular.



     Günümüzde radyo dalgaları, radar dalgaları veya mikrodalgalardan kızılaltı, görünür ve morötesi dalgalardan geçerek X ve y ışınlarına kadar uzanan geniş bir yelpazede, çok çeşitli elektromanyetik dalgalar üretilebilmekte ve algılanabilmektedir. Bunlar yalnız tek bir özellikle, yani frekanslarıyla (veya dalga boylarıyla) birbirinden ayrılır. Görünür ışık bilinen tayfın ancak çok küçük bir bölümünü kaplar ve suyun soğurma özelliklerinden dolayı, yaşamın başladığı okyanusların içine girebilmiştir, diğer dalgaların algılanması, dünyaya bakışımızı, özellikle astronomi alanında önemli ölçüde genişletmiştir. Elektromanyetik dalgalar aynı zamanda önemli iletişim araçtandır. Bu nitelikleri çok yüksek hızlanndan, diğer dalgalar için imkânsız olan boşlukta yayılma özelliklerinden ve birim zamanda iletilen bilgilerin miktarını doğru orantılı olarak artıran çok yüksek frekanslara kadar modüle edilebilme (kiplenme) özelliklerinden kaynaklanır. Mikroskopik düzeyde (kuvantum etkileri bir yana bırakılırsa) ışımanın nedeni, dalga alanlarının orantılı olduğu, yüklerin hızlandırılmasıyla ilgilidir. Kuşkusuz bu durum radyo veya televizyon antenlerinde bulunan yüksek frekanslı akımlara katılan elektronlar için de doğrudur. Ama her gün, gökyüzüne bakıldığında da bu deney yapılmaktadır. Gerçekte, atmosferde bulunan moleküllerin elektronları, Güneş ışımasıyla uyarıldığında, görülebilir en yüksek frekans olan maviyi yansıtır.