Elektromanyetik Dalgalar ve Doppler Olayı
1894 yılında Maxwell, zamanla değişen elektrik ve manyetik alanların birbirini doğurduğunu söylemiş, bunun sonucunda uzayda dalga formunda ve ışık hızıyla yayılan elektromanyetik dalgaların oluştuğunu keşfetmiştir.
- Durgun bir yük, etrafında sadece elektrik alan oluşturur.
- Sabit hızla hareket eden bir yük, sabit bir akım meydana getirir. Bu durumda hem elektrik hem de manyetik alan oluşur. Ancak elektrik ve manyetik alanın büyüklüğü değişmediği için elektromanyetik dalga oluşmaz.
- Elektroanyetik dalganın oluşması için şiddetlerindeki artışın ve azalışın periyodik olarak birbirini takip ettiği, değişken elektrik ve manyetik alan oluşturulmalıdır. Bu da ancak ivmeli hareket yaptırılan yükler sayesinde gerçekleşir.
Bir antenin tellerine, alternatif gerilim uygulandığında, teldeki yükler titreşim hareketi yapar. Titreşim hareketi ivmeli bir hareket olduğundan telden etrafa elektromanyetik dalga yayılır.
Elektromanyetik dalganın elektrik alan, manyetik alan ve ilerleme doğrultusu birbirine diktir. Bu özellik elektromanyetik dalgaların enine dalga olduğunun göstergesidir.
Elektromanyetik dalganın bazı özellikleri aşağıdaki gibidir.
- Yüklü parçacıkların ivmeli hareket yapması sonucu oluşur.
- Doğrusal yolla yayılır.
- Elektrik ve manyetik alan bileşenleri eş zamanlı artar ve azalır. Aynı fazlıdır.
- Eninde dalgadır.
- Elektrik alan, manyetik alan ve ilerleme doğrusu birbirine diktir.
- Boşlukta ışık hızıyla yayılır.
- Enerji taşır. Bu enerjiyi soğuran yüzeylerde ısınmaya neden olur.
- Yansıma, kırılma ve girişim gibi dalga olaylarını gerçekleştirir.
- Yüksüzdür. Bu nedenle elektrik ve manyetik alanda sapmaz.
- Polarize edilebilir (kutuplanabilir).
Elektrik alanın büyüklüğü, manyetik alanın büyüklüğüyle ışık hızının çarpımına eşittir.
\[E = B.c \]
Enerjisi; frekansı ile doğru orantılı, dalga boyu ile ters orantılıdır. Enerji E, frekans f, dalga boyu \(\lambda\) ve ışık hızı c ise bir elektromanyetik dalganın enerjisi aşağıdaki gibidir. (h: Planck sabiti)
\[E = h.f \]
\[E = h.\frac{c}{\lambda} \]
\(v = \lambda.f\) olduğundan ve v ışık hızı olduğundan, \(c = \lambda.f\) ve \(f = c/\lambda\) eşitliği bulunur.
Elektromanyetik dalgaların ilerleme yönü sağ el kuralı ile bulunur.
- 4 parmak manyetik alanın yönü,
- Baş parmak elektrik alanın yönü
- Avuç içi ise elektromanyetik dalganın ilerleme yönüdür.
Elektromanyetik Spektrum
Elektromanyetik dalgaların frekans ve dalga boyularına göre sıralandığı şekildeki çizelgeye elektromanyetik spektrum (tayf) denir.
- Spektrumda soldan sağa doğru gidildikçe elektromanyetik dalgaların frekansı ve enerjisi artar. Dalga boyu ise azalır.
Spektrumda frekans ve dalga boylarına göre sıralanan elektromanyetik dalgalar; radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi ışınlar, görünür ışık, morötesi ışınlar, X ışınları ve gama ışınlarıdır.
- Radyo dalgaları, tuğla ve betondan rahatlıkla geçebilir. Dalga boyu 0,3m ile 1000m arasındadır. Radyo ve TV yayın sistemlerinde kullanılırlar.
- Mikrodalgalar, atom ve moleküllerin incelenmesinde kullanılır. Dalga boyu 1mm ile 0,3m arasındadır. Uçakların iniş ve kalkışlarında kullanılan radar sisteminde mikrodalgalardan yararlanır.
- Kızılötesi (infrared) ışınları, sıcak cisimler tarafından üretilir. Dalga boyu \(10^{-3}\)m civardınaddır. Tıpta hastalıklı uzuvların teşhisi için kullanılır.
- Görünür ışık, elektromanyetik dalgaların gözle görülebilen bölümüdür. Dalga boyu \(4.10^{-7}m\) ile \(7.10^{-7}m\) arasındadır.
- Morötesi (ultraviyole) ışınların kaynağı Güneş'tir. Dalga boyu \(4.10^{-7}m\) ile \(6.10^{-10}m\) arasındadır. Tıpta sterilizasyon işleminde kullanılır. Güneş yanıklarının sebebidir.
- X ışınları, röntgen ışınları olarak da bilinir. Dalga boyu \(10^{-9}m\) ile \(10^{-13}m\) arasındadır. Tıpta teşhis ve tedavi amaçlı kullanılır.
- Gama ışınları, doğal ve yapay radyoaktif maddelerin çekirdek reaksiyonları sonucu oluşur. Dalga boyu \(10^{-10}m\) ile \(10^{-14}m\) arasındadır. Yüksek enerjili ışınlar olduğu için canlılar üzerinde zararlı etkileri vardır.
Doppler Olayı
Frekansın, kaynak ve gözlemcinin hareketine bağlı olarak farklı algılanması olayına Doppler olayı denir.
Bir dalga leğeninde dairesel su dalgaları üreten şekildeki K kaynağı hareket ederken, hareket yönündeki dalgaların dalga boyu azalır, diğer taraftaki dalgaların dalga boyu artar. \((\lambda_1 < \lambda_2 < \lambda_3)\)
Doppler olayını su dalgalarında olduğu gibi ses dalgalarında da gözlemlemek mümkündür. Bir polis otosu şekildeki gibi hareket ederken, hareket yönündeki ses dalgalarının dalga boyu küçük, diğer yönde ise büyük olur.
Buna göre, X gözlemcisinin algıladığı sesin frekansı f'den daha düşük/pes yani ses kalın iken, Y'nin algıladığı sesin frekansı ise f'den daha yüksek yani ince/tiz olur. \((f_x < f < f_y)\)
Tıpta görüntülemede kullanılan ultrason cihazlarında ses dalgalarında meydana gelen Doppler olayından faydalanılır.
Doppler olayı, ışıkta yani elektromanyetik dalgalarda da gözlenir. Karayollarında arabaların hız sınırını aşıp aşmadıklarını kontrol eden trafik polislerinin kullandığı radarlarda elektromanyetik dalgaların Doppler olayından faydalanılır.
Dünya'dan uzaklaşan galaksi ve yıldızlardan gelen elektromanyetik dalgaların dalga boyunun büyümesi sonucunda algılana ışığın renginin kırmızıya doğru yaklaşması Doppler olayının bir sonucudur. Bu sayede evrenin genişlediği keşfedilmiştir.
Questions
- Mekanik dalgalar, yayılması için ortama ihtiyaç duyan deprem, ses ve su dalgası gibi dalgalardır. Elektromanyetik dalgalar mekanik değildir.
