Elektromanyetik Nedir?

Elektromanyetik radyasyon, hem elektrik hem de manyetik alana sahip olan, radyo dalgaları, görünür ışık ve gama ışınları gibi elektromanyetik dalgalardan oluşan enerji akışıdır.

Bir titreşim kaynağından yayılan ve havada titreşerek ilerleyen enerji ya da parçacıklara radyasyon adı verilir. Elektromanyetik radyasyon, bir atom enerjiye tabii tutulduğunda ortaya çıkmaktadır. Enerji, atom içindeki bir veya birden fazla elektronu harekete geçirir. Bu hareket sonucunda elektromanyetik dalga üretilmeye başlar. Atomun niteliklerine göre (cinsi ve enerji miktarına bağlı olarak) elektromanyetik radyasyon ışık, ısı veya farklı bir formun da ortaya çıkması mümkün hale gelir. Elektromanyetik çeşitlerindeki tüm radyasyon türleri, elektrik alanının ve manyetik alanın etkileşime girmeleri sonucunda oluşmaktadır. Elektrik hatlarının, kabloların ve elektrikle çalışan tüm cihazların elektromanyetik radyasyon ürettiği bilinmektedir. Buzdolabı, televizyon, lamba ve cep telefonu gibi elektrikle çalışan cihazlar bu radyasyon etkisine sahip cihazlardan sadece bir kaçıdır.

Elektromanyetik alan; manyetik alan ve elektrikten meydana gelen, elektrik yüklü parçacıkların çevrelerinde yarattıkları etkiye sahip olan ve parçacıklar üzerinde kuvvet uygulayan etki alanıdır. Bu kuvvet şartlara göre çekme itme veya aralarındaki doğrultuya göre dikey yönde olabilir.

İnsanlar tarafından yapılan cihazlar, elektromanyetik alan fazlalığına sebep olur ve buna bağlı olarak, elektromanyetik alan birikimi meydana gelir. Bu durum, kan kimyasında değişme, boyun bölgesinde sertleşme, ruh halinde düzensizlikler ve keyifsizlik gibi yadsınamayacak seviyede birçok negatif tesire sebep olur.

Elektromanyetik dalgalar, yüklü parçacıkların elektrik alanını değiştirebilmek amacıyla hareket etmesiyle oluşur. Hareket halindeki bu parçacıkların titreşmesiyle dalgalar oluşmaktadır ve bu titreşimler enerji yaymaktadır. Oluşan bu dalgalara da elektromanyetik dalga denmektedir.

Elektromanyetik dalgaların temel olarak 4 tane prensibi bulunur. Bu prensipleri Maxwell keşfetmiştir. Elektromanyetik dalgalar frekans, taşıdıkları enerji ve dalga boyu niteliklerine göre farklılaşarak çeşitlenmektedir. Bu sebeple elektromanyetik dalgaların birden fazla türü mevcuttur.
Elektromanyetik dalga türleri şunlardır:

• Radyo dalgaları, dalga boyu 1 mm ile birkaç km arasındadır. İsmi üzere radyo ve televizyon yayınlarında kullanılmaktadır. Radyo dalgaları da kendi içerisinde kısa, orta ve uzun olarak üçe ayrılmaktadır.
• Mikro dalgalar, bu dalga çeşidi atom ve moleküler yapıların çözümlenmesinde, fırınlarda ve havaalanlarında uçak iniş kalkış sistemlerinde kullanılmaktadır. Evlerde küçük ev aleti olarak kullanılan mikrodalgalar bu türe en net örneklerdir.
• X ışınları, röntgen ışını olarak bilinmekte olan bu dalga tipi, elektronların yavaşlatılmasıyla elde edilmektedir.
• Gama ışınları, dalga boyu en kısa olan dalga tipiyken aynı zamanda insan sağlığına en zararlı ışınlarıdır.
• Görünür ışık, elektronların atom moleküllerinin içinde hareket etmesi sonucu oluşan manyetik dalgadır. Basit ama çeşitli bir örnek olarak gökkuşağı söylenebilir.
• Mor ötesi ışınlar, elektriksel deşarj esnasında atom ve moleküller tarafından üretilen ışınlardır. Bu ışınların yaygın kullanım alanı sterilizasyon makineleridir.
• Kızıl ötesi ışınlar, sıcak cisimler tarafından üretilen dalga tipidir. Gözle görülemeyen bu ışınlar ancak termal kameralar aracılığıyla görülürler. Günümüzde sık sık karşılaştığımız ateş ölçerler bu tür manyetik dalgalara en iyi örneklerdir.

Elektromanyetik dalgaların boylarının büyüklüğüne göre sıralanmasına, elektromanyetik spektrum dizilimi denmektedir. Bu dalgalar arasında en uzun dalga boyuyla başı çeken radyo dalgaları iken, enkısa dalga boyuna sahip olan gamma ışınlarıysa spektrumun sonunda yer almaktadır. Elektromanyetik dalgaların özellikleri şunlardır:

• Işık hızı ile yayılan bu dalgaların hızı saniyede 300.000 kilometredir.
• Polarize edilebilirler.
• Birlikte değişirler.
• Yüksüzdürler.
• Yönleri sağ el kuralı ile bulunulur.
• Bu dalgaların belirli bir periyotlar halinde kat ettikleri yol, dalga boyu olarak adlandırılır, dalga boyunun birimi ise metredir.
• Enerjileri dalga ve frekansa göre sıralanır.
• Dalga hızları ortama göre değişebilir.
• Frekansları ortama göre değişmez.
• Dalga boyu ile frekans ters orantılıdır.
• Elektrikten ve manyetik alandan etkilenmezler.
• Enine dalgalardır.
• Tüm dalga özelliklerine sahiptirler.
• Yayılma eğilimindedirler ve boşlukta yayılabilirler.
• Yayılma hızları, dalga ve frekans boyunun çarpılması sonucu bulunur.

Elektromanyetik dalgaların oluşması için, elektrik yüklü parçacıkların, elektrik alanını değiştirebilmek adına hareket edebiliyor olması gerekir. Bu şartların oluştuğu ortamda parçacıkların titreşmesiyle dalgalar oluşmaktadır ve bu titreşimler enerji yaymaktadır. Oluşan bu dalgalara da elektromanyetik dalga denmektedir.

Yapılan çeşitli araştırmalar sonucu elektromanyetik dalgaya maruz kalan insan beyninin yüksek miktarda etkilendiği ve hücre yapısının da aynı etkiye maruz kaldığı açığa çıkmıştır. DNA ve RNA yapılarının bozulduğunu ve bunun ortaya çıkarttığı dengesizlikler sonucunda beyin tümörleri, Parkinson, Alzheimer ve MS gibi nörolojik hastalıkların ortaya çıktığı bilinmektedir. Öte yandan bu dalgalara yoğun bir şekilde maruz kalan insanlarda psikolojik rahatsızlıklar, dikkat dağınıklığı, konsantrasyon eksikliği gibi birçok bozukluk da gözlemlenmektedir.

Mekanik olmayan bu dalgaların elektrik akımından meydana geldiği bilinmektedir. Elektromanyetik dalgada, enerjiyle titreşen elektrik akımı ve manyetik alan sayesinde dalgalar taşınır. Elektromanyetik olan bu dalgalar boşlukta ışık hızıyla (saniyede 300.000 km) ilerlemekte ve daha yoğun ortamlarda hızları azalmaktadır.

Elektromanyetik dalga denklemi, elektromanyetik dalgaların belirli şartlara sahip bir ortamda ya da bir vakum ortamının içinde yayılabilmesini açıklayan, ikinci dereceden bir kısmi diferansiyel denklemidir. Denklemin, elektrik alanı (E) ve manyetik alan (B) cinsinden yazılan formları şu şekildedir:

Elektromanyetik dalga denkleminin kökeni şuradan gelmektedir; Maxwell, 1864 yılında yazmış olduğu Elektromanyetik Alanın Mekanik Teorisi isimli makalesinde, Ampère'in devre yasası ile alakalı yayınladığı Kuvvetin Fiziksel Çizgileri isimli makalesinde yaptığı hatayı düzeltti. Maxwell, yer değiştirme akımıyla elektromanyetizmanın diğer denklemlerini birleştirdi ve hız bileşenli bir dalga denklemi keşfetmiş oldu. Bunu şöyle yorumladı: “Sonuçların uyuşması; ışık ve manyetizmanın aynı özün bir sonucu olduğunu ve ışığın, elektromanyetik yasalarına göre, alan boyunca yayılan; elektromanyetik bir bozulma olduğunu gösteriyor gibi duruyor.”
Bu çıkarımlar sonucu elektromanyetik dalga denkleminin kökeni yavaş yavaş oluşmuştur.

Elektromanyetik Dalga Denklemi ile Maxwell Denklemleri Arasındaki İlişki Nedir?

Maxwell denklemleri; elektromanyetik teorinin dört temel denklemidir. Bu denklemler temelde, elektrik alanının manyetik alana dönüşebileceğini anlatmaktadır. Özelindeyse manyetik alan varlığının bir elektrik akımının oluşması için yeterli olacağını söylemektedir. Elektromanyetik dalga denklemi de Maxwell’in denklemlerinden esinlenilerek ortaya çıkmıştır.
Maxwell Denklemlerinin integral formu şöyledir;

Gauss Yasası ∮∂Σ⟨E,dΣ⟩=ϵ01∭ΣρdV

2. Gauss Yasası

∮∂Σ⟨B,dΣ⟩=0
3. Faradayın İndüksiyon Yasası

∮∂Σ⟨E,dl⟩=-dtd∬Σ⟨B,dΣ⟩

Ampere Yasası∮∂Σ⟨B,dl⟩=μ0(∬Σ⟨J,dΣ⟩+ϵ0dtd∬Σ⟨E,dΣ⟩)

Denklemlerin diferansiyel formu şöyledir;

• • Gauss Yasası (Elektrik)
    • ∇,𝐸=𝜖0​𝜌​
  • Gauss Yasası (Manyetik Alan)
    • ⟨∇,B⟩=0
  • Faradayın İndüksiyon Yasası
    • rot(E)=-∂t∂B
  • Ampere Yasası
    • rot(B)=μ0​J+μ0​ϵ0​∂t∂E​

19.yy’ın en önemli bilim insanlarından İngiliz fizikçi Michael Faraday, bir bobinden akı geçtiğinde oluşan gerilimin, zamana göre değişim miktarı ile doğru orantılı olduğunu, devredeki akımın kesildiği anda bobin etrafında bir manyetik alan oluştuğunu ve oluşan bu manyetik alanın ikinci bobinde yeniden bir elektrik akımına dönüştüğünü keşfetti. Keşfettiği bu olaya Faraday’ın İndüksiyon Kanunu denmiştir. Faraday’ın İndüksiyon Kanunu, Maxwell’in denklemlerini tamamlayıcı niteliktedir ve elektromanyetiğin daha iyi kavranması açısından büyük önem taşır.

Elektromanyetik indüksiyon, bir iletkeninin değişen bir alana maruz kalmasıyla üzerinde potansiyel bir fark(voltaj) oluşması durumudur. Michael Faraday elektromanyetik indüksiyonu, bir bobine sarılı sabit bir tel halkasını hareket ettirerek, Elektromotor Kuvveti (EMK) ve buna bağlı olarak da bir akım üreterek keşfetti.

Elektrodinamiğin temelini oluşturan ve Carl Friedrich Gauss  tarafından öne sürülen bu matematiksel yapı; kapalı bir yüzeydeki elektrik yükünün ortaya çıkan elektrik alanına dağılımını ilişkilendirir. Gauss yasası  aynı zamanda Maxwell ’in denklemlerinden birisidir. Bu nedenle diğer denklemlerle birleştiğinde zamanla değişen elektrik ve manyetik alanların ilişki içerisinde olduğunu ve elektromanyetik teoriyi kanıtlar niteliktedir.

Ampere yasası,1826 yılında, ölçü birimi olarak kullanılan Amper sözcüğüne de ismini veren, André-Marie Ampére tarafından keşfedilmiştir. Üzerinden elektrik akımı geçiren bir iletken etrafında yaratılan manyetik alanı inceleyen yasadır. Maxwell denklemlerinden birisidir. James Maxwell bu yasayı biraz düzenleyerek ve var olan formüle eklentiler yaparak elektromanyetik teorisinin temelini atmıştır.

Elektromanyetik teori 19.yy. boyunca birçok bilim adamının katkıları ve özellikle James Clerk Maxwell ‘in denklemleri ile temellendirilmiştir. Elektromanyetik teori elektrik alanının ve manyetik alanın birbirleri ile ilişkilerini kanıtlar niteliktedir ve 4 temel formülden (Maxwell’in denklemleri) oluşmaktadır.

Elektromanyetik teorinin denklemi, James Clerk Maxwell tarafından bulunan Maxwell denklemleriyle temellendirilebilir. Bunlar;

1) Gauss yasası: kapalı bir yüzeydeki elektrik yükünün ortaya çıkan elektrik alanına dağılımını anlatır.

2) Manyetik alan için Gauss yasası: Kapalı bir yüzeydeki manyetik akının sıfır olduğunu anlatır.

3) Faraday yasası: Maxwell tarafından düzenlenmiş hali ile zamanla değişen manyetik alanların oluşturduğu elektrik akımını anlatır.

4) Ampere yasası: Maxwell tarafından düzenlenmiş hali ile manyetik alanın, elektrik akımı yoluyla üretilmesini anlatır.

Maxwell bu denklemler ile zamanla farklılaşan elektrik ve manyetik alanların nasıl ilişkili olduğunu, bu alanların yükler ve akımlar ile nasıl değiştiğini veya üretildiğini kanıtlamıştır. Bu kanıtlar elektromanyetik teorinin temelini oluşturur.

Aşağıda bu denklemlerin integral formları gösterilmektedir;

1. Gauss Yasası: ∮∂Σ⟨E,dΣ⟩=ϵ01∭ΣρdV

2. Gauss Yasası: ∮∂Σ⟨B,dΣ⟩=0

3. Faradayın İndüksiyon Yasası: ∮∂Σ⟨E,dl⟩=-dtd∬Σ⟨B,dΣ⟩

4. Ampere Yasası: ∮∂Σ⟨B,dl⟩=μ0(∬Σ⟨J,dΣ⟩+ϵ0dtd∬Σ⟨E,dΣ⟩)

Denklemlerin diferansiyel formu ise şöyledir:

1. Gauss Yasası (Elektrik): ∇,𝐸=𝜖0𝜌

2. Gauss Yasası (Manyetik Alan):⟨∇,B⟩=0

3. Faradayın İndüksiyon Yasası:rot(E)=-∂t∂B

4. Ampere Yasası: rot(B)=μ0J+μ0ϵ0∂t∂E

Elektromanyetik teoriyi, 1831 yılında Edinburgh’ta doğan İskoç asıllı fizikçi ve matematikçi James Clerk Maxwell keşfetmiştir.

Elektromanyetik spektrum, dalga boyları sebebiyle gözle görülemeyen radyasyon ve farklı ışınımların, dalga boyları ve frekanslarına göre sıralanmasıdır.

Elektromanyetik spektrum ışınları şunlardır;

• Radyo dalgaları: Diğerlerine görece uzun dalga boylarına sahiptir. Somut bağlantılara gerek kalmaksızın atmosfer içerisinde veri taşınmasına olana sağlar. Uzaktan kumanda, radyo gibi iletişim araçları ve mr cihazı gibi alanlarda kullanılır.
• Mikrodalgalar:300MHz ve 300 GHz arasındaki frekansları kapsayan elektromanyetik dalgalardır. Evlerde kullanılan mikrodalga fırınlarda, bluetooth bağlantılı kulaklıklarda, radarlarda, uydularla iletişimde kullanılır.
• Terahertz ışınım: Bu ışınımlar yakın zamana kadar elektromanyetik spektrumda gösterilmesine gerek duyulmuyordu, fakat şu anda kızılötesi ve mikrodalgalar arasındaki frekans bandında yerini alıyor. Haberleşme, askeri savunma gibi alanlarda kullanılır.
• Kızılötesi ışınım: mikro dalgalar ve görünür ışık arasındaki frekans bandındadır. Atmosfer tarafından soğrulan ışınımlar sera etkisine neden olabilir. Termal görüntüleme teknolojisinde kullanılır.
• Görünür ışık: İnsan gözünün algılayabileceği frekans aralığında bulunan ışınımlardır. Her dalga boyu farklı frekanstadır ve bu farklılıklar göz tarafından renk çeşitliliği olarak algılanır.
• Mor ötesi ışınım: Dalga boyları görünür ışıktan daha kısa ve çok enerjik ışınımlardır. Kimyasal bağları bozabilir ve tehlike yaratabilir. Güneş yanığı, kanserojen etkiler, mutasyon gibi tehlikeleri vardır. Sterilizasyonda kullanılır.
• X-ışınları: Çok yüksek frekansa sahiptirler ve özelliklerinin çok bilinmemesi sebebiyle x olarak tanımlanmışlardır. Organ ve kemiklerin görüntülenmesinde(röntgen)ve bazı güvenlik araçlarında kullanılır.
• Gama ışınları: Bilinen en enerjik ve tehlikeli radyoaktif bozunumlardan birisidir. Radyoaktivite keşfedildikten hemen sonra keşfedilmiştir. Gıda sterilizasyonunda kullanılır.

Elektromanyetik spektrum türleri dalga boyu ve frekanslara göre oluşturulmuştur. Dalga boyu, bir dalga örüntüsünde tekrarlanan birimler arasındaki uzaklıktır. Frekans ise birim zamanda tekrarlanan olayın devir sayısıdır.

Elektromanyetik ışıma, radyo dalgaları, mikrodalga, X ışınları, Gama ışınları gibi insan sağlığı için tehdit oluşturabilen dalgalar formudur.

Alfa ışınları, bir atom çekirdeğinin parçalanması sonucunda açığa çıkan helyum çekirdeklerinin yayılması sonucu meydana gelir. Beta ışınları da aynı şekilde atom çekirdeğinin parçalanması sonucunda ortaya çıkar ancak çekirdekten elektron (1) veya pozitron (1) ayrılır. Alfa ve Beta ışınları yüklü cisimler olduğu için elektromanyetiklerdir.

Manyetik alanlardan geçen elektrik yüklü parçacıkların uğradıkları kuvvete elektromanyetik kuvvet denir. Bu manyetik alanlar, yüklü parçacıkların birbirlerine elektriksel kuvvet uygulamasıyla oluşur.