İçeriğe geç

Elektromanyetik Dalgalar Nasıl Oluşur?

Last updated on Nisan 22, 2020

Önceki yazıda anten kelimesinin etimolojisini incelemiştik. Bu yazı da ise, önce anten tanımını yapıp, antenlerin çalışma mantığını öğrenebilmek için elektromanyetik dalgaların ne olduklarına ve nasıl oluştuklarına değineceğiz.

Anten Nedir? Yenir mi?

NASA’nın yaptığı anten tanımı şöyle:

An antenna is a metallic structure that captures and/or transmits radio electromagnetic waves.”

NASA

Türkçe’si yaklaşık şöyle bir şey:

“Anten, elektromanyetik dalgaları yakalayan ve/veya ileten metalik yapıdır.”

Yukaridaki tanımda göz önünde bulundurmamız gereken iki çıkarım var:

  1. Antenler hem sinyal almak hem de sinyal göndermek için kullanılır.
  2. Her metal bir anten olarak kullanılabilir.
    • Buradan da şu sonuca ulaşabiliriz: sinyal istihbaratında, bilgi alınmak istenen uzak bir mekanda herhangi bir metalin olması durumunda teorik olarak o mekandan –uzaktan– bilgi alınabilir. Örneğin, o mekanda bir metal musluk olması bile oradan bilgi almak için teorikte yeterlidir.

Antenlerin şeklinin belli bir formu yoktur. (bkz: uçakların geri vitesi yoktur) Herhangi bir formda olabilirler. Bununla birlikte, boyutlarının da bir sınırı yoktur. Telefonun içine girebilecek kadar küçüğünden, milyonlarca ışık yılı uzaklığındaki uydulardan ve yıldızlardan gelen sinyalleri yakalayabilen yüzlerce metre çapında olanlarına kadar çeşitlikte boyutlara sahip olabilirler. Yazı serisinin ilerleyen kısımlarında, kullanım amacına ve alanına göre antenlerin boyut ve formlarının değiştiğinden bahsediyor olacağız.

Şimdi ise, bir mühendis gözünden antenlere bakalım ve NASA’nın yaptığı anten tarifini biraz daha teknikleştirelim:

Anten: Elektromanyetik dalgaları alternatif akıma, alternatif akımı da elektromanyetik dalgalara dönüştüren yapıdır.

Bu tanımdan anladığımız şey ise şu: anten, aslında bir dönüştürücüden başka bir şey değildir.(bkz: transducer)

Elektromanyetik Dalgalar Nasıl Oluşur?

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 teknoloji geliştirmeleri, sadece bu görülebilir alanı genişletme üzerine. Mikroskopla daha küçük şeyleri –daha yakın– görmeye çalışırken, teleskop ile daha uzak şeyleri görmeye çalışıyoruz.

Eğer yılanlar bilim yapıyor olsaydı, ki yılanlar çevrelerini ısı farkları olarak algılarlar, ısı farklarını daha büyük ve küçük olarak algılayabilecek ölçüm cihazları üreteceklerdi.

Osman Börütücene

Benzer bir durum, hapsolmuş olduğumuz duyalabilir ve algılanabilir daracık alanlar için de geçerli.

Yukarıdaki elekromanyetik tayfa geri dönecek olursak, o gösterimden şunu da çıkarımsayabiliriz: frekans arttıkça dalga boyu kısalır ve taşıdığı enerji artar. İşte gama ışınları da enerjisi en yüksek dalgalardandır.

Güncel atom modelimizde iki tür yapıtaşı 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. Çünkü genel görelilikte, bir maddenin diğerini çekmesi değil, kütlesi büyük olanın uzay-zamanı daha fazla bükmesi vardır. Bu da, büyük kütlenin küçük olanını bizzat çekmesi değil, küçük kütleli maddenin büyük kütleli maddenin büktüğü uzay-zamanda hareket etmesidir.

Bir fermiyon 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.

Aşağıda bir pozitif yük ve etrafındaki alan büyüklüğü var.

Şimdi de, yukarıdaki 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. İşte bu yükü bir yönde değilde, sağa-sola veya yukarı-aşağı hareket ettirmeye başlarsak; elimizde, su katılmamış, nur topu gibi, organik elektromanyetik dalgalar oluşacaktır.

İnanmazsan aha dayıya sor:

Yukarıdaki gösterimden de görüldüğü üzere, hareket eden bir yükün alan’ı dalgalar üretir. İşte elektromanyetik dalga’nin 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. İkisinin 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 çalışalım.

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.

Konuyla ilgili detaylı bir video da şorada.

Son olarak, antenlerin çalışmasına geçmeden önce şu soruyu da soralım: foton nedir? Elektromanyetik dalga mı yoksa parçacık mı?

İşte işler burada oldukça sarpa sarıyor. Çünkü foton’un tam olarak ne olduğunu bilmiyoruz. Bazı deneylerde tanecik gibi davranırken bazılarında dalga gibi davranıyor. Aslında ise foton, ne tanecik ne de dalgadır. Fotonlar’ın evrenin en temel enerji taşıyan yapıları olduğunu söylemişti Einstein. Kısacası ne Elektrodinamik ne Kuantum Teorisi ne de Göreceli Elektrodinamik foton’u açıklayabilmiş değil.

Antenlerin Dalga Üretme Mekanizması

Antenlerin elektromanyetik dalga üretmesi, tıpkı yukarıda anlattıldığı gibi, elektrik alanın zamanla değişmesi sebebiyledir.

Şekilde de görüldüğü gibi, iki uçlu bir dipol antene AC akım verildiğinde –ki akım elektronların hareketinin bir sonucudur, yük taşınmasıdır kısaca– bu eksi yükler AC akım periyodunun yarısında bir uca doğru hareket ederken diğer yarım periyotta ise diğer tarafa doğru hareket ederler. Bu şekilde, antenin bir ucu eksi yüke sahipken diğer ucu ise eksi yüklerden arındığı için pozitif olur. Tam bu durumda, pozitif yüklerin olduğu uçtan negatif yüklerin olduğu tarafa bir elektrik alan oluşur. Bu oluşan elektrik alan, antendeki yüklerin bir uçtan diğer uca hareket etmesiyle değişir ki bu elimizde zamanla değişen bir elektrik alan var demektir. Yukarıda da bahsedildiği gibi, değişen elektrik alan, manyetik alanında oluşmasını sağlıyor.

Maxwell’in Faraday Kanunu’nda gösterdiği etkidir bu.

Elektrik alan, manyetik alanı, manyetik alan da elektrik alanı oluşturacak biçimde oluşan bu değişimler zincirinin meydana getirdiği şey; antenlerin elektromanyetik dalga üretmesidir.

Yazıya burada son verelim, sonraki yazıda “Antenlerle İlgili Kavramlar” konusuna bakacağız: dB, SWR, Empedans Uyumu, Bant Genişliği vs gibi.

Önceki yazı için burayı tıklayın.


Tarih:Amatör Roketçilik