İçeriğe geçmek için "Enter"a basın

Elektromanyetizma

Elektromanyetizma

Elektromanyetizma, elektromanyetik alanı inceleyen bir fizik dalıdır. Elektromanyetik alan elektrik yükü olan şeyleri çeker ya da iter. Elektromanyetik alan, uzayın tamamında etkilidir. Elektromanyetik alandaki aynı yüklü şeyler birbirlerini iterken, zıt yükteki şeyler birbirini çeker.

Elektromanyetizma nedir? James Clark Maxwell’in elektrik alanı ve manyetizma alanının birbiriyle bağlantılı olduğunu bularak onları tek bir kuvvette birleştirip elektromanyetizma olarak adlandırmasıdır.

Peki elektromanyetizma nasıl oluşur? Her yük taşıyan parçacık, diğer parçacıklar tarafından fark edilebilen bir elektrik alanı yaratır ve böylece diğer parçacıkların elektrik alanlarıyla etkileşime geçer. Mıknatıslar da manyetik alanlar yaratırlar. Hareket eden bir elektrik alanı manyetik alan yaratır; aynı şekilde hareket eden manyetik alan da elektrik alanı yaratır. Bu da iki alanı hem birbiriyle ilişkili hem de birbirinin sebebi yapar. Bu yüzden Maxwell ikisini birleştirip tek bir kuvvet olarak açıklayarak elektromanyetizmayı keşfetmiştir.

Günlük hayatta karşılaştığımız sürtünme ve hatta manyetizma, elektromanyetizmanın sonuçlarıdır. Yerde kayıp düşmemenizin sebebi ayaklarınızdaki ve yerdeki atomların yerdeğiştirmeye direnç göstermeleridir. Bunu oluşturan da yine elektromanyetizmadır.

Elektromanyetik kuvvetin taşıyıcı parçacığı (γ) fotondur. Farklı enerjilerin fotonları X ışını, görünür ışık, radyo dalgaları ve benzerlerini oluşturur. Bildiğimiz kadarıyla fotonlar sıfır kütlelidirler ve hep ışık hızında hareket ederler; yani vakum durumunda saniyede 300,000,000 metre hızla.

Elektrik Alanları ve Manyetik Alan

Elektrik Alanı
Elektrik alanları, oklarla gösterilebilir. Okların yönü parçacıkların hareketini gösterir.

Elektrik alanları, yük taşıyan parçacıkların elektrik kuvvetini hissettikleri alanlardır. Elektromanyetizma hem elektrikle hem de manyetizmayla yakından ilişkilidir; çünkü ikisi de elektronların hareketiyle bağlantılıdır.

Elektrik alanları oklarla gösterilebilir. Okun yönü pozitif yük olan protonun hareketinin nereye doğru olacağını gösterir. Elektron gibi negatif yüklü parçacıklarsa bu okların tam tersi yönünde hareket ederler. Yani bir elektrik alanındaki proton başka bir protondan uzaklaşarak bir elektrona doğru gider.

Manyetik alan ise sadece yüklerin hareketi için kuvvet uygulayan bir elektrik alanı parçasıdır. Elektromanyetik endüksiyon yoluyla manyetik alanı değiştirmek, elektrik alanı üretilmesine sebep olabilir. Bu konsept elektrik jeneratörü, endüksiyon motoru ve transformatör gibi şeylerde kullanılır.

James Clerk Maxwell
Elektromanyetizmayı keşfeden James Clerk Maxwell.

Manyetik alan ve elektrik alanları, birbirlerine çok bağımlı olduğundan ikisinin aslında tek bir kuvvet olduğu fikri benimsendi ve bunları beraber ifade etmek için de elektromanyetizma terimi kullanılmaya başlandı.

Elektromanyetik kuvvet, doğadaki temel kuvvetlerden biridir. Elektromanyetik kuvvet, elektronlar ve pozitif çekirdek arasında etkileşim yaratan bir kuvvettir. Atomlar arasındaki tüm kuvvetlerin sebebi elektromanyetizmadır.

Doğadaki diğer temel kuvvetler kütleçekimi, zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvettir.

Elektromanyetik Radyasyon

Elektromanyetik radyasyon, elektromanyetik kuvveti taşıyan dalgalardır. Elektromanyetik radyasyonun hem dalga hem de parçacık olduğu düşünülüyor. Çünkü bazen bir parçacık gibi, bazense bir dalga gibi davranıyor. Daha kolay anlamak için elektromanyetik dalgayı bir foton nehri gibi düşünebilirsiniz. Elektromanyetik dalgalar, frekansına göre radyo dalgaları, mikrodalgalar, terahertz radyasyonu, kızılötesi radyasyonu, görünür ışık, morötesi radyasyonu, x-ışınları ve gama ışınları olarak sınıflandırılmıştır.

Görünür Tayf

Elektromanyetik radyasyonun insanlar ve canlı organizmalar üzerindeki etkisini inceleyen alana biyoelektromanyetik denir. Elektromanyetik radyasyonun etkisi radyasyonun gücüne ve sıklığına bağlı olarak değişir. Düşük frekanstaki radyasyonun (Radyo dalgalarından görünür ışığa kadar olan kısım) en iyi anlaşılan etkileri radyasyon emildikçe ısı şeklinde ortaya çıkan güç kaynaklı olanlardır. Bu termal etkilerde frekans radyasyonun nüfuzunu etkilediğinden önemlidir. Örneğin, mikro dalgalar kızılötesine göre daha çok nüfuz eder. Genellikle düşük frekanstaki dalgaların önemli bir ısınmaya sebep olamayacak kadar zayıf olduğu ve herhangi bir biyolojik etki gösteremeyeceği kabul edilir.

Genellikle kabul edilenin aksine bazı araştırmalar da düşük frekanstaki elektromanyetik alanların bazı sağlık sorunlarına yol açabileceğini göstermiştir. Biyolojik canlıların ve elektromanyetizmanın bu seviyedeki etkileşimi tam olarak anlaşılamamış olsa da; Dünya Sağlık Örgütü radyofrekanslı elektromanyetik alanları 2B yani muhtemelen kanserojen olarak sınıflandırmıştır.

Fotonlar

Foton (sembolü γ) temel parçacıklardan biridir. Işık da bu fotonlardan oluşur. Fotonlar gamma ışınları, x ışınları ve uv ışınları gibi diğer elektromanyetik radyasyonları da oluştururlar. Foton fikri Albert Einstein‘dan gelmişti. Fotoelektrik etkisi için teorisini kullanırken ışığın foton adını verdiği küçük paketlerden oluştuğunu söylemişti.

Fotonların enerjileri ve momentumları vardır. İki elektromanyetik alan birbirleriyle etkileşime geçtiklerinde protonlarını değiştirirler. Yani fotonlar, yüklü nesneler arasındaki elektromanyetik kuvveti taşırlar. Fotonlar fizikte haberci parçacıklar olarak da bilinirler; çünkü çoğu zaman nesneler arasında mesaj taşırlar. Fotonlar elektrik yüküne bağlı olarak ‘yaklaş’ veya ‘uzaklaş’ mesajlarını iletirler.

Temel elektromanyetik etkileşimler, elektrik yükü olan iki parçacık arasında gerçekleşir. Bu etkileşimler fotonların değişimine ve üretime sebep olur. Yani fotonlar, elektromanyetik etkileşimin taşıyıcı parçacıklarıdır.

Elektromanyetizma’nın Kullanım Alanları

Elektromanyetizma, James Clerk Maxwell tarafından kuramsallaştırılmıştır. Elektromanyetizmanın uygulamadaki kullanımı olan elektromanyetik indüksiyon ise Michael Faraday‘in önemli bir çalışmasıdır. Elektromanyetik indüksiyon, manyetik alan içinde haraket eden bir iletkenin uçlarında meydana gelen potansiyel fark (voltaj) üretimidir.

  • Elektrikli ev aletlerinin birçoğu elektromanyetizmayı temel prensip olarak kullanır. Bir vantilatörü düşündüğünüzde, içindeki motor elektromanyetik indüksiyon prensibiyle çalışır. Böylece sürekli dönerek hava üfleyebilir. Kapı zilleri de bu prensipte çalışır. Zile basıldığında, bobine enerji gider ve böylece zil çalar. Hoparlörlerdeki bobinler de elektromanyetik kuvvete maruz kaldıklarında uzak mesafelerden duyulabilen sesler üretebilirler.
  • Bilgisayar teknolojisinde de elektromanyetik kuvvetten sıklıkla yararlanılır. Bit ve bayt formatındaki veriler elektromanyetik formatta kaydedilmiştir.  Eski VCR’lar ve kasetlerdeki bantlar da üzerine veri yazılmış elektromanyetik bantlardır. Bunlar sadece elektromanyetizmayla yazılabilir ve okunabilir.
  • MRI olarak bilinen manyetik rezonans görüntüleme, elektromanyetizma prensibinde çalışarak insan bedeninin tüm ayrıntılarını gösterebilen bir teknolojidir.
  • Japonya ve Almanya gibi gelişmiş ülkelerdeki yüksek hızlı trenler de elektromanyetizmadan faydalanır.

    Tren
    Japonya’daki, hızı saatte 600 km’ye ulaşabilen tren.
  • Elinizdeki cep telefonları da elektromanyetizmanın bir sonucunda ortaya çıkmış bir üründür. Telefonunuzu kullandığınız elektromanyetik dalgalar yayarak en yakın baz istasyonuna ulaşır.

Yukarıdakiler elektromanyetizma kullanılan alanlardan sadece birkaçı. Günümüzde kullandığımız elektronik aletlerin hepsi elektromanyetizma prensipleri sayesinde çalışır.

Klasik Elektromanyetizma’daki Sorunlar

Albert Einstein‘ın fotoelektrik etkisi çalışması ve Max Planck’ın siyah isim ışıması çalışması, ışığın sürekli dalga olarak görüldüğü klasik görüşle uyumlu değildi. Bu sorun 1925 yılında kuantum fiziğiyle çözüldü. Bu gelişmeyle birlikte Richard Feynman ve Julian Schwinger kuantum elektrodinamiği fikrini ortaya çıkardılar. Kuantum elektrodinamiği parçacıklar arasındaki etkileşimi detaylarıyla açıklayabiliyordu.