Elektromağnetizm ve Elektromağnetik Dalgalar

Geçmişte static elektrik, kehribardan (amber) dolayı biliniyordu. Zaten elektron kelimesi de amber kelimesinin eski Yunanca'daki karşılığı idi. William Gilbert 1600 yılında mağnetik üzerinde yazdığı kitapta kehribar etkisinden bahsediyordu.

Benjamin Franklin (şu 100 dolarlık banknotta resmi olan kişi) statik eletrik ile ilgili deneyler yaptı (1752). Negatif ve pozitif elektrik yüklerini Leyden kavanozlarına hapsetti. Şimşek ile elektrik arasındaki bağlantıyı kurdu. Yani şimşek bir elektrik yüküydü. Bu deneyler sonucu paratoner icad oldu.

Batarya (battery), yük, kapasitör kelimelerini, pozitif ve negatif yük terimlerini uyduran Benjamin Franklin'dir. Burdaki uydurma negatif manada anlaşılmasın. Teknik terimler bilim insanlarının birşeyi uydurması, icad etmesi (to coin a term) ile ortaya çıkıyor.

Not 1: Doğada iki tip yük vardır. Birinci tipler bir araya geldiğinde birbirlerini iter. İkinci tip yükler bir araya geldiğinde birbirini iter. Ama farklı iki tip bir araya gelirse birbirlerini çekerler. Benjamin Franklin birine negatif demiş, diğerine pozitif. Bu bir isimlendirmedir. Negatif ve pozitif matematiksel anlamda toplama ve çıkarmayı gösterir. Reel sayılar çizgisini sağdan sola çizersek ve artışı sağ tarafta gösterirsek, pozitif ve negatifte sağa mı gideceğiz, sola mı sorularına cevap buluruz. Sağa gidersek toplarız, sola gidersek çıkarırız.

Yüklerin akım oluşturduğu ise 1800'lü yılların başında anlaşıldı. Batarya (veya pil) 1800 yılında İtalyan bilim adamı Alessandro Volta tarafından icat edilmiştir. Böylelikle dünyanın ilk sürekli elektrik akımı elde edildi.

Elektrik akımı mağnetik alan oluşturur, mağnetik alan da elektrik akımı oluşturur. Aralarındaki bu etkileşime Elektromağnetizm denir. Fiziğin bir alt dalıdır.

Tarihte doğal olarak bulunan demir mıknatıslar ve mıknatıs taşlarının oluşturduğu mağnetizm zaten biliniyordu. Ancak elektrik akımı ile mağnetik alan arasındaki ilişki bilinmiyordu. Bu ilişki muhtemelen çok az insanın aklına gelmiştir. Hatta bununla ilgili çeşitli yarışmalar düzenlenmiş ancak sonuç alınamamıştı. 1776 ve 1777 yıllarında Bavaria Bilim Akademisi böyle bir ödül vaadetti ancak kazanan olmadı. 1808'de Londra Bilim Topluluğu aynı soruyu gündeme getirdi, ödül koydu ancak kazanan gene olmadı.

Mıknatısı üçe ayıralım. Doğal mıknatıslar, yapay mıknatıslar ve elektromıknatıslar. Günlük hayatta epey bir yerde kullanılıyor bunlar. Saç kurutma makinesi, mikser, blender, çamaşır makinesi, hoparlör, uzay araçlarında kullanılan elektrik itki motoru bunlara örnek sayılabilir.

Danimarkalı bilim adamı Hans Christian Oersted aslında felsefe ile ilgilenmesine rağmen yaptığı deneylerde birşeyi keşfetti. Elektrik akımı, çevresinde mağnetik alan oluşturuyordu. Bu durumu 1820'nin baharında ders verdiği sırada keşfetti. Elektrik akımının bir platin teli nasıl ısıttığını gösterirken masa üzerinde duran pusula yön değiştirmişti. Bataryayı her bağlamasında pusula orijinal gösterdiği yönden başka bir yöne dönüyordu. Burdan hareketle elektrik akımının mağnetik alan oluşturduğunu gördü. Sonrasında akımın pusulayı nasıl değiştirdiğini ve hangi açılarda olduğunu anlamak için deneyler yaptı. Akım geçen telleri denedi. Mağnetik kuvveti buldu. Bu kuvvet Newton'un bulduğundan farklıydı [1]. Üstelik bu yeni kuvvet, düz değil, elektrik akımının çevresinde dairesel bir şekil arz ediyordu.

İlk elektrik motorunu icad eden bilim insanı Michael Faraday olmuştur. Kendisi matematik bilmediği için sadece deneyleri ortaya koymuştur. Faraday 1830'larda bu çalışmaları yaptı. Sonradan James Clerk Maxwell bu çalışmaların matematiğini yazmıştır.

19. yy'ın en büyük keşiflerden birini James Clerk Maxwell yapmıştır. Hem fizik hem matermatik derecesi vardır. Okulda çok başarılı idi. İlk çalıştığı konulardan biri Saturn gezegeninin halkaları olmuş ve matematiksel olarak bu halkaların katı bir cisim veya gaz olamayacağını ispatlamıştır. Ortaya koyduğu denklemlerde bunların küçük katı parçalar olduğunu iddia etti. Nerdeyse 100 yıl sonra onun bu iddiası doğru çıktı.

Maxwell, elektrik, mağnetik alanlar ile ışık arasındaki ilişkiyi çözmüştür. Bunların her biri aslında elektromağnetik radyasyonun bir başka tipi idi. Maxwell elektrik ve mağnetik enerjiyi birleştirmiş ve bugün sıkça kullandığımız elektromağnetik teorinin 4 denklemini bir arada yazabilmiştir. Aslında bu denklemler ayrı ayrı bilim insanları tarafından bulunmuştu. Maxwell'den önce bu denklemler bir arada yazılmıyor ve dalga denklemi elde edilemiyordu. Amper yasası olarak bilinen denkleme (Maxwell'in 4. denklemi) deplasman akımı (displacement current) terimini ekledi. Bu terim kapasitör içinden geçen akımı açıklıyordu. 4 denklem kendi içinde tutarlı hale geldi ve dalga denklemini elde etti. Burdan hareketle ışığın bir elektromağnetik dalga olduğunu söyledi hatta X-ray ve Gamma ışınlarını tahmin etti. Elektromağnetik enerjiyi keşfetti. 1864'de yazdığı makale çok ses getirmiştir. Havada giden ilk elektromağnetik dalgayı da tahmin etmiştir.

Bu tahminleri ispatlamak ise Heinrich Hertz'e nasip oldu. Yaptığı deneyler ilk anten deneyleridir (1888 yılı). Sonradan bu deneyleri genişletip kablosuz haberleşmeyi geliştiren Guglielmo Marconi olmuştur. Ancak Hertz genç yaşta (36 yaşında) vefat ettiğinden Marconi'nin çalışmalarını görememiştir.

X-ray ışınları Wilhelm Roentgen tarafından 1896'da bulundu.Bulduğu ışınları tam olarak anlayamadığı için X-ray demiştir. Tıp dünyasında bu ışınlara Röntgen denir.

Bugün bütün bu ışınları inceliyor, üretiyor ve kullanıyoruz. Sağlık sektöründen savunma sektörüne, günlük hayatta, haberleşmede bu çalışmaların sonuçları kullanılıyor.

Not 2: Kuzey kutbunda görülen Kuzey ışıkları (Aurora Borealis) aslında elektromağnetik bir olaydır. Güneşten gelen yüklü parçacıklar dünyanın mağnetik alanı ile karşılaşırlar ve dünya atmosferine girerken ışıma yapar. Aynı olay Güney kutbunda da olur. Buna güney ışıkları (Aurora Australis) denir.

[1]: Newton neyi bulmuştu? Yerçekimi kuvvetini. Evrende bulunan 4 kuvvetten en küçüğü yerçekimi kuvvetidir. En büyük ise güçlü çekirdek kuvvetidir. İkisi arasındaki oran 10 üssü 42'dir. Yani 1 yazdıktan sonra yanına 42 sıfır atarsınız. Bu da 1 tredesilyon (tredecillion) eder. Ancak yerçekimi kuvveti çok devasa mesafelerde bile geçerlidir. Diğer kuvvetler çok çok küçük mesafeler için geçerlidir.