Manyetik alanın oluşumu hareketli bir yük sayesinde meydana gelir. Yük değişmeyen bir hareket yaparak bir manyetik alanın meydana gelmesini sağlar. Yük sabit olan hızını, değişken olan hıza dönüştürürse bu defa ortaya değişken bir manyetik alan çıkar. Değişken bir manyetik alan da elektrik alan meydana getirir. Bu durumun terside gerçekleşebilir yani değişken elektrik alanda manyetik alan meydana getirebilir. Böylece değişken hareketi yapan bir yük elektromanyetik alan oluşturur. Bu durumda elektrik alan ile manyetik alan birbirini etkileyen iki farklı kavramdır. Bu iki kavramın temelini yani elektromanyetik teorinin temelini İskoç fizikçi ve matematikçi olan James Clerk Maxwell’in bulduğu 4 farklı Maxwell denklemleri oluşturmaktadır. Maxwell denklemleri elektromanyetizmanın bütünü için temel denklemleridir. Manyetik ve dielektrik madde yok iken Maxwell denklemleri şöyledir:
Maxwell denklemlerinin birincisi; Gauss yasası statik elektrik alanı ve statik elektrik alanını pozitif yükten negatif yüke doğru itilmesine neden olan elektrik yükleri arasındaki ilişkiyi tanımlamaktadır. Maxwell denklemlerinin ikincisi; manyetik için olan Gauss yasası elektrik yükleriyle kıyas edilebilen manyetik yükün (manyetik tek kutuplu da denilir) bulunmadığı ifade etmektedir. Başka bir ifadeyle, belirli bir hacim içine girmiş herhangi bir manyetik alan çizgisi o hacminin herhangi bir yerinden çıkmak zorundadır. Maxwell denklemlerinin üçüncüsü; bu denklem elektrik alan ile manyetik alan arasındaki ilişkiyi açıklamaktadır. Maxwell denklemlerinin dördüncüsü; Maxwell ampere yasası, manyetik alanın elektrik alan değiştirme yoluyla oluşturulduğunu açıklamaktadır. Bu denklem sadece manyetik alandaki değişimin elektrik alanının oluşmasına neden olmasını
değil, elektrik alanındaki değişimin manyetik alanın oluşmasına neden olduğunu göstermektedir (Amat ve Muñoz, 2008; Hu ve ark., 2018).
1.7.1. Elektromanyetik dalgaların hızı
Yukarıda da bahsedildiği üzere elektrik ve manyetik alanlar birbirlerine bağlı olarak değişkenlik göstermektedirler. Bu iki alan içinde dalga denklerimleri ile teoremi kurularak zamana ve ortama göre hareketleri belirlenebilir. Maxwell denklemleri hem elektrik alana ve manyetik alana uyduğunu için her ikiside z eksenine ve zamana bağlıdır.
Ex ve By alan bileşenlerinin, üstteki denkleminin zamana ve alttaki denkleminin z
göre kısmi türevleri alınırsa;
denklemlerine dönüşür. Gerek kısmi türevde sıranın olmaması gerekse de deklemeklerin iki tarafındaki özdeşliğinden dolayı sağ ksımda kalan eşitlikler birbirine eşitlenirse;
eşitlikleri elde edilir. Bu ifade bir dalga denklemi ile aynı yapıya sahiptir. Çözümü z ekseninde ilerleyen harmonik bir düzlem dalgadır. Z ekseninde ilerleyen dalga hareketi için denklem;
Burada; E0 elektrik alan genliği, k; dalga sayısı, ω; açısal frekans, Ø faz açısıdır.
Manyetik alanın By bileşeni de;
Ex ve By için türetilen denklemlerden de anlaşılacağı üzere elektrik ve manyetik
alanlar aynı fazdadır. Bir maksimum olduğunda diğeri de maksimum; biri sıfır olduğunda diğeri de sıfırdır. Bu alanlar Şekil 18’de görüldüğü gibi birlikte salınım yaparlar. Bu dalgalar birbirlerine ve dalganın yayılma doğrultusuna (z ekseni) dik olan ve titreşen elektrik ve manyetik alanlardan oluşmaktadır. Bu nedenle elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır.
Şekil 18. z ekseni boyunca ilerleyen enine elektrik ve manyetik alanın görünüşü Bilindiği üzere bir dalganın dalga boyu uzunluğu ve frekansı;
Denklemlerinden tespit edilir. Dalganın yayılma hızı ise;
olarak denklemi yardımıyla bulunur. Bir eksen boyunca ilerleyen enine bir dalganın hızı;
olduğundan belirlenen denklemler ile elektrik ve manyetik alan için dalganın ilerleme hızınını;
Şeklinde ifade edebiliriz. Burada Ɛ0 = 8.854 x 10-12 F/m boşluğun dielektrik geçirgenliği;
µ0=1.257 x 10-6 H/m boşluğun manyetik geçirgenliğidir. Bu değerler yerine konduğunda
Elektrik alanın x bileşeni ve manyetik alanın y bileşeni, z yönünde ışık hızında yayılan bir dalgadır. Bir elektromanyetik dalgada, elektrik alanın genliği ile manyetik alanın genliği arasında;
bağlantısı vardır.
1.7.2. Elektromanyetik dalgaların farklı kırılma indisli ortamda hızı
Yukarıdaki bölümde ideal boşlukta ilerleyen dalgaların oluşumu ve ilerlemeleri incelenmiştir. Elektromanyetik dalgalar boşlukta olduğu gibi numunelerin içinde de ilerleyebilmektedir. Optiksel olarak geçirgen olan ortamlarda elektromanyetik dalganın yayılma hızını, boşlukta ilerleyen elektromanyetik dalgalar için kullandığımız yöntemi takip ederek, dalgaların hızı belirlenebilir
Burada; k numunenin dielektrik sabit iken, km ise bazı ferromanyetik malzemeler dışında
değeri 1 civarındadır. km’nin değeri 1 olduğu düşünüldüğünde dalganın numune içindeki
hızı şu şekilde olur;
1.7.3. Dalga boyuna göre elektromanyetik spektrum
Günümüzde çeşitli amaçlarla kullanılan birçok elektromanyetik dalga türü bulunmaktadır. Bu elektromanyetik dalga türleri sahip oldukları bölgenin dalgaboylarına göre özellikleri değişmektedir. Sınıflandırma yapılırkende sahip oldukları dalgaboyları büyüklükleri göz önüne alınarak sınıflandırılmışlardır. Şekil 1.19’da oluşturulan sınıflandırma tablolarına göre bu dalgaların hem isimleri hemde şematik gösterimi verilmiştir.
Bu sınıflandırma tablosunda verilen radyo dalgası kısmı ise kendi frekans skala aralığına bağlı olarak isimlendirilmesi değişmektedir. Bu isimlendirlemerrin bazıları
şunlardır; 1 Hz’e kadar olana ultra düşük frekans, 1 kHz’e kadar olana aşırı düşük frekans, 3-30 kHz arasına çok düşük frekans, 30-300 kHz arasına düşük frekans, 300 kHz ile 3 MHz arasına orta frekans, 3-30 MHz arasına yüksek frekans, 30 MHz-300 MHz arasına çok yüksek frekans, 30 MHz ile 3 GHz arasına ultra yüksek frekans, 3-30 GHz arasına süper yüksek frekans ve 30-300 GHz arasına da aşırı yüksek frekans denmektedir.
Şekil 1.19. Dalga boyu büyüklüğüne göre elektromanyetik dalgaların sınıflandrılması 1.7.4. Elektromanyetik dalgaları kullanarak cisim tespitinin yapılışı
Elektromanyetik dalgaları günümüzde bir cismin yerini ve uzaklığını tespit ederken yaygın olarak kullaılmaktadır. Özellikle askeri alanlarda ve savunma sistemlerinde yaygın kullanılması bu alanı hem ekonomik olarak hem de stretejik olarak önemli kılmıştır. Gerek yabancı bir askeri uçağın tespitinde gerekse de uzaktaki herhangi bir cismin tespitinde elektromanyetik dalga çeşidi olan radar dalgaları sıklıkla kullanılmaktadır. Uzaktaki cisimlerin tespiti ise geri yansıma prensibi ile gerçekleştirilmektedir. Şekil 1.20’de uzaktaki olası bir cismin tespit mekanizmaları gösterilmiştir. Aşağıda ise Şekil 1 20’de gösterilen mekanizmanın basamak basamak anlatımı verilmiştir.
1) Bunun için magnetron olarak adlandırılan sistem ile yüksek frekanslı radyo dalgaları oluşturur.
2) Duplekser olarak bilinen ve yüksek frekanslarda sistemin zarar görmesini engellemek adına sinyalleri zayıflatan daha sonra antene sinyali aktaran ünitedir.
3) Anten, ilk aşamada verici olarak davranarak havaya dar radyo dalgaları ışınını gönderir.
4) Radyo dalgaları düşman uçağına veya yabancı bir cisme çarparak ve geri yansıyarak antene gelir.
5) Anten, bu defa alıcı rölü oynayarak geri yansıyan dalgaları toplar. 6) Duplekser anteni alıcı birime geçirir.
7) Alıcı ünitedeki bilgisayar yansıyan dalgaları işler ve onları bir monitor ekranına çeker.
8) Düşman uçağı veya yabancı cisimler yakınlardaki diğer hedeflerle birlikte monitor ekranında görünür.
Şekil 1.20. Radar dalgaları kullanarak cisim tespitinin gösterimi
Yabancı cismin tespiti için kullanılan elektromanyetik dalgalardan kaçmak amacıyla da çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Burada ki temel mantık gelen ışının tekrar kaynağa veya dedektöre gitmesinin engellemektir. Bu sebeple gelen ışının geri yansıma miktarı olabilidiğince azaltılması istenmektedir. Bu ise iki şekilde mümkündür. Birincisi dalganın çarpma neticesinde sağa sola dağılmasını sağlayarak kaynağa ulaşmasını engellemek. İkincisi ise gelen dalganın bir numune aracılığıyla soğrulması yapılarak geri dönen dalga şiddetini azatlıması ile yapılabilir.