Dalgalar 12 Sınıf

Dalganın bir enerji aktarımı olduğunu daha önceki yıllarda öğrenmiştik. Ayrıca gergin bir ip üzerinde oluşturulan dalgaların yansıması, iletilmesi ve üst üste bindirilmesi gibi olayları incelemiştik. 10. sınıfta su dalgalarıyla ilgili su dalgalarının genel özelliklerini, su dalgalarında yansıma ve kırılma olaylarını incelemiştik. Bu bölümde amaçlanan, su dalgalarının davranışını farklı durumlar için analiz etmek ve ışığın davranışıyla karşılaştırarak ışığın doğası ile ilgili çıkarımlar yapmaktır. Ayrıca bu çıkarımlardan yola çıkarak elektromanyetik dalgaların özelliklerini, teknolojideki uygulamalarını (cep telefonları, radyo ve televizyon yayınları, röntgen gibi) ve canlılar üzerindeki olası etkilerini tartışabilmemiz amaçlanıyor. Bu amaçlar doğrultusunda önce Su dalgalarında kırınım, girişim olaylarını inceleyeceğiz.

Su Dalgalarında Kırınım

Bilim insanlarının özellikleri arasında merak ve gözlem önemli bir yer tutar. Deniz kenarında oturan bir insan kayaların arasında kalan dar bir aralıktan su dalgalarının geçişini gözlemlediğinde oldukça farklı bir görüntüyle karşılaşır. Düz dalga formatında gelen su dalgaları aralığın kenarlarında daha belirgin olacak şekilde çembersel bir bükülmeye uğramaktadır.

Yukarıdaki resimlerde su dalgalarının bir aralıktan geçerken nasıl yapı ve yön değiştirdiğini görebiliriz. Aşağıdaki çizimde bu değişimin bir modeli gösteriliyor.

Su dalgaları dar bir aralıktan geçtikten sonra tıpkı bir dairesel dalga kaynağından geliyormuş gibi dairesel su dalgalarına dönüşüyorlar. Su dalgaları daha geniş bir aralıktan ya da sadece tek bir engelin kenarı üzerinden geçerken de bükülürler. Fakat görüntü yukarıda gösterildiği gibi tam bir çembersel yapı ifade etmez. Engeller arası genişlik artırılırsa geçen dalgalar doğrusal yapıya kayarlar. Tersine aralık genişliği daraltılırsa dairesel su dalgası oluşumu daha belirginleşir.

λ dalga boylu su dalgalarının w genişliğindeki bir aralıktan, w ≤λ olmak şartıyla, geçerken dairesel su dalgaları şeklini almasına su dalgalarının kırınımı diyoruz.

Su Dalgalarında Girişim

Elimize bir kürdan alıp bir fincan içerisindeki çayın yüzeyine eşit zaman aralıklarıyla dokundurursak yüzeyde dairesel su dalgaları oluşur. Daha geniş bir kapta iki kürdanla bir cm aralıklı iki noktaya eş zamanlı olarak önceki gibi dokundurursak, sıvı yüzeyinde oluşan dalgaların birbiri içinden geçerek ilerlediklerini ve bu şekilde sönümlenmiş (durgun su yüzeyi) ve normalden daha çukur ve tümsek olan dalga bölümleri oluştuğunu gözlemleyebiliriz.

Benzer bir gözlemi, bir havuz ya da gölün üzerinde birbirine yakın iki noktaya attığımız iki küçük taşın oluşturduğu dairesel su dalgaları için de gözlemleyebiliriz.

Bu olayı “dalga leğeni” adı verilen deney aleti ile laboratuvarda inceleyebiliriz. Dalga leğeninin ne olduğunu daha önceki yıllardan biliyoruz. (Üzerinde lamba olan sehpa biçiminde içine 3-4 cm derinlikte su konulabilen tabanı cam bir kap.) Su doldurulmuş dalga leğeni üzerinde yakın mesafedeki iki noktasal kaynak su yüzeyine eşit periyotlarla ve aynı anda batırılıp çıkarılırsa su yüzeyinde bir desen oluşur. Eşit dalga boylu bu su dalgaları ilerlerken çukur ve tepeler birbirini takip ederler. Tepeler ve çukurlar desenin bazı noktalarında birbirini güçlendirirken bazı noktalarda birbirini zayıflatır ve yok eder. Bu desene girişim deseni denir. İki veya daha fazla dalganın üst üste binerek yeni bir dalga şeklinde sonuç vermesine girişim denir.

Oluşan bu deseni incelersek dalgaların birbirini güçlendirdiği çift tepe ve çift çukur bölgelerinin bir hat oluşturduğunu görürüz. Su dalgalarının bu bölgelerde üst üste binerek oluşturdukları noktaları birleştirerek elde edilen bu eğriye dalga katarı denir. Deneydeki fiziksel yapıya göre dalga katarlarının sayısı değişir.

                   Girişim deseninde dalga katarları ve düğüm çizgileri

Benzer şekilde su dalgalarının birbirlerini yok ederek sönümlendirdiği bölgelerdeki noktalar işaretlenip birleştirilirse bir eğri hat oluşturdukları görülür. Bu eğriye düğüm çizgisi denir.Yukarıdaki gösterimde çizgiler dalga tepelerini, bu çizgiler arasındakikesikliçizgiler dalga çukurunu modelliyor. Çizgilerin kesiştiği noktalarda çift tepe (tepe + tepe), kesikli çizgilerin çakıştığı yerlerde çift çukur(çukur + çukur) oluşuyor. Düz çizgi ile kesikli çizgilerin üst üste geldiği yerlerde ise sönümlenme (tepe + çukur ya da çukur + tepe) yani dalganın yok olduğu yerler gösteriliyor.

Düğüm çizgileri ve dalga katarları üzerindeki noktalar belirli bir düzene göre oluştuğu düşüncesinden hareketle,girişim deseni üzerinde herhangi bir noktanın düğüm çizgisi üzerinde mi yoksa dalga katarı üzerinde mi olduğunu bazı hesaplamalar yaparak bulabiliriz.

Katar ve düğüm noktaları incelendiğinde bu noktaların kaynaklara olan uzaklıkları (S₁ ve S₂) farkının (yol farkı, ΔS)belli bir kurala uygun değerler verdiği görülür.

• Bu fark dalga katarları için dalga boyunun tam katlarıdır,

ΔS = S₁ – S₂ = n.λ (n= 1, 2, 3, …)

• Düğüm çizgileri için ise dalga boyunun buçuklu katlarıdır,

ΔS = S₁ – S₂ (n-1/2).λ  (n=1, 2, 3, …)

• Ardışık dalga katarları incelendiğinde aralarındaki uzaklığın λ/2 olduğu görülür.
• Ardışık düğüm çizgileri aralarındaki uzaklık da λ/2 dir

• Ardışık düğüm-katar ya da katar-düğüm çizgileri arası uzaklık ise λ/4 dür.
• Düğüm çizgisi ve dalga katarı sayısı kaynaklar arası uzaklıkla doğru orantılıdır.

 Örnek

Şekilde aynı fazlı K₁ ve K₂ kaynaklarının oluşturduğu eşit dalga boylu dairesel su dalgalarının girişim deseni modellenmiştir. Bu desende mavi K₁, pembe de K₂ kaynağından çıkan dalga tepeleri ve noktalı çizgiler de dalga çukurlarıdır.

P₁ noktasını ele alırsak, K₁ den uzaklığı S₁= 3,5λdır. K₂ den uzaklığı ise S₂ =2,5λdır.

ΔS= S₁ – S₂ = 3,5λ – 2,5λ= 1.λ bulunur. λnın çarpanı olan 1 tam sayı olduğu için bu nokta n=1. dalga katarı üzerindedir denir. Gerçekten de desene bakarsak bu nokta kesikli çizgilerin kesiştiği bir çift çukurdur.

P₂ noktasını ele alırsak, K₁ den uzaklığı S₁= 2λdır. K₂ den uzaklığı ise S₂ =3,5λdır.

ΔS= S₂–S₁ = 3,5λ – 2λ= (1,5). λ bulunur. λ nın çarpanı olan 1,5 buçuklu sayı olduğu için bu nokta düğüm çizgisi üzerindedir.

(n-1/2)=1,5 dan, n=2 bulunur. 2. düğüm çizgisi üzerindedir denir. Gerçekten de desene bakarsak bu nokta düz çizgi (tepe) ve kesikli çizginin (çukur) kesiştiği sönümlenmiş bir noktadır.

12. sınıf fizik dersi elektromanyetik dalgalar konusu özeti, elektromanyetik dalgaların özellikleri, çeşitleri, doppler olayı anlatımı.

12. Sınıf Elektromanyetik Dalgalar Konu Anlatımı

1. Durgun Yüklerle İlgili Gauss Yasası

Elektrik alanın skaler kaynağının elektrik yükleridir. Elektrik alan noktasal yüklerde sonlanır. Herhangi bir kapalı yüzeydeki elektrik alanın akısı o yüzeyin içindeki toplam yükle doğru orantılıdır.

2. Hareketli Yüklerle İlgili Gauss Yasası

Manyetik alanın skaler kaynağı yani manyetik yük yoktur. Manyetik alan daima kendi üzerinde sonlanır. Bu nedenle herhangi bir kapalı yüzeydeki manyetik alanın akısı sıfırdır.

3. Değişken Manyetik Alanlarla İlgili Faraday Yasası

Değişen bir manyetik alan etrafında elektrik alanı oluşur.

4. Manyetik Dolanımla İlgili Ampere Yasası

Değişen bir elektrik alan manyetik alan oluşturur. Maxwell denklemleri elektromanyetik dalgaların yapısının anlaşılmasına ve bu dalgaların ivmeli hareket eden yükler tarafından salındığının anlaşılmasına büyük katkısı olmuştur. Temel olarak elekromanyetik dalgalar ivmeli hareket eden elektrik yükleri tarafından üretilir.

Herhangi bir noktada meydana gelen manyetik alan değişimi hemen bir elektrik alan değişimine, elektrik alan değişimi de bir manyetik alan değişimine sebep olur. Bu iki alanın değişim vektörleri birbirlerine diktir. Bir noktada enerji harcanarak periyodik bir alan değişimi meydana getirilirse, bu enerji ışık hızıyla, aynı periyotlu elektrik ve manyetik alan dalgaları olarak uzaya yayılır. Bu olaya elektromanyetik dalgaların ışıması denir.

Elektrik alan vektörü E, manyetik alan vektörü B ye diktir ve her biri zamanla sinizoidal olarak değişir. Ë ve B ikisi birlikte aynı fazdadır ve dalganın ilerleme yönüne diktir. Bundan dolayı elektromanyetik dalgalar enine dalgalardır. Elektrik alan ile manyetik alan arasında,

• bağıntısı vardır.
• oranı sabit ve ışık hızına eşittir.

Elektromanyetik Dalga Çeşitleri

Elektromanyetik dalgaların frekans ve dalga boyu değerleri farklı da olsa bu değerlerin çarpımı daima ışık hızına eşittir. Dalga boyu farklı elektromanyetik dalgalar farklı özellikler gösterir. Çok çeşitli kullanım alanları olan bu elektromanyetik dalgalara örnek olarak aşağıdaki ışınlar verilebilir.

Radyo dalgaları
Televizyon dalgaları
Mikrodalgalar
Kızılötesi dalgalar
Radar dalgaları
Görülebilir ışık dalgaları
Ultra-viole ışınları
X ışınları
Gamma ışınları

Elektromanyetik dalgaların özellikleri:

• Yüklerin ivmeli hareketlerinden meydana gelirler. Dolayısıyla bir elektromanyetik dalgayı oluşturmak için enerji harcanması gereklidir.
• Elektrik ve manyetik alanlar birbirini doğurarak ışık hızıyla yayılır. Dolayısıyla bütün elektromanyetik dalgalar ışık hızıyla yayılır.
• Işığın da bir elektromanyetik dalga olduğu hatırlanırsa, elektromanyetik dalgalar yansımaya ve kırılmaya uğrar.
• Yüklü parçacık olmadıkları için elektrik ve manyetik alanda sapmazlar.
• Enerji taşırlar ve elektromanyetik dalgayı soğuran cisimler ısınır.
• Fotonlardan meydana gelmişlerdir,
• Hızları ortamdan etkilenir.
• Elektrik ve manyetik alan bileşenleri aynı fazdadır.

Radyo Dalgaları

Radyo dalgaları, iletken anten üzerinde ivmelendirilen yükler tarafından meydana getirilir. Dalga boyu en büyük olan elektromanyetik dalgalardır. Dalga boyu 30 cm den daha büyük olan tüm elektromanyetik dalgalar radyo dalgaları olarak adlandırılır. Günümüzde en çok FM adı verilen radyo dalgaları kullanılmaktadır. Radyo dalgalarının taşıdıkları enerji çok küçük olduğundan canlı sağlığı üzerinde herhangi bir zararı yoktur.

Televizyon Dalgaları

Televizyon sinyallerinin iletiminde kullanılan elektromanyetik dalgalar da radyo dalgalarıdır.

Mikro Dalgalar

Mikrodalgalar uzun mesafeli bilgi aktarımında kullanılabilen elektromanyetik dalgalardır. Mikrodalgalar yağmur, kar, sis ve kirli havanın içinden geçebilir. Bu yüzden iletişimde kullanılırlar. Denizcilerin kullandığı telsizler ile haberleşme, mikrodalgalarla sağlanır. Mikrodalgalar metal yüzeylerden yansır. Bu özelliklerinden faydalanılarak radarlar yapılmıştır. Mikrodalgalar cam ve kağıttan kolayca geçebilirler. Bu nedenle yiyecekler cam veya kağıt kap içinde mikrodalga fırına yerleştirilmelidir.

Kızıl Ötesi Işınlar

Kızılötesi dalgalar, dalga boyları 700 nm (nanometre = metrenin 1 milyarda biri) ile 1 mm arasında olan elektromanyetik dalgalardır. Tüm sıcak cisimlerin yaydığı gözle görülemeyen elektromanyetik dalgalardır. Bitkiler, hayvanlar, eşyalar ve vücudumuz kızılötesi ışınlar yayar. Gece görüş kamerası da denilen termal kameralar, sıcak cisimlerden gelen bu dalgaları algılayarak görünür ışığa çevirir ve karanlık ortamlarda dahi görebilmemizi sağlar.

Görülebilir Işık Dalgaları

Dalga boyu 400 nm ile 700 nm arasında olan elektromanyetik dalgalar görülebilir ışık dalgalarıdır. Görülebilir ışık dalgaları, elektromanyetik spektrumunun çok küçük bir bölümünü oluşturur.

Morötesi Işınlar

Güneş kaynaklı olan ultraviole ışınlarının dalga boyları 60 nm ile 400 nm arasındadır. Ultraviole ışınlarının canlılar üzerinde hem yararlı hem de zararlı etkileri vardır. Kemik gelişimi için çok önemli olan D vitamininin vücutta kullanılabilir hâle gelmesi için vücudun Güneşten gelen ultraviole ışınlara ihtiyacı vardır. Vücut bu ışınlara fazla maruz kaldığında ise yanıklara, kırışıklıklara ve ilerleyen safhalarda cilt kanserine neden olabilir. Ayrıca morötesi ışınlar elektrik arklarından ve gaz boşalmalarından meydana gelir.

X Işınları

Dalga boyu 0,001 nm ile 60 nm arasında olan elektromanyetik dalgalar X ışını olarak adlandırılır. Elektronların metal hedeflere çarptırılması sonucu metaller X ışını yayar. X ışınları birçok maddeden geçebilir. Maddeler X ışınlarını farklı miktarlarda soğurur. Örneğin kemik dokusunda daha fazla, et dokusunda daha az soğurulur.

X ışını cihazları hava alanları gibi yerlerde güvenlik amaçlı olarak valizleri açmadan içlerinin kontrol edilmesinde de kullanılır. X ışınları kurşundan geçemez. X ışınlarından korunmanın gerektiği durumlarda kurşundan yapılmış malzemeler kullanılır.

Gamma Işınları

Dalga boyu 0,1 nm den daha küçük olan elektromanyetik dalgalardır. Bir çok maddenin içine kolayca nüfuz edebilir. Gamma ışınları tıpta kanserli hücrelerin yok edilmesinde kullanılmaktadır. Gamma ışınları kullanılarak yiyeceklerdeki zararlı bakteriler yok edilir. Gamma ışınlarına maruz kalan yiyecekler bu ışınları üzerlerinde tutmaz. Bu nedenle gamma ışınından geçirilmiş yiyeceklerin yenilmesinde bir sakınca yoktur.

Elektromanyetik Dalgalarda Doppler Olayı

Doppler olayı elektromanyetik dalgalar için de uygulanabilir. Elektromanyetik dalgaların Doppler etkisi kaynak ve gözlemcinin birbirine göre bağıl hızına bağlıdır. Bu durumda gözlenen frekans aşağıda verilen formül ile bulunur:

• 
• (Vb<<c)
• fg : gözlenen frekans
  fk : kaynağın frekansı
  Vb: kaynağın ve gözlemcinin birbirine göre (bağıl) hızı
  c : ışığın boşluktaki hızı
• Formülde verilen ± için, gözlemci kaynağa yaklaşıyorsa (+), uzaklaşıyorsa (-) seçilir.

Elektromanyetik Dalgaların Polarize Edilmesi

Bir elektromanyetik dalgadaki elektrik alan vektörlerinin titreşim yönü, polarizasyon yönü olarak tanımlanır. Atom içindeki titreşimler her yönde olabileceğinden, oluşan elektromanyetik dalga da, her yönde elektrik ve manyetik alan içerir. İşte böyle ışığa polarize olmamış ışık denir.

Güneş ışığı veya günlük hayatta kullandığımız ışık kaynaklarının çoğu, polarize olmamış ışık yayar. Polarize olmamış böyle bir elektromanyetik dalganın elektrik alan vektörlerinin, bazı metotlarla, sadece bir doğrultu üzerinde kalması sağlanabilir. Bu şekilde, elektrik alan vektörleri tek doğrultu üzerine indirgenmiş elektromanyetik dalgaya, lineer polarize edilmiş veya kısaca polarize edilmiş elektromanyetik dalga denir.