Katalog

www.iku.edu.tr BİLİM KÜLTÜR VE EĞİTİM 2500 yıllık serüven: Elektromanyetik Teori Arş.Gör.Sinan Akşimşek (İstanbul Kültür Üniversitesi) Elektronik Mühendisliği Eposta: [email protected] E lektromagnetik Teori; modern dünyanın ve günümüz teknolojisinin gelişmesine temel olmuş, insanoğlunun belki de bugüne kadar ortaya koyduğu en önemli bilimsel çalışma. Peki, Türkiye’nin Ege Bölgesi’nde yer alan Manisa’nın, bu teoriye kısmen de olsa isim babalığı yaptığını söylesek, çok abartmış olur muyuz? Grek kolonisi “Megneteslerce” kurulan ve bugün Manisa olarak bilinen “Magnesia” yöresinde, M.Ö. VI. yüzyılda Yunan Filozof Thales (M.Ö 624 M.Ö 546) döneminde demir tozlarını çekme özelliğine sahip mıknatıs taşlarının keşfi, 2500 yıllık bu serüvenin başlangıcını oluşturuyor ve magnetik sözcüğü buradan geliyor. Elektrik sözcüğü ise kehribarın Grek dilindeki karşılığı olan elektron teriminden kendisine hayat bulmuş (İdemen, 2006: 13). Latince karşılığı ‘’electricus’’ olan elektrik sözcüğüne bu son şeklini veren ise İngiliz doğa bilimci William Gilbert (15441603). Gilbert 1600 yılında yayımlanan Magnetlere Dair (De Magnete) isimli çalışmasında, kehribar, cam, reçine gibi kimi materyallerin diğer maddeleri çekme özelliğini tanımlayan (statik) elektrik kavramını incelemiş, elektrik sözcüğüne ek olarak iletken ve yalıtkan terimlerini tanımlamış, elektrik ve magnetik kuvvetlerin (yanılsa da) birbirinden ayrı olaylar olduğunu açıkça tartışmıştır. Gilbert’in kitabında yer verdiği önemli olgulardan biri de kuşkusuz yeryüzünün koca bir magnet olduğu ve pusulanın ucunun bu yüzden kuzeyi gösterdiğidir (Forbes and Mahon, 2014). Gilbert’ten yaklaşık 200 yıl sonra Fransız fizikçi Charles Augustin de Coulomb (17361802), 1785 yılında elektrik yükü ile yüklü iki metal küre ya da iki mıknatıs kutbu arasındaki itme veya çekme kuvvetini duyarlı bir biçimde ölçebilen burulmalı bir tartı tasarlar. Coulomb bu ölçü aletini kullanarak iki yük arasındaki itme veya çekme kuvvetinin, yüklerin çarpımı ile doğru, (tıpkı Newton’un mekanik etkileşimi betimleyen kütle çekimi yasasına benzer şekilde) yükler arasındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğunu deneysel olarak kanıtlar. Söz gelimi, durgun(statik) haldeki elektrik yükleri kendisinden uzaktaki diğer yüklere bir itme veya çekme kuvveti uygular. Tıpkı ipeğe sürtülerek elektriklenen cam çubuk ve onun yaklaştırıldığı kâğıt parçalarının birbirlerine bir çekme kuvveti uygulaması gibi. Coulomb işte bu çekme kuvvetinin miktarını tasarladığı tartı ile ölçmüş ve ilgili yasayı oluşturmuştur. Coulomb’un keşfinden 60 yıl sonra Alman matematikçi Carl Friedrich Gauss (17771855) elektromagnetik teorinin temelini oluşturan ilk yasayı formüle eder. Gauss Yasası olarak isimlendirilen bu yasa elektrik alan ve bu alanı yaratan yük dağılımına ilişkindir. Konuya uzak ve fakat dikkatli okuyucu, yukarıda sözü edilen durgun elektrik yükleri yerine hareket halindeki elektrik yüklerinin bir kuvvet yaratıp yaratmayacağını sorabilir. Hareket eden elektrik yükleri de (elektrik akımı) bir magnetik alan oluştururlar. 1820 yılında Fransız bilim adamları JeanBaptiste Biot ve Felix Savart zamanla değişmeyen akımlar için bu ilişkiyi tanımlayan ve BiotSavart Yasası olarak adlandırılan yasayı tanımlamışlardır. Biot ve Savart’ın çağdaşı, Danimarkalı fizikçi ve kimyacı James Clerk Maxwell Hans Christian Ørsted (17771851), 21 Temmuz 1820 tarihinde, bir tel üzerinden akan elektrik akımının telin çevresinde bir magnetik alan oluşturduğuna ve bu alana yakın bir pusula iğnesinin akımın değişimine göre nasıl hareket ettiğine ilişkin kimi sonuçları içeren makalesini yayımlar (Ørsted, 1920: 273). Ørsted’ın bu çalışmasını inceleyen ve onun yaptığı deneyleri tekrarlayan Fransız fizikçi ve kimyacı AndréMarie Ampère (17751836), elektrik akımı ve bu akımın yarattığı magnetik alana ilişkin olguyu genelleştirerek formüle eder. Kabaca elektriği magnetizmaya çeviren bu formül Ampère Yasası olarak bilinir. elektrik akımının geçmesi ile beraber, halka boyunca bir magnetik alan oluşur ve oluşan bu magnetik alan ikinci sargıda bir elektrik akımı yaratır. Laboratuvarında yaptığı sayısız denemenin sonucunda Faraday, bu tarihi keşfini basit bir ifadeyle şöyle özetlemiştir: ‘’Bir magnetik kuvvet ne zaman artar ya da azalırsa elektrik üretir. Bu artış ve azalış ne kadar hızlı olursa, ürettiği elektrik o kadar fazla olur.’’ (Guillen, 1995: 157). Faraday vardığı bu sonucu formüle etmese de, bu keşfi yaptığı yıl doğan bir başka bilim adamı bu gerçeği ilerleyen yıllarda matematiksel olarak ifade edecektir. Bu bölüme geçmeden alan kavramına değinmek yerinde olacaktır. Maxwell Denklemleri tirmiş ve böylece elektromagnetizmi tek bir teori olarak formüle etmiştir. Maxwell denklemlerine göre zamanla değişen bir magnetik alan, zamanla değişen bir elektrik alan yaratır ve yine zamanla değişen bu elektrik alan yine zamanla değişen bir magnetik alan oluşturur. Elektrik ve magnetik alanlar kendilerini tek başlarına gösterebilseler de, Maxwell bu iki alanın birbiriyle ilişki içinde olduğunu ve tek bir alan tanımladığını ifade etmiş ve buna ‘’Elektromagnetik Alan’’ adını vermiştir (Maxwell, 1865: 460). Maxwell’in teorisi elektromagnetik dalgaların varlığını ve bu dalgaların ışık hızında yayıldıklarını ortaya koymuştur. Maxwell, doğru bir şekilde ışığın da bir elektromagnetik dalga olduğu sonucuna varmış ve bu sayede optik bilimi elektromagnetizmaya indirgenebilmiştir. Bu bir tek keşif, 20. yüzyıl modern fiziğinde bir çığır açmış, özel görelilik ve kuantum mekaniğinin gelişmesine ön ayak olmuştur. Bu sebeplerden dolayı Maxwell, çağının en büyük bilim adamı, Newton ve Einstein ile birlikte de gelmiş geçmiş en büyük 3 fizikçiden biri olarak kabul edilir (Robinson, 2012: 58). Bu üç anahtar bilim adamından ilki Isaac Newton, 1676’da meslektaşı Robert Hooke’a yazdığı bir mektupta, ‘’Eğer daha uzağı görebiliyorsam bu, devlerin omuzlarında durduğum içindir’’ der. Maxwell bu mecazdan haberdar olduğunda acaba ne düşünmüştür? Maxwell’in en önemli çalışması kabul edilen ve 1873’te basılan ‘’Elektrik ve Magnetizma Üzerine Bir İnceleme’’nin birinci bölümü şu cümleyle başlar: ‘’Elinize bir cam parçası ve bir parça reçine alın..’’ (Maxwell, 1873: 30). Kaynakça M. İdemen, Elektromagnetik Alan Teorisinin Temelleri, İstanbul: İTÜ Vakfı Yayınları, 2006. N. Forbes and B. Mahon, Faraday, Maxwell, and the Electromagnetic Field: How Two Men Revolutionized Physics, New York: Prometheus Books, 2014. H.C. Ørsted, Experiments on the Effect of a Current of Electricity on the Magnetic Needle, Translation of the original Latin account appearing in Annals of Philosophy, July 21, 1820. M. Faraday, Chemical Notes, Hints, Suggestions and Objects of Pursuit’ of 1822, The Institution of Engineering and Technology, 1991. A. Hirshfeld, The Electric Life of Michael Faraday, New York: Wolker&Company, 2006. M. Guillen, Five Equations that Changed the World: The Power and Poetry of Mathematics, New York: Hyperion, 1995. R. Penrose, The Emporer’s New MindConcerning Computers, Minds, and The Laws of Physics, Oxford University Press, 1989 J.C. Maxwell, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, Philosophical Transactions R. Soc. London, 1865. A. Robinson(Edited by), The Scientists: An Epic of Discovery, London: Thames&Hudson Ltd, 2012. ALAN NEDİR? “MAGNETİZMAYI ELEKTRİĞE ÇEVİR” Aynı dönemde İngilitere’de elektromagnetizma üzerine bir başka bilim adamı çalışmaktadır, Michael Faraday (17911867). Faraday, Ørsted ve Ampère’in elektrik akımı ve onun yarattığı magnetik alana ilişkin çalışmalarından haberdardır elbette ve bu dönemde kendi çalışmalarını kaydettiği deftere şu notu düşmüştür: “Magnetizmayı elektriğe çevir!” (Faraday, 1822: 70). Bu uğurda 10 yıldan fazla çalışan Faraday, 29 Ağustos 1831’de amacına ulaşır. Deney düzeneği basittir: Faraday kalın bir demir halkanın her iki tarafına, yalıtılmış bakırdan iki teli karşılıklı olarak sarar (Hirshfeld, 2006: 115). İlk sargı üzerinden Isaac Newton’un (16421726) kütle çekim yasası ile tanımladığı kütle çekim alanı, herhangi bir kütlenin çevresinde yer alır. Öte yandan ipeğe sürtülen (yani elektrik yüklü) cam çubuğun etrafında bir elektrik alan mevcuttur. Aynı şekilde bir mıknatısın çevresi de magnetik alan ile çevrilidir. Örneklerle betimlediğimiz ve tüm uzayı kaplayan bu vektörel alan kavramı, Faraday’dan önce bilinse de, o dönemde alan kavramına bir gerçeklik gözüyle bakılmıyor, uzaktan etkileşimi tanımlamaya yardımcı matematiksel araçlar olarak değerlendiriliyordu. Ancak Faraday’ın deneysel bulguları, onu elektrik ve magnetik alanların birer gerçek fiziksel olgu olduklarına inandırdı. Bu bakımdan, Newton’cu tasarıma ilk ciddi eleştiriyi Faraday’ın yaptığını söyleyebiliriz (Penrose, 1997). Belirtmeden geçmeyelim ki, elektrokimya disiplininin kurucusu addedilen Faraday, diamagnetizma ve magnetooptik etkiyi keşfetmiş, elektrik motoru, transformatör ve jeneratör gibi nice buluşu ile elektrik mühendisliğinin gelişimine zemin hazırlamıştır. Michael Faraday’ın, değişen bir magnetik alanın bir elektrik alan üreteceğine ilişkin keşfini yaptığı geceden yaklaşık iki buçuk ay önce, 13 Haziran günü İskoçya’nın Edinburgh kentinde James Clerk Maxwell (18311879) dünyaya gelir. Elektromagnetik Teori’nin kurucusu olarak kabul edilen Maxwell, Faraday’ın keşfinden 34 yıl sonra ‘’Elektromagnetik Alanın Dinamik Teorisi’’ adlı eserini yayımlar. Bu eserde Maxwell, Faraday’ın yukarıda paylaştığımız keşfini matematiksel bir denkleme dönüştürür. Maxwell kurduğu teoride, Gauss Yasası’nı, ufak bir değişiklik önerdiği Ampère Yasası’nı, matematiksel forma soktuğu Faraday Yasası’nı ve magnetik alanların diverjansına ilişkin denklemi bir araya ge Şehir Hikayeleri Fotoğraf Sergisi Sanatçı: Çetin Özer Açılış: 15.00 19 KASIM 2014 10 ARALIK 2014 Gershwin Quartet Michel Gershwin Nathalia Raithel Juri Gilbo Kira Kraftzoff Keman Keman Viyola Viyolonsel Etiknlik biletleri Biletix tarafından satılmaktadır. Çağrı Merkezi: 0216 556 98 00 Oda Müziği Tarih: 25 Kasım 2014 Saat : 19.00 Oditoryum ve Sanat Merkezi Ataköy Yerleşkesi, 34156 Bakırköyİstanbul 0212 498 41 03 AKINGÜÇ