AYT elektromanyetik dalgalar konu anlatımı kapsamında elektromanyetik dalgaların oluşumu ve alan yapısı, ortak özellikleri, elektromanyetik spektrum, spektrumdaki dalga türlerinin kaynakları ve kullanım alanları ile atmosferik geçirgenlik işlenecektir.
AYT fizik konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.
Elektromanyetik Dalgaların Oluşumu
İvmeli Yük ve Değişen Alanlar
Durgun bir elektrik yükü çevresinde elektrik alan oluşturur. Sabit hızla hareket eden yük elektrik ve manyetik alanlarla ilişkilidir; ancak uzaya elektromanyetik dalga yayılması için yükün hareketinin değişmesi, başka bir deyişle ivmelenmesi gerekir. Antendeki elektronların titreşmesi bu duruma örnektir.
İvmeli yükün oluşturduğu zamana bağlı elektrik alan, değişen bir manyetik alan; değişen manyetik alan da yeniden elektrik alan meydana getirir. Böylece alan değişimleri kaynaktan ayrılarak boşlukta ilerleyebilir. Maxwell bu yapıyı kuramsal olarak açıklamış, Hertz ise elektromanyetik dalgaları deneysel olarak üretip algılayarak kuramı doğrulamıştır.
Aşağıdaki hareketlerden hangileri elektromanyetik dalga yayılmasına neden olabilir?
I. İletken teldeki elektronların ileri–geri titreşmesi
II. Yüklü parçacığın düzgün çembersel hareket yapması
III. Yüklü cismin doğrusal yolda sabit hızla ilerlemesi
B) Yalnız III
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Elektrik Alan, Manyetik Alan ve Yayılma Yönü
Elektromanyetik dalgada elektrik alan vektörü E ile manyetik alan vektörü B birbirine diktir. Her iki vektör de dalganın yayılma doğrultusuna diktir. Bu nedenle elektromanyetik dalgalar enine dalgadır. E ve B aynı anda en büyük, aynı anda sıfır olduğundan aynı fazda değişir.
Yayılma yönü, E × B vektörel çarpımının yönüdür. Sağ elin dört parmağı E’den B’ye en küçük açıyla döndürüldüğünde başparmak dalganın ilerleme yönünü gösterir. Alanlardan birinin yönü ters çevrilirse yayılma yönü de tersine döner.
Bir elektromanyetik dalganın belirli bir andaki elektrik alanı +y, manyetik alanı −z yönündedir.
Dalganın ilerleme yönü hangisidir?
B) −x
C) +y
D) +z
E) −z
+x yönünde ilerleyen bir elektromanyetik dalganın elektrik alan vektörü bir anda +z yönündedir.
Bu anda manyetik alan vektörünün yönü hangisidir?
B) −x
C) +y
D) −y
E) −z
Boşlukta +z yönünde ilerleyen bir elektromanyetik dalgada elektrik alanın zamana bağlı değişimi şekildeki gibidir.
t1 anında E vektörü +x yönünde ve en büyük değerde olduğuna göre aynı anda B vektörü için hangisi doğrudur?
B) +y yönünde ve en büyük değerdedir.
C) −y yönünde ve en büyük değerdedir.
D) +z yönündedir.
E) E ile aynı yöndedir.
Alan Büyüklükleri Arasındaki İlişki
Boşlukta ilerleyen elektromanyetik dalgada elektrik alanın en büyük değeri E0, manyetik alanın en büyük değeri B0 ise E0/B0 = c’dir. Buradaki c = 3 × 108 m/s boşluktaki ışık hızıdır. E ve B aynı fazda olduğundan oran yalnız tepe değerler için değil, aynı konum ve andaki anlık büyüklükler için de geçerlidir.
Boşlukta ilerleyen bir elektromanyetik dalgada elektrik alanın tepe değeri 900 V/m’dir.
Manyetik alanın tepe değeri kaç tesladır?
B) 3 × 10−6
C) 9 × 10−6
D) 3 × 106
E) 2,7 × 1011
Elektromanyetik Dalgaların Ortak Özellikleri
Yayılma, Enerji ve Dalga Olayları
Elektromanyetik dalgalar yüksüzdür ve yayılmak için maddesel ortama ihtiyaç duymaz. Boşlukta bütün elektromanyetik dalgalar aynı c hızıyla ilerler. Saydam bir ortamdaki hız v = c/n bağıntısıyla bulunur; kırılma indisi arttıkça hız azalır.
Bir ortamdan başka bir ortama geçerken frekans kaynağa bağlı olduğundan değişmez. Hız değiştiği için λ = v/f bağıntısına göre dalga boyu değişir. Bu kural yalnız görünür ışık için değil, bütün elektromanyetik spektrum için geçerlidir.
Elektromanyetik dalgalar enerji ve momentum taşır. Bir fotonun enerjisi E = hf bağıntısıyla frekansa bağlıdır; bu nedenle ortam geçişinde frekans değişmiyorsa tek fotonun enerjisi de değişmez. Yansıma, kırılma, kırınım, girişim ve soğurulma gösterebilir; enine dalga oldukları için kutuplanabilir. Elektrik yükü taşımadıklarından düzgün elektrik ve manyetik alanlarda yüklü parçacıklar gibi sapmazlar.
Boşluktan kırılma indisi 3/2 olan saydam bir ortama geçen tek renkli elektromanyetik dalga için aşağıdaki karşılaştırmalardan hangisi doğrudur?
B) Frekansı değişmez, dalga boyu 2/3 katına iner.
C) Frekansı 3/2 katına çıkar, dalga boyu değişmez.
D) Hızı değişmez, enerjisi azalır.
E) Hızı 3/2 katına çıkar, dalga boyu büyür.
Kutuplanma
Kutuplanma, elektrik alan titreşimlerinin belirli bir doğrultu veya düzlemle sınırlandırılmasıdır. Kutuplayıcı yalnız geçirgenlik eksenine paralel elektrik alan bileşenini geçirir. Kutuplanmanın gözlenmesi elektromanyetik dalgaların enine karakterinin kanıtıdır.
Doğrusal kutuplanmış bir elektromanyetik dalga, geçirgenlik eksenleri şekilde verilen özdeş K ve L kutuplayıcılarından geçmektedir.
K’den sonra dalga geçebildiğine göre L’den çıkan dalganın şiddetinin sıfır olması aşağıdakilerden hangisini doğrudan gösterir?
B) Dalganın yüksüz olduğunu
C) K ve L eksenlerinin birbirine dik olduğunu
D) Dalganın boşlukta yayılamadığını
E) Dalga hızının frekansla değiştiğini
Elektromanyetik spektrumla ilgili aşağıdaki yargılar veriliyor.
I. Bir elektromanyetik dalga ortam değiştirirken frekansı sabit kalırsa foton enerjisi de sabit kalır.
II. Boşlukta X ışınları mikrodalgalardan daha hızlı ilerler.
III. Kutuplanma, elektromanyetik dalgaların enine olduğunu destekler.
IV. Gama ışınları yalnız elektrik alan bileşeninden oluşur.
Hangileri doğrudur?
B) I ve IV
C) II ve III
D) I, II ve III
E) II, III ve IV
Elektromanyetik Spektrum
Spektrumun Sıralanması
Elektromanyetik spektrum, elektromanyetik dalgaların dalga boyu veya frekanslarına göre kesintisiz biçimde sıralanmasıdır. Uzun dalga boyundan kısa dalga boyuna doğru temel sıra şöyledir:
Radyo dalgaları → Mikrodalgalar → Kızılötesi → Görünür ışık → Morötesi → X ışınları → Gama ışınları
Bu yönde frekans ve foton enerjisi artarken dalga boyu azalır. Bölgeler arasındaki sınırlar kesin duvarlar değildir; üretim veya algılama yöntemine göre kullanılan yaklaşık aralıklar yer yer örtüşebilir.
Elektromanyetik spektrumun K, L ve M ile gösterilen üç bölgesi şekildeki konumlardadır.
K’den M’ye gidildikçe gerçekleşen değişimler hangisinde doğru verilmiştir?
B) λ azalır, f artar, enerji artar.
C) λ azalır, hız artar, enerji değişmez.
D) λ artar, hız azalır, frekans artar.
E) λ değişmez, f ve enerji artar.
Frekans, Dalga Boyu ve Foton Enerjisi
Boşlukta c = λf olduğundan dalga boyu ile frekans ters orantılıdır. Bir fotonun enerjisi E = hf bağıntısıyla frekansla doğru orantılıdır. Dolayısıyla E = hc/λ yazılabilir. Kısa dalga boylu morötesi, X ve gama ışınlarının tek foton enerjileri radyo, mikrodalga ve kızılötesi fotonlarından büyüktür.
Dalganın toplam şiddeti ile tek fotonun enerjisi aynı kavram değildir. Şiddet, birim zamanda birim yüzeyden geçen toplam enerjiyle; tek foton enerjisi ise yalnız frekansla belirlenir.
Boşluktaki K, L ve M elektromanyetik dalgalarının dalga boyları sırasıyla 6λ, 3λ ve 2λ’dır.
Bu dalgaların frekansları fK, fL, fM ve birer fotonlarının enerjileri EK, EL, EM olduğuna göre aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
B) fL/fK = 2 ve EM/EK = 3
C) fM/fL = 2 ve EL = EM
D) fK = fL = fM
E) EK/EM = 3
K elektromanyetik dalgasının frekansı L’ninkinin 4 katıdır. Dalgalar boşlukta ilerlemektedir.
I. K’nin dalga boyu L’nin dörtte biridir.
II. K’nin bir fotonunun enerjisi L’ninkinin 4 katıdır.
III. K’nin yayılma hızı L’ninkinin 4 katıdır.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Elektromanyetik Dalga Türleri ve Kullanım Alanları
Radyo Dalgaları ve Mikrodalgalar
Radyo dalgaları spektrumun en uzun dalga boylu bölgesidir. Radyo ve televizyon yayını, telsiz iletişimi, radyo astronomi ve farklı haberleşme sistemlerinde kullanılır. Antenlerdeki alternatif akım, yükleri ivmelendirerek radyo dalgaları oluşturur.
Mikrodalgalar radyo dalgalarının daha kısa dalga boylu bölümündedir. Radar, uydu iletişimi, cep telefonu, kablosuz ağ ve mikrodalga fırınlarda kullanılır. Mikrodalga fırında enerji, besindeki özellikle kutuplu moleküllerin dönme hareketlerini etkileyerek ısınmaya dönüşür. Radar sistemlerinde gönderilen dalganın yansıması konum ve hız bilgisi sağlayabilir.
Bir havaalanında kullanılan K sistemi uçaktan yansıyan dalgalarla konum belirlemekte, L sistemi ise yörüngedeki araçla yüksek hızlı veri iletişimi kurmaktadır.
K ve L sistemlerinde yaygın olarak kullanılan spektrum bölgesi hangisidir?
B) Kızılötesi ışınlar
C) Görünür ışık
D) Morötesi ışınlar
E) X ışınları
Radyo dalgaları ile mikrodalgalar karşılaştırılıyor.
I. Boşlukta yayılma hızları eşittir.
II. Mikrodalgaların frekansı genel olarak daha büyüktür.
III. İki dalga türü de haberleşmede kullanılabilir.
IV. Mikrodalgalar elektrik yükü taşıdığı için elektrik alanında sapar.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) I ve IV
C) II ve III
D) I, II ve III
E) I, II, III ve IV
Kızılötesi Işınlar
Kızılötesi ışınlar görünür kırmızının uzun dalga boylu tarafında yer alır. Sıcaklığı mutlak sıfırın üzerinde olan maddeler kızılötesi ışıma yapar; sıcaklık arttıkça yayılan ışımanın dağılımı ve şiddeti değişir. Termal kamera, gece görüş, uzaktan kumanda, temassız sıcaklık ölçümü, ısıtma ve bazı haberleşme sistemleri kızılötesi ışınlardan yararlanır.
Bir binanın dış cephesi termal kamerayla incelendiğinde K penceresi çevresinin L duvarından daha parlak görüntülendiği belirleniyor.
Bu gözlemle ilgili aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
B) K bölgesinden algılanan kızılötesi ışıma L’den farklıdır.
C) K bölgesi X ışını yaymaktadır.
D) Görüntü farkı yalnız dalgaların boşluktaki hız farkından doğar.
E) Kızılötesi dalgalar elektromanyetik değildir.
Görünür Işık
Görünür ışık insan gözünün algılayabildiği dar spektrum bölgesidir. Yaklaşık olarak kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor sırasıyla ilerlenirken dalga boyu azalır; frekans ve foton enerjisi artar. Kırmızı ışık görünür bölgenin en uzun, mor ışık en kısa dalga boylu ucundadır.
Boşlukta yayılan kırmızı, yeşil ve mor ışık ışınları için aşağıdaki sıralamalardan hangisi doğrudur?
B) λmor > λyeşil > λkırmızı
C) fmor > fyeşil > fkırmızı
D) Ekırmızı > Emor > Eyeşil
E) fkırmızı = fyeşil = fmor
Morötesi, X ve Gama Işınları
Morötesi ışınlar görünür morun kısa dalga boylu tarafındadır. Güneş önemli bir morötesi kaynağıdır. Uygun dozlarda sterilizasyon, floresans ve güvenlik işaretlerinin incelenmesinde kullanılır; aşırı maruz kalma deri ve göz dokularına zarar verebilir. Atmosferdeki ozon tabakası zararlı morötesi ışınların önemli bir bölümünü soğurur.
X ışınları hızlı elektronların metal hedefte yavaşlatılmasıyla veya atomların iç katmanlarındaki elektron geçişleriyle üretilebilir. Yüksek nüfuz gücü nedeniyle tıbbi görüntüleme, güvenlik taraması ve kristal yapı incelemesinde kullanılır. İyonlaştırıcı oldukları için gereksiz maruziyet sınırlandırılır.
Gama ışınları çoğunlukla kararsız atom çekirdeklerinin enerji kaybetmesi ve bazı parçacık tepkimeleri sırasında oluşur. Spektrumun en yüksek frekanslı, en kısa dalga boylu ve foton başına en yüksek enerjili bölgesidir. Radyoterapi, sterilizasyon ve nükleer süreçlerin incelenmesinde kullanılabilir.
K, L ve M ışınlarına ilişkin bilgiler şöyledir:
K: Hızlı elektronların metal hedefte yavaşlatılmasıyla üretilebilir.
L: Kararsız çekirdeğin enerji kaybetmesi sırasında yayılabilir.
M: Güneş kaynaklıdır ve ozon tabakası tarafından önemli ölçüde soğurulur.
K, L ve M sırasıyla hangileridir?
B) Gama – X – Kızılötesi
C) Morötesi – Gama – X
D) X – Morötesi – Gama
E) Kızılötesi – X – Morötesi
Bir X ışını tüpünde elektronlar K noktasından hızlandırılarak metal hedef L’ye çarptırılıyor.
Bu düzende X ışınlarının oluşumuyla ilgili aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
B) Elektronların hedefte ivmeli biçimde yavaşlaması X ışını üretebilir.
C) X ışınları elektrik yükü taşıdığı için hedefe çekilir.
D) Üretilen X ışınları boşlukta radyo dalgalarından daha hızlıdır.
E) X ışınlarının frekansı görünür ışıktan küçüktür.
Morötesi, X ve gama ışınları için aşağıdaki yargılar veriliyor.
I. Üçü de elektromanyetik dalgadır.
II. Boşluktaki hızları eşittir.
III. Spektrumda gama ışınlarından X ışınlarına gidildikçe frekans artar.
IV. Üçü de yeterli enerjide biyolojik dokuda hasar oluşturabilir.
Hangileri doğrudur?
B) II ve III
C) I, II ve IV
D) I, III ve IV
E) I, II, III ve IV
Şekilde K, L ve M elektromanyetik dalgalarının üç farklı uygulaması verilmiştir.
K, L ve M sırasıyla uzaktan kumanda, kemik görüntüleme ve radyo yayınıyla ilişkilidir. Buna göre dalga boylarının doğru sıralaması hangisidir?
B) λM > λK > λL
C) λK > λM > λL
D) λK = λL = λM
E) λL > λM > λK
Atmosferik Geçirgenlik ve Astronomik Gözlem
Atmosferik Pencereler
Dünya atmosferi elektromanyetik spektrumun her bölgesini aynı ölçüde geçirmez. Görünür ışığın ve bazı radyo dalgalarının önemli bölümü yeryüzüne ulaşabilir. Morötesi, X ve gama ışınlarının büyük kısmı atmosferde soğurulur; kızılötesinin de yalnız belirli aralıkları geçer. Bu seçici geçirgenlik, yeryüzündeki canlıları yüksek enerjili ışımadan korurken astronomik gözlemlerin yerini de belirler.
Görünür ve radyo teleskoplarının bir bölümü yeryüzünde çalışabilir. Atmosferin geçirmediği dalga boylarını inceleyen morötesi, X ve gama teleskopları ise çoğunlukla atmosferin üstüne veya uzaya yerleştirilir. Farklı teleskoplar aynı gök cisminin farklı fiziksel süreçlerini ortaya çıkarır.
Bir süpernova kalıntısı, yalnız görünür ışığı algılayan bir yer teleskobu ve X ışınlarını algılayan bir uzay teleskobuyla incelenmektedir. İki dalga boyu bölgesinde elde edilen görüntülerde, kalıntının farklı bölgelerinin belirginleştiği görülmektedir.
Buna göre,
I. X-ışını teleskobunun uzaya yerleştirilmesinin temel nedenlerinden biri, gök cisminden gelen X ışınlarının Dünya atmosferinde soğurulmasıdır.
II. Görünür ışık teleskobu, algılama sistemi değiştirilmeden uzaya taşınırsa X-ışını teleskobunun yaptığı gözlemleri de gerçekleştirebilir.
III. İki görüntüde farklı bölgelerin belirginleşmesi, kalıntıdaki farklı fiziksel süreçlerin farklı dalga boylarında incelenebilmesiyle açıklanabilir.
yargılarından hangileri doğrudur?
B) Yalnız II
C) I ve II
D) I ve III
E) II ve III