Elektromanyetizma Nedir? Elektromanyetik Teori Nasıl Ortaya Çıktı?

1800’lü yıllarda yaşayan hiç kimse, aynı yüzyılın sonunda şehirlerin elektrikle aydınlanacağını, makinelerin elektrik ile çalışacağını, kısacası elektriğin modern teknolojimizin tam merkezinde yer alacağını hayal bile edemezdi.

Ancak elektrik dediğimiz fenomen tamamıyla bilinmeyen bir şey de değildi. Örneğin 16.yüzyılın sonlarına doğru fizikçi ve doğa filozofu William Gilbert bir deney gerçekleştirmişti. Deneyde belli materyallerin, özellikle kristallerin, kumaşa sürtüldüğü zaman “çekici” bir özelliğe sahip olduğunu keşfetti.

Bunun üzerine Gilbert, bu materyallere “elektrik” ismini verdi. Gilbert, mıknatısların sarımsağa sürtüldükten sonra bile çivileri çekebildiğini göstermesiyle de o dönemde mıknatıslarla ilgili doğru olduğu bilinen bazı bilgilerin hatalı olduğunu ortaya çıkarmıştı.

Görsel: Doğada bulunan bir manyetit taşı. Manyetit taşları, doğal olarak mıknatıs özelliğine sahiptir. Doğada bulundukları için de insanlar, antik dönemden beri manyetizmanın varlığından haberdardı.

Gilbert’in bu deneylerinden sonra elektrostatik itim ve tetikleme gibi fenomenler keşfedilerek elektrik ile manyetizma arasında bir takım benzerliklerin olduğu açığa çıkmaya başlamıştı. Ancak elektrik hala gizemini korumaya devam ediyordu.

Elektrik ve Manyetizma Arasında Bir İlişki Mi Var?

Antik dönemlerden beri insanlar mıknatısların varlığından haberdardı ve hatta onları pusulalarda bile kullanıyordu. Statik elektriği de doğada kolayca gözlemleyenler, elektriğin manyetizma ile benzer olduğunu düşünmekteydi.

18.yüzyılın sonlarına doğru fizikçi Charles Augustin de Coulomb, manyetik çekim kuvvetinin, mesafenin karesi oranında azaldığını göstermişti. Bu azalış, Isaac Newton‘un keşfettiği kütleçekimi kuvvetinin mesafenin karesi oranında zayıflamasıyla aynıydı.

Aslında ilk zamanlar manyetizma ile kütleçekimi arasındaki benzerlik, manyetizma ile elektrik arasındaki benzerliğe göre daha makul gözüküyordu.

Manyetizma ve kütleçekimi arasındaki var olduğu sanılan ilişkiye yönelik yapılacak çalışmalar daha ilginç sonuçlar doğurmaya hazır gibiydi. Ancak yapılan deneyler, durumun tam da öyle olmadığını ortaya çıkaracaktı.

1819’da fizikçi Hans Christian Oersted gerçekleştirdiği bir deneyde, bir pusula üzerine akım taşıyan bir tel yerleştirdi. İlk başta kayda değer bir şeyin olmayacağını bekleyen Oersted, pusula iğnesinin telin eksenine dik bir şekilde döndüğünü gözlemlemişti.

Bu sefer akımın yönünü tersine çevirdiği zaman pusula iğnesi 180 derece dönmüştü. Oersted bu deneyle birlikte manyetizma ve elektriğin sadece benzer değil fakat yakın bir şekilde birbiriyle bağlantılığı olduğunu anlamıştı.

Elektromanyetizma fikri, ilk defa bu deneyle birlikte ortaya çıkmıştı. Elektrik akımı taşıyan bir kablo, tıpkı bir mıknatıs gibi davranarak pusula iğnesini döndürüyordu.

Görsel: Oersted’in pusula ve akım taşıyan tel ile yaptığı ünlü deneyi.

Michael Faraday ve Elektromanyetizma İle İlgili Deneyleri

19.yüzyılın en etkili bilim insanlarından biri olan Michael Faraday, elektromanyetik indüksiyonu keşfetmesi ve elektromanyetik etkileşimleri tanımlayan “alan” kavramını fizik literatürüne sokması sayesinde bilim tarihinin en tanınan isimlerinden birisi olmuştur.

Oersted gibi bilim insanlarının yaptığı deneyler sonucunda, elektrik akımının manyetizma üretebildiği gösterilmişti. Peki mıknatıslar elektrik akımı üretebilir miydi? Bu ilişki tersine de gösterilebilir miydi?

1831 yılında Michael Faraday bu sorunun cevabını öğrenmek üzere bir deney gerçekleştirmiştir. Deneyde, bir telin, akım taşıyan diğer bir tel tarafından yaratılan bir manyetik alanın yanına yerleştirildiği zaman telin içinde herhangi bir akımın oluşup oluşmayacağını görmek istiyordu.

Deneyi yapan Faraday, manyetik bir alan üretecek İkinci telden akım geçirdiği zaman, ilk telin anlık bir akım hissettiğini fark etti. Akım kesildiği zaman ise tekrar ilk telde kısa bir akım oluşuyordu. Demek ki manyetik alan da bir elektrik akımı üretebiliyordu.

Deneysel bir dahi olan Michael Faraday bununla da kalmayarak akıma sebep olanın sadece manyetik alanın varlığı değil, fakat o manyetik alandaki değişimin olduğunu da kanıtlayacaktı.

Bunu, mıknatıslı bir çubuğun hareket ettirildiği zaman bobinli bir telden akımın geçtiğini göstererek deneysel olarak doğrulamıştı. Böylelikle Faraday, günümüzdeki elektrikli aletlerin çoğunun çalışmasının temel prensibi olan elektromanyetik indüksiyon fenomenini keşfetmişti.

Görsel: Michael Faraday, deneysel bilimin en başarılı temsilcilerinden birisi olarak görülmektedir.

Elektromanyetizma ve Işık Aynı Paranın İki Farklı Yüzü

Faraday’ın meraklı zihni sadece elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi keşfetmekle tatmin olmamıştı. Ayrıca manyetik alanların ışık fenomeni üzerinde bir etkiye sahip olup olmayacağını da bilmek istiyordu. Faraday, doğadaki tüm kuvvetlerin birliğine inanan biri olarak ışık ve elektromanyetizmanın da aynı varlığın farklı görünüşleri olduğuna inanıyordu.

Nitekim 1845 yılına gelindiğinde Faraday, manyetik bir alanın polarize ışığı etkilediğini keşfetmişti. Bu etki günümüzde manyeto-optik etki ya da Faraday etkisi olarak bilinmektedir.

Günlüğünde ise şöyle yazmaktaydı:

Bugün manyetik kuvvet çizgileriyle çalıştım. Farklı cisimlerin içinden manyetik kuvvet ve aynı zamanda polarize olmuş ışık geçirerek bunu yaptım. Sonrasında polarize ışıkta bir etki meydana gelmişti. Bu nedenle manyetik kuvvet ve ışığın birbiriyle ilişkili olduğu kanıtlanmıştır.

 Bu deney kesinlikle manyetik kuvvet ve ışık arasındaki bir ilişkinin varlığının ilk net kanıtıydı. Ayrıca ışığın elektrik ve manyetizma ile ilişkili olduğunu da gösteriyordu. Bu fenomenle alakalı olarak Faraday ayrıca şöyle diyordu:

Bu gerçek, doğa kuvvetlerinin araştırılmasında son derece verimli ve değerli bir bakış açısı sunacaktır.

Yanılmıyordu. Elektromanyetizma ile ışık arasındaki ilişki, ışığın elektromanyetik teorisinin köşe taşlarından bir tanesi olacaktı.

Faraday’ın Deneylerini James Clerk Maxwell Matematiksel Olarak İspatlıyor

Daha önce de bahsedildiği gibi Faraday, ışığın bir elektromanyetik dalga olabileceğini ve bu dalgaların da “alan çizgileri” boyunca yayıldığını söylüyordu.

Ancak Faraday’ın bu fikri bilim camiası tarafından şüpheyle karşılanmış ve çoğu bilim insanı bu görüşü reddetmişti. Ta ki Maxwell’in Elektromanyetik Alanın Dinamik Bir Teorisi başlıklı makalesi 1865 yılında yayınlanana kadar.

1865 tarihinde adı geçen makalesinde Maxwell, toplamda 20 denklemi tanıtmıştı. Bu denklemler elektrik ve manyetizma hakkında o zamana kadar bilinen her şeyi matematiksel olarak tanımlıyordu.

Görsel: 19.yüzyılda yapılan çalışmalarla ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğu ortaya çıkmıştır.

Elektromanyetizma Kuramı Ortaya Çıkıyor

İskoçyalı matematikçi ve bilim insanı James Clerk Maxwell, elektromanyetizma ve ışık fenomeninin aslında aynı paranın iki farklı yüzü olduğunu söylüyor; bunu matematiksel olarak denklemleriyle ifade ediyordu.

Maxwell denklemleri olarak bilinen elektromanyetizma kuramı, fizik alanındaki “ikinci büyük birleştirme” olarak niteleniyor. İlk büyük birleştirme ise Isaac Newton tarafından, göklerdeki ve yeryüzündeki kuvveti tek bir kuvvet altında, Evrensel Kütleçekimi Yasası altında toplamasıyla gerçekleştirilmişti.

Maxwell şöyle düşünüyordu: Bir elektrik akımı manyetik alan oluşturuyorsa ve değişen bir manyetik alan bir elektrik alanı yaratıyorsa, o zaman “elektromanyetik dalgalar” dediğimiz şeyler olmalıdır.

Bunun üzerine çalışmalarını derinleştiren Maxwell, elektromanyetik dalgaların matematiksel özelliklerini analiz edince bu dalgaların ışık hızında hareket ettiğini keşfetmişti! Elektromanyetik dalgalar boşlukta saniyede 300.000.000 metre hızla yol alıyordu!

Böylelikle Maxwell, hayatının en önemli çıkarımlarından birisini yapacaktı. Şöyle diyordu:

Sonuçların birbiriyle tutarlılığı, ışığın ve manyetizmanın birbiriyle alakalı olduğunu; ışığın ise kuvvet alanları boyunca” ilerleyen elektromanyetik etkileşimler olduğunu gösteriyor.

Yayınladığı makalede Maxwell sadece ışığın elektromanyetik dalga olduğunu ifade eden teorisini tanımlamıyor; ayrıca Faraday’ın ışın titreşimleri üzerine düşünceleri hakkındaki teorilerinin temelini oluşturan fikirlerine de göndermede bulunuyordu.

Maxwell bunun yanı sıra Faraday’ın bulduğu manyeto-optik etkiye de atıf yapıyordu:

Faraday, bir polarize ışık etraftaki mıknatıslar ya da akımların ürettiği manyetik kuvvet çizgileri yönünde şeffaf bir diyamanyetik ortamdan geçtiği zaman, polarizasyon düzleminin dönmeye başladığını keşfetti.

Neticede Michael Faraday ve yaptığı çalışmalar, Maxwell’in 1865 yılında yayımladığı makalede defalarca bahsedilmektedir. Çünkü Maxwell, elektromanyetizma kuramı ile ilgili çalışmalarının büyük bir kısmını Faraday’ın çalışmalarına dayandırmaktadır.

Günümüzde de elektromanyetik teori olarak bildiğimiz kuramı matematiksel denklemler olarak ifade edebilmesi de Faraday’ın keşifleri sayesinde mümkün olmuştur.

Görsel: James Clerk Maxwell

Bu denklemlerle birlikte Maxwell’in aslında, Hans C. Oersted, Carl Friedrich Gauss, Andre M. Ampere ve Michael Faraday gibi bilim insanlarının çalışmalarını tek bir kuram altında topladığını rahatlıkla söyleyebiliriz.

Maxwell, elektromanyetik dalgaların sadece görünür ışık frekansında değil, çeşitli frekanslarda var olabileceğini de ifade ediyordu. Kızılötesi ve ultraviyole ışınların varlığı da o dönemde bilindiğinden, onların da elektromanyetik radyasyon tayfının bir parçası olabilecekleri ihtimali göz önünde bulunduruluyordu.

Nitekim Maxwell öldükten sonra 1888 yılında Heinrich Hertz, çok düşük frekanslarda elektromanyetik radyasyonun varlığını ortaya koyacaktı. Bir diğer ifadeyle Hertz, radyo dalgalarını keşfedecekti.

Sonuç

İnsanlar yüzyıllar boyunca elektrik, manyetizma ve ışığın tamamen birbirinden bağımsız, farklı olgular olduğuna inanıyordu. Ancak Gilbert ile başlayıp, Maxwell ile doruk noktasına ulaşan bu çalışmalar sayesinde elektriğin, manyetizmanın ve ışığın tek gerçekliğin farklı birer yansımaları olduğunu biliyoruz.

James Clerk Maxwell’in matematiksel olarak ifade ettiği elektromanyetizma kuramı, özel görelilik ve kuantum mekaniği gibi modern fiziğin temel konularında bilim insanlarına da oldukça yol göstermiştir. Birçok fizikçi Maxwell’i, yirminci yüzyıl fiziğine en büyük etkide bulunan on dokuzuncu yüzyıl fizikçisi olarak nitelemektedir.

Fizik alanına katkıları, Isaac Newton ve Albert Einstein’ın katkılarıyla hemen hemen aynı görülen Maxwell, yine Newton ve Einstein’dan sonra bütün zamanların en büyük 3. fizikçisi olarak seçilmiştir.

Sonuç olarak Maxwell’in elektromanyetik kuramının, modern fizik anlayışımızın temelini oluşturduğunu söyleyebiliriz.

Kaynaklar:

1- D.L. Sengupta, T.K. Sarkar. (11 Haziran 2003). Maxwell, Hertz, the Maxwellians, and the early history of electromagnetic waves. IEEE Antennas and Propogation Magazine, 13-19.

2- Wikipedia, “James Clerk Maxwell”. <https://en.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell>. (Erişim Tarihi: 6 Ağustos 2021).

3- OpenMind BBVA, “Faraday and The Electromagnetic Theory of Light”. <https://www.bbvaopenmind.com/en/science/leading-figures/faraday-electromagnetic-theory-light/>. (Erişim Tarihi: 6 Ağustos 2021).

4- Byrne C. (2 Ocak 2015). A Brief History of Electromagnetism. Massachusetts Lowell Üniversitesi. Amerika Birleşik Devletleri.

Leave a Reply