Elektromanyetik Teori · 9. Ünite: Elektromanyetik Dalgalar

Bir Boyutta Dalgalar

Işık, radyo dalgaları ve mikrodalgalar elektromanyetik alanın uzayda yayılan düzensizlikleridir; bu yayılımın matematiksel iskeleti, gergin bir ipteki dalgalarla aynıdır. Bu bölümde dalga denklemini ipten türetip genel çözümünü (d'Alembert) bulacak, sinüssel dalgaları ve karmaşık gösterimi kuracak, polarizasyonu (doğrusal, dairesel, eliptik) sınıflandıracak, iki ortamın ara yüzeyinde sınır koşullarından yansıma ve geçiş genliklerini elde edecek ve sonunda duran dalgalara ulaşacağız (Griffiths, Bölüm 9.1). Elektromanyetik dalgalara geçmeden önce gereken tüm dalga araç takımı burada hazırlanır.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Dalga Nedir, Neden İple Başlıyoruz?

  2. Dalga Denklemi ve d'Alembert Çözümü

  3. Sinüssel Dalgalar: k, ω, δ ve Faz Hızı

  4. Karmaşık Gösterim

  5. Polarizasyon (Kutuplanma)

  6. Ara Yüzde Yansıma ve Geçiş: Sınır Koşulları

  7. Duran Dalgalar

  8. Çözümlü Örnekler

  9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Dalga denklemi (wave equation)
$\partial_z^2 f = v^{-2}\,\partial_t^2 f$; gergin ip için $v=\sqrt{T/\mu}$. Genel çözümü sağa ve sola ilerleyen iki fonksiyonun toplamıdır: $g(z-vt)+h(z+vt)$.
Dalga sayısı ve dalga boyu (wave number, wavelength)
$k=2\pi/\lambda$ (rad/m); uzayda bir tam faz turunun ($2\pi$) kaç metrede tamamlandığını verir. $\lambda$ iki komşu tepe arası uzaklıktır.
Açısal frekans ve periyot (angular frequency, period)
$\omega=2\pi\nu=2\pi/T$; sabit bir noktadaki salınımın faz değişim hızı. Dağılmasız ortamda $\omega=vk$.
Faz hızı (phase velocity)
Sabit fazlı noktanın (örn. bir tepenin) yayılma hızı: $v=\omega/k=\lambda\nu$. Parçacıkların enine hızı $\omega A$ ile karıştırılmamalıdır.
Karmaşık genlik (complex amplitude)
$\tilde A=Ae^{i\delta}$; gerçek dalga $f=\operatorname{Re}[\tilde A e^{i(kz-\omega t)}]$. Aynı $k$, $\omega$ değerli dalgalar karmaşık genliklerin toplanmasıyla birleşir.
Polarizasyon (polarization)
Enine dalgada yer değiştirme (ya da $\vec E$) vektörünün $z$'ye dik düzlemde nasıl davrandığı. $\delta=0,\pi$ doğrusal; $A_x=A_y$ ve $\delta=\pm\pi/2$ dairesel; diğerleri eliptiktir.
Sınır koşulları (boundary conditions)
Ara yüzde $f$ ve $\partial f/\partial z$ sürekli olmalıdır (kütlesiz düğüm). Bu iki koşul yansıma ve geçiş genliklerini tek tek belirler.
Yansıma ve geçiş katsayıları (reflection and transmission coefficients)
Genlik: $\Gamma=(v_2-v_1)/(v_2+v_1)$, $\tau=2v_2/(v_1+v_2)$. Güç: $R=\Gamma^2$, $T=4v_1v_2/(v_1+v_2)^2$, $R+T=1$.
Duran dalga (standing wave)
Ters yönlü iki eşit dalganın toplamı: $2A\sin kz\sin\omega t$. Şekil ilerlemez; düğümler ($z=n\lambda/2$) sabit, karınlarda genlik $2A$.
Duran dalga oranı (SWR)
Kısmi yansımada zarfın en büyük ve en küçük genliğinin oranı: $(1+|\Gamma|)/(1-|\Gamma|)$; saf ilerleyen dalgada $1$, tam yansımada sonsuz.

Örnek soru

SI birimlerinde bir ip dalgası $y(z,t)=0.02\cos(3z-12t)$ ile verilmiştir. Bu dalganın faz hızı ve yayılma yönü nedir?

  1. $36\,\text{m/s}$, $+z$ yönünde
  2. $4\,\text{m/s}$, $-z$ yönünde
  3. $4\,\text{m/s}$, $+z$ yönünde
  4. $0.25\,\text{m/s}$, $+z$ yönünde
  5. $12\,\text{m/s}$, $+z$ yönünde

Doğru cevap: C

Çözüm

Cevap: $4\,\text{m/s}$, $+z$ yönünde.
1. Genel biçim $A\cos(kz-\omega t+\delta)$ ile karşılaştırılırsa $k=3\,\text{rad/m}$, $\omega=12\,\text{rad/s}$ olur.
2. Faz hızı $v=\omega/k=12/3=\mathbf{4\,\text{m/s}}$.
3. Argüman $kz-\omega t$ biçimindedir; $kz-\omega t=\text{sabit}$ koşulunda $z$ zamanla artar, dolayısıyla dalga $+z$ yönünde gider.
En güçlü çeldirici $36\,\text{m/s}$ ($k\omega$ çarpımı) ve $0.25\,\text{m/s}$ ($k/\omega$ oranı); ikisi de hız tanımını ($\omega/k$) tersine ya da yanlış kurar. $12\,\text{m/s}$ ise yalnızca $\omega$'dır, $k$'ya bölünmemiştir.

Elektromanyetik Teori: tüm konular