Elektromanyetik Teori · 9. Ünite: Elektromanyetik Dalgalar

Madde İçinde Elektromanyetik Dalgalar

Işık cama ya da suya girdiğinde yavaşlar, yönünü değiştirir ve bir kısmı geri yansır. Bu bölümde doğrusal, yalıtkan bir ortamda Maxwell denklemlerinden dalga denklemini türetip faz hızını $v = 1/\sqrt{\varepsilon\mu}$ ve kırılma indisini $n = c/v$ olarak elde ediyoruz; ardından iki ortamın arayüzündeki sınır koşullarından yansıma ve iletim genliklerini (normal ve eğik gelişte Fresnel denklemleri), Snell yasasını, Brewster açısını ve tam iç yansımayı (evanescent dalga dahil) çıkarıyoruz. Sonunda bu sonuçlarla bir arayüzdeki yansıma yüzdesini, polarizasyon açısını ve optik fiberin kabul açısını hesaplayabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Işık Maddeye Girince Ne Olur?

  2. Doğrusal Ortamda Dalga Denklemi ve Kırılma İndisi

  3. Normal Gelişte Yansıma ve İletim

  4. Eğik Geliş: Yansıma ve Kırılma Yasaları (Snell)

  5. Fresnel Denklemleri ve Polarizasyon

  6. Brewster Açısı

  7. Tam İç Yansıma ve Evanescent Dalga

  8. Çözümlü Örnekler

  9. Grafik Yorumu: Fresnel Eğrileri

  10. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Kırılma indisi (index of refraction)
Boşluktaki ışık hızının ortamdaki faz hızına oranı: $n=c/v=\sqrt{\varepsilon_r\mu_r}\approx\sqrt{\varepsilon_r}$. Frekansa bağlıdır (dispersiyon).
Faz hızı (phase velocity)
Doğrusal ortamda $v = 1/\sqrt{\varepsilon\mu}$. Dalganın sabit fazlı noktasının ilerleme hızıdır ve $\omega=kv$ ile $k$'ya bağlıdır.
Gelme düzlemi (plane of incidence)
Gelen dalga vektörü $\vec{k}_I$ ile arayüzün normalini içeren düzlem. s ve p polarizasyonları bu düzleme göre tanımlanır.
Snell yasası
$n_1\sin\theta_I = n_2\sin\theta_T$: arayüzde dalga vektörünün arayüze paralel bileşeni ($k_x$) korunduğu için çıkan kinematik kırılma yasası.
Fresnel denklemleri
Sınır koşullarından gelen, yansıyan ve iletilen genlik oranlarını ($r$, $t$) veren bağıntılar; s ve p polarizasyonu için ayrı ayrıdır. $R=r^2$, $T=\alpha\beta\,t^2$.
Brewster açısı (Brewster angle)
p polarize bileşenin yansımadığı açı: $\tan\theta_B=n_2/n_1$. Bu açıda yansıyan ve iletilen ışınlar birbirine diktir ve yansıyan ışık tamamen s polarizedir.
Kritik açı (critical angle)
$n_1>n_2$ iken $\sin\theta_c=n_2/n_1$ ile verilen, kırılma açısının $90^\circ$ olduğu gelme açısı. Ötesinde tam iç yansıma oluşur.
Tam iç yansıma (total internal reflection)
$\theta_I>\theta_c$ için $R=1$, $T=0$ olması durumu; ortam 2'de enerji ortalamada akmaz, yalnızca evanescent alan bulunur.
Evanescent dalga
Tam iç yansımada seyrek ortamda arayüz boyunca ilerleyen ve $e^{-\kappa z}$ ile sönen dalga. Nüfuz derinliği $\delta=1/\kappa\sim\lambda_0$ mertebesindedir.
Empedans oranı (impedance ratio)
$\beta=\mu_1v_1/(\mu_2v_2)=Z_1/Z_2$. Normal gelişte $E_{0R}/E_{0I}=(1-\beta)/(1+\beta)$; $\mu_1=\mu_2$ için $\beta=n_2/n_1$.

Örnek soru

Bağıl geçirgenliği $\varepsilon_r = 4$ ve bağıl manyetik geçirgenliği $\mu_r = 1$ olan saydam bir yalıtkanda kırılma indisi $n$ ve elektromanyetik dalganın faz hızı $v$ kaçtır? ($c = 3\times10^8$ m/s)

  1. $n = 4$, $v = 0{,}75\times10^8$ m/s
  2. $n = 2$, $v = 1{,}5\times10^8$ m/s
  3. $n = 2$, $v = 6\times10^8$ m/s
  4. $n = 0{,}5$, $v = 6\times10^8$ m/s
  5. $n = 2$, $v = 3\times10^8$ m/s

Doğru cevap: B

Çözüm

Cevap: $n = 2$, $v = 1{,}5\times10^8$ m/s
1. Doğrusal ortamda $v = 1/\sqrt{\varepsilon\mu}$ ve $n = c/v = \sqrt{\varepsilon_r\mu_r}$.
2. $n = \sqrt{4\cdot1} = \mathbf{2}$.
3. $v = c/n = 3\times10^8/2 = \mathbf{1{,}5\times10^8\ m/s}$.
Çeldiriciler: $n=4$ karekök almayı unutmaktır ($n=\varepsilon_r$ yazılmış). $v = 6\times10^8$ m/s ise $c$ ile $n$'nin çarpılmasıdır ve $c$'yi aşar; hız madde içinde azalır. $v=c$ seçeneği hızın değişmediğini varsayar, oysa $v=1/\sqrt{\varepsilon\mu}$ ortama bağlıdır.

Elektromanyetik Teori: tüm konular