Elektromanyetik Dalga Teorisi DERS-4 İyonosferik Tabakaların Kırılma İndisi Elektromanyetik Spektrum Doppler Etkisi
İyonosferik tabakaların kırılma indisi
Snell kanunundan yararlanarak, aşağıdaki denklemleri yazabiliriz.
Bu durumda, iyonosferden dalganın tekrar yeryüzüne yansıma koşulu aşağıdaki gibidir.
Dalganın geri yansıması geliş açısı ve elektron yoğunluğuna bağlıdır. Geliş açısı ne kadar küçükse, geriye yansıma daha düşük elektron yoğunluğunda bile gerçekleşebilecektir. Açı 90 dereceye yaklaştıkça, geriye yansıma için daha yoğun elektrona ihtiyaç olacaktır. Gerekli elektron yoğunluğu yoksa, dalga yansımaz.
Dalganın dik gönderilmesi koşulunda dalganın yeryüzüne geri dönme şartını yazalım. Bu koşul sağlanırsa, dalganın dik gönderilmesi durumunda (aslında bütün açılarda), dalga tekrar geri dönecektir.
Kritik Frekans Düşük frekanslarda, elektron yoğunluğunun az olduğu, alçak tabakalarda yansıma meydana gelecektir. Frekans arttıkça yansıma, elektron yoğunluğunun fazla olduğu daha üst tabakalarda gerçekleşecektir. Elektron yoğunluğunun maksimum değeri maksimum frekansı belirler ve bu frekansa kritik frekans adı verilir ve f 0 ile gösterilir.
Elektromanyetik Spektrum
Radyo Dalgaları Radyo dalgaları binlerce kilometreden yaklaşık bir milimetreye kadar dalga boylarındadır ve sahip oldukları rezonansa uygun antenler ve modülasyon teknikleri kullanarak analog veya sayısal veri aktarımı kanalları olarak değerlendirilebilirler. Televizyon, cep telefonu, MRI, kablosuz bilgisayar ağları ve benzeri uygulamalar radyo dalgalarını kullanır. Radyo dalgalarının veri taşıma özellikleri dalga yüksekliği, frekans ve faz belirli bir bant aralığında modüle edilerek belirlenir. Elektromanyetik spektrumun bu bölümünün kullanımı birçok ülkede çeşitli resmi kuruluşlar tarafından kısıtlanmakta ve denetlenmektedir. En uzun dalga boyuna sahip EM Dalgalardır. Kullanım alanları: TV yayınları AM ve FM radyo yayınları GSM haberleşmesi
Mikrodalga Dalgaboyu 1 mm- 1 m arasındadır Kullanım alanları: Mikrodalga fırınlar Bluetooth haberleşme Geniş bantlı kablosuz internet Radar GPS
Mikrodalga Mikrodalgalar santimetre mertebesinde ölçülen dalga boylarına sahiptir. Uzun dalga boyuna karşılık gelen ve mikrodalga bölgesinin başlangıcını olusturan dalgalar, bir mikrodalga fırınında bulunan yiyeceklerimizi ısıtan dalgalardır. Bu dalgalar, maddeleri oluşturan atom ve moleküllerle etkileşerek onların hareketlerinde meydana getirdikleri sürtünme nedeniyle ortaya ısı enerjisinin çıkmasına neden olmaktadır. Bu şekilde de mikrodalgaya maruz kalan maddeler ısınmaktadır.
Mikrodalga Mikrodalgalar, bilgileri içinde bulunduran sinyalleri, bir yerden başka bir yere taşımak için oldukça iyi bir taşıyıcı görevi yaparlar. Çünkü mikrodalga enerjileri, sisli ortamlara, hafif yağmurlu ve karlı ortamlara, bulutlu ve sigara dumanının bulunduğu ortamlara çok iyi bir şekilde nüfus edebilmektedir. Kısa dalga boylarına karsılık gelen mikrodalgalar, uzaktan algılamalarda kullanılmaktadır. Bu mikrodalgalar, hava tahminlerinde kullanılan doppler radar sistemlerindeki gibi, radar olarak kullanılmaktadır. Yine bu dalgalar, yaklaşık boyları birkaç inç boyutunda olan dalgalarla bildiğimiz radar sistemleri için de kullanılmaktadır. Aşağıdaki şekilde gösterilen mikrodalga kuleleri, telefon ve bilgisayar verileri gibi bilgileri bir şehirden başka bir şehre iletmek için kullanılmaktadır.
Kırmızı altı bölge (İnfrared) Kızılötesi radyasyon yaklaşık olarak 300 GHz ile 400 THz frekansları ve 1 mm ile 750 nm arasındaki dalga boylarını kapsar. Dalgaboyu, mikrodalga ve görünür ışık arasındadır. Başlıca Kullanım Alanları: Gece görüş sistemleri Uzaktan kumandalar
İnfrared Kırmızı altı bölgeye karşılık gelen elektromanyetik dalga ışınımı, elektromanyetik spektrumun mikrodalga spektrumu ile görünür bölge spektrumları arasında kalan bölgedir. Spektrumun bu bölgesine İnfrared ışınımları olarak da isimlendirilmektedir. İnfrared ışınımını yakın ve uzak infrared olmak üzere iki bölgede tanımlayabiliriz. Yakın infrared ışınımı, görünür bölge ışınımının dalga boyuna çok yakın olurken, Uzak infrared ise elektromanyetik spektrumun mikrodalga bölgesine çok yakındır.
İnfrared Uzak infrared dalgaları, ısısal özelliğe sahiptir. Diğer bir değişle, infrared ışınımının bu tipini, ısı biçiminde, günlük hayatımızda sürekli olarak karşılasırız. Güneşten, bir ateşten, bir radyatörden veya yaya kaldırımından hissettiğimiz sıcaklık infrareddir. Çok kısa yakın infrared dalgaları, sıcak değildirler, hatta gerçekte onları hissedemezsiniz. Bu kısa dalga boyları, TV uzaktan kumanda sistemlerinde kullanılmaktadır.
İnfrared İnfrared ışınımının temel kaynağı, ısı ve ısı ışınımları olduğu için, herhangi bir cisim, infrared olayında bir sıcaklık yayar. Hatta çok soğuk olarak düşündüğümüz cisimler, örneğin bir buz küpü parçası, infrared yaymaktadır. Bir cisim görünür bölge ışığı yaymak için yeterli sıcaklığa sahip değilse, onun enerjisinin çoğunu infrared ışınımı olarak yayacaktır. Örneğin, mangal kömürü, görebileceğimiz ışık çıkarmayabilir fakat bizim sıcaklık olarak hissedeceğimiz bir infrared ışınımı yayabilir. Isıtılmış cisimler, çok daha fazla infrared ısınımı yayarlar.
İnfrared Yandaki görüntü, elinde yakılmış bir kibrit çöpünü tutan adamın resmini göstermektedir. Resmi infrared ışınımlarıyla oluşturmak için, sıcaklıktaki farkı saptayabilen özel kamera ve filimler kullanılmaktadır. Sonra, onlar için farklı parlaklıkları veya niteliklerini sıraya koyarak bu resimler elde edilmektedir. Soldaki görüntü, infrared ışınları ile elde edilmiş bir kedinin resmini göstermektedir. Portakal rengine karşılık gelen bölge, oldukça sıcak ve beyazmavi renge karşılık gelen burun bölgesi, oldukça soğuktur.
İnfrared İnsanlar infrared ışınımını göremeyebilirler fakat çıngıraklı yılan ailesine ait olan, engerek yılanları, infrared ışınımlarını kullanarak görüntü oluşturmaktadırlar. Bu, yılanların sıcak kanlı hayvanları saptamalarını sağlar, hatta ortamın gece veya gündüz olmasına bağlı olmaksızın onların sadece vücut ısısı nedeniyle infrared bölgesinde yaydıkları ışınımı algılayarak sıcakkanlı avlarını kolaylıkla saptayıp avlarlar. İnsan ve hayvan vücutlarının infrared ışınları yayması yanında, Dünya, Güneş, yıldız ve galaksiler gibi uzak cisimler de infrared ışınları yaymaktadırlar.
İnfrared Aşağıdaki şekilde de modeli görüldüğü gibi, Landsat 7 uydusuna yerleştirilmis özel sensörlerle, Dünya yüzeyinden yayınlanan ve yansıyan infrared ışınlarının miktarına bağlı olarak veriler toplanmaktadır. İnfrared Astronomy Satellite (IRAS) gibi buna benzer diğer uydularla da, galaksiler, yıldızlar, çok büyük toz ve gaz bulutları gibi uzak cisimlerden gelen infrared ışınımları ölçülerek araştırmalar yapılmaktadır.
İnfrared Yan tarafta verilmis olan Dünya görüntüsü, 1986 yıllında GOES 6 uydusundan alınan bir infrared resmidir. Bir bilim adamı, kara ve denizlerden gelen ve Dünyanın çevresinde oluşan bulutlardan gelen görüntünün her bir parçasını tanımlamak için sıcaklığı kullanmaktadır. O 256 çeşit renk kullanarak her bir bölgeyi renklendirip Dünyaya uzaydan bakıldığında gerçek bir görünüşünü veren biçimi ortaya çıkarmaktadır.
Görünür Bölge Işık Dalgaları Görünür ışık dalgaları, elektromanyetik dalganın sadece çıplak gözle görülebilen kısmına karşılık gelir. Biz bu dalgaları, gök kuşağında oluşan renkler olarak görebiliriz. Buradaki her bir renk farklı bir dalga boyuna karşılık gelir.
Görünür Işık Kırmızı renge karşılık gelen dalga, görünür bölgenin en uzun dalga boyuna karşılık gelirken, mor en kısa dalga boylarına karşılık gelir. Görünür bölgedeki bütün dalgalar birlikte gözlendiği zaman beyaz ışığı oluşturur. Bunun tersi de doğrudur. Yani, beyaz ışığı yandaki şekilde de görüldüğü gibi renklerine ayırabiliriz.
Ultraviole (Mor ötesi) Dalgaları Mor ötesi (ultraviole UV) görünür bölgeden daha kısa dalga boylarına sahiptir. Kullanım alanları: Sterilizasyon için kullanılır. Bu özel ışın suda bulunan bakteri, virüs, küf ve mantar sporlarının DNA yapısını bozarak onları derhal etkisiz hale getirir Ultraviyole ışınlar, fosforlu madde olarak bilinen bazı maddelere geldiği zaman; bu maddeler, görünen ışın yaymaya başlarlar Bu olay, "fluoresans" olarak bilinir. Güvenlik kontrollerinde kullanılır.
Ultraviole (Mor ötesi) Dalgaları Oldukça enerjik olduğu için morötesi (UV) ışınım kimyasal bağları bozup çeşitli molekülleri iyonize edebilir veya katalizör etkisi gösterebilir. Güneş yanıkları morötesi radyasyonun insan derisi üzerindeki yıkıcı etkisine örnek olarak verilebilir. Bazı durumlarda kanserojen etki yapabilir. UV ışınım ayrıca etkin bir mutajendir ve hücrelerin DNA yapısını bozarak kontrolsüz mutasyona sebep olabilir. Dünya'ya güneşten gelen UV radyasyonun büyük bir kısmı yüzeye ulaşmadan önce atmosferdeki ozon tabakası tarafından emilir.
X-Işınları Işığın dalga boyu azaldıkça, enerjileri artmaktadır. X ışınları, oldukça küçük dalga boylarına sahip olduğu için, bunların enerjileri ultraviole (morötesi) ışınlarından daha büyüktür. X-ışınları, dalga boylarından daha ziyade enerjileri ile temsil edilmektedir. Kullanım alanları: Medikal Görüntüleme Hava alanı güvenlik
Gamma Işınları Gamma-ısınları, elektromanyetik spektrumun en fazla enerjiye sahip olduğu bölgesine karşılık gelmekle birlikte, en kısa dalga boyuna sahip olduğu kısmına karşılık gelen bölgesidir. Bu dalgalar, radyoaktif atomlar veya nükleer patlamalar sonucu oluşmaktadır. Gammaısınları, canlı hücreleri öldürebilir. Bu özelliği tıpta, kanserli hücreleri öldürmek için tedavi amaçlı kullanılmaktadır.
Doppler Etkisi: Doppler etkisi (veya Doppler kayması), adını ünlü bilim insanı ve matematikçi Christian Andreas Doppler'den almakta olup, kısaca dalga özelliği gösteren herhangi bir fiziksel varlığın frekans ve dalga boyu'nun hareketli (yakınlaşan veya uzaklaşan) bir gözlemci tarafından farklı zaman veya konumlarda farklı algılanması olayıdır.
Doppler Etkisi:
Hareketsiz Kaynak
Hareketli Kaynak v s
Formülün Çıkartılışı Hareketli Kaynak Kaynak bize doğru yaklaşıyorsa, = - v s T Denklemde yer alan parametreler; = Dalganın dalgaboyu = Algılanan dalgaboyu v s = Kaynağın hızı T = Dalganın periyodu
Formülün Çıkartılışı Hareketli Kaynak f o = Gözlenen frekans v = Dalga hızı = Algılanan dalgaboyu f o = Gözlenen frekans f s = Kaynak frekansı v = Dalga hızı v s = Kaynak hızı
Gözlemci Hareketli ise Yaklaşıyorsa: Uzaklaşıyorsa:
Genel Durum İki denklemi birleştirelim Hem kaynağın hem de Gözlemcinin hareketli olması durumunda:
Genel Durum