Radar Temelleri

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell ( ☆ 13. Temmuz. 1831, Edinburgh – † 5. Kasım. 1879 Cambridge) İskoçyalı bir fizikçi ve matematikçi idi. Kendisi Maxwell Denklemleri olarak bilinen manyetik ve elektrik alanlarının matematiksel açıklamaları ile ünlüdür.

Maxwell, Michael Faraday tarafından deneysel olarak keşfedilen ve daha sonra indüksiyon kanunu olarak adlandırılan, bir mıknatısın hareketi ile bir iletkende indüklenme yoluyla gerilim elde edilmesi olayını çalışmasına temel almıştı. Faraday, keza hareket eden mıknatısın arkasında çektiği bireysel kuvvet hatlarından bahsetmişti. Maxwell tam tersine mıknatısın etrafındaki tüm uzayın bir güç alanı ile dolu olduğunu düşünmüştü. Bu güç alanını hesaplamak için çok karmaşık diferansiyel denklemler gerekiyordu. Maxwell elektriksel parçacıklarla yüklü herhangi bir sistemin davranışını belirleyen kanunları, eğer bu parçacıkların tüm noktalardaki o anki konumu, hızı ve alan değeri biliniyorsa ortaya çıkarmak için uğraştı.

Bu denklemlerin en şaşırtıcı sonuçlarından biri, hızı hassasiyetle hareket eden mıknatıs tarafından yaratılan elektrik alanının kuvvetine bağlı olan, elektrik ve manyetik dalgalara dönüşebilmesidir. Bu, dalgaların istenen hızının, eğer üretilen elektrik alanının enerjisi kendi manyetik alanının enerjisi kadarsa, bir mıknatısa verilmesi gereken hıza karşılık gelen hızdan başka bir şey olmadığıdır. Bu hız zaten biliniyordu ve Maxwell bu hızın o zamanlar ışığa atanan hıza en uygunu olduğuna dikkat çekmişti. Bu nedenle ışık dalgalarının elektromanyetik kaynaklı olabileceği savını ortaya attı.¹

• Denklem 1: Bir elektrik yükünün dağılımı bir elektrik alanı yaratır. Bir V hacminin kapalı ∂ V yüzeyinden geçen elektrik akısı bu yüzey tarafından çevrelenmiş hacim içinde bulunan net elektrik yükü ile doğru orantılıdır.

• Denklem 2: Manyetik alan hatları kapalı daireler meydana getirirler. Bir hacmin kapalı yüzeyinden geçen manyetik akı içinde bulunan manyetik yüke eşittir, içinde bir manyetik tek kutup (monopole) bulunmadığından dolayı bu manyetik yük değeri sıfırdır.

• Denklem 3: Zamana bağlı olarak değişen bir manyetik alan elektrik alanı meydana getirir. Bir A yüzeyinin ∂ A sınır eğrisi üzerindeki elektriksel dolaşım (circulation) yüzeyden geçen manyetik akının zamana bağlı değişiminin negatif değerine eşittir.

• Denklem 4: Bir hareket eden elektriksel yükün ya da değişen elektrik akısının her ikisi de bir manyetik alan meydana getirir. Bir A yüzeyinin ∂ A sınır eğrisinin üzerindeki manyetik dolaşım, elektrik akımı ile zamana bağlı olarak değişen elektrik akısının bu yüzeyden geçen miktarın toplamına eşittir.

Bu denklemlerin en şaşırtıcı sonuçlarından biri, hızı hassasiyetle hareket eden mıknatıs tarafından yaratılan elektrik alanının kuvvetine bağlı olan, elektrik ve manyetik dalgalara dönüşebilmesidir. Bu, dalgaların istenen hızının, eğer üretilen elektrik alanının enerjisi kendi manyetik alanının enerjisi kadarsa, bir mıknatısa verilmesi gereken hıza karşılık gelen hızdan başka bir şey olmadığıdır. Bu hız zaten biliniyordu ve Maxwell bu hızın o zamanlar ışığa atanan hıza en uygunu olduğuna dikkat çekmişti. Bu nedenle ışık dalgalarının elektromanyetik kaynaklı olabileceği savını ortaya attı.¹

Böylece bu salt matematiksel denklemler sayesinde elektromanyetik dalgaların varlığını önceden tahmin edildi. Elektromanyetik dalgaların varlığı ancak 20 yıl sonra Heinrich Rudolf Hertz tarafından yapılan deneyle doğrulandı ve bu tüm radyo- ve radar teknolojisini temelini oluşturdu.

Bugün artık Maxwell denklemlerinin bu karmaşık integral gösterimi kullanılmamaktadır. Bunun yerine Nabla–operatörü ∇ ) tercih edilmektedir.