Elektromanyetik dalga denklemi

Elektromanyetik dalga denklemi, elektromanyetik dalgaların bir ortam boyunca ya da bir vakum ortamı içerisinde yayılmasını açıklayan, ikinci dereceden bir kısmi diferansiyel denklemdir.  Denklemin, ya elektrik alanı E ya da manyetik alan B cinsinden yazılan homojen formu şöyledir:Ortamdaki ışık hızıdır ve ∇2 Laplace operatörüdür. Işık hızı, bir vakum ortamı içerisinde c = c0 = 299,792,458 metre/saniye'dir. Elektromanyetik dalga denklemi, Maxwell denklemleri'nden türetilmiştir. Ayrıca, B nin, manyetik akı yoğunluğu" veya manyetik indüksiyon olarak da adlandırılabildiği bilinmelidir.Maxwell, 1864'teki Elektromanyetik alanın mekanik teorisi isimli makalesinde, Ampère'in devre yasası üzerine 1861'deki yayınladığı  isimli makalesinin 3. kısmında yaptığı hatayı düzeltti. 1864'teki Electromagnetic Theory of Light başlıklı yayınının Part VI kısmında Maxwell, yer değiştirme akımını elektromanyetizmanın diğer bazı denklemleriyle birleştirerek, hız (ışık hızına eşit) bileşenli bir dalga denklemi buldu. Bunu şöyle yorumladı:Sonuçların uyuşması; ışık ve manyetizmanın aynı özün bir sonucu olduğunu ve ışığın, elektromanyetik yasalarına göre, alan boyunca yayılan; elektromanyetik bir bozulma olduğunu gösteriyor gibi duruyor.Modern fizikte; çok daha kullanışlı olan ve Ampère devre yasasının düzeltilmiş hali ile Faraday indüksiyon yasasının birleştirilmesi sonucu elde edilen yöntem, Maxwell'in elektromanyetik dalga denklemi çıkarımlarının yerini almıştır.Modern yöntemi kullanarak, bir vakum ortamı içindeki elektromanyetik dalganın denklemini bulmak için; öncelikle, Maxwell denklemlerinin modern 'Heaviside (iyonosfer)' formuyla başlamalıyız. Bir vakum ortamı içinde ve yüksüz bir boşlukta, bu denklemler şöyledir:Elektromanyetik dalga denklemi iki şekilde düzeltilmiştir; türev ile eşdeğişkin türevi değiştirilmiştir ve eğilmeye bağlı yeni bir terim eklenmiştir.Yerelleştirilmiş zamana bağlı değişen yük ve akım yoğunlukları boşlukta elektromanyetik dalga kaynağı gibi davranırlar. Maxwell denklemleri kaynakları olan dalga denklemleri şeklinde yazılabilir. Kaynakların dalga denklemlerine eklenmesi kısmi diferansiyel denklemlerini homojen olmayan denklemlere dönüştürür.Elektromanyetik dalga denkleminin genel çözümü aşağıdaki dalgaların doğrusal süperpozisyonuyla bulunur:g fonksiyonu genellikle sinüs dalgası şeklinde olsa da her zaman sinüsoidal ya da periyodik olmak zorunda değildir.  Uygulamada, herhangi bir gerçek elektromanyetik dalga uzayda ve zamana sonlu olacağı için g sonsuz bir periyodikliğe sahip olamaz.  Sonuç olarak, Fourier ayrışma teorisi üzerinden, gerçek bir dalga sonsuz sayıda sinüsoidal frekansların süperpozisyonundan oluşmalıdır.Ek olarak, geçerli bir çözüm için, dalga vektörü ve açısal frekans birbirinden bağımsız değildir; dağılım ilişkisine uymak zorundadırlar:Dalga denkleminin en kolay çözümleri, elimizde tek frekanslı sinüsoidal dalga formlarının olduğunu varsaymamız sonucu olarak ortaya çıkar.Bu çözümler, normal vektör  yönünde ilerleyen düzlemsel dalgalar içindir.  Eğer z yönünü  yönü olarak tanımlarsak ve x yönünü  yönü olarak tanımlarsak, Faraday yasasına göre manyetik alan çizgileri y yönünde olur ve elektrik alanla şu ilişki içerisindedir: .  Elektrik alanın ve manyetik alanın diverjansı sıfır olduğu için ilerleme yönünde herhangi bir alan yoktur.Bu çözüm, doğrusal polarize dalga denklemlerinin çözümüdür. Ayrıca alanların normal vektör etrafında döndüğü dairesel polarize çözümler de vardır.Maxwell denklemleri vakum ortamında doğrusal oldukları için çözümler sinisoidlerin süperpozisyonuna ayrıştırılabilirler. Bu, diferansiyel denklemlerin çözümü için kullanılan Fourier dönüşümünün temelidir. Elektromanyetik dalga denkleminin sinüsoidal çözümü şu şekli alır:Elektromanyetik spektrum, dalga enerjilerinin (büyüklüklerinin), dalga boyunun bir fonksiyonu olarak grafiğinin çizilmesidir.Monokromatik alanların zamanla şu şekilde değiştiğini varsayalım: . Eğer Maxwell denklemlerini B ifadesini yok etmek için kullanırsak, elektromanyetik dalga denklemi E için Helmholtz denklemine indirgenmiş olur.Yukarıda verildiği gibi k = ω/c. Alternatif olarak, E ifadesi de B için yok edilebilir ve şu elde edilir:Frekansı ω olan bir elektromanyetik alan bu iki denklemin toplamı olarak yazılabilir. Helmholtz denkleminin üç boyutlu çözümleri katsayıları küresel Bessel fonsiyonlarıyla orantılı olan küresel harmoniklerin açılım şeklinde ifade edilebilr. Ancak, bu açılımları E ve B ifadelerinin her bir vektörel bileşenine uygularsak çözümlerimiz diverjansları sıfır olan sonuçlar vermeyebilir. (∇ • E = ∇ • B = 0). Bu nedenle katsayılar üzerinde bazı sınırlamalara ihtiyaç duyarız.Çok kutuplu açılım bu zorluğu, eğer E veya B ifadeleri yerine r • E veya r • B ifadelerini küresel harmoniklerde açarsak, önleyecektir. Bu açılımlar yine Helmholtz denklemlerini E ve B için çözecektir. Divejansı sıfır olan bir alan F için ∇2 (r • F) = r • (∇2 F). Genel bir elektromanyetik alan için çıkan ifadeler:burada  ve  (l, m) derecedemn elektrik çok kutuplu alanlardır,  ve  buna karşılık gelen manyetik çok kutuplu alanlardır ve aE(l,m) ve aM(l,m) açılım katsayılarıdır. Çok kutuplu alanlar şu şekilde verilir:burada hl(1,2)(x) Küresel Hankel fonksiyonlarıdır, El(1,2) ve Bl(1,2) sınır koşulları kullanılarak belirlenir,  normalize edilmiş vektör küresel harmoniktir, yani:Elektromanyetik alanın çok kutuplu açılımının küresel simetrisi olan birçok alanda uygulamasının olduğu görüyoruz. Örnek olarak, anten çizgesi veya nükleer gama ışını verilebilir. Bu uygulamalarda, birisi uzak alanda yayılan güçle ilgilidir. Bu bölgelerde E ve B alanları şunların asimptotudur:Elektromanyetik dalga denklemleri için başka küresel ve silindirik olarak simetrik olan analitik çözümler de bulmak mümkündür.Silindirik koordinatlarda dalga denklemi çözümleri sıradan tam sayı derecesinden Bessel fonksiyonudur.Maxwell, James Clerk, "", Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155, 459-512 (1865). (This article accompanied a December 8, 1864 presentation by Maxwell to the Royal Society.)Hermann A. Haus and James R. Melcher, Electromagnetic Fields and Energy (Prentice-Hall, 1989) ISBN 0-13-249020-X.David H. Staelin, Ann W. Morgenthaler, and Jin Au Kong, Electromagnetic Waves (Prentice-Hall, 1994) ISBN 0-13-225871-4.Markus Zahn, Electromagnetic Field Theory: a problem solving approach, (John Wiley & Sons, 1979) ISBN 0-471-02198-9Landau, L. D.,  The Classical Theory of Fields (Course of Theoretical Physics: Volume 2),  (Butterworth-Heinemann: Oxford, 1987). ISBN 0-08-018176-7.Charles W. Misner, Kip S. Thorne, John Archibald Wheeler, Gravitation, (1970) W.H. Freeman, New York; ISBN 0-7167-0344-0. (Provides a treatment of Maxwell's equations in terms of differential forms.)H. M. Schey, Div Grad Curl and all that:  An informal text on vector calculus, 4th edition (W. W. Norton & Company, 2005) ISBN 0-393-92516-1.