전자기파의 발생과 수신

2022.08.11 - [물리학II 클립] - LC 회로의 특성

LC 회로의 특성

학습 목표

전자기파의 수신 과정을 설명할 수 있다.

물리학의 흐름

맥스웰은 전기와 자기가 서로를 유도할 때 주고받는 신호가 필시 있을 것이고, 더 나아가 그 신호는 1초에 299,792,458m를 진행하는 파동의 형태일 것이라 예측했다. 이후에 헤르츠에 의해서 맥스웰이 예측했던 전자기파의 실체가 드러나게 되었다. 이번 시간에는 LC 회로에서 다루었던 전자기적 진동에 기반하여 전자기파 발생의 근본적인 원리와 이를 이용해 헤르츠가 어떻게 전자기파를 발견했는지에 대해 공부한다.

1. 전자기파의 발생

잔잔한 연못 위에 돌이 첨벙 떨어지면 주변으로 물결이 이는 걸 볼 수 있다. 이는 돌이 야기한 수면의 왜곡(진동)이 갖는 에너지가 파동의 형태로 퍼져 나가기 때문이다.

전하 주위, 전기적 공간의 왜곡이 전기적 현상을 일으켰고 그 현상이 나타나는 공간을 '전기장'이라 일컬었다.

움직이는 전하 주위에선 전기적 공간의 왜곡이 일으키는 복합적인 작용이 자기적 현상으로 나타났고, 그 자기적 현상이 나타나는 공간을 '자기장'이라 일컬었다. 이처럼 전하에 의한 전기장과 자기장의 왜곡이 공간으로 퍼져 나가는 형태를 '전자기파'라 한다. 

 

전자기파의 발생 원리

전자기파는 '파동'이기 때문에 '진동'과 관련된 상황이 전제돼야 한다. 그러한 진동 상황은 직류 전원이 아닌 교류 전원이 제공한다.

교류 전압은 주기적인 sin 함수의 형태를 띠므로 전하가 받는 전기력도 주기적인 sin 함수의 형태를 띨 것이다. ' F = qE ' 에 의해 전기장 역시 주기적인 sin 함수 형태를 띨 것이라고 볼 수 있다.

전류의 방향과 자기장의 방향은 직교를 이룸

오른손 법칙에 의해 전하가 움직이는 방향(전류)과 자기장의 방향이 수직 관계를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 아래 그림에서처럼 전기장의 방향과 자기장의 방향이 수직을 이루는 것이다.

전자기적 진동과 전자기파

종합하면 전하가 진동과 같은 가속 운동을 하게 된다면 전자기적 진동이 주변으로 퍼져나가는, 전자기파가 발생하게 된다.

2. 전자기파의 수신

헤르츠는 금속으로 된 안테나를 이용하여 전자기파를 수신하였다. 전자기파의 수신 원리를 알아보자.

그림과 같이 금속 안테나에 전자기파가 도착하면 안테나가 전자기파의 전기장 속에 놓이게 된다. 이때 전기장에 의해 금속 내 전자들이 위아래로 진동하게 된다. 따라서 전자기파가 오면 금속 안테나 속에서는 전자가 위아래로 진동하게 되고, 이것은 금속 안테나에 교류 전류가 흐르게 되는 것과 같다. 이 전류를 증폭하여 전파에 실린 여러 가지 신호를 수신할 수 있다.

 

안테나를 이용한 전자기파의 수신

안테나에는 여러 방송에서 보낸 여러 진동수의 전자기파들이 한꺼번에 전달된다. LC 회로를 이용하여 안테나에서 특정 진동수의 전자기파를 수신할 수 있다.

 

① 여러 진동수의 교류가 안테나에 흐르게 되면, 1차 코일에 자기장이 발생하게 된다.

② 상호 유도에 의해 이웃한 2차 코일에 유도 전류가 흐른다.

③ 2차 코일의 자체 계수 L과 축전기의 전기용량 C로 결정되는 고유 진동수에 해당되는 진동수의 전류만 공명에 의해 크게 흐르게 된다.

 

따라서 L과 C를 적절히 조절하여 안테나에 도착한 여러 전자기파 중 원하는 특정 진동수의 전자기파만 선택할 수 있다.

 

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기출문제 풀어보기

20년도 10월 학평 물리2 7번

답: 5번

 

21년도 9월 모평 물리2 12번

답: 1번