[기초물리] 5-3 전자기파와 안테나

이전 전기장과 자기장이 서로 독립적이지 않고 상호 연관이 되어 전자기 유도 현상이 발생한다는 것을 알았습니다. 하지만 전기장 또는 자기장은 변화가 있을 때만 서로에게 영향을 미치게 됩니다. 즉, 정지하고 있는 전하는 시간에 따라 일정한 전기장만 만들고, 도서에 흐르는 일정한 전류는 그 주위 공간에 자기장만을 만듭니다. 그러나 등속도로 운동하고 있는 전하는 일정한 전류로 생각되어 공간에 자기장뿐만 아니라 전기장도 만들지만, 이것은 시간에 따라 변하지 않습니다. 가속도 운동을 하는 전하는 시간에 따라 변하는 전기장과 자기장을 동시에 만들게 됩니다. 이때 변하는 전기장과 자기장이 서로 원인과 결과가 되면서 에너지가 주위 공간으로 전파되는데, 이는 줄의 한 끝을 규칙적으로 진동시키거나 수면의 한 곳이 진동하면 주위로 파동 에너지가 전파되는 것과 유사합니다. 전기 진동 회로(ex. 교류)에 진동 전류를 흐르게 하면 이 진동 전류에 의해 주기적으로 진동하는 전기장이 발생하고, 또 이 전기장의 변화에 의해 주기적으로 진동하는 자기장이 발생합니다. 전기력선이나 자기력선은 인접한 전기력선이나 자기력선을 서로 미는 성질을 가지고 있는데 계속 발생하는 전기자이나 자기장에 의해 먼저 발생한 전기장이나 자기장은 밀려져서 파동의 형태로 주위 공간 내에 퍼져 나갑니다. 이것이 전자기파(electromagnetic wave)입니다. 

전기장과 자기장은 서로 수직이며, 전기장(E) 방향에서 자기장(B) 방향으로 오른나사를 돌릴 때 나사의 진행 방향이 전자기파의 진행 방향입니다. 이 전자기파는 매질이 없어도 진동하는 파동입니다. 하지만 다른 파동과 마찬가지로 반사나 굴절, 회절, 간섭을 하며, 광자의 운동량과 에너지를 가지고 있습니다. 전자기파는 파장에 따라 다음과 같이 몇 가지로 분류할 수 있습니다. 

1. 먼저 우리가 눈을 통해 인식할 수 있는 전자기파가 가시광선입니다. 흔히 빛이라고 불립니다. 이 가시광선은 파장에 따라서 다른 색으로 보이며 약 770nm 정도의 파장이 빨간색으로 보이고 380nm 정도의 파장이 보라색으로 보입니다. 우리가 알고 있는 무지개(빨주노초파남보)의 순서는 파장이 긴 것부터 작은 것 순서로 나열한 것입니다.

2. 가시광선의 빨간색보다 파장이 긴 전자기파가 적외선입니다. 눈에는 보이지는 않지만 우리 몸을 따뜻하게 덥혀 줄 정도의 에너지를 가지고 있습니다. 따라서 열선이라고도 합니다. 태양이나 발열체로부터 공간으로 전달되는 복사열은 주로 적외선에 의한 것입니다.

3. 적외선보다 파장이 긴 전자기파는 마이크로파입니다. 마이크로파는 전자레인지에 사용되거나 인공위성과의 송수신에 사용됩니다.

4. 그 다음 파장이 긴 전자기파는 전파입니다. 이 전파가 무선 통신에 주로 사용되어 TV나 라디오, 휴대폰, wi-fi 등 널리 활용됩니다. 파장이 길면 회절이 잘 되므로 원거리 통신에 이용되고, 파장이 짧으면 회절이 어려우나 에너지가 커서 지구 반대쪽까지 통신할 수 있습니다. 

5. 가시광선의 보라색보다 파장이 짧은 전자기파가 자외선입니다. 역시 눈으로는 볼 수 없지만 물체의 색을 변색시키거나 사람의 피부를 검게 만듭니다. 자외선은 미생물을 파괴할 수 있는 살균 기능이 있고 자외선은 눈에는 보이지 않지만 물질 속에 포함된 형광 물질에 흡수되면 가시광선을 방출합니다. 

6. 자외선보다 파장이 짧은 전자기파는 X선입니다. 투과력이 강해 인체 내부의 이상을 알아보는 데 주로 쓰이며 물질의 특성을 파악하는 데도 이용됩니다. 하지만 생식 세포의 유전자를 쉽게 손상시켜 돌연변이를 일으키게 할 수 있어 조심해야 합니다.

7. X선보다 파장이 더 짧은 전자기파가 감마선입니다. 감마선은 원자행 붕괴 과정에서 발생하며, 투과력이 강해서 암을 치료하는데 이용됩니다. 감마선을 사람이 쪼이게 되면 화상을 입을 뿐만 아니라 유전자 변형이 일어나 암이 발생할 수도 있습니다.

앞에서 전자기파가 발생을 하려면 전하가 가속도 운동을 해야한다고 했습니다. 전류가 흐르면 도선 주위에 동심원을 그리는 자기장이 만들어집니다. 이때 전류의 방향이 바뀌면 자기장의 방향도 바뀌게 됩니다. 따라서 (+)전하와 (-)전하가 각각 위아래로 진동할 때 전류의 방향이 계속 바뀌는데 이를 교류라고 하고 전기장의 방향이 바뀌고 이에 따라 자기장의 방향도 계속 변하면서 사방으로 퍼져나갑니다.

이번에는 회로로 넘어가서 설명하겠습니다. LC회로는 축전기와 코일로 이루어진 회로 입니다. 축전기에서 방전이 일어나 전류가 흐르게 되면 코일에는 자기장이 형성됩니다. 축전기가 완전히 방전되면 전류의 세기가 최대가 되면서 코일에 저장되는 자기 에너지는 최대가 됩니다. 하지만 코일의 자기장 감소를 방해하도록 같은 방향의 전류가 계속 흐르게 되고 전류가 점점 감소하다가 0이 되면 축전기에는 처음과 반대로 전하가 축전지에 충전이 됩니다. 즉, 축전지에 전하가 충전되면 축전기 내부에는 전기장이 형성되어 전기 에너지가 저장될 수 있고 또한 코일에 전류가 흐르면 코일 주변에 자기장이 형성되어 코일에도 자기 에너지가 저장될 수 있습니다. 이 전기 에저니와 자기 에너지는 운동 에너지와 위치 에너지처럼 에너지가 전환이 됩니다. 이때 LC회로에서는 전자기파가 발생할 수 있습니다.

파동에서 전기 에너지를 소리 에너지로 변환시키는 스피커처럼 전기 에너지를 전자기파로 변환시킬 수 있는 장치가 안테나입니다. LC회로에 특정한 진동수의 교류가 흐르면 안테나와 연결된 2차 코일에도 LC회로에 흐르는 교류와 같은 진동수의 유도 전류가 발생합니다. 안테나에는 LC회로의 교류 진동수와 같은 진동수로 전하가 진동함으로써 전기장을 만들고 이 전기장은 진동하는 자기장을 만듭니다. 또 진동하는 자기장은 다시 진동하는 전기장을 만듭니다. 이렇게 안테나에서는 전기장과 자기장이 서로 번갈아 유도하면서 공간으로 퍼져 나가는 전자기파가 만들어 지는데, 이와 같이 안테나를 통해 퍼져 나가는 전자기파를 전파라고 하며 빛의 속도로 퍼져나갑니다. 

흔히 안테나라고 하면 큰 원판형을 떠올리거나 막대기 형상을 떠올리기 쉽습니다. 막대기 모양의 안테나를 쌍극자 안테나라고 합니다. 도체 선 사이의 전기장을 이용하여 전파를 송/수진하며, 파장이 긴 전파를 수신하는 안타나일수록 길이가 길어집니다. 원판형 정확히는 포물선 모양의 안테나는 전파를 일정한 방향으로 보낼 수 있습니다. 따라서 위성통신이나 위성방송에서 포물선 안테나를 사용합니다.

파장이 긴 전파을 이용해 무선통신을 할 수 있었습니다. 하지만 우리 전파의 안테나를 사용하는 통신은 장애물과 주파수 교란 등으로 송/수신이 불가하거나 손실이 많이 발생합니다. 이를 피하기 위해 빛을 이용한 광통신도 있습니다. 광통신은 빛을 이용하여 정보를 주고 받는데 빛의 전반사 특징을 이용해서 손실을 최소로 하여 빛 정보를 멀리까지 보낼 수 있습니다. 광통신을 위해서는 광섬유가 필요합니다. 광섬유는 투명한 유리 또는 합성수지를 지름이 0.1mm보다 작은 매우 가는 다발로 뽑은 것으로, 전반사를 이용하여 빛을 전송하는데 사용됩니다. 광섬유 여러 개를 다발로 묶어서 만든 것이 광케이블입니다. 광섬유는 안쪽에 굴절률이 큰 유리로 된 코어를 바깥쪽에 굴절률이 작은 유리로 된 클랜딩(cladding)이 둘러 산 구조입니다. 광섬유는 외부의 충격으로부터 보호하기 위한 플라스특 보호층을 가지고 있습니다. 광섬유의 단면을 통해 입사된 빛은 코어 안에서 전반사하여 광섬유를 따라 진행합니다.