11. 전자기파 변하는 전기장은 자기장을, 그리고 변하는 자기장은 전기장을 유도한다. 이 관계는 진공상태에서도 성립한다. 또한 이들은 전자기파의 형태로서 극한의 속도로 공간을 가로지를 수 있다. 이들 전자기파는 우리 주위에 존재하면서 통신기술과 열복사 등의 기초가 된다. 이 장에서 우리는 전자기파가 어떻게 형성되고, 어떻게 검출되는지를 탐구한다. 11.1 라디오 11.2 텔레비전 11.3 전자레인지

11-1 라디오 질문: 1. 전류는 소리를 낼 수 있고 말을 전달할 수 있다. 선이 닿는 곳이면 어디든 음악을 보낼 수 있다. 그러나 움직이고 있는 누군가에 어떻게 소리를 전달하는가? 2. 한 금속 안테나에서 전하의 움직임은 근처의 다른 안테나에 어떠한 영향을 미치는가? 3. 두 번째 안테나가 첫 번째 안테나로부터 멀리 떨어져 있을 때는 어떠한가? 4. 라디오 방송국에서 5만 와트로 전송한다는 것은 무엇을 의미하는가? 5. 멀리 떨어진 라디오 방송국에서 나오는 음악을 어떻게 라디오로 들을 수 있는가? 실험: AM 라디오를 들으면서 소리의 크기가 라디오의 방향이나 위치에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 라디오 파는 라디오 내부 안테나를 통해 전하를 앞 뒤로 밀어준다. 때때로 라디오 소리 가 중단되는 것을 경험할 수가 있는데, 이는 안테나를 따라 전하를 이동시킬 수 없는 방향으로 라디오 파가 향하고 있기 때문이다. / 라디오를 금속 상자 안에 넣으면 라디오 소리를 들을 수가 없는데, 그 이유는 무엇일까? 무선전화기 (라디오 송신기와 수신기) 를 이용하여 실험해보자. / 무선전화기로 통화하면서 본체에서 얼마나 멀리까지 갈 수 있는가? / 안테나의 크기와 방향이 이 범위에 영향을 미치는가? / 금속 물체 가까이 서 있을 경우의 청취 상태는 어떠한가?

안테나와 탱크회로 라디오 파 (radio wave): . 전하는 전기장을 만들고, 운동하는 전하는 자기장을 형성한다. . 전하가 가속될 때: 가속 전하는 변하는 전기장과 자기장의 혼재를 가져오며, 또 다른 것들이 끊임 없이 재생성 되고, 빈 공간을 통해 먼 거리를 이동한다. 라디오 파는 이렇게 혼합된 전자기장의 일종이다. Demonstration: Tablecloth Trick

안테나와 탱크회로 @ 탱크회로는 축전기와 인덕터(코일)로 구성된 공명 전자장치 이다. 라디오 파가 공간을 통해 먼 거리를 어떻게 이동하는지를 알아보기 전에 가까이 있는 두 개의 안테나가 서로에게 어떻게 영향을 미치는 지를 살펴보자: .송신기의 안테나에 전하를 위아래로 보내면, 이 전하의 전기장이 공간을 통해 수신기 안테나로 퍼지게 되어, 수신기 안테나의 전하에 영향을 미치게 된다. .송신기 안테나의 전하의 운동이 주기적이 아닐 경우, 수신기 안테나의 전하의 움직임이 너무 작아서 검파 하기 힘들다. .송신기 안테나의 전하의 운동이 특정 주파수를 가진 주기적인 운동이라면, 동일한 주파수로 규칙적인 운동을 하는 수신기가 검파 하기에 훨씬 용이해진다. @ 탱크회로는 축전기와 인덕터(코일)로 구성된 공명 전자장치 이다. Demonstration: Tablecloth Trick

. 인덕터(코일) 는 전자석으로서 자기장은 그 것을 통해 흐르는 전류에 비례한다. . 전류가 증가함에 따라 인덕터 에서 증가하는 자기장은 전류를 뒤쪽으로 밀어내는 전기장을 형성하여 전류를 약화시키며, 전류가 감소하면 인덕터의 감소하는 자기장은 전류를 앞쪽으로 밀어내는 전기장을 만들어 전류를 다시 증가시킨다. 따라서, 인덕터의 전류는 변할 수 있지만, 그 변화는 상대적으로 서서히 진행된다. 인덕턴스 (Inductance) L: 인덕터의 전류변화에 대한 저항 : 전류가 변할 때 자체에서 유도전압을 발생시기는 능력 VL= L (dI/dt) 단위; V.S/A, 헨리(H) Demonstration: Tablecloth Trick

탱크회로 (tank circuit) 의 작동원리: 생각하자. b) 인덕터가 전기를 통하기 때문에 양으로 대전된 플레이트로부터 음으로 대전된 플레이트로 전류가 흐른다. 인덕터내에서 자기장을 형성한다. c) 축전기의 분리된 전하가 사라지면서 모든 탱크회로에서 의 에너지는 인덕터의 자기장으로 저장된다. d) 전류가 감소함에 따라 자기장도 감소하고, 렌츠의 법칙에 의해 자기장이 증가하는 방향으로 기전력이 유도되어, 전류를 계속 흐르게 하여, 분리된 전하들이 축전기에 저장된다. e) 결국, 전류와 자기장은 0에 도달하고, 축전기는 처음의 극성과 반대로 충전된다. 이 모든 과정이 역으로 되풀이되면서 초기 상태로 돌아가고, 계속해서 이들 과정이 반복된다. 이는, 역학 단진자와 유사한 전자 단진자 이다. (조화 진동자, 공명특성) Demonstration: Tablecloth Trick

탱크회로 (tank circuit) 의 주기: .축전기와 인덕터에 의존. .축전기의 전기용량이 클수록 주어진 양의 에너지를 유지할 수 있는 분리된 전하도 많아지고, 전류를 형성하는데 오랜 시간이 걸린다. . 인덕터의 인덕턴스가 클수록 전류가 흐르기 시작하여 멈추는데 걸리는 시간은 더 길어진다. Demonstration: Tablecloth Trick

. 탱크회로는 축전기와 인덕터(코일)로 구성된 공명 전자장치 이다. 탱크회로 (tank circuit): . 탱크회로는 축전기와 인덕터(코일)로 구성된 공명 전자장치 이다. . 전하는 탱크회로를 통해 특정한 주파수에서 앞 뒤로 충돌한다. . 발신기 역시 매 주기 마다 전하를 밀어 줌으로써 전하가 탱크회로를 통해 강하게 충돌할 수 있도록 할 수 있다. . 발신기가 더 많은 전하를 안테나의 상하로 보내는 것을 도와 줌으로 해서, 탱크회로는 급격하게 발신을 강화시킨다. . 수신 안테나에 붙어있는 두 번째 탱크회로는 수신기가 발신을 검파 하도록 도와준다. . 발신 안테나의 장에 의한 주기적인 전하 밀어주기는 수신 탱크회로에서 수신안테나 위 아래로 전하를 충돌시킨다. . 안테나에서의 전하 운동을 단독으로 검파 하는 것은 어려울 수도 있으나, 탱크회로에서 충돌하는 전하가 많을수록 측정하기 용이해진다. Demonstration: Tablecloth Trick

.탱크회로에서 작고, 주기적으로 밀쳐진 전류는 회로 내에서 커다란 전하의 진동이 있게 한다. . 발신기에서 주기적으로 밀쳐진 많은 전하들이 탱크회로 앞뒤로 이동하면서 안테나를 오르내리게 되면 수신기는 이러한 전하를 쉽게 검출할 수 있다. 이러한 연속적인 전달은 모든 부분이 같은 주파수로 공명될 때만 가능하게 된다. 주파수를 특정한 방송국에 맞추는 것은 주로 탱크회로가 적절한 공명주파수를 가지도록 축전기와 인덕터를 조절하는 일이다. Demonstration: Tablecloth Trick

라디오 파 . 라디오에서는 라디오 파에 의해 송신기에서 수신기로 전달된다. . 정지하고 있는 전하나 일정한 전류는 일정한 전기장과 자기장을 만드는 반면, 가속되는 전하는 시간에 따라 변하는 전기장과 자기장 (라디오 파)을 만든다. . 전하가 안테나를 오르내릴 때, 전기장은 교대로 위아래를, 자기장은 좌우를 향하며, 전자기파로서 공간을 통해 광속 (299,792,458 m/s)으로 이동한다. (횡파) . 라디오 파의 파장은 1m, 혹은 그 이상이다. Demonstration: Tablecloth Trick

라디오 파 . 지면에 수직인 발신 안테나에 의해 방출된 파는 수직 편광 되며, 발신 안테나가 지면에 수평이면 파의 전기장은 수평편광 된다. – 자기장은 전기장에 수직 . 방송국은 적당한 길이의 송신아테나 (송신파장의1/4) 를 사용하여, 송신을 최적화한다. (송신 탱크회로와 안테나의 자연공명, 전하들은 자연공명상태에서 안테나 상하로 심하게 요동한다.) . 전자기파가 공간을 지나갈 때, 발신기로부터 전력을 운반하며, 나무나 산에 의해 반사되거나 흡수되어서, 멀리퍼지면서 약화된다. Demonstration: Tablecloth Trick

소리재생: AM 및 FM 라디오 주파수변조 (FM) 진폭변조 (AM) . 라디오 파 스스로는 음파를 운반할 수 없다. . 소리에 대한 정보를 전달하는 방법 진폭변조 (AM): 음파 (20-20000 HZ)가 진폭 변조에 의해 전파될 때, 공기 압력은 라디오 파의 강도에 의해 표현된다. ( 550 kHz-1600kHz) 주파수변조 (FM): 주파수 변조에 의해 음파가 전달 될 때, 공기 압력은 라디오 송신기의 주파수 변화에 의해 표현된다. (88 MHz-108MHz) Demonstration: Tablecloth Trick 주파수변조 (FM) 진폭변조 (AM)

11-2 텔레비전 소리를 전자기파로 전송하는 라디오에 비해, 영상신호를 전송하는 방식은 훨씬 더 복잡하다. 이 절에서는 화면이 어떻게 영상신호로 표현되는지, 다른 장소로 이것을 어떻게 전송하는지, 어떻게 다시 화면을 재생하는지에 대해 알아본다.

TV화면의 생성 . TV는 화면에 직사각형으로 배열된 작은 색 점으로 화면을 만든다. . 색 점의 수: 세로 점 525개, 가로 점 440 개 (NTSC 아날로그 TV 기준) . 화면을 구성할 때, 왼쪽 위의 모서리로부터 가로로 움직이면서 세로로 훑어 가며, 매 1/30초 마다 하나의 화면을 완성한다. . 실제로는 우리 눈에서의 깜빡거림을 줄이기 위해, 두 개의 경로 (홀 수번째, 짝 수번째)로 나누어 화면을 만드는 방법으로, 매 1/60초마다 화면을 훑게 된다. Demonstration: Tablecloth Trick

이해도 확인 1 만약 TV스크린을 1/250초의 노출 시간을 이용해 사진으로 얻으려면, 전체 높이의 1/4 정도되는 한 층 만을 얻게 될 것이다. 그 이유는 무엇인가?

흑백 브라운관 (CRT; Cathode-Ray Tube) . 발광 점은 전자가 화학적 형광 물질 (phosphor) 과 충돌할 때 유리 브라운관 내부의 표면에서 생긴다. . 전자는 음극에서 방출된다. 음극은 TV를 켜는 순간 수초 내에 가열된다. . 음극 주위는 음의 전하를 띤 빈 그리드가 둘러싸고 있는데, 이러한 음 전하는 전자를 반발하므로 음극에서 방출된 대부분의 전자들은 표면으로 다시 돌아오게 된다. 그리드에는 전자들이 달아날 수 있도록 작은 구멍이 있는데, 이렇게 달아난 전자는 양극에 의해 끌리게 되고 가느다란 전자 빔의 형태를 갖는다. 형광물질 편향코일 음극 양극 Demonstration: Tablecloth Trick 그리드 초점코일 가속양극

흑백 브라운관 . 전자를 화면 위의 한 점으로 모으기: 초점 코일에 의하여 생성된 화면방향으로 직진하는 자기장과 전자간의 로렌츠 힘을 이용 한다. 로렌츠 힘은 전자의 속도의 바깥쪽 성분 (자기장에 수직) 에 작용한다. 화면을 향하는 전자의 속도와 전자들의 로렌츠의 힘은 중첩하여 싸이클로 트론 운동을 하며, 모든 전자는 화면 위의 같은 점을 때리게 된다. Demonstration: Tablecloth Trick

흑백 브라운관 . 편향코일일 이용하여 전자 빔의 주사 점을 제어하기: 수평편향코일: 수직방향의 자기장을 형성하는 코일의 전류의 양과 방향을 조절함으로써 주사 점의 수평 위치를 조절한다. 수직편향코일: 수편방향의 자기장을 형성하는 코일의 전류의 양과 방향을 조절함으로써 주사 점의 수직 위치를 조절한다. Demonstration: Tablecloth Trick 수직 편향코일 수평 편향코일

흑백 브라운관 . 고전압의 전원공급기 (15000V-25000V)가 화면의 안쪽과 가속 양극 주위에서 양전하의 양을 높이고, 이 전하는 전자들을 형광물질이 흰 빛을 낼만한 운동에너지를 갖고 화면에 충돌하게 한다. . 회색 또는 검은색을 만들 때 TV는 브라운관의 그리드에 있는 전하를 조절하여 전자빔의 전류를 감소시킨다. 그리드의 음전하가 클수록 적은 양의 전자가 형광체를 때리게 된다. 그리드의 전하를 적당히 조절하여 흑백의 색깔을 조절한다. Demonstration: Tablecloth Trick

컬러 브라운관 . 컬러 브라운관에는 전자빔이 세 개 있고, 형광물질이 각각 적색, 녹색, 청색 빛을 발광한다는 것 외에는 흑백브라운관 과 크게 다른 점이 없다. . 적색,녹색, 청색을 조합하여 여러 가지 색을 만들 수 있다. . 전자 빔이 금속 층의 구멍을 통해 각각의 점만을 발광시키도록 한다. 이 때 사용되는 금속은 온도가 변해도 안정된 열적보정금속을 사용하나, 자화 되기 쉬우며, 자화는 전자빔을 편향시키며, 영상이나 색깔이 찌그러지게 하는 원인이 된다. Demonstration: Tablecloth Trick

아날로그 전송 . 아날로그 기준에서 비디오 신호는 점들의 밝기와 색상을 나타내는 요동 전압이나 라디오 파의 진폭이다. . 흑백의 비디오 신호의 기본 구조는 화면상의 각각의 밝은 점들을 영상으로 한 선씩 스캔하도록 되어 있다. 각각의 선들의 출발 점을 나타내기 위한 동조신호가 포함되어 있다. . 컬러 영상신호는 흑백 TV에 유사하지만, 컬러 신호도 갖고 있다. 각각 휘도와 색체를 나타내는 두 가지 신호는 전기공학에서 동일한 영상 신호로 결합된다. . 라디오 파에 의해 이동하는 영상신호는 알려진 파의 주파수 이하 범위에서 확장하여, 그 이상의 전송주파수까지 내부의 주파수 범위 (대역폭)를 갖는다. . TV 영상신호의 대역폭 (아래로 1.25 MHz-위로 4.75 MHz) 은 6MHz 이다. . AM 라디오: 대역폭 10 KHz. (550 -1600 KHz) FM 라디오: 대역폭 200 KHz (88-108 MHz) . 대역폭이 크면 클 수록 많은 정보를 실어 나를 수 있다. Demonstration: Tablecloth Trick

케이블 TV전송 . 케이블 TV는 전자기파를 빈 공간이 아닌 전선을 통해 보낸다. . 동축케이블 안에서 전달되는 전자기파는 외부의 전자기파와 상호작용을 하지 않기 때문에 케이블 내의 전체 전자기파 주파수 대를 채널로 사용할 숭 있고, 1000 MHz까지의 주파수를 감당할 수 있으므로 170개의 채널 운영이 가능하다. . 광케이블 사용시: 빛도 역시 전자기파이고 라디오 파와 같이 진폭 변조 되지만, 4.5x1014-7.5x1014Hz 로 주파수가 매우 높다. 만일 TV 채널을 통해 6MHz의 대역폭으로 채널을 배치시킨다면, 5천 만개나 되었을 것이다. Demonstration: Tablecloth Trick

디지털 TV . 아날로그 전송은 계속해서 반복적으로 별로 중요하지 않은 정보들을 전송하고 있다. 디지털 전송은 불필요한 영상 정보를 압축함으로써 6MHz의 대역폭을 효율적으로 이용하고 있다. . 전자기파의 진폭과 같이 밝기와 색상이 나타나는 대신 디지털 전송은 수의 흐름으로 그림을 전환하며, 전자기파의 진폭에 의해 그 수들을 나타낸다. 대부분의 컴퓨터처럼 2진수로 나뉘어지는 것이 아니라, 8 혹은 16진 숫자로 나타낸다. (옥외 방송국: 8진법, 케이블 방송국: 16진법) Demonstration: Tablecloth Trick

11-3 전자레인지 전자기파는 한 장소에서 다른 장소로 소리나 영상뿐만 아니라 전력까지 전달할 수 있다. 질문: .전자레인지로 요리하는 동안 음식의 위치를 바꾸어 주지 않으면, 요리가 고르게 되지 않는 이유는 무엇인가? . 냉동 음식을 데울 때 왜 어떤 부분은 언 상태로 있고, 다른 부분은 뜨겁게 되는가? . 레인지 안에 금속 용기를 넣지 말아야 하는 이유는 무엇인가? . 어떤 음식은 레인지 속에서 데워도 차갑게 있는 이유는 무엇인가?

마이크로파란 무엇인가? 빛의 속력 = 파장 · 진동수 . 전자기파는 파장과 진동수로 특징지어 진다. . 전자기파에 있어서 파장과 진동수의 곱은 항상 빛의 속도와 같다. (전자기파의 진동수가 높아질수록 파장은 짧아진다.) 빛의 속력 = 파장 · 진동수 . 전파: 파장이 1m 이상. (장파, 중파,단파, 초단파) . 마이크로파: 파장이 1m이하 1mm까지 (극 초단파) Demonstration: Tablecloth Trick

이해도 확인 1 전자기파가 투명한 물질을 통해 전달 될 때 파의 주파수는 변하지 않지만 파장은 어떻게 되겠는가?

마이크로파로 음식 데우기 . 물 분자에서 산소원자가 수소 원자의 전자를 부분적으로 끌어 당기기 때문에, 수소원자의 끝 쪽은 양으로 대전되고, 산소원자의 끝 쪽은 음으로 대전되어, 물 분자는 극성을 띠게 된다. . 액체인 물 분자는 전기장이 없을 때 불규칙한 방향을 가리킨다. 그러나 전기장이 가해지면, 물 분자의 양극은 전기장과 평행한 방향으로 정렬한다. . 전기장의 방향이 바뀌면, 물 분자도 반대 방향으로 회전하여 정렬하려고 한다. 물 분자가 회전하면서 다른 분자들과 충돌하는데 이 때 정전기 위치에너지의 일부가 열에너지로 전환된다. .전자레인지는 2.45 GHz (1기가는 10억) 의 마이크로파를 사용 하여, 음식 안의 물 분자의 방향이 앞 뒤로 초당 수십 억 번을 움직이도록 한다. 이 때, 물 분자의 상호 충돌로 인해 가열되어, 마이크로파의 에너지를 열에너지로 변환시킨다. Demonstration: Tablecloth Trick

마이크로파로 음식 데우기 .위의 주파수(2.45 GHz)는 통신분야에는 사용하지 않으며, 음식을 조리할 수 있기 때문에 결정되었다. . 만일 주파수가 더 높다면, 마이크로 파는 매우 강하게 음식으로 흡수될 것이나, 큰 물체로는 깊숙이 침투하지 못한다. 주파수가 더 낮다면, 마이크로파는 쉽게 음식을 통과하겠지만, 효과적으로 조리되진 않는다. . 얼음 속의 물 분자들은 그 고정된 결정구조 때문에, 방향을 바꿀 수 없어, 마이크로파의 전력을 잘 흡수하지 못한다. 언 음식을 전자레인지로 가열하면, 뜨거운 액체부분 사이 사이에 얼어 있는 부분이 남아있는 경우가 있다. Demonstration: Tablecloth Trick

이해도 확인 2 팝콘 알갱이는 딱딱한 껍데기 내부에 둘러싸인 녹말을 포함하고 있다. 뜨거운 기름으로 옥수수 껍데기를 태워 벗길 수도 있지만, 전자레인지를 사용할 때 껍데기가 너무 과열되지 않게 옥수수를 튀길 수 있는 것은 무엇 때문인가?

전자레인지 내의 금속 . 금속체와 전자레인지도 양립할 수 있다. 사실 전자레인지의 조리용기의 벽은 금속으로 되어있다 . 마이크로파는 송수신 안테나처럼 금속표면에서 유동전하를 야기한다. 그러나 이 전하들이 가속됨으로써 새로운 마이크로파를 방출한다. 방출된 마이크로파는 초기와 주파수는 동일하지만, 방향이 바뀌어 새로운 방향으로 움직인다. (반사) 즉, 전자레인지의 벽은 음식을 골고루 익힐 수 있도록 내부에서 파가 계속 반사하도록 되어있다. 전자 레인지의 앞쪽 문도 반사하는 금속 그리드로 덥혀 있다. . 알루미늄 호일로 음식을 싼 채로 넣으면 호일이 마이크로파를 반사하므로, 음식은 데워지지 않는다. . 금속은 이동하는 전하가 전기장 속에서 가속되기 때문에, 마이크로파를 반사하는데, 때로는 충분한 전하들이 금속의 날카로운 끝이나 알루미늄 호일 조각위로 밀리면, 이 전하들은 공기 중으로 튀어 올라 불꽃으로 된다. Demonstration: Tablecloth Trick

전자레인지 내의 금속 . 전기저항이 큰 금속의 경우, 마이크로파가 금속의 전하들을 앞뒤로 밀면, 빠르게 가열된다. 두꺼운 레인지 벽과 조리도구는 저항 값이 작아 잘 가열되지 않지만, 가느다란 금속 줄이나, 도자기 접시의 얇은 금속장식 등은 사고를 유발하는 원인이 된다. . 전자레인지는 음식을 동시에 안팎으로 조리하기 때문에, 음식의 표면만이 뜨거워지거나 타는 경우는 드물다. . 마이크로파의 전기장의 진폭이 전자레인지의 구석구석까지 균일하지 않기 때문에, 고르게 조리 되지 않는다. Demonstration: Tablecloth Trick

이해도 확인 3 전자레인지의 조리 용기를 정확히 반으로 나누기 위해 가느다란 금속 조각을 사용하기로 하자. 전자레인지는 용기의 정확히 오른쪽 반으로 마이크로파를 보낸다. 만일 음식을 용기의 왼쪽 반에 놓아둔다면, 요리가 되겠는가?

삼성전자, `5나노반도체' 회로기술 성공 [연합뉴스 2005.04.18 14:09:02] (서울=연합뉴스) 김지훈기자 = 삼성전자가 사람 머리카락 굵기의 2만4천분의 1크기(5나노미터)에 해당하는 5나노반도체 회로기술을 구현하는데 성공했다. 18일 삼성전자에 따르면 황창규 삼성전자 반도체 총괄 사장은 지난 14일 성균관대학교에서 가진 강의에서 "탄소나노튜브 등 신물질이 아닌 기존의 상보성금속산화물반도체(CMOS)를 기반으로 5나노미터의 트랜지스터 특성을 만드는 데 성공했다"고 밝혔다. 이는 현재 상용화기술로 개발된 세계 최소 회로선폭인 60나노미터보다 12분의 1가량 얇은 회로선폭에서 기술을 구현한 것이다. 반도체 업계는 그동안 기준 시설이나 장비를 활용할 수 있는 CMOS기반으로는 반도체를 미세화하기가 어려워 탄소나노튜브 등 다른 신물질을 통해 극미세 회로기술을 연구해왔다. 이에 대해 업계에서는 학회 등을 통한 검증이 필요하며 집적화 문제나 양산기술 확보 등에 많은 절차가 남아있어 상용화에는 많은 시간이 필요할 것이라고 밝혔다.