📘 CodingMarble Learn

전자기파

변하는 전기장은 전류처럼 작용하며, 이를 변위전류라고 해요. 변위전류는 자기장을 만들고, 변하는 자기장은 다시 전기장을 만들어요. 이 둘이 함께 전자기파(EM파)가 되어 빈 공간에서도 c = 3 × 10⁸ m/s의 속력으로 나아가요. E와 B는 서로 수직이고 진행 방향과도 수직이라서 전자기파는 횡파예요. 파장 순서로 늘어놓으면 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선의 스펙트럼이 돼요.

🎬 단계별 이야기

  1. 축전기가 충전되고 있어요. 도선에는 전류가 흐르지만 두 극판 사이의 틈을 건너뛰는 전하는 없어요. 그래도 틈 속 전기장은 점점 커져요. 이렇게 변하는 전기장이 전류처럼 작용해요. 이것을 변위전류라고 불러요.
  2. 변하는 E장은 B장을 만들고, 변하는 B장은 E장을 만들어요. 서로가 서로를 계속 만들기 때문에 이 한 쌍은 도선을 떠나 스스로 나아갈 수 있어요.
  3. 이렇게 나아가는 한 쌍이 바로 전자기파예요. 빨간 화살표는 E, 파란 화살표는 B예요. 둘은 함께 커졌다 작아지며 3 × 10⁸ m/s로 움직여요. 공기나 물 같은 매질은 필요 없어요.
  4. 방향을 살펴봐요. E는 위아래로, B는 양옆으로 흔들리고, 파동은 앞으로 나아가요. 세 방향은 서로 90°예요. 그래서 전자기파는 횡파예요.
  5. 모든 전자기파는 같은 종류의 파동이고 파장만 달라요. 파장이 아주 긴 것이 전파이고, 점점 짧아지면 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선이 돼요.
  6. 이제 직접 해볼 차례예요. 파장 슬라이더를 움직여 보세요. 먼저 어떤 띠인지 맞혀 본 다음, 그 쓰임과 발생 원인을 확인해요.

팁: 3D 화면을 드래그하면 돌아가요. 두 손가락으로 확대할 수 있어요.

🤔 헷갈리는 점, 한 번에 해결

틈을 건너는 전하가 없는데 어떻게 전류가 있을 수 있나요?

전하의 흐름은 없어요. 하지만 틈 속 전기장이 변하고 있고, 변하는 E장은 진짜 전류처럼 자기장을 만들어요. 그래서 그 효과를 보고 '전류'라고 불러요.

변위전류는 항상 있나요?

E가 변하는 동안에만 있어요. 축전기가 완전히 충전되면 E가 더 이상 변하지 않아서 I_d는 0이 돼요. 도선의 전류가 멈추는 것과 같아요.

도선이 없는데 장들은 어떻게 계속 나아가나요?

변하는 E는 변하는 B를 만들고, 변하는 B는 변하는 E를 만들어요. 서로가 서로를 계속 만들기 때문에 공간을 지나 이어져요.

빛이 나아가려면 공기가 필요한가요?

아니요. 전자기파는 매질이 필요 없어요. 햇빛은 거의 텅 빈 1억 5천만 km의 우주를 건너와요.

E와 B가 모두 있을 때 파동은 어느 쪽으로 나아가나요?

둘 모두에 수직인 E × B 방향으로 나아가요. E는 위아래로, B는 양옆으로 흔들리고 파동은 앞으로 가는 모습을 살펴봐요.

X선과 전파는 정말 같은 것인가요?

네. 둘 다 진공에서 속력이 같은 전자기파예요. 파장과 에너지만 달라요.

어느 띠가 에너지를 더 많이 가지나요?

파장이 짧을수록 에너지가 커요. 슬라이더를 전파에서 감마선 쪽으로 움직이며 띠 이름이 바뀌는 것을 봐요.

변위전류: 빠져 있던 전류

앙페르 법칙에 따르면 전류는 그 둘레에 자기장을 만들어요. 이제 충전되는 축전기를 생각해 봐요. 도선에는 전류가 흐르지만 극판 사이에는 공기나 빈 공간뿐이라서 전하가 건너가지 못해요.

그런데 그 틈 둘레에서도 자기장이 발견돼요. 그러니 틈 속에 전류처럼 작용하는 무언가가 있어야 해요. 맥스웰이 그것을 찾아냈어요. 바로 극판 사이의 변하는 전기장이에요.

그는 이것에 변위전류 Id라는 이름을 붙였어요.

Id = ε₀ × (dΦE/dt)

여기서 ΦE는 전기선속(전기장 × 면적)이고, ε₀ = 8.85 × 10⁻¹² C²/N m²예요. 충전하는 동안 틈 속의 Id는 도선의 전류 I와 같아요. 그래서 전류가 끊기지 않고 '이어져' 흐르는 셈이에요.

앙페르-맥스웰 법칙

자기장을 만드는 전체 전류는 I + Id예요. 말로 하면, 자기장은 움직이는 전하 그리고 변하는 전기장이 만들어요.

왜 중요할까?

변하는 B는 E를 만들어요(패러데이). 변하는 E는 B를 만들어요(맥스웰). 이렇게 서로 이어진 덕분에 두 장이 서로를 계속 이끌어 줘요. 빛과 전파가 존재하는 이유예요.

전자기파는 어떻게 만들어질까

정지한 전하는 E장만 만들어요. 일정한 속력으로 움직이는 전하는 B장도 만들지만 파동은 만들지 못해요. 가속하는 전하(빨라지거나 느려지거나 흔들리는 전하)만 전자기파를 내보내요.

예를 들어 라디오 안테나에서는 전자가 1초에 수백만 번 위아래로 움직여요. 그러면 같은 진동수의 전파가 나가요.

전자기파의 특징

전자기파는 횡파

횡파는 흔들림이 파동의 진행 방향과 수직인 파동이에요. x 방향으로 나아가는 전자기파에서는 다음과 같아요.

E, B, 진행 방향은 서로 90°예요. 진행 방향은 E × B의 방향이에요.

일상 속 증거

편광 선글라스는 눈부심을 줄여 줘요. E장이 한 방향으로 흔들리는 빛만 통과시키기 때문이에요. 이렇게 '걸러 내는' 일은 횡파만 할 수 있어요. 소리(종파)는 그럴 수 없어요.

전자기 스펙트럼: 전파에서 감마선까지

스펙트럼은 전자기파 전체를 파장 순서로 늘어놓은 것이에요. 파장이 가장 긴 것(진동수와 에너지는 가장 작은 것)부터 가장 짧은 것까지 나열하면 다음과 같아요.

띠파장(대략)만드는 방법쓰임
전파> 0.1 m안테나 속에서 움직이는 전자라디오, TV, 휴대전화
마이크로파0.1 m ~ 1 mm마그네트론 / 클라이스트론 진공관레이더, 전자레인지, Wi-Fi, 위성 통신
적외선1 mm ~ 700 nm뜨거운 물체, 진동하는 분자TV 리모컨, 야간 투시경, 물리치료용 열, 온실 효과
가시광선700 nm ~ 400 nm원자 속에서 뛰어오르는 전자보기, 사진 촬영, 광섬유
자외선400 nm ~ 1 nm태양, 매우 뜨거운 물체, 아크등물속 세균 죽이기, 위조지폐 확인, 라식 눈 수술
X선1 nm ~ 10⁻³ nm금속 표적에 부딪히는 빠른 전자뼈와 치아 촬영, 공항 짐 검사
감마선< 10⁻³ nm방사성 원자핵, 핵반응암세포 죽이기, 의료 기구 멸균

안전 상식

파장이 짧을수록 알갱이 하나가 가진 에너지가 커요. 자외선은 햇볕에 타게 할 수 있고, 오존층이 대부분을 막아 줘요. X선과 감마선은 세포를 해칠 수 있어서 쪼이는 양을 아주 적게 지켜요.

집에서 해보기

TV 리모컨을 스마트폰 앞면 카메라에 향하고 버튼을 눌러 보세요. 카메라 화면에 작은 불빛이 깜빡여요. 눈으로는 이 적외선을 볼 수 없지만 카메라는 볼 수 있어요. 이제 앞에 물컵을 놓아도 여전히 보이고, 손을 대면 가려져요. 그다음 3D의 λ 슬라이더로 리모컨이 어느 띠를 쓰는지 찾아보세요.

핵심 공식과 정의

풀이 예제

1. FM 방송국이 100 MHz로 방송해요. 파장을 구하세요.

1단계: c = fλ 이므로 λ = c/f. 2단계: λ = (3 × 10⁸) / (100 × 10⁶) = 3 m. 답: 3 m (전파 띠).

2. 노란빛의 파장은 600 nm예요. 진동수를 구하세요.

1단계: f = c/λ. 2단계: λ = 600 × 10⁻⁹ m = 6 × 10⁻⁷ m. 3단계: f = 3 × 10⁸ / 6 × 10⁻⁷ = 5 × 10¹⁴ Hz.

3. 전자기파에서 자기장의 최댓값이 B₀ = 2 × 10⁻⁸ T예요. 전기장의 최댓값을 구하세요.

1단계: E₀ = c B₀. 2단계: E₀ = 3 × 10⁸ × 2 × 10⁻⁸ = 6 V/m.

4. 파장이 λ = 1 nm인 파동이 있어요. 어떤 띠인지 말하고 f를 구하세요.

1단계: 1 nm는 자외선과 X선의 경계에 있고, 여기서는 연X선으로 봐요. 2단계: f = 3 × 10⁸ / 10⁻⁹ = 3 × 10¹⁷ Hz.

5. 2 μF 축전기를 충전해서 전압이 5 × 10⁴ V/s로 올라가요. 극판 사이의 변위전류를 구하세요.

1단계: 전하 Q = CV 이므로 극판으로 들어가는 전류는 I = C dV/dt. 2단계: 틈 속의 I_d는 이 전류와 같아요. 3단계: I_d = 2 × 10⁻⁶ × 5 × 10⁴ = 0.1 A.

6. 평행판 축전기의 극판 넓이는 0.02 m²예요. 극판 사이 전기장이 5 × 10¹² V/(m s)로 변해요. I_d를 구하세요.

1단계: Φ_E = E × A 이므로 dΦ_E/dt = A × dE/dt = 0.02 × 5 × 10¹² = 10¹¹ V m/s. 2단계: I_d = ε₀ dΦ_E/dt = 8.85 × 10⁻¹² × 10¹¹ ≈ 0.885 A.

7. 진동수 5 × 10¹⁴ Hz인 빛이 n = 1.5인 유리로 들어가요. 유리 속에서의 속력과 파장을 구하세요.

1단계: v = c/n = 3 × 10⁸ / 1.5 = 2 × 10⁸ m/s. 2단계: 새 매질에 들어가도 진동수는 변하지 않아요. 3단계: λ = v/f = 2 × 10⁸ / 5 × 10¹⁴ = 4 × 10⁻⁷ m = 400 nm.

8. 1/√(μ₀ε₀)가 빛의 속력이 됨을 확인하세요. (μ₀ = 4π × 10⁻⁷, ε₀ = 8.85 × 10⁻¹²)

1단계: μ₀ε₀ = 4π × 10⁻⁷ × 8.85 × 10⁻¹² ≈ 1.112 × 10⁻¹⁷. 2단계: √(1.112 × 10⁻¹⁷) ≈ 3.33 × 10⁻⁹. 3단계: 1 / 3.33 × 10⁻⁹ ≈ 3 × 10⁸ m/s. 빛의 속력과 같으므로 빛은 전자기파예요.

자주 하는 실수

연습 퀴즈

1. 변위전류의 원인은 무엇일까요?
2. 파장이 가장 짧은 것은?
3. 전자기파에서 E와 B 사이의 각도는?
4. TV 리모컨에 쓰이는 것은?
5. 진공에서 전자기파의 속력은?

연습: 직접 풀어 보세요

답을 입력하거나 고른 뒤 확인을 누르세요. 막히면 힌트를 보세요. 풀이는 답을 낸 뒤에 나타나요.

자주 묻는 질문

변위전류를 쉽게 말하면 무엇인가요?

충전되는 축전기의 틈처럼 전기장이 변할 때 생기는 '전류'예요. 보통 전류처럼 자기장을 만들어요. I_d = ε₀ dΦ_E/dt.

전자기 스펙트럼의 순서는 어떻게 되나요?

파장이 긴 것부터 짧은 것 순으로 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선이에요.

전자기파는 왜 횡파인가요?

전기장과 자기장이 파동의 진행 방향과 수직으로 흔들리기 때문이에요.

배우는 곳

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism and modern physics
RomaniaClasa a XI-aElectromagnetic oscillations and waves
RomaniaClasa a XI-aElectromagnetic oscillations and waves
Spain2º BachilleratoVibrations and waves
Ukraine9 класElectromagnetic phenomena; electromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класElectromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класElectromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класOptics
CBSE (India)Class 12Electromagnetic Waves
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Properties of Substances and Mixtures
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves, Sound, and Physical Optics
South Korea고등학교 3학년Waves and communication
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Electromagnetic waves
FrancePremièrePhysics-chemistry — seeing and showing objects
FrancePremièrePhysics-chemistry: Waves and information
FrancePremièrePhysics-chemistry: Waves and signals
FranceTerminalePhysics-chemistry: Waves and signals
FranceTerminalePhysics-chemistry: Energy conversions and transfers
Russia11 классWaves
Russia11 классOscillations and waves
China高二Selective 2 Ch.4 EM oscillations and waves

먼저 배우기

관련 수업

Physics 수업 전체