전자기파의 발생과 수신

 

물리I 의 전자기파 단원의 약간 심화 과정이다.

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- 전자기파 발생 원리 -

전자가 가속도 운동을 하게 되면

전자 주위에 생기는 전기장이 변하게 되고

변한 전기장이 또 변한 자기장을 만들고

또 변하는 자기장은 변하는 전기장을 만든다.

이런 식으로 전기장과 자기장이 서로 유도하면서

공간으로 퍼져나가는것을 전자기파라고 한다.

전기장의 진동방향, 자기장의 진동방향, 전자기파의 진행방향 모두 서로 수직이다.

전기장의 변화와 자기장의 변화중 어느것이 먼저인지는 상관없다.

서로가 서로를 유도하며 나아간다.

다만 전자를 가속도운동시키는게 더 쉽기때문에

보통은 전기장의 변화를 먼저 만든다.

 

1. 도체인 안테나가 있다.

2. 전자기파를 만들려면 여기있는 전자를 진동(가속도운동)시키면 된다.

3. 그러려면 안테나에 교류 전류가 흐르게 하면 된다.

4. 그러면 안테나에 흐르는 교류 전류에 의해 전자가 진동하며 진동하는 전기장을 만들고

5. 진동하는 전기장이 진동하는 자기장을 만들고

6. 서로 유도하며 퍼져나간다.

 

일단 우리가 2단원에서 저항들 가지고 합성저항 구하고

축전기 합성전기용량구하고 하던거는 직류 전류이다.

직류는 전류의 방향이 바뀌지 않는다.

교류는 전류의 방향이 주기적으로 계속 바뀌는 전류이다.

전류의 방향이 바뀐다 = 전자가 진동한다 = 전자가 가속도 운동한다

 

 

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- 전자기파의 수신 -

 

전자기파의 발생 과정과 거꾸로 하면 된다.

안테나의 방향이 전기장의 진동 방향과 나란하다 가정하고

전자기파가 도체인 안테나를 지나가면

진동하는 전기장이

안테나의 전자를 진동시킬것이다.

따라서 안테나에 교류 전류가 흐른다.

따라서 전자기파의 진동수 = 안테나에 흐르는 교류 진동수가 된다.

모든 물체는 각각의 고유의 진동수를 갖고있는데

이 진동수와 같은 진동수인 전자기파가 수신되면

진동수가 딱 맞으니까 크게 진동할것이다.

이런걸 공명(resonance)이라고 하며

이런 고유의 진동수를 공명 진동수(또는 공명 주파수) 라고 한다.

따라서 안테나 회로의 공명 진동수와 같은 진동수의 전자기파가 수신되어야

회로에 강한 전류가 흐른다.

 

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- 안테나 -

 

전자기파를 수신하거나 송신하는 장치이다.

전기장이 진동하는 안테나(전기장의 진동을 수신하는 안테나) : 쌍극자 안테나

자기장이 진동하는 안테나(자기장의 진동을 수신하는 안테나) : 고리 안테나(루프 안테나)

 

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- 교류 회로에서의 축전기 -

 

축전기에 전원을 연결하면

양 극판에 (+)전하와 (-)전하가 쌓이고

충분히 쌓이고 나면 더이상 전류가 흐르지 않는다.

즉 축전기가 충전될수록

전류가 흐르지 못하게 하는 저항의 역할을 한다.

저항은 아니지만 저항과 비슷한 역할을 한다는것이다.

이런걸 리액턴스라고 한다.

축전기의 리액턴스를 용량 리액턴스라 한다.

이때 전기용량이 작으면

전하를 얼마 못쌓으므로

전하가 금방 쌓여 전류가 흐르지 못하게 된다.

즉 전기용량이 작을수록 용량 리액턴스가 커진다.

그리고 교류 회로의 진동수에 따라서도 달라지는데

교류 회로의 진동수가 크면

전하가 다 쌓이기도 전에 전류의 방향이 바뀌어버려서

저항의 역할을 크게 하지 못할것이다.

즉 교류 회로의 진동수가 클수록 용량 리액턴스는 작아진다.

반대로 진동수가 작으면

진동수가 큰것에 비해 전하가 쌓일만한 시간이 있을것이고

따라서 저항의 역할을 더 크게 할 수 있게 된다.

따라서 교류 회로의 진동수가 작을수록 용량 리액턴스가 커진다.

정확한 식은 이건데 몰라도 된다.

외우면 편해지기때문에 외울수 있다면 외우자.

 

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- 교류 회로에서의 코일 -

 

코일에 전원을 연결하면

코일에 전류가 흐르며 자기선속의 변화가 생긴다.

따라서 자기선속의 변화를 방해하는 방향

즉 교류 전류의 반대방향으로 유도전류가 흐른다.

따라서 얘도 저항은 아니지만 저항과 비슷한 역할을 한다.

코일의 리액턴스를 유도 리액턴스라고 한다.

교류 회로의 진동수가 크면

전류의 변화를 방해하는게 코일이므로

진동수가 커서 계속 전류의 방향이 바뀌면

더 많이 방해할것이다.

따라서 교류 회로의 진동수가 클수록 유도 리액턴스가 커진다.

그리고 자체유도계수 와도 관련이 있는데,

코일의 자체유도계수가 클수록 유도 리액턴스가 커진다.

자체유도계수라는건 안배운거라 어차피 자세히는 못물어본다.

그냥 그런가보다 하면 된다.

여기서 L이 자체유도계수다.

이것도 외우면 편하다.

 

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- 교류 회로의 공명 진동수 -

 

교류 전원에 저항(R)과 축전기(C)를 연결한걸

RC 회로라 하고

교류 전원에 저항(R)과 코일(L)을 연결한걸

RL 회로라 하고

교류 전원에 저항, 코일, 축전기를 연결한걸 RLC 회로라 한다.

진동수에 따른 최대 전류를 그린 그래프이다.

RL 회로에서

코일은 진동수가 작을수록 유도리액턴스가 작아지므로

최대 전류의 크기가 크고

RC 회로에서

축전기는 진동수가 클수록 용량리액턴스가 작아지므로

최대 전류의 크기가 커진다.

여기서 저 RC회로와 RL회로의 전류가 같아지는 지점이 있다.

전류의 세기가 같다는건 유도리액턴스와 용량리액턴스가 같다는거고

이때의 진동수를 '공명 진동수' 라 한다.

저 식은 외워두는게 좋다.

RLC 회로는 교류 전원의 진동수가

공명 진동수일때 전류가 최대가 된다.

RLC 회로의 진동수에 따른 전류 그래프를 그리면

이렇게 되고

이때 전류가 최대가 되는 f0_ 값이 바로 저 식에서의 f고

공명 진동수이다.

 

즉 결론짓자면

전자기파를 수신할때

수신 회로에 최대 전류가 흐르게 하려면

회로의 공명 진동수와

전자기파의 진동수가 같아야 한다.

 

 

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- 문제풀이 꿀팁 -

내가 축전기는 저항이 아니라서 V=IR 같은거 쓰면 안된다했는데

축전기로 지나가는 전류가 0이라는건 맞지만

일단 충전되는 동안에는 전하가 움직이니까 도선에 전류가 흐른다.

이 경우엔 교류 회로이므로

충전되었다가 방전되었다가 하는 이유도 있고

일단 저항은 아닌게 맞지만

저항과 비슷하게 전류의 흐름을 방해하는 역할을 하기때문에

V=IR에서 R 자리에 리액턴스를 넣어도 된다.

즉 그냥 직류회로 풀듯이 풀면 된다.

 

 

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- 예제 -

1 )

2021학년도 수능 물리II 4번

 

A )

전자기파의 진행방향, 전기장, 자기장의 방향 모두 수직이다.

따라서 A(o)

 

B ) 

전기장에 의해 안테나의 전자가 전기력을 받아

가속도운동을 한다.

따라서 B(o)

 

C )

공명진동수와 전자기파의 진동수가 같으면

수신 회로의 전류가 최대가 된다.

따라서 C(o)

 

따라서 답은 5번

 

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2 )

2020년 10월 모의고사 물리II 7번

 

ㄱ )

수신한 전자기파의 진동수가 f0_일때

전류의 세기가 최대이다.

따라서 f0_가 수신 회로의 공명 진동수이다.

따라서 ㄱ(o)

 

ㄴ )

전자기파를 수신할때,

안테나의 전자가 진동하며 교류 전류가 형성되는것이다.

따라서 ㄴ(o)

 

ㄷ )

따라서 전기용량을 변화시키면

공명 진동수가 바뀐다.

따라서 ㄷ(o)

 

따라서 답은 5번

 

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3 )

2019년 4월 모의고사 물리I 16번

 

ㄱ )

저항의 저항값과 교류 전원의 진동수는 아무 관계가 없다.

따라서 ㄱ(x)

 

ㄴ )

저항과 코일을 연결한 회로인데

코일은 진동수가 클수록 유도 리액턴스가 커진다.

즉 더 큰 저항 역할을 하게된다.

따라서 전체 저항의 크기는 커지므로 전체 전류의 세기는 약해진다.

따라서 ㄴ(x)

 

ㄷ )

코일이 저항역할을 더 많이 할수있게 되는데

저항과 코일은 직렬연결이므로 둘의 전류가 같고

V = IR에서

I가 같으므로 V는 R에 비례한다.

따라서 유도 리액턴스가 커지므로

코일의 양단에 걸리는 전압도 커진다.

따라서 ㄷ(o)

 

따라서 답은 2번

 

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4 )

2014학년도 수능 물리I 15번

 

ㄱ )

스피커는 전기 신호를 소리로 전환시키는 장치이다.

따라서 ㄱ(o)

 

ㄴ )

축전기는 진동수가 작은 전기 신호를 잘 흐르지 못하게 한다.

따라서 ㄴ(x)

 

ㄷ )

코일과 스피커 B는 직렬연결 되어있다.

저음 = 진동수가 작음

고음 = 진동수가 큼

따라서 코일은 저음일수록 유도리액턴스 값이 작아지고

따라서 코일에 걸리는 전압이 작아지고

따라서 스피커에 걸리는 전압은 커진다.

따라서 저음이 고음보다 더 크게 발생된다.

따라서 ㄷ(o)

 

따라서 답은 4번

 

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5 )

2021학년도 9월 모평 물리II 12번

 

ㄱ )

진동수가 f₂ 일때 전류가 최대이므로

공명 진동수는 f₂ 이다.

따라서 ㄱ(o)

 

ㄴ )

진동수가 f₂ 에서 f₃ 으로 변하면

진동수가 커진다는건데

그러면 코일의 저항 역할(유도리액턴스)는 커진다.

따라서 ㄴ(x)

 

ㄷ ) 

진동수 f₁ 일때 전류의 최댓값이

진동수 f₃ 일때 전류의 최댓값보다 크다.

저항 양단에 걸리는 전압은

V = IR 에서

R은 고정이고 f₁일때가 I가 더 크므로

전압의 최댓값은 f₁일때가 f₃일때보다 크다.

따라서 ㄷ(x)

 

따라서 답은 1번