전자기파란 쉽고 자세히!

 안녕하세요 마무입니다. 오늘은 '전자기파란', '전자기장이란', '앙페르의 오른손 법칙', '전자기파의 종류'에 대해서 자세히 포스트해보겠습니다!

오늘 이 포스트를 다 읽으시면 무선통신에서 나오는 '주파수'라는 것의 이해에 도움이 되실것이며, 어떻게 우리가 전기를 통해 빛이나 방사선등을 만들 수 있는지 이해가 되실겁니다!

-----목차-----

1. 전자기파란

2. 전자기력, 전자기장이란

i) 전자기파 생성 원리

ii) 앙페르의 오른손 법칙

iii) 전자기파의 종류

3. 정리

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1. 전자기파란

일단 '주파수'라는 것에 대해서 배우기 전에 우리는 먼저 '전자기파'라는 것부터 확실히 알고 가야합니다. 그래야지 다음 포스트에서 배울 '주파수'의 변화가 어떤 것을 의미하는지, 우리 일상생활에서 어떻게 쓰이는지를 알 수 있기 때문이죠!

일단 결론부터 말하자면, 전자기파란 전기장 + 자기장이 파동형태로 날라가는 것을 말합니다.

물론 이렇게만 말하면 이해가 안되실 것이며, 또 왜 전기장 + 자기장을 같이 묶어서 말하는 거지?란 의문이 드실겁니다! 일단 전지장 + 자기장을 묶어서 말하는 것부터 설명하자면 신기하게도 이 세상은 전기가 있는 곳(전류가 흐르는 곳)은 무조건 자기장이 같이 생기기 때문입니다.

그리고 이 세상은 신기하게도 자기장이 변하면(방향이 바뀌면) 똑같이 전류(정확히는 전압)가 생기죠(이 현상을 자기장에 의해 유도돼 생긴 전기라 하여 전자기 유도라고 합니다) 

허허 처음 이 개념을 접하시는 분들이라면 벌써부터 혼란이 오실테니 좀 더 자세히 설명해보겠습니다.

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2. 전자기력, 전자기장이란

왜 전기와 자기가 둘이 이렇게 서로 관련이 있느냐하면, "전기력과 자기력" 둘다 미시(매~~~우 작은)세계에 있는 '+'와 '-' 전하 사이 상호 작용으로 생기기 때문에 그렇습니다.

물론 양자역학에선 입자 고유의 스핀도 전류역할을 한다등 다른 의견도 있기에, 사실 전자기력의 원리가 정확하게 밝혀졌는지는 잘 모르겠습니다.

그러나 양자역학 분야는 자연과학 전공생분들이나 과학자분들의 영역이라 우리 컴퓨터 분야 는 더 깊게 알 필요 없을 것 같습니다(나중에 양자컴퓨터가 상용화 되면 배울지도...?)

어쨌든, 이러한 '+'와 '-'전하 사이 인력과 척력 상호작용으로 생기는 "전기(전하의 흐름)와 자기"는 당연히 방향을 가진 벡터이며, 이러한 전기의 힘(인력, 척력)이 작용하는 범위 공간을 '전기장(전계)'이라 하고 같은 원리로 자기의 힘(인력, 척력)이 작용하는 범위 공간을 '자기장(자계)'이라 합니다

i) 전자기파 생성 원리 

아니 전자기력, 전자기장이 뭔지는 알겠는데, 그게 전자기파랑 무슨 관계가 있지? 전자기파는 어떻게 만드는거야?

후후.. 좀 얘기가 길어졌지만, 바로 이러한 전자기력이 작동하는 '전자기장'을 파동의 형태로 대기중으로 보내는게 바로 '전자기파'라 전자기력과 전자기장에 대해서 먼저 설명을 했던 겁니다.

아하... 그런데 전자기장을 파동 형태로 보낸다는게 뭐죠? 어떻게 파동형태로 보내나요?

어떻게 전자기장을 파동형태로 만드느냐를 이해하기전, 먼저 앞서 말한 전자기력의 특징들을 먼저 이해하셔야 하기에 앞서 말한 전자기력의 특징을 정리해보고 넘어가겠습니다.

a) 전자기력은 방향을 가진 벡터다

b) 전기력과 자기력이 작용하는 범위를 전자기장이라 한다

c) 전류가 흐르면(전기장이 있으면) 자기가 생긴다(자기장이 생긴다)

d) 자기장의 방향이 바뀌면 전류가 생긴다.

자.. 이러한 전자기의 특징들을 종합해보면 전기장이 자기장을 만들고, 만들어진 자기장이 또 새로운 전기장을 만들고.. 하며 무한적으로 서로 만들어지는 기가막힌 이론이 탄생하게 됩니다.

이러한 기가막힌 이론이 어떻게 가능한지를 한번 예시를 들어 차례차례 설명해보겠습니다. 

먼저 특정한 전선에서 전류의 방향이 계속 바뀌는 상황을 생각해봅시다. (그리 어렵게 생각할 필요가 없습니다. 그냥 교류가 흐른다고 생각하시면 됩니다)

그리고 이러한 전기(전류)가 있으니 당연히 'c' 특징에 따라 자기장이 생기고, 전자기력은 'a' 특징대로 방향을 가졌기에 이 때의 생성된 자기는 전류에 맞춰 특정 방향을 향해 움직이는 모습일겁니다.

이 때 전류의 방향에 따라 자기장 방향이 어떻게 되는지는 유명한 '앙페르의 오른손(오른나사)법칙'이라는 것을 통해 쉽게 알 수 있습니다.(고등학교 땐 흔히 오른손 ㄸㄸㅇ법칙이라고...)

ii) 앙페르의 오른손 법칙 

(출처 : https://www.quora.com/What-is-amperes-right-hand-grip-rule)

앙페르의 오른손 법칙이란 말 그대로 오른손을 엄지척 하는 모습으로 만들었을 때, 전류 방향이 엄지 방향일 경우, 나머지 말고있는 손가락이 전류 주변에 생기는 자기장 방향이라는 법칙으로

이처럼 전류(전기장)의 방향과 자기(자기장)의 방향은 항상 이렇게 상관관계를 이루고 있다는 겁니다. 바로 여기서 질문! 그럼 전류의 방향을 바꾸면 어떻게 될까요?

위 오른손 법칙에 따라, 전류의 방향이 거꾸로가 되면 똑같이 자기장의 방향도 거꾸로로 바뀝니다.(오른손을 위로 엄지척을 했다가, 죽인다는 사인처럼 엄지를 밑으로 내려보시면 전류방향에 따라 자기장 방향이 어떻게 바뀌는지 알 수 있습니다!)

자 그럼 이번엔 전류의 방향을 계속 바꾸면 어떻게 될까요?

네 당연히 전류의 방향에 따라 자기장의 방향도 계속 바뀔겁니다. 하지만 여기서 끝이 아니죠!

자기장의 방향이 바뀌면!! d) 자기장의 방향이 바뀌면 전류가 생긴다.에 따라 또!! 전류가 생성되며, 전류장이 만들어집니다.

그러면 또! 새로 생겨난 전류가 있으니 자기장이 생기죠

이런식으로 전류의 방향을 계속 바꾸는(교류)가 흐르면, 연쇄적으로 전류와 자기장이 생기면서

공기중으로 퍼져나가는데! 

(사진출처 : http://cleanenergywiki.org/index.php?title=Electromagnetic_Radiation)

그것이 바로 위 사진! 전자기파!라는 것이죠

iii) 전자기파의 종류 

자 전자기파가 무엇인지, 어떻게 만들어졌는지는 이제 알겠는데 원하는 전자기파를 만들어 사용할 수 있다는게 무엇인지 감이 안잡히시죠? 

왜냐면 '전자기파'란 소리를 들었을 때 보통 사람들은 전자기파는 그냥 말 그대로 통신에 쓰는 전자파 하나 아니야? 라고 생각하기 때문이죠 ㅎㅎ

사실 전자기파는 우리가 기기에만 사용하는 것만 있는게 아니며, 종류또한 어~마 어마하게 많습니다.

지구에서 모든 생물이 살아갈 수 있게 해주는 눈부신 '빛(자외선, 적외선, 가시광선)'도 전자기파이며, 우리가 핸드폰 무선 통신에 사용하거나, 전자레인지와 같은 각종 전자제품에 사용하는 마이크로파도 전자기파이며, X레이 찍을 때 쓰는 X선이나 모두 위험하다고 아는 감마선(r-선)과 같은 방사선도 전자기파죠

우리가 절대적으로 빠른 '빛'이라는 것과 우리가 일상생활에서 사용하는 전파가 같은 부류라니... 뭔가 상당히 충격적이지 않습니까?

밑에 그림을 보시죠! 

(출처 : https://home.kepco.co.kr/kepco/KO/D/htmlView/KODBHP008.do?menuCd=FN05040208)

사진을 보시면 '빛'뿐만 아니라, 상당히 무섭게 느껴지는 방사선도 같은 전자기파라는 것을 알 수 있으며 상당히 충격적이죠.

자 그럼 이러한 수 많은 전자기파들이 위 사진처럼 전파니 광선이니 방사선이니 하며 종류가 나뉘는 기준이나 이유는 뭘까요?

바로 전자기파가 갖고 있는 에너지의 차이입니다. 

자외선이 해롭다는 이유도 적외선이나 가시광선(눈으로 볼 수 있는 광선이란 뜻)보다 더 에너지가 높기 때문이며, 방사선 같은 경우 갖고있는 에너지가 어마어마하게 쎄서 우리 세포를 뚫고 지나가기에 위험하다고 하는 것이죠.

아하! 그럼 전자기파가 갖고 있는 에너지양은 어떻게 알 수 있나요??

바로! 전자기파가 갖고 있는 에너지양은 바로 위 사진에 보이는 '주파수'라는 것을 통해 우리는 알 수 있습니다.

달리 말하면 이 '주파수' 때문에 전자기파의 종류가 다양하게 나뉘는 것이며!! 이 주파수를 조작하면!? 바로 우리가 원하는 전자기파를 만들 수 있는 것이죠!

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3. 정리

a) 전기력이 작용하는 공간을 전기장, 자기력이 작용하는 공간을 자기장이라 한다

b) 전기(전류)가 있으면 자기가 생기고, 자기의 방향이 바뀌면 전기가 생긴다(전자기 유도)

c) 전기와 자기 둘다 미시세계에서 '+'와 '-'의 상호작용으로 생기며, 둘은 항상 연관돼 있기에 묶어서 전자기력이라 부른다

d) 전류의 방향에 따라 자기장이 어떤 방향으로 바뀌는지는 앙페르의 오른손 법칙으로 알 수 있다.

e) 전류의 방향을 계속 바꾸면 자기의 방향도 계속 바뀌고, 자기의 방향이 바뀌면 전기(전기장)이 생기니, 이러한 모습으로 계속 만들어지는 전자기장이 공기중으로 퍼져나가는 것이 바로 '전자기파'다

f) 이러한 전자기파가 가진 에너지의 양은 '주파수'라는 것으로 알 수 있으며, '주파수'에 따라 전자기파 종류가 달라진다

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오늘은 전자기파라는 것에 대해서 자세히 알아보았습니다! 긴 글 읽느라 고생하셨고! 혹시나 틀린 정보가 있으면 알려주시면 수정하겠습니다!

다음에는 '주파수'라는 것에 대해서 포스트해보겠으며, 도움이 되셨다면 따뜻한 댓글 및 팔로우 클릭을 해주시면 저에게 큰 힘이 됩니다!!

그럼 다음에 더 좋은 포스트로 찾아뵙겠습니다!