E&M   Electromagnetic Field, Electromagnetic Wave, Electromagnetic Radiation, Time-varing Electomagnetic Field   전자기장, 전자계, 전자기파, 전자파, 전자기 복사선, 시변 전자기장, 시변 전자계

(2023-04-22)

EM


1. 전자기장 (Electromagnetic Field, Electric Field & Magnetic Field, E&M)벡터 물리량전기장(전계) 및 자기장(자계)을 총칭

  ㅇ 정(靜) 및 시변(時變) 전자기장으로 구분할 수 있으며, 
     - 시변 전자기장(시변장)이 공간을 전파할 때, 이를 `전자기파`라고 불리움


2. 전자기파 (Electromagnetic Wave, E&M 波) = 전자기 복사선(Electromagnetic Radiation)공간에서 에너지를 전달하는 파동
     - 서로 수직으로 진동하는 전기장,자기장이 결합된 에너지 형태파동전자기 복사선의 원천 : 가속 전하
     - 정 전기장의 원천은 전하 이나,
     - 만일 이 전하(charge)의 흐름이 시간에 따라 가속(또는 감속) 변화하면,
     - 즉, 시변 전류가 흐르면, 이는 시변 자계를, 이는 차례로 시변 전계를 발생시킴
     - 이때 시변 전계시변 자계는 원인-결과를 이루며(결합하며),
     - 서로 직각으로 상호 생성관계를 갖으며,
     - 주기파동으로, 공간 전파 및 에너지 전달하는데, 이를 전자기파라고 함

     * [참고] ☞ 파동(Wave), 진동 파동 공진 발진 동조 결합 비교 참조


3. 전자기파 이론의 역사

  ㅇ 이론적 배경
     - 맥스웰유전체내에서 변위전류가 흐른다는 맥스웰 방정식 수식화 정리 (1860년)

     * 맥스웰방정식(Maxwell Equation)
        . 전자기파의 존재를 예견한 미분방정식으로써 전자기학에서 가장 중요한 방정식
           .. 전자기파說을 제기하게 됨 (즉, 전기학과 광학이 통합됨)  

  ㅇ 실험적 입증
     - 헤르츠(Heinrich Hertz,1857~1894)의 불꽃방전 실험으로 그 존재를 확인 (1887년~1891년)
        . 송신 반파장 다이폴 안테나에서 생긴 불꽃으로 인해,
        . 수 미터 거리의 수신 루프 안테나 쪽에 불꽃이 뛰는 등 

  ㅇ 상용화
     - 이탈리아의 마르코니가 실용화 (1897년)  :  Guglielmo Marconi (1874~1937)
        . 도버해협에서 영국과 프랑스 사이의 무선통신을 성공
     - 또한, 대서양 횡단 무선통신 성공 (20세기 초, 1901년12월)
        . 영국 Poldhu와 캐나다 Newfoundland 사이


4. 전자기파의 특징

  ㅇ 원천
     - 시변 전하전류 분포

  ㅇ 주파수(파장) 범위
     - 무선 전파(電波) (RF 파),  (가시광선), X-선, 감마선 등 거의 모든 스펙트럼 영역을 포함
        . 그 각각은 고유한 범위의 파장(주파수)에 의해 구분됨     ☞ 무선주파수 등 참조
        . 10-15 m (감마선) ~ 105 m (라디오파)

  ㅇ 에너지운동량 전달                                               ☞ 포인팅 벡터 참조
     - 전자기파는, 전기장,자기장이 결합되어 에너지를 전달하며 진행하는 파동매질 
     - 전파에 따른 매질이 불필요함 (음향파와는 달리 매질을 필요하지 않음)
        . 그러나, 실제 매개 매질은 없으나, 물질과의 복잡한 상호 작용 있음
        . 따라서, 전자기파는 상호작용하는 물질매질이라고 관례적으로 부름
     - 매질의 경계면에서, 입사 반사 투과 흡수 굴절 현상이 있음
     - 한편, 물질과 만나면 여러 손실 현상(유전손실,표피효과 등)이 나타남        ☞ 전파 손실 참조

  ㅇ 파형 
     - 전기장자기장이 진행방향에 상호 수직인 횡파로써, 평면파의 형태로 진행함
        . 각 성분인 전기장,자기장은 종종  진폭,파장,진동수를 갖는 싸인파로 묘사되어짐

  ㅇ 속도
     - 진공에서의 전자기 복사선속도는 일정함                                  ☞ 파동속도 참조
        . 이것을 광속(speed of light) c 로 표시함 (c = 3 x 108 [m/s])

     * 한편, 파장,속도,주파수 관련식
        .   λ =  v / f
           .. 파장(λ), 속도(v : 통상 `빛 속도`를 기준함), 주파수(f)
           .. 자유공간 상의 빛 속도는 불변의 물리 상수(Physical Constant)로 간주됨

  ㅇ 전자기파의 세기                                       ☞ 포인팅벡터, 복사세기, 전계세기 참조
     - 전자기파는 원래 전계자계가 함께 에너지를 전달하는데, (포인팅 벡터)
     - 이를, 복사 세기라 하는데, (복사 세기)
     - 통상, 수신 지점의 전계 세기 만으로, 그 지점의 전자파의 세기를 나타냄 (전계 세기)

  ※ 한편, 자연계에서 가장 우세한 전자기복사선원(源)으로는 태양이 있음

전자계현상(시변장)
   1. 맥스웰 방정식   2. 패러데이 법칙   3. 유도기전력   4. 변위전류   5. 전자기파   6. 시정현파계   7. 전자파세기   8. 전자기파 파동방정식  


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