1. 전자기장 (Electromagnetic Field, Electric Field & Magnetic Field, E&M)
ㅇ 벡터 물리량인 전기장(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)
ㅇ 공간에서 에너지를 전달하는 파동
- 서로 수직으로 진동하는 전기장,자기장이 결합된 에너지 형태의 파동
ㅇ 전자기 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 전계 및 시변 자계는 원인-결과를 이루며(결합하며),
- 서로 직각으로 상호 생성관계를 갖으며,
- 주기적 파동으로, 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
- 맥스웰이 유전체내에서 변위전류가 흐른다는 맥스웰 방정식 수식화 정리 (1860년)
* 맥스웰방정식(Maxwell Equation)
. 전자기파의 존재를 예견한 미분방정식으로써 전자기학에서 가장 중요한 방정식
.. 빛의 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 전하 및 전류 분포
ㅇ 주파수(파장) 범위
- 무선 전파(電波) (RF 파), 빛 (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 에너지 및 운동량 전달 ☞ 포인팅 벡터 참조
- 전자기파는, 전기장,자기장이 결합되어 에너지를 전달하며 진행하는 파동
ㅇ 매질
- 전파에 따른 매질이 불필요함 (음향파와는 달리 매질을 필요하지 않음)
. 그러나, 실제 매개 매질은 없으나, 물질과의 복잡한 상호 작용 있음
. 따라서, 전자기파는 상호작용하는 물질을 매질이라고 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 ☞ 파동 표현 참조
- 전기장 및 자기장이 진행방향에 상호 수직인 횡파로써, 평면파의 형태로 진행함
. 각 성분인 전기장,자기장은 종종 진폭,파장,진동수를 갖는 싸인파로 묘사되어짐
ㅇ 속도
- 진공에서의 전자기 복사선의 속도는 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 전계와 자계가 함께 에너지를 전달하는데, (포인팅 벡터)
- 이를, 복사 세기라 하는데, (복사 세기)
- 통상, 수신 지점의 전계 세기 만으로, 그 지점의 전자파의 세기를 나타냄 (전계 세기)
ㅇ 전자기파의 성질
- 직진성, 간섭성, 반사, 굴절, 회절, 산란, 편파, 감쇠 등 ☞ 파동 참조
※ 한편, 자연계에서 가장 우세한 전자기파 복사선원(源)으로는 태양이 있음