전자파의 발생과 전파에 대해 이해하기

전자파의 발생과 전파에 대해 이해하기

전자파의 발생과 전파에 대해 이해하기

빛은 늘 우리 주변에 있습니다. 빛은 무엇으로 되어 있을까요? 모든 물질은 원자로 되어 있는데 그렇다면 빛도 어떤 원자들의 모임일까요? 그렇다면 왜 빛은 다른 물체와 달리 손에 잡히지 않을까요? 예로부터 사람들은 빛의 정체에 대해서 많이 궁금해했습니다. 지금 과학책을 보면 빛이 전자기파의 일종이다라고 설명합니다. 그러면 이제 전자기파가 무엇이냐?라고 물어봐야 되겠죠. 전자기파를 이런 식으로 그려 놓은 것을 여러분이 많이 보셨을 겁니다. 사실 말하자면 빛은 상당히 복잡한 존재라서 설명하기가 쉽진 않습니다. 하지만 제 나름대로 한번 설명을 해 보겠습니다.

전자기파 예시와 이해

여기 플러스 전기를 띄고 있는 양성자 두 개가 있습니다. 이들이 가까이 붙어 있으면 전기력에 의해서 서로 밀어내려는 성질을 갖습니다. 둘이 가만 제가 손을 떼 버리고 가만 놔두면 둘은 점점 점점 멀어지게 됩니다. 이제 이 둘이 충분히 멀리 있다고 해 봅시다. 1번 양성자가 여기 있으면 2번 양성자는 이쪽으로 힘을 받겠죠. 1번이 조금 자리를 바꾸면 이제 2번 양성자가 약간 기울어진 각도로 힘을 받을 것입니다. 이 둘의 차이는 아주 미미 하겠죠 그렇지만 1번이 위아래로 진동을 하게 되면 2번 양성자가 이쪽으로 힘을 받았다가 이쪽으로 힘을 받았다가 하기 때문에 점점점 멀어지면서 위아래로 조금씩 진동하게 될 겁니다. 그런데 재밌는 사실은 이 진동의 속도가 굉장히 빠르면 1번 양성자 로부터 얘가 멀어지려는 경향보다 위아래로 진동하려는 경향이 점점 더 강하게 느껴집니다. 이렇게 한 양성자 또는 이게 전자 여도 상관없습니다. 전기를 띄고 있는 물체 한 진동이 저기 멀리 있는 양성자나 전자에게 까지 전달돼서 이것은 흔드는 거 이것을 우리가 전자기파라고 부르는 겁니다. 아 마치 호수 위에서 여러분이 이쪽에서 물장구를 쳐서 저기 멀리 떨어져 있는 나뭇잎을 위아래로 출렁이게 만드는 것과 상당히 유사합니다. 여기 간단한 시뮬레이션으로 살펴보겠습니다. 양성자가 이렇게 하나 존재하면 이 주위의 다른 양성자나 전자에게 힘을 미칠 수가 있고요. 그 힘을 미칠 수 있다는 사실을 전기장이라는 것으로 표현합니다. 즉 하나의 양성자가 존재하면 이 양성자는 전기장을 만들고 주변에 어떤 다른 양성자는 이 녀석이 만든 전기장에 의해서 힘을 받는데 그 전기장의 방향으로 힘을 받게 됩니다. 만약 이 양성자가 위치를 바꾸면 그에 따라서 이 양성자가 만드는 전기장의 모양도 바뀝니다. 그 전기장의 변화가 실제로는 빛의 속도로 굉장히 빨리 전달되는데 이 시뮬레이션에서는 보기 좋도록 아주 느린 화면으로 보여 주고 있는 거죠. 양성자가 아주 빠른 속도로 흔들리면 이 전기장이 변화가 파동처럼 전달되는데 이것을 전자기파라고 부르는 거죠. 이렇게 전자기파가 지나가는 곳에 다른 양성자 또는 전자가 존재하면은 이 전자기파 물결에 따라서 이게 춤을 추게 되는 것입니다. 전기장이 출렁이며 변할 때 실은 자기장이라는 것도 함께 출렁이면서 전달됩니다. 전기장이라는 것은 플러스 양성자나 마이너스 전자에 가하는 전기적 힘을 나타내고요. 자기장은 여러분이 알다시피 N 극과 S 극을 가진 자석을 움직이는 힘을 말합니다. 그래서 전자기파는 우리가 이렇게 말할 수 있겠습니다. 전기적 효과와 자기적 효과가 서로 교대로 나타나면서 진행하는 파동이다 그리고 먼 거리에 있는 물체에 전기적 또는 자기적 영향을 미친다. 이렇게 말할 수가 있습니다. 전기를 띤 물체와 자기를 띤 물체 모두에게 힘을 가할 수 있지만 통상적으로 전기적인 힘이 훨씬 더 강하기 때문에 대부분의 경우에는 전기적 영향만을 고려하면 되겠습니다. 방송국이나 기지국에서 여러분의 집 또는 여러분의 휴대폰으로 계속 전자파를 보내고 있습니다. 이렇게 다양한 신호를 보낼 때 사용하는 것이 안테나입니다. 안테나라는 것은 사실 특별한 게 아니고 그냥 곧게 뻗은 전선의 일종입니다. 그 안에서 전자가 위아래로 출렁이면서 전자파를 만들어 내는 거죠. 이 전자파가 먼 거리를 진행하다가 다른 안테나를 만나면 그 안에 있는 전자들을 흔듭니다. 그것은 이제 그 안테나가 연결된 회로의 전류 변화를 일으키고 이 전류 변화를 통해서 기지국 또는 방송국에서 보낸 정보를 얻어내는 겁니다. 여러분이 갖고 있는 휴대폰도 밖으로 나와 있지는 않지만 내부에 안테나를 갖고 있습니다. 예전에는 이제 안테나를 뽑을 수 있게 되었는데 어느 순간부터 이제 안테나가 사라졌습니다. 내부에 있는 안테나에 전자를 움직이면서 그것을 통해서 신호를 보내기도 하고 다른 데서 오는 신호가 그 안테나에 있는 전자를 움직이면서 신호를 받기도 합니다. 휴대폰에서 나오고 있는 전자기파를 어떤 모형으로 표현해보면 이렇게 생겼을 것입니다. 저기서 파란색 화살표가 전기장을 나타내고요 빨간색 화살표가 자기장입니다. 전기장은 말씀드렸듯이 플러스 전기를 띄고 있는 물체를 움직이는 방향을 나타냅니다. 예를 들어서 여기 양성자 하나 있다고 하면 빨간색 화살표가 지나가는 순간에 위로 힘을 받고요. 조금 있다가는 아무런 힘을 받지 않다가 나중에는 아래로 힘을 받습니다. 그래서 이 전자기파가 양성자 주변을 쓱 지나가는 동안에 양성자는 위아래로 계속 진동하게 되는 거죠. 만일 이 자리에 이 양성자 대신 이런 자석 있다고 하면 이 빨간색 자기장 방향으로 좌석이 좌우로 흔들립니다. 하지만 앞에서 말했듯이 전기장에 비해서 자기장은 약한 편입니다. 전기장이 위로 가장 세졌다가 아래로 세졌다가 다시 가장 위로 세진 곳까지의 이 길이 이것을 우리가 파장이라고 부릅니다. 예를 들어서 그 파장이 이 정도 된다면 이 전자기파는 파장이 30cm다라고 하는 거죠. 그리고 이 전자기파가 빛의 속도로 진행합니다. 그래서 그 빛의 속도에 의해서 양성자가 움직이는 주기가 결정이 되는 거죠. 그래서 30cm 정도 되는 전자기파의 파장을 만들려면 양성자나 전자를 초당 10억 번 흔들어야 되는 그런 상황이 됩니다.

전자기파의 파장과 용도

전자기파는 파장이 얼마냐에 따라서 이름도 다르고 용도도 다릅니다. 전자가 1초에 몇 만 번 또는 몇 백만 번 정도 흔들리면 그때 생기는 전자기파의 파장이 수 미터에서 수 백 미터 정도 되는데 이것이 통상적으로 티브이나 라디오를 전송하는 공중파입니다. 전자레인지에서 사용하는 마이크로파는 수 cm 정도에 파장을 갖고요 가시광선은 0.3~0. 6 마이크로미터의 파장을 갖습니다. 마이크로미터라는 단위가 대부분의 사람들한테 익숙하지 않을 텐데, 여러분의 머리카락이 대략 0. 1mm 또는 100 마이크로미터이고요. 여러분 이제 밖에서 볼 수 있는 가장 가느다란 거미줄의 굵기. 이것이 약 5 마이크로미터 정도 됩니다. 그러니까 빛의 파장은 그 아주 가느다란 거미줄의 십 분의 일 정도다.라고 상상하시면 되겠습니다. 이 가시광선보다 더 짧으면 자외선 X선이 있고요. 알다시피 X선은 살갗을 투과할 수가 있죠. 그리고 마지막으로 방사선물질에서 나오는 가장 짧은 전자기파를 우리가 감마선이라고 부릅니다. 이렇게 다양한 전자기파들은 파장만 다를 뿐이지 물리적인 본질은 같습니다. 일반적으로 파장이 짧을수록 투과력이 강하고 파장이 길수록 잘 꺾입니다. 우리가 리모컨을 사용할 때도, 휴대폰으로 통화할 때도 모바일 데이터, 블루투스, 와이파이 이 모든 것이 다 전자기파를 사용하는 겁니다. 그래서 서로 간에 영향을 줄 수 있고요. 하나의 신호가 다른 신호를 왜곡시킬 수도 있죠. 그래서 각 용도별로 주파수를 정해 놓고 그 영역에서만 쓰도록 법적으로 규제를 하고 있습니다. 만약 여러분이 취미로 전자파 발생 장치를 만들어서 공중에다 그 신호를 막 뿌리면, 누군가가 여러분의 집을 찾아와서 "아, 그 주파수는 사용해서는 안됩니다. " 이렇게 말할 수도 있습니다. 특정 주파수를 사용하고 싶다면 정식으로 등록을 해야 됩니다. 최근 이동통신사들이 주파수 대역을 놓고 경매를 해서 각각 다른 영역을 할당받은 자료가 여기 나타나 있습니다. 주파수 대역이 넓어야 동시에 많은 고객들을 연결할 수 있고 또 각 고객에게 더 많은 데이터를 짧은 시간에 보낼 수 있게 됩니다. 여기에 보면 경매한 주파수 대역이 20 메가헤르츠인데요. 이 정도면 정보를 그렇게 많이 보낼 수 없는 굉장히 좁은 영역인데 그럼에도 불구하고 낙찰가가 수천억이 된다고 합니다.