34 전자기파

34-1 서론

31장 복습: 진공에서의 전자기장에 관한 맥스웰 방정식(표 31-1)

1864년: 맥스웰이 전자기파를 이론적으로 예측

1887년: 헤르츠가 전자기파를 실험적으로 확인

34-2 맥스웰의 전자기파 예측

도체 없이 전자기장 만들기

패러데이 법칙

⋅

자기⇔

⋅

⋅

자기장이 변화하면

전기장이 생긴다.

앙페르-맥스웰 법칙

⋅ 안 ⇒

⋅ 안

⋅

전류가 흐르거나, 전기장이 변화하면

자기장이 생긴다.

전자기파의 전파

자기장이 변화하면 전기장이 생긴다 (패러데이 법칙).

전기장이 변화하면 자기장이 생긴다 (앙페르-맥스웰 법칙).

⇒ 변화하는 전자기장은 계속 서로 다른 장을 만들면서 퍼져간다 (전자기파):

≈ 3×10m/s

34-3 전자기파 발생

전자기파는 어떻게 생겨나는가?

복습: 16장 진동 (진동수, 진폭, 위상)

17장 역학적 파동 (수직파와 평행파; 파장, 진동수, 위상, 진폭, 진행속력, 세기)

18장 소리

전자기파 펄스

점전하가 서있다가, 갑자기 아래로 가속되었다가 다시 설 때의 전기장선의 변화

연속적인 전자기파 발생

연속적인 전자기파? 싸인함수꼴 전자기장 ⇐ 전하/전류의 싸인함수꼴 진동

1. ⊥ ⊥ 진행방향

2. × 진행방향

3. 평면파에서 와 는 늘 시간조화함수로, 진동수 및 위상이 같다.

34-4 전자기파를 나타내는 수식

+쪽으로 가는, 각진동수 인 전자기파의 전기장과 자기장

최대 sin

최대 sin

신기한 파동

모든 전자기파는 진공에서 속력이 똑같이 이다.

* =

≡ 299 792 458 m/s

※ 소리(탄성파)와 빛(전자기파)의 다른 점

소리는 물질(원자, 분자)의 진동이 물질끼리의 상호작용을 통해 전달되어 퍼져가는 것.

빛은 전자기장의 진동이 서로 결합되어 진공 속을 퍼져가는 것.

와 의 비 - 유도 전기장

패러데이 법칙 ⋅

자기

왼쪽: ⋅ = =

오른쪽: 자기

= =

=

⇒

최대cos

최대cos

최대 cos 최대 cos ⇒

빛의 속력 - 유도 자기장

앙페르-맥스웰 법칙 ⋅

전기 (진공)

왼쪽: ⋅ = =

오른쪽: 전기

= =

=

⇒

최대cos

최대cos

생각 34-1(a) 유도된 전기장의 방향과 상대적 크기를 그려라.

(b) 같은 순간에 전자기파의 전기장 성분을 그려라.

또한 유도된 자기장의 방향과 상대적 크기를 그려라.

생각 34-2오른쪽 그림은 z쪽으로 가는 전자기파의 어느 순간의 전기장이다.

자기장의 방향은 어느 쪽인가?

34-5 전자기파로 에너지 보내기

물음 1. 전자기파의 전,자기장의 에너지 밀도?

2. 1초 동안 전자기파에 실려 전달되는 에너지는 얼마인가?

배운 것 1. 전기장 에 실린 에너지 밀도 전기

2. 자기장 에 실린 에너지 밀도 자기

3. 전자기파의 속력

4. 전자기파의 전기장과 자기장의 진폭의 비

1. 전자기파의 전,자기장의 에너지 밀도?

전기

자기

전체 전기 자기

2. 1초 동안 전자기파에 실려 전달되는 에너지는 얼마인가?

단위 넓이의 면이 1초 동안 전자기파를 흡수할 때 받는 에너지의 비율

넓이에너지시간 순간 넓이

일률 순간넓이 인 면이 시간 동안 흡수한 에너지 : 전기자기 ⋅⋅

⋅⋅

따라서

⋅

⋅

⋅⋅

⋅ ⋅

(순간 에너지 흐름률)

밝기(intensity) = 시간 평균값 (왜?)

≡ ⟨⟩ ⟨⋅ ⟩ ⋅⟨최대sin ⟩ ⋅⋅

최대

포인팅 벡터

× 방향: 빛의 진행 방향

크기:

⋅⋅

⋅

세기(밝기)의 거리에 대한 변화

일률이 광원인 광원에서 거리 인 곳에서의 밝기

광원

따라 34-1 등방성 광원광원 = 250 W인 점광원에서 거리 1.8m인 곳에 있는 사람이 받는 빛의 전기장과 자기장의 최대값?

실마리 밝기와 전기장:

; 밝기와 광원까지의 거리: 광원

; 전기장과 자기장:

풀이: 전기장

광원

⇒

광원⋅

= ⋅⋅×ms× C N⋅m

W⋅m

= 48.1V/m ≈ 48 V/m

풀이: 자기장

= ×ms Vm

= 1.6×10 T

34-6 방사압력

전자기파는 에너지와 함께 운동량도 지니고 있음

⇒ 힘(=운동량 전달)과 압력(단위면적에 주는 힘)을 물체에 줄 수 있음

⇒

, 흡수

(완전 흡수)

, 반사

(완전 반사)

생각 34-3

밝기가 고른 빛이 완전 흡수면 전체를 수직하게 비춤. 면의 넓이를 줄이면 다음 물리량은 어떻게 변하는가: (a)

방사 압력, (b) 방사 힘.

따라 34-2 살별 먼지

먼지입자 = 공: 밀도 = 3.5×10 kg/m, 완전 흡수체.

해가 끄는 중력(중력

) = 햇빛이 미는 방사힘(방사

)이 되는 반지름 ?

실마리 방사 , 해 , , 중력 해

※ 해 = 3.9×10 W, 해 =1.99×10 kg, = 6.67×10 N⋅m/kg

풀이

방사 힘 방사

⋅해⋅

해

중력 중력 해

해⋅

두 힘의 평형 조건 해⋅

해

해해

= ⋅⋅×ms⋅× kgm⋅× N⋅mkg⋅× kg

⋅×W = 1.7×10 m

34-7 편광

전하가 수직방향(축)으로 진동할 때 나오는 전자기파 - 방향 선편광

물음: 전하가 수직방향(축)으로 진동할 때 나오는 전자기파는?

편광

편광 전기장의 진동방향이 고정되어 있거나 규칙적으로 바뀌는 빛

자연광 전기장의 진동방향이 마구 바뀌는 빛

※ 자연광을 편광으로 바꾸는 방법 - 편광판으로 걸러냄

편광판을 지나온 빛의 밝기

1. 자연광(비편광)이 들어올 때

2. 선편광이 들어올 때

투과 cos cos (선편광일 때)

따라 34-3 편광판

밝기 인 자연광이 가는 길에 편광판 3장을 둘 때, 나오는 빛의 밝기와 편광상태?

실마리 , cos

풀이 첫째 편광판을 지난 빛 편광방향 수직

밝기

둘째 편광판을 지난 빛 편광방향 수직방향에 대해 60

밝기 cos

세째 편광판을 지난 빛 편광방향 수평방향

밝기 cos = 0.094

34-8 맥스웰 무지개