Chapter 29

전자기파

1865년 맥스웰은 전기와 자기의 법칙을 네 개의 방정식으로 정리하다가, 빠진 한 조각을 채우자 놀라운 결과가 나오는 것을 보았다. 전기장과 자기장이 서로를 만들어 내며 빈 공간을 퍼져 가는 파동 — 그 속력을 계산해 보니 이미 알려진 빛의 속력과 같았다. 빛은 전자기파였다. 이 장에서는 맥스웰 방정식에서 전자기파가 나오는 과정, 전자기파가 나르는 에너지와 운동량, 라디오에서 감마선까지의 스펙트럼, 그리고 빛의 편광을 다룬다.

좌우로 끌어 파장을 바꿔 보세요 · 가시광 범위에서는 그 색으로 보인다

변위 전류와 맥스웰 방정식

충전 중인 축전기를 생각하자. 도선에는 전류 \(I\)가 흐르지만 판 사이에는 전하가 지나가지 않는다. 도선을 둘러싼 앙페르 고리에 평평한 면을 대면 \(I\)가 지나가고, 같은 고리에 판 사이로 부풀린 면을 대면 아무 전류도 지나가지 않는다. 같은 고리인데 \(\oint\vec B\cdot d\vec l\)이 두 값이라니 — 앙페르 법칙이 틀렸다. 맥스웰은 판 사이에서 변하는 전기 선속이 전류와 같은 역할을 한다고 보았다.

I 앙페르 고리 평평한 면: I가 지나간다 → ∮B·dl = μ₀I 부풀린 면: 전류가 지나가지 않는다 → 0 ?! E가 커진다: 변위 전류 I_d = ε₀ dΦ_E/dt = I
  1. 도선을 지나는 평평한 면을 쓰면 앙페르 법칙은 \(\mu_0I\)를 준다.
  2. 같은 고리로 판 사이를 지나가게 부풀린 면을 쓰면 꿰뚫는 전류가 없다 — 모순.
  3. 판 사이에서는 전기장이 커지고 있다. \(\epsilon_0\,d\Phi_E/dt\)를 계산하면 정확히 \(I\)와 같다. 이것을 변위 전류(displacement current)로 넣으면 두 면이 같은 답을 준다.
맥스웰의 변위 전류. "변하는 전기장이 자기장을 만든다" — 패러데이 법칙의 짝이다.
MINI LAB반지름 5 cm 원판 축전기를 충전한다. 흰 원을 끌어 앙페르 고리의 반지름 r을 바꾸면 판 사이(점선 위치)의 자기장 B(r)가 표시된다. 판 안쪽에서는 변위 전류의 일부만 둘러싸 B ∝ r, 바깥에서는 도선과 똑같이 B ∝ 1/r — 자기장은 진짜 전류와 변위 전류를 구별하지 않는다.
이름식 (적분형, 진공)뜻
가우스 법칙\(\oint\vec E\cdot d\vec A = Q_\text{안}/\epsilon_0\)전하가 전기장을 만든다 (21장)
자기 가우스 법칙\(\oint\vec B\cdot d\vec A = 0\)자기 홀극은 없다 (25장)
패러데이 법칙\(\oint\vec E\cdot d\vec l = -\dfrac{d\Phi_B}{dt}\)변하는 B가 E를 만든다 (27장)
앙페르–맥스웰 법칙\(\oint\vec B\cdot d\vec l = \mu_0\Big(I + \epsilon_0\dfrac{d\Phi_E}{dt}\Big)\)전류와 변하는 E가 B를 만든다

이 네 식이 맥스웰 방정식(Maxwell's equations)이고, 로런츠 힘 \(q(\vec E + \vec v\times\vec B)\)와 함께 모든 고전 전자기 현상을 설명한다. 셋째·넷째 식이 짝을 이루어, 전하나 전류가 없는 곳에서도 변하는 E가 B를, 변하는 B가 E를 만들며 퍼져 나갈 수 있다.

반지름 5.0 cm인 원판 축전기를 2.0 A로 충전한다. 판 사이 전기장의 변화율과, 축에서 3.0 cm인 곳(판 사이)의 자기장은?

풀이 보기
풀이 \(dE/dt = I/\epsilon_0A = 2.0/[(8.854\times10^{-12})(7.85\times10^{-3})] = 2.9\times10^{13}\) V/(m·s). 반지름 r인 고리가 둘러싼 변위 전류 \(I(r/R)^2\) → \(B = \mu_0Ir/2\pi R^2 = 4.8\times10^{-6}\) T.
dE/dt ≈ 2.9 × 10¹³ V/(m·s), B ≈ 4.8 μT
검토 26장의 굵은 도선 안 자기장과 꼴이 같다. 아주 작아서 맥스웰 시대에는 잴 수 없었다 — 변위 전류는 전자기파의 존재로 확인되었다.

평면 전자기파와 빛의 속력

진행 방향 E가 변한다 → 둘레에 B (앙페르–맥스웰) B가 변한다 → 둘레에 E (패러데이) 서로를 만들며 앞으로c = 1/√(μ₀ε₀) = 2.998 × 10⁸ m/s매질이 필요 없다 — 진공에서도 퍼진다
  1. 어느 곳의 전기장이 변하면 그 둘레에 자기장이 생긴다(변위 전류).
  2. 그 자기장이 변하면 다시 둘레에 전기장이 생긴다(패러데이 법칙).
  3. 이 과정이 이어져 장의 교란이 퍼져 나간다. 맥스웰 방정식에서 파동 방정식을 끌어내면 그 속력이 \(1/\sqrt{\mu_0\epsilon_0}\)이다 — 실험실의 전기·자기 상수만으로 빛의 속력이 나온다.
전자기파의 자기 유지. 1888년 헤르츠가 전기 불꽃으로 전자기파를 만들고 검출해 맥스웰을 확인했다.
$$c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0\epsilon_0}}, \qquad E = cB, \qquad \vec E\perp\vec B\perp\vec v, \qquad E = E_0\cos(kx - \omega t),\ \lambda f = c$$
진행 방향은 \(\vec E\times\vec B\)다. \(E\)와 \(B\)는 같은 위상으로 진동한다. 1983년부터 \(c = 299\,792\,458\) m/s를 정확한 값으로 정하고 미터를 그로부터 정의한다. 물질 속에서는 \(v = c/n\)(30장).
x (v = c) E (y 방향)B (z 방향, 비스듬히 그림) λ E × B = 진행 방향
x 방향으로 진행하는 평면 전자기파. 실제로 B는 지면에 수직(z)인 방향이라 원근법으로 비스듬히 그렸다.

진행하는 평면 전자기파에서 전기장이 최대인 지점의 자기장은?

진행파에서는 \(E = cB\)가 매 순간 매 점에서 성립한다 — 같은 위상이다. (LC 회로나 정상파에서는 전기·자기 에너지가 90° 어긋나 주고받는다.)
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평면 전자기파 (돌려 보기)

끌어서 보는 방향을 돌린다
B₀ = E₀/c—
세기 I = ½cε₀E₀²—
에너지 밀도 (평균)—
주황 = 전기장, 파랑 = 자기장(그림에서는 크기를 맞춰 c배 키웠다). 해볼 것: ① 위에서(진행 방향 옆에서) 보면 두 장이 수직이다. ② 진행 방향 쪽에서 보면 전기장이 한 직선 위에서만 진동한다 — 선편광(5절). ③ 진폭을 2배로 하면 세기가 4배.

\(\mu_0 = 4\pi\times10^{-7}\), \(\epsilon_0 = 8.854\times10^{-12}\)에서 \(1/\sqrt{\mu_0\epsilon_0} =\) . 빛이 2(0 서울–부산 325 km, 1 지구 한 바퀴, 2 달, 3 해, 4 화성(가까울 때), 5 목성, 6 가장 가까운 별, 7 안드로메다)까지 가는 데 걸린다().

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쌍극자 안테나의 복사

수신기(흰 원)를 끌어 위치를 바꾼다
안테나 축과의 각 θ—
상대 세기 (r₀ = 1λ에서 θ = 90° 기준)—
세로 막대 안테나 속 전자가 위아래로 진동하며 전자기파를 낸다(가속하는 전하가 복사한다). 색은 그 순간의 전기장. 멀리서 세기는 \(\sin^2\theta/r^2\): 안테나 축 방향(θ = 0)으로는 전혀 나가지 않는다. 해볼 것: ① 수신기를 옆(θ = 90°)과 위(θ ≈ 0)에 놓아 비교하라. ② 거리를 2배로 하면 세기가 1/4. 방송국 송신탑이 수직인 이유 — 수평 방향으로 가장 세게 보낸다.

진폭 100 V/m인 전기장의 전자기파의 자기장 진폭은? 진동수 100 MHz(FM 방송)라면 파장은?

풀이 보기
풀이 \(B_0 = E_0/c = 3.34\times10^{-7}\) T. \(\lambda = c/f = 3.00\) m.
B₀ ≈ 3.3 × 10⁻⁷ T, λ = 3.0 m
검토 자기장은 작아 보이지만, 전하에 주는 힘은 \(qvB\)라 \(v \ll c\)면 전기력 \(qE\)보다 훨씬 작다 — 전자기파가 물질과 주고받는 힘은 주로 전기장이다.

전자기파의 에너지와 운동량

전자기파의 에너지 밀도는 전기장과 자기장의 몫이 같다: \(\tfrac12\epsilon_0E^2 = \tfrac12B^2/\mu_0\)(\(E = cB\)를 넣어 확인하라). 단위 시간에 단위 넓이를 지나는 에너지 흐름을 포인팅 벡터(Poynting vector)로 나타낸다.

$$u = \epsilon_0E^2, \qquad \vec S = \frac{1}{\mu_0}\vec E\times\vec B, \qquad I = \langle S\rangle = \frac12c\epsilon_0E_0^2 = \frac{E_0B_0}{2\mu_0}$$
\(I\): 세기(intensity)(W/m²), 진폭의 제곱에 비례. 점 광원에서 멀어지면 \(I = P/4\pi r^2\).

태양에서 1.0 떨어진 곳의 햇빛 세기는 , 전기장 진폭은 , 자기장 진폭은 이다. 완전히 흡수하는 면이 받는 복사압은 .

전자기파는 운동량도 나른다. 에너지 \(U\)를 실은 빛은 운동량 \(U/c\)를 가진다. 빛이 면에 흡수되면 그 운동량을 넘겨주고, 반사되면 두 배를 넘겨준다 — 복사압(radiation pressure).

$$p_\text{흡수} = \frac Ic, \qquad p_\text{반사} = \frac{2I}{c}$$
아주 작지만, 혜성의 꼬리가 태양 반대쪽을 향하는 이유이고, 레이저로 원자를 붙잡는 광학 집게와 태양 돛의 원리다.
흡수: 운동량 U/c 전달 반사: 2U/c (공이 튕길 때처럼)
복사압. 8장의 충돌과 같다: 벽에 붙는 공보다 튕겨 나오는 공이 벽에 두 배의 충격량을 준다.

같은 크기의 돛을 검게 칠한 것(흡수)과 거울로 만든 것(반사) 중 햇빛에 더 세게 밀리는 것은?

반사하면 빛의 운동량 방향이 뒤집혀 운동량 변화가 2배다. 실제 태양 돛(일본의 IKAROS, 2010)은 얇은 알루미늄 코팅 폴리이미드 막을 썼다.
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도전: 태양 돛으로 화성 궤도에 닿아라

빛의 힘 / 태양 중력 (β)—
예상 원일점—
경과 · 현재 거리—
판정—
탐사선은 지구 궤도(1 AU, 원 궤도)에서 출발하고, 돛은 늘 태양을 마주 본다. 햇빛의 힘도 중력처럼 \(1/r^2\)로 줄어들어, 그 비 β가 일정하다. 그러면 태양의 중력이 \((1 - \beta)\)배로 약해진 것과 같아 궤도가 늘어난다. 원일점이 화성 궤도(1.52 AU)의 ±3% 안이면 성공. 해볼 것: β ≥ 0.5이면 태양계를 탈출한다. 실제 돛의 무게는 1 m²당 수 g이지만, 탐사선까지 합치면 β를 크게 만들기가 쉽지 않다.

지구 대기 밖 햇빛의 세기는 1361 W/m²이다. 전기장과 자기장의 진폭, 그리고 완전히 흡수하는 면이 받는 복사압은?

풀이 보기
풀이 \(E_0 = \sqrt{2I/c\epsilon_0} = 1.01\times10^3\) V/m, \(B_0 = E_0/c = 3.38\times10^{-6}\) T, \(p = I/c = 4.5\times10^{-6}\) Pa.
E₀ ≈ 1.0 kV/m, B₀ ≈ 3.4 μT, p ≈ 4.5 μPa
검토 대기압의 2 × 10¹⁰분의 1. 지구 전체(단면적 1.3 × 10¹⁴ m²)가 받는 힘은 약 6 × 10⁸ N이지만 중력(3.5 × 10²² N)에 비하면 무시된다.

한 변 100 m인 정사각형 거울 돛(질량 포함 100 kg)이 1 AU에서 받는 힘과 가속도는?

풀이 보기
풀이 \(F = 2IA/c = 2(1361)(1.0\times10^4)/(3.00\times10^8) = 0.091\) N, \(a = 9.1\times10^{-4}\) m/s².
F ≈ 0.091 N, a ≈ 9 × 10⁻⁴ m/s²
검토 작지만 연료 없이 계속된다. 1년이면 속력이 약 29 km/s 바뀐다(태양 중력이 같이 작용하므로 실제 궤도 변화는 시뮬레이터처럼 계산한다).

전자기 스펙트럼

전자기파는 파장에 따라 이름이 다르지만 모두 같은 물리다. 파장이 길면 진동수가 낮고, 빛 알갱이(광자, 32장) 하나의 에너지 \(E = hf\)가 작다. 우리 눈은 380–750 nm의 좁은 영역만 본다 — 태양 복사가 가장 센 영역이고(17장 빈 법칙), 물이 투명한 영역이다.

MINI LAB파장 축(로그)의 흰 원을 끌어 보라. 영역 이름, 진동수, 광자 에너지, 예가 표시된다. 가시광 근처에서는 그 색이 보인다. 파장이 10¹⁸배 넘게 차이 나도 진공에서의 속력은 모두 같다.
영역파장만드는 것 · 쓰임
전파1 mm 이상안테나의 전류 · 방송, 휴대 전화, 와이파이(12 cm), 전파 천문
마이크로파1 mm – 30 cm마그네트론 · 전자레인지(12 cm), 레이더, 우주 배경 복사
적외선750 nm – 1 mm뜨거운 물체 · 열화상, 리모컨, 광섬유 통신(1.55 μm)
가시광380 – 750 nm원자의 전자 · 시각, 광합성
자외선10 – 380 nm태양, 형광등 · 살균, 비타민 D, 피부 화상
X선0.01 – 10 nm빠른 전자의 감속 · 의료 영상, 결정 구조 분석
감마선0.01 nm 이하원자핵 · 방사선 치료, 감마선 폭발

하늘은 왜 파란가

공기 분자처럼 파장보다 훨씬 작은 입자는 빛의 전기장에 흔들려 작은 안테나처럼 빛을 다시 내보낸다(산란). 그 세기는 \(1/\lambda^4\)에 비례한다(레일리 산란) — 파란빛(450 nm)이 빨간빛(680 nm)보다 약 5배 많이 흩어진다. 그래서 낮의 하늘은 사방에서 흩어진 파란빛으로 보이고, 노을은 파란빛이 다 흩어지고 남은 붉은빛이다.

MINI LAB햇빛이 지나는 공기의 두께(흰 원, 한낮 = 1 → 해 질 녘 ≈ 40)를 바꿔 보라. 위: 흩어진 빛(하늘의 색), 아래: 남은 빛(해의 색). 두께가 커지면 해가 노랗고 붉어진다.

와이파이(2.4 GHz)의 파장과, 초록빛(530 nm)의 진동수는?

풀이 보기
풀이 \(\lambda = c/f = 0.125\) m = 12.5 cm. \(f = c/\lambda = 5.66\times10^{14}\) Hz.
12.5 cm, 5.7 × 10¹⁴ Hz
검토 전자레인지도 2.45 GHz다 — 물 분자를 흔들기 좋은 진동수가 아니라, 출력이 커도 되는 공용 주파수 대역이라 겹친다.

편광

전자기파는 횡파라서 전기장이 진행 방향에 수직인 여러 방향으로 진동할 수 있다. 전기장이 한 방향으로만 진동하는 빛이 선편광(linear polarization)이다. 햇빛이나 전등 빛은 수많은 원자가 제멋대로 낸 빛이 섞인 편광되지 않은 빛이다. 편광판(polarizer)은 특정 방향(투과축)의 전기장 성분만 통과시킨다.

말뤼스 법칙

편광된 빛이 투과축과 각 \(\theta\)를 이루는 편광판을 지나면 전기장의 투과축 성분 \(E\cos\theta\)만 남으므로, 세기는 \(\cos^2\theta\)배가 된다 — 말뤼스 법칙(Malus's law). 편광되지 않은 빛은 첫 편광판에서 세기가 절반이 된다(\(\langle\cos^2\rangle = \tfrac12\)).

$$I = I_0\cos^2\theta, \qquad I_\text{편광 안 된 빛 → 편광판} = \tfrac12I_0$$

편광되지 않은 세기 20의 빛이 편광판 두 장을 지난다. 두 투과축 사이의 각이 45이면 나오는 세기는 이다.

투과축이 서로 수직인 편광판 두 장을 겹치면 빛이 통과하지 못한다. 그 사이에 45° 기울인 편광판을 하나 더 끼우면?

\(\tfrac12I_0\cos^245°\cos^245° = I_0/8\). 가운데 판이 편광 방향을 "중간 단계"로 돌려 준다. 편광판은 빛을 거르기만 하는 것이 아니라 편광 방향을 바꾼다.
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도전: 편광판으로 목표 밝기를 만들어라

각 편광판 아래의 흰 원을 돌려 투과축을 정한다
편광판마다 나온 세기—
목표—
판정 · 성공—
왼쪽에서 편광되지 않은 빛(세기 1)이 들어온다. 편광판 사이의 화살표는 그 구간 빛의 전기장 진동 방향과 진폭이다. 목표 세기의 ±0.005 안이면 성공. 해볼 것: ① 판 1과 3을 수직(0°, 90°)으로 두고 판 2를 돌려 보라 — 45°에서 가장 밝다(1/8). ② 판을 많이 쓸수록 손실이 작아질 수 있다(조금씩 돌리면).
물·유리 면 반사광: 수평 편광 수면의 눈부심 → 편광 선글라스(세로 투과축)가 막는다 공기 분자 햇빛 90° 산란광: 편광벌은 하늘의 편광 무늬로 해의 방향을 안다
자연의 편광. 비스듬히 반사된 빛과 옆으로 산란된 빛은 부분적으로(특정 각에서는 완전히) 편광된다.

편광되지 않은 세기 \(I_0\)의 빛이 투과축 0°, 30°, 90°인 편광판 세 장을 차례로 지난다. 각 판을 지난 뒤의 세기는?

풀이 보기
풀이 판 1: \(I_0/2\). 판 2: \((I_0/2)\cos^230° = 0.375I_0\). 판 3: \(0.375I_0\cos^260° = 0.0938I_0\).
0.50 I₀, 0.375 I₀, 0.094 I₀
검토 판 2가 없으면 0. 시뮬레이터에서 같은 각으로 확인하라.

핵심 정리

  1. 변위 전류 \(\epsilon_0\,d\Phi_E/dt\): 변하는 전기장도 자기장을 만든다. 맥스웰 방정식 네 개가 고전 전자기학 전체다.
  2. 전자기파: \(\vec E\perp\vec B\perp\vec v\), 진행 방향 \(\vec E\times\vec B\), \(E = cB\), 같은 위상. \(c = 1/\sqrt{\mu_0\epsilon_0}\), \(\lambda f = c\). 가속하는 전하가 복사한다(쌍극자 세기 ∝ sin²θ).
  3. 에너지 밀도 \(\epsilon_0E^2\), 포인팅 벡터 \(\vec S = \vec E\times\vec B/\mu_0\), 세기 \(I = \tfrac12c\epsilon_0E_0^2\).
  4. 운동량 \(U/c\). 복사압: 흡수 \(I/c\), 반사 \(2I/c\).
  5. 스펙트럼: 전파 – 마이크로파 – 적외선 – 가시광(380–750 nm) – 자외선 – X선 – 감마선. 작은 입자의 산란 ∝ 1/λ⁴(파란 하늘).
  6. 편광: 말뤼스 법칙 \(I = I_0\cos^2\theta\), 편광 안 된 빛은 첫 편광판에서 절반.

연습문제

특별한 말이 없으면 \(c = 3.00\times10^8\) m/s, \(\epsilon_0 = 8.854\times10^{-12}\) F/m를 쓴다. 답이 ±1% 이내면 정답이다.

98.1 MHz FM 방송의 파장은?

\(\lambda = c/f = 3.06\) m.

파장 650 nm인 빨간빛의 진동수는?

\(f = c/\lambda = 4.61\times10^{14}\) Hz.

전기장 진폭이 750 V/m인 전자기파의 자기장 진폭은?

\(B_0 = E_0/c = 2.50\times10^{-6}\) T.

전기장 진폭 50 V/m인 전자기파의 세기는?

\(I = \tfrac12c\epsilon_0E_0^2 = 3.32\) W/m².

세기 1.0 kW/m²인 빛의 전기장 진폭은?

\(E_0 = \sqrt{2I/c\epsilon_0} = 868\) V/m.

50 kW의 방송국이 사방으로 고르게 전파를 낸다고 하자. 10 km 떨어진 곳의 세기와 전기장 진폭은?

\(I = P/4\pi r^2 = 3.98\times10^{-5}\) W/m², \(E_0 = \sqrt{2I/c\epsilon_0} = 0.173\) V/m.

세기 1361 W/m²인 햇빛이 수직으로 비칠 때, 완전히 흡수하는 면과 완전히 반사하는 면이 받는 복사압은?

\(I/c = 4.54\times10^{-6}\) Pa, \(2I/c = 9.07\times10^{-6}\) Pa.

출력 5.0 mW인 레이저 지시기의 빛이 지름 2.0 mm의 원형으로 고르게 퍼진다. 세기와 전기장 진폭은?

\(I = P/\pi r^2 = 1.59\times10^3\) W/m²(햇빛보다 세다 — 눈에 비추면 안 된다), \(E_0 = 1.10\times10^3\) V/m.

넓이 0.020 m²인 평행판 축전기 사이의 전기장이 \(1.0\times10^{12}\) V/(m·s)로 변한다. 변위 전류는?

\(I_d = \epsilon_0A\,dE/dt = 0.177\) A.

세기 10 W/m²인 선편광된 빛이 편광 방향과 60°를 이루는 편광판을 지나면?

\(I = 10\cos^260° = 2.5\) W/m².

편광되지 않은 세기 20 W/m²인 빛이 투과축이 45° 어긋난 편광판 두 장을 지나면?

\(20 \times \tfrac12 \times \cos^245° = 5.0\) W/m².

편광되지 않은 세기 40 W/m²인 빛이 투과축 0°, 45°, 90°인 편광판을 차례로 지나면?

\(40 \times \tfrac12 \times \tfrac12 \times \tfrac12 = 5.0\) W/m².

태양에서 지구까지(1.496 × 10¹¹ m) 빛이 오는 데 걸리는 시간은?

\(t = d/c = 499\) s ≈ 8분 19초.

진공 속 평면 전자기파에서 옳은 것은?

횡파, 같은 위상, \(E = cB\).

전자기파와 소리의 차이로 옳은 것은?

전자기파는 장 자체의 진동이다. 그래서 별빛이 텅 빈 우주를 건너온다.

개념 확인 퀴즈

맥스웰이 앙페르 법칙에 변위 전류를 더한 이유는?

같은 고리에 대는 면에 따라 답이 달라지는 모순(그리고 전하 보존과의 모순)을 없앴고, 그 결과 전자기파가 예언되었다.

전자기파의 전기장 진폭을 3배로 하면 세기는?

\(I \propto E_0^2\).

수직으로 세운 쌍극자 안테나가 가장 약하게 복사하는 방향은?

세기 ∝ sin²θ, θ = 0에서 0.

빨간빛과 파란빛 중 진공에서 더 빠른 것은?

진공에서는 모든 전자기파가 c. 유리 속에서는 파란빛이 조금 느리다(30장 분산).

편광 선글라스가 수면의 눈부심을 잘 막는 이유는?

반사에 의한 편광(30장 브루스터 각).