전자기파

1. 전자기파의 생성과 속력

1.1. 맥스웰 방정식의 예측

맥스웰은 수학적으로 변화하는 전기장이 자기장을 유도하고, 변화하는 자기장이 전기장을 유도한다는 사실을 밝혀, 이 두 장이 서로를 생성하며 공간을 통해 에너지를 전달하는 전자기파의 존재를 예측했다.

• 전파 속력 (\mathbf{c}): 전자기파는 진공에서 일정한 속력으로 전파되며, 이 속력은 전기 및 자기 상수로부터 유도된다.

※ 이 속력은 빛의 속력과 같다.

1.2. 파동의 특성

• 횡파 (Transverse Wave): 전기장(\vec{E}) 벡터와 자기장(\vec{B}) 벡터는 모두 진행 방향에 수직이다.

• 수직 관계: \vec{E}와 \vec{B}는 서로에게 수직이며, 크기 사이에 다음과 같은 관계가 성립한다.

• 동위상: \vec{E}와 \vec{B}는 공간과 시간에서 같은 위상을 가진다 (동시에 최대/최소).

2. 에너지와 운동량

2.1. 에너지의 흐름 (포인팅 벡터)

전자기파는 에너지를 운반하며, 포인팅 벡터(\vec{S})는 전자기파 에너지의 흐름률(단위 면적당 일률)과 방향을 나타낸다.

\mathbf{\vec{S} = \frac{1}{\mu_0} (\vec{E} \times \vec{B})}

• \vec{S}의 방향은 항상 \vec{E} \times \vec{B}의 방향이며, 파동의 진행 방향과 같다.

• 세기 (Intensity, \mathbf{I}): 단위 면적당 평균 일률이며, E_{\max}의 제곱에 비례한다. (와이파이 신호가 집에서 멀어질수록 신호 강도가 떨어지는 이유)

2.2. 운동량과 복사 압력

• 운동량: 전자기파는 운동량을 운반한다. 단위 시간당 면적 A에 흡수되는 운동량 변화량은 \Delta p = U/c 이며, U는 면적 A에 전달된 에너지이다.

• 복사 압력: 전자기파가 표면에 가하는 압력(P_{\text{rad}})은 단위 면적당 운동량 변화율과 같다.

3. 전자기파의 스펙트럼

모든 전자기파는 진공에서 같은 속력(c)으로 이동하지만, 진동수(f)와 파장(\lambda)이 다르다.

\mathbf{\lambda f = c}

전자기파의 스펙트럼은 파장이 긴 순서부터 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선으로 분류된다.

• 마이크로파 (Microwaves): 와이파이(Wi-Fi) 신호, 휴대폰 통신 등에 사용된다 (STORYLINE 관련). 마이크로파의 파동성은 벽을 통과하여 신호가 전달되게 한다.