작품번호

2120

제48회 전국과학전람회

TV 피변조파를 이용한

전자기파 검출장치의 개발과 실험

출품분야 교원 출품부문 물리

2002. 8.

시․도학 교(소 속)

학 년(직 위) 성 명

부산광역시부산 사직고등학교

부산동여자고등학교

교 사

교 사

감향순

박정미

< 목 차 >

Ⅰ. 연구 동기 ···············································································································1

Ⅱ. 연구 목적 ···············································································································1

Ⅲ. 이론적 배경 ···········································································································2

1. 변위전류가 만드는 자기장 ······························································································2

2. 평행선로상의 진행파 ·······································································································3

3. 평행선로상의 정상파 ·······································································································4

Ⅳ. 실험장치와 데이터 분석 프로그램 제작 ······················································7

1. 실험장치 제작 ·················································································································7

가. L-C 회로 제작 ·························································································································8

나. 평행 선로 제작 ·························································································································9

다. 수신 안테나 제작 ···················································································································10

2. 데이터 분석 프로그램 제작 ··························································································11

가. Photoshop을 이용한 데이터 분석 ······················································································11

나. <조성비 프로그램>을 이용한 데이터 분석 ·····································································11

Ⅴ. 실험 및 결과해석 ······························································································13

1. L-C회로에서 변위전류가 만드는 자기장 ································································13

(실험 1) 변위 전류에 의한 자기장의 세기 변화 ··································································13

(실험 2) 변위 전류에 의한 자기장과 전도 전류에 의한 자기장 비교 ···························· 15

2. 평행선로상의 전파 ·········································································································18

(실험 3) 평행선로에 진행파가 생길 때 전기장과 자기장의 검출 ···································· 18

(실험 4) 평행선로 개방시의 정상파 ························································································21

(실험 5) 평행선로 단락시의 정상파 ························································································24

Ⅵ. 결론 및 전망 ······································································································28

1. 결론 ···································································································································28

2. 전망 ···································································································································29

Ⅶ. 참고 문헌 ·············································································································30

<부 록>

< 그 림 목 차 >

<그림1> 변위 전류에 의한 자기장 ·······································································2

<그림2> 평행선로 위의 진행파와 반사파 ·····························································3

<그림3> 고정단에서 현의 정상파 ···········································································4

<그림4> 전자기파의 정상파 ·····················································································5

<그림5> 평행선로에서의 정상파 (a)개방시, (b)단락시 ······································6

<그림6> 실험장치 제작 전체 구조도 ·····································································7

<그림7> L-C 회로 장치(a),(b)와 자동스캔장치 회로도(c) ·······························8

<그림8> 평행선로 장치(a),(b)와 수평이동 모터 회로도(c) ·······························9

<그림9> 전기장 검출 안테나(a)와 자기장 검출용 서치코일(b) ·····················10

<그림10> 조성비 프로그램(a)과 Origin 프로그램 실행 화면(b) ····················12

<그림11> L-C 회로 실험 장치도 ········································································13

<그림12> 변위전류에 의한 자기장의 세기 그래프 ···········································15

<그림13> 전도전류에 의한 자기장의 세기 ·························································17

<그림14> 전도전류와 변위전류에 의한 자기장의 세기 비교 ·························17

<그림15> 평행선로 실험장치도 ·············································································18

<그림16> 전기장과 자기장 검출 안테나의 방향 ·············································18

<그림17> x, y, z축에 대한 거리에 따른 전기장의 세기 ·································19

<그림18> x, y, z축에 대한 거리에 따른 자기장의 세기 ·································20

<그림19> 평행선로 개방시 장치도 ·····································································21

<그림20> 평행선로 개방시 전기장의 정상파 ·····················································22

<그림21> 평행선로 개방시 자기장의 정상파 ·····················································23

<그림22> 평행선로 단락시 실험장치도 ···························································24

<그림23> 평행선로 단락시 전기장의 정상파 ·····················································25

<그림24> 평행선로 단락시 자기장의 정상파 ·····················································26

< 표 목 차 >

<표1> 진행파일 때 x축 방향 전기장의 세기 ···················································19

<표2> 진행파일 때 y축 방향 전기장의 세기 ·····················································19

<표3> 진행파일 때 z축 방향 전기장의 세기 ·····················································19

<표4> 진행파일 때 x축 방향 자기장의 세기 ·····················································20

<표5> 진행파일 때 y축 방향 자기장의 세기 ·····················································20

<표6> 진행파일 때 z축 방향 자기장의 세기 ·····················································20

<표7> 개방시 전기장의 배와 마디의 위치 ·························································22

<표8> 개방시 자기장의 배와 마디의 위치 ·························································23

<표9> 단락시 전기장의 배와 마디의 위치 ·························································25

<표10> 단락시 자기장의 배와 마디의 위치 ·······················································26

- 1 -

Ⅰ. 연구 동기

전자기파의 발생원리를 이해시키기 위해 일선 학교에서는 L-C 회로에 교류전원을

공급하면 양쪽 극판 사이에 형성되는 변화하는 전기력선, 즉 변위전류가 생기고 이

변위전류가 자기장을 발생시켜 전자기파를 발생한다고 가르치고 있는데 이 원리를

학생에게 이해시키기 상당히 어려운 것이 현실이다.

보다 이해를 높이기 위한 실험장치로는 마이크로웨이브를 이용한 전자기파발생실

험장치로 전자기파의 성질들을 확인할 수는 있지만 고등학교에서는 쉽게 이용하기

가 현실적으로 어렵다. 또 헤르츠의 전자기파발생실험장치를 이용하면 전자기파의

발생 및 수신방법은 알 수 있지만 주파수가 안정되지 않고 수신 강도가 낮아 전자

기파를 확인하는 정도이다. 전자기파의 존재를 확인하기 위한 방법으로 헤르츠의

실험장치가 아닌 핸드폰, 즐겨보거나 듣는 TV, Radio 등은 전자기파의 존재를 확인

할 수 있는 전자기기들로 학생들에게도 매우 친숙한 것들이다.

본 연구에서는 일상 생활용품인 친근한 비디오와 TV를 이용하여 전자기파의 존재

를 확인해 보고 더 나아가 이 장치로 전자기파의 성질들까지 확인해 보기 위하여

본 연구를 시작하였다.

Ⅱ. 연구 목적

전자기파를 학습시키기 위한 방법으로 주변에서 구하기 쉬운 비디오와 TV를 이용

하여 전자기파를 검출할 수 있는 실험장치를 제작하고 다음과 같은 실험을 하고자

한다.

첫째, 평행한 두 개의 금속판 사이에서 형성되는 변위전류에 의한 자기장을 관측

하고 그 성질을 알아본다.

둘째, 평행선로 끝에 300Ω의 저항을 연결하여 진행파를 발생시켜 전기장과 자기

장의 방향을 확인해본다.

셋째, 평행선로 끝을 개방(open)과 단락(short)하여 정상파를 발생시켜 마디와 마

디 사이의 거리 측정으로 파장과 전파의 속도 값을 구해 본다.

⌠⌡○B․dl= μ 0 (i+ε

d Φ E

dt)

- 2 -

Ⅲ. 이론적 배경

1. 변위전류가 만드는 자기장

맥스웰은 전하량 보존의 법칙이 성립하려면 도체판 사이의 공간에서도 어떤 형

태로든지 도선에 흐르는 전류의 양 i와 같은 양의 전류가 흘러야만 한다고 생각했

다. 도선이 끊어진 일반적인 경우에 앙페르의 법칙은 다음과 같이 개선되어야 한다.

⌠⌡○B․dl= μ 0(i+ i d ) id : 변위 전류

=μ 0(i+εd Φ E

dt) Φ E : 전기장다발

( Φ E=E․A=σ․A/ ε 0=q/ ε 0)

도체판 사이에는 도선의 전류 i = 0 이므로

= μ 0 ε 0

d Φ E

dt= μ 0 i d

가 된다. 이 개선된 앙페르의 법칙에 따르면 전기장이 시간에 따라 변할 때 자기장

이 유도된다. 변위전류 id 는 전기장이 시간에 따라 변할 때 생기며 이에 따라 자기

장도 시간에 따라 변한다. 즉, 도선에 흐르는 전류뿐만 아니라 변위전류도 자기장을

만든다.

이제, <그림 1>처럼 생긴 원형 극판 내부공간에서의 자기장을 구해보자.

<그림 1> 변위 전류에 의한 자기장

- 3 -

앙페르 폐곡선을 원형극판 내부에서 반지름 r인 원으로 잡으면 원형 대칭성 때문

에 반지름 r 인 원에서의 자기장은 모두 원주 방향이고 크기는 모두 같다. 따

라서 자기장을 앙페르 곡선을 따라 적분하면

⌠⌡○B․dl=2πrB ․․․․․․․․①

이 값은 폐곡선 안에 들어있는 변위전류에 비례한다. 변위전류는 면적에 비례하

므로

i d=i× π r 2

π R 2 =i×r 2

R 2 ․․․․․․․②

① , ② 를 앙페르의 법칙에 대입하면

2πrB= μ 0 ir 2

R 2

B= μ 0 ir

2π R 2

그러므로, 변위전류에 의해 형성되는 원형극판 내부의 자기장의 세기는 원형극판

내부의 거리에 비례한다.

2. 평행선로상의 진행파

<그림 2>와 같이 발진기와 저항을 평행선로에 연결한 후 신호를 보내면, 발진기

에서 선로 끝 부분으로 진행하는 진행파와 그 일부분이 발진기 쪽으로 되돌아오는

반사파가 생기는데 신호가 송신되는 동안에는 이 두 개의 파동이 선로 위를 왕복하

게 된다.

<그림 2 > 평행선로 위의 진행파와 반사파

- 4 -

만약, 선로끝에 선로의 특성임피던스 값과 같은 저항을 달게 되면 진행파는 전부

저항에 들어가 열로 소모되고, 선로끝에서의 반사는 생기지 않는다. 즉, 순수하게

진행파만 생긴다. 이 때 전기장을 검출할 수 있는 안테나와 자기장을 검출할 수 있

는 서치코일을 이용하면 직교하는 전기장과 자기장을 관찰할 수 있다.

3. 평행선로상의 정상파

가. 현의 정상파와 전자기파의 정상파

1). 현의 정상파

<그림 3>과 같이 한쪽 끝을 고정하고 다른 끝을 진동시키는 현을 생각해보면 식

ξ=Asin (wt+kx) 로 주어지는 횡파가 왼쪽으로 움직이다가 O에서 반사하여 식

ξ=-Asin (wt-kx) 로 주어지는 오른쪽으로 진행하는 새로운 파동이 된다. 현의

임의의 점의 변위는 이 들 두 파동의 간섭, 즉 중첩에 의한 결과로 다음의 합성파

를 얻는다.

ξ=Asin (wt+kx)-Asin (wt-kx)

이것을 삼각함수 관계식을 이용하면

ξ=2Asinkxcoswt

가 된다. 이 식에는 wt±kx 의 표현이 더 이상 나타나지 않으므로 이것은 진행파

가 아닌 정상파를 나타내며 그 진폭은

Ψ=2Asinkx (정상파의 진폭)

가 된다. 이때 진폭이 0이 되는 마디는 순차적으로λ2만큼 떨어져 있다.

진폭

입사파

반사파

O

λ2

<그림 3> 고정단에서 현의 정상파

- 5 -

2). 전자기파의 정상파

전자기파의 정상파 형성을 알아보기 위해 전기 쌍극자에 의해 생성된 전자기

파가 완전도체면에 수직한 경우를 가정해본다.<그림 4>

진행방향을 X, 전기장과 자기장의 방향을 Y, Z로 취하면 XY면에서 전기장이 진동

하는 편향된 파동을 얻게 된다. 따라서 전기장은 도체면에 평행하게 된다. 그러나

완전도체의 표면에서는 전기장이 면에 수직해야하므로 전기장은 접선 성분을 가질

수 없다. 입사파의 전기장의 방향과 이 조건을 절충하는 방법은 합성전기장이 도체

면에서 0이 되는 것이다. 이것은 도체면에서 반사하는 반사파의 전기장은 입사파의

전기장과 크기가 같고 방향이 반대인 것을 뜻하며 이 조건은 고정단에서의 현의 진

동과 같다. 즉, 합성전기장은

E=2E 0 sinkxsinwt

가 된다. 이 때 자기장은 XZ면에서 진동하며

Faraday-Henry의 법칙 ⌠⌡○E․dl=-ddt⌠⌡B․dS 에 의해 얻어진 식

dEdx

=-dBdt

를 이용하면 자기장은 B=2 B 0 coskxcoswt 가 된다. 여기서 B 0=E 0

c이다. 따

라서 두 장의 공간적인 변화에 대해서는λ2, 시간적인 변화에 대해서는

T2의 위

상차가 있다. B에 대한 수학적 표현에서 자기장이 그 표면에서 최대 진폭을 가짐을

알 수 있다. 즉, 전기장이 최대가 되는 곳은 자기장이 최소, 전기장이 최소인 곳은

자기장이 최대가 되면서 정상파를 형성한다.

이러한 사실은 1988년 Heinrich Hertz가 그의 원시적인 실험장치를 이용하여 증명

하였다.

<그림 4> 전자기파의 정상파

전기장

자기장

- 6 -

나. 평행선로상의 정상파

평행선로 끝부분에 선로의 특성임피던스 값과 다른 저항을 연결하면 끝부분에서

반사가 생긴다. 특히 선로 끝부분을 단락(short), 개방(open)시킨 경우는 진행파가

선로끝에서 전부 반사되므로 진행파와 반사파의 중첩 결과 최대 진폭의 정상파가

생긴다. 이 때 만약 선로 끝을 단락시키면 끝부분에서는 전기장이 0, 자기장이 최대

가 되며 끝부분부터λ4인 곳에서는 전기장이 최대, 자기장이 0으로 전기장과 자기

장은λ4만큼의 위상차를 가진다.

선로 끝부분을 개방시켰을 때도 정상파가 생기는데 다만 이 경우는 선로 끝부분에

서 전기장이 최대, 자기장이 0으로 단락의 경우와 비교해보면 전기장과 자기장이

교체된 것처럼 된다.

(a) 평행선로 개방시 정상파의 파형

(b) 평행선로 단락시 정상파의 파형

<그림 5> 평행선로에서의 정상파 (a)개방시, (b)단락시

- 7 -

Ⅳ. 실험장치와 데이터 분석 프로그램 제작

1. 실험장치 제작

1). 비디오에서 CH 4로 신호를 발생시킨다. (CH 4 => 67.25MHz)

2). 신호변환기에서 CH 8로 신호의 주파수를 높인다. (CH 8 => 181.25MHz)

주파수가 낮으면 파장이 길어져서 파장을 측정하기 위해서는 평행선로의 길

이를 길게 만들어야 하므로 적절하게 맞추기 위해 CH 8을 선택하였다.

3). 이 피변조파를 송신 안테나인 평행선로나 L-C 회로로 보내 전파를 발생

시킨다.

4). 발생된 전파는 수신 안테나를 이용해 전기장과 자기장의 신호로 수신한다.

5). 전기장과 자기장으로 수신된 신호를 TV나 TV 수신카드가 있는 컴퓨터

로 보낸다.

6). 피변조파의 세기를 비교하도록 데이터를 해석한다.

실험장치 제작을 위한 실험의 전체구조도를 나타내면 <그림6>과 같다.

<그림6> 실험장치 제작 전체구조도

- 8 -

(c) 자동 스캔 장치 회로도

가. L-C 회로 제작

고주파에서 선로가 L 성분 역할을 하므로 C 성분인 반경 10㎝인 금속 원판 중심

에 사각형의 도선을 수직으로 연결한다. 원판 중심으로 가면서 신호를 수신할 수

있는 자동 스캔 장치를 설치한다. <그림7>

(a) L-C 회로 장치

<그림7> L-C 회로 장치(a),(b)와 자동스캔장치 회로도(c)

(b) L-C 회로 장치 사진

- 9 -

나. 평행 선로 제작

반경 0.8㎝인 금속봉 2개를 10㎝ 간격이 되도록 평행하게 설치한다. 금속봉 길이

는 신호(CH8)의 1.5λ가 되도록 247㎝로 만들고, 길이에 따른 신호의 세기를 수신할

수 있는 자동 스캔 장치를 설치한다. <그림8>

(a) 평행 선로 장치

(b) 평행선로 장치 사진 (c) 수평 이동 모터 회로도

<그림8> 평행선로 장치(a),(b)와 수평이동 모터 회로도(c)

- 10 -

다. 수신 안테나 제작

(a) 전기장 검출 안테나

(b) 자기장 검출용 서치코일

<그림9> 전기장 검출 안테나(a)와 자기장 검출용 서치코일(b)

- 11 -

2. 데이터 분석 프로그램 제작

가. Photoshop을 이용한 데이터 분석

1) TV 피변조파 세기를 측정하기 위한 방법

시중에 유통되는 비디오 테이프는 시간에 따라 다른 화면이 나타나므로

눈으로 확인할 수는 있으나 정확한 신호의 세기를 비교할 수 없어 빨간 색

을 찍은 비디오 테이프를 제작하여 실험하고 TV 수신 카드가 있는 컴퓨터

에서 TV 화면을 캡쳐하여 저장하였다.

Photoshop을 이용하여 캡쳐한 화면을 불러와 빨간 색(150 ～ 255)이 차지

하는 픽셀수를 전체 픽셀에 대한 퍼센트비로 나타내고 이 비를 신호의 세

기로 보아 결과를 해석하였다.

2) 문제점

캡쳐한 화면을 파일로 저장하고 이것을 하나하나 Photoshop에서 불러 픽셀

수를 구해 기록하고 이 비를 신호의 세기로 보고 다시 결과를 해석하니 시

간이 많이 들고 불편하였다.

3) 개선 방안

화면을 캡쳐하고 빨간색의 픽셀수를 세고 이 데이터를 정리하는 프로그램

을 짜서 이러한 작업들을 일체화 시키기로 하였다.

나. <조성비 프로그램>을 이용한 데이터 분석

1) <조성비 프로그램> 제작 목적과 내용

가) 제작 목적

Photoshop을 이용한 데이터 분석의 번거로움을 해결하고 수신한 신호의

세기를 측정하기 위해 프로그래밍하엿다.

나) 제작 내용

TV 피변조파의 세기를 측정하기 위해 안테나에서 나오는 아날로그 신

호를 PC에 TV 수신카드 (SASEM, On-Air TV)를 장착하여 일반 TV

해상도인 680×480의 해상도로 화면을 캡쳐하여 디지털 신호로 변화시킨

다. 실험용으로 제작한 비디오 테이프에서 나오는 신호를 TV 화면으로

나타내어 캡쳐하고 그 화면을 분석하는 방식으로 하였다.

화면캡쳐는 On-Air TV에 있는 프로그램을 사용하여 딜레이와 횟수를

정하여 캡쳐할 수 있게 하였고 딜레이는 캡쳐와 캡쳐 사이의 시간 간

격을 의미하고 횟수는 얼마나 많은 캡쳐화면을 잡아낼 것인가를 의미한

다.

캡쳐가 다 끝난 실험 데이터(*.bmp)를 가지고 제작한 프로그램에 그 화

면을 로딩하여 640×480 픽셀 하나당 들어가 있는 RGB 값을 분석하고

미리 정해 놓은 빨간 색의 영역에 들어가는 픽셀을 카운트하여 전체 픽

셀로 나누어 캡쳐된 이미지의 수신 정도를 %로 나타내었다.

- 12 -

RGB 값을 분석할 때는 선행 실험 데이터를 기반으로 포토샾에서 RGB

각각의 값이 아래 ①～④가 될 때 빨간 색으로 인식하여 카운트하게 하

였다.

① R이 250 이상이고 G와 B가 각각 200 이하일때

② R이 200 이상이고 G와 B가 각각 150 이하일때

③ R이 150 이상이고 G와 B가 각각 100 이하일때

④ R이 100 이상이고 G와 B가 각각 50 이하일때

화면을 분석한 결과값(%)을 저장하고 하나의 실험 과정에서 캡쳐된 화

면 전체가 분석되면 REPORT.TXT 파일을 생성하도록 Visual Basic 6.0

으로 프로그래밍하였다. 또 이 파일은 Origin 프로그램을 이용하여 거리

에 따른 그래프로 나타내어진다.

(a) 조성비 프로그램 실행 화면

(b) Origin 프로그램 실행 화면

<그림10> 조성비 프로그램(a)과 Origin 프로그램 실행 화면(b)

- 13 -

Ⅴ. 실험 및 결과해석

1. L-C회로에서 변위전류가 만드는 자기장

가. (실험 1) 변위 전류에 의한 자기장의 세기 변화

가) 실험 방법

(1) <그림 11>과 같이 장치한다.

<그림 11> L-C 회로 실험 장치도

(2) 자기장 검출 장치를 두 금속판 사이에 놓고 원주에서 중심방향으로

0.067cm/s의 속도로 이동시켜 5초 간격으로 신호를 수신한다.

(3) 두 금속판 사이의 거리 d를 4.5cm에서 6.5cm까지 0.5cm 간격으로 변화

시켜 (2)의 과정을 반복한다

나) 실험 결과

(1) d = 4.5cm 일 때 자기장의 세기

- 14 -

극판중심

으로부터의

거리(cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

자기장의

세기20.3 39.9 47.6 49.4 52.2 59.1 60.9 64.7 66.9 67.5 72.3

화면

- 15 -

극판중심

으로부터의

거리(cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

자기장의

세기49.6 55.1 57.3 55.3 63.1 61.9 58.9 66.7 61.4 69.8 62.3

화면

극판중심

으로부터의

거리(cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

자기장의

세기57.8 58.3 55.0 65.2 64.6 62.3 70.8 69.2 76.5 69.7 70.0

화면

극판중심

으로부터의

거리(cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

자기장의

세기38.0 39.7 50.6 50.7 56.1 57.2 60.3 66.4 68.2 63.3 70.0

화면

극판중심

으로부터의

거리(cm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

자기장의

세기20.6 45.1 47.6 49.9 55.1 57.0 63.3 63.2 62.7 66.7 68.5

화면

(2) d = 5cm 일 때 자기장의 세기

(3) d = 5.5cm 일 때 자기장의 세기

(4) d = 6cm 일 때 자기장의 세기

(5) d = 6.5cm 일 때 자기장의 세기

- 16 -

<그림 12> 변위전류에 의한 자기장의 세기 그래프

(6) 금속판 사이 거리에 따른 자기장의 세기를 극판 중심으로부터 반경을

따라 그래프로 나타내면 <그림12>와 같다.

나. (실험 2) 변위 전류에 의한 자기장과 전도 전류에 의한 자기장 비교

가) 실험 방법

(1) 위 (실험 1)과 같이 장치한다.

(2) 도선에서 10㎝ 떨어진 지점에서부터 도선쪽을 향해 0.067cm/s 속도로

자기장 수신장치를 움직여 신호를 수신하여 실험 2의 결과와 비교한다.

- 17 -

도선으로부터의

거리(cm)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

자기장의 세기 76.5 75.6 84.8 90.8 93.0 93.9 88.5 93.8 95.7 97.8 97.8

화면

도선으로부터의

거리(cm)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

자기장의 세기 87.7 86.6 86.3 88.5 91.2 89.6 93.2 92.2 95.4 94.9 98.1

화면

도선으로부터의

거리(cm)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

자기장의 세기 74.0 81.0 78.4 72.4 90.9 83.2 82.6 89.3 91.3 97.1 97.3

화면

도선으로부터의

거리(cm)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

자기장의 세기 84.0 77.6 88.7 89.0 78.9 88.9 94.2 93.3 93.9 97.2 97.6

화면

나) 실험 결과

(1) d=4cm일때 도선의 자기장의 세기

(2) d=5cm 일때 도선의 자기장의 세기

(3) d=6cm 일때 도선의 자기장의 세기

(4) d=7cm 일때 도선의 자기장의 세기

- 18 -

<그림 13> 전도전류에 의한 자기장의 세기

<그림 14> 전도전류와 변위전류에 의한

자기장의 세기 비교

(다) 결과해석

도선에 의한 자기장은 전류가 흐르는 도

선으로부터 멀어지기 때문에 자기장이

약해지지만, 두 금속판에는 도선에 흐르던

전류가 극판에 퍼져 자기장을 형성하므로

극판 가장자리(원주)로 갈수록 총 전하가 많

아져 자기장은 세어진다. 또 10㎝지점에서

전류에 의한 자기장은 변위전류에 의한 자

기장과 거의 같아짐을 알 수 있다. 그래프로

나타내면 <그림14>와 같다

- 19 -

<그림15> 평행선로 실험장치도

<그림16> 전기장과 자기장 검출 안테나의 방향

2. 평행선로상의 전파

가. 평행선로상의 진행파

(실험3) 평행선로에 진행파가 생길 때 전기장과 자기장의 검출

가) 실험방법

(1) 평행선로에 진행파를 만들기 위해 평행선로 끝부분에 선로의 임피던스

와 동등한 300Ω의 저항을 연결하여 <그림15>와 같이 장치를 한다.

(2) 평행선로 사이에 전기장 검출용 안테나를 <그림16>의 ①, ②, ③과 같

이 x, y, z축 방향으로 향하게 한 후 각각에 대해 안테나를 일정한 속

도로 이동시키면서 1초 간격으로 신호를 수신한다.(260 장면 정도)

(3) 평행선로 사이에 자기장 검출용 서치코일을 <그림16>의 ④, ⑤, ⑥과

같이 x, y, z축 방향으로 향하게 한 후 각각에 대해 서치코

일을 일정한 속도로 이동시키면서 1초 간격으로 신호를 수신한다.

- 20 -

나) 실험결과

(1) 전기장

<표1> 진행파일 때 x축 방향 전기장의 세기

선로끝으로 부터의

거리(㎝)40 80 120 160 200 240

캡쳐한 화면

<표2> 진행파일 때 y축 방향 전기장의 세기

선로끝으로 부터의

거리(㎝)40 80 120 160 200 240

캡쳐한 화면

<표3> 진행파일 때 z축 방향전기장의 세기

선로끝으로 부터의

거리(㎝)40 80 120 160 200 240

캡쳐한 화면

캡쳐한 화면으로 x, y, z축 방향의 거리에 따른 전기장의 세기를 그래

프로 나타내면 <그림17>과 같다.

<그림17> x, y, z축에 대한 거리에 따른 전기장의 세기

- 21 -

(2) 자기장

<표4> 진행파일 때 x축 방향 자기장의 세기

선로끝으로 부터의

거리(㎝)40 80 120 160 200 240

캡쳐한 화면

<표5> 진행파일 때 y축 방향 자기장의 세기

선로끝으로 부터의

거리(㎝)40 80 120 160 200 240

캡쳐한 화면

<표6> 진행파일 때 z축 방향 자기장의 세기

선로끝으로 부터의

거리(㎝)40 80 120 160 200 240

캡쳐한 화면

캡쳐한 화면으로 x, y, z축 방향의 거리에 따른 자기장의 세기를 그래프

로 나타내면 <그림18>과 같다.

<그림18> x, y, z축에 대한 거리에 따른 자기장의 세기

- 22 -

<그림19> 평행선로 개방시 장치도

다) 결과 해석

평행선로상의 진행파에서 전기장은 안테나를 z축방향으로 놓았을 때, 자기

장은 서치코일 단면의 수직한 방향이 x축과 일치할 때 신호 전달이 가장

좋으므로 전기장은 z축, 자기장은 x축 방향으로 서로 수직하게 존재함을

알 수 있다.

나. 평행선로상의 정상파

(실험4) 평행선로 개방시의 정상파

가) 실험방법

(1) 평행선로 끝부분을 개방하여 <그림19>과 같이 장치한다.

(2) 전기장 검출 안테나를 개방한 평행선로 끝부분부터 일정한 속도로 이

동시키면서 1초 간격으로 신호를 수신한다.

(3) 수신한 신호를 분석하여 마디와 마디사이의 거리를 측정한다.

(4) 자기장 검출 서치코일을 개방한 평행선로 끝부분부터 일정한 속도로

이동시키면서 1초 간격으로 신호를 수신한다.

(5) 수신한 신호를 분석하여 마디와 마디사이의 거리를 측정한다.

- 23 -

실험횟수배와 마디의 위치(㎝)

마디 배 마디 배 마디

1 40.36 81.14 125.06 162.68 204.50

2 39.32 81.15 125.07 164.78 206.60

3 39.84 80.69 124.00 166.33 208.00

캡쳐한

화면

<그림20> 평행선로 개방시 전기장의 정상파

나) 실험결과

(1) 전기장

<표 7> 개방시 전기장의 배와 마디의 위치

- 24 -

실험횟수배와 마디의 위치(㎝)

배 마디 배 마디 배

1 41.74 82.90 120.08 161.94 202.04

2 41.34 82.54 123.86 165.43 205.04

3 40.49 81.15 122.44 165.01 204.49

캡쳐한

화면

<그림21> 평행선로 개방시 자기장의 정상파

(2) 자기장

<표 8> 개방시 자기장의 배와 마디의 위치

- 25 -

(3) 파장과 전파 속도 측정

(가) 전기장

실험 결과 마디와 마디 사이 거리의 평균값은 83.26㎝로 이것은λ2에

해당된다.

그러므로 파장 λ= 166.53㎝,

전파속도 v= fλ=181.25 × 10 6×166.53× 10 -2=3.02 × 10 8㎧

(나) 자기장

마디와 마디 사이 거리의 평균값은 81.93㎝

그러므로 파장 λ=163.86㎝

전파속도 v= fλ=181.25 × 10 6×163.86× 10 -2=2.97 × 10 8㎧

다) 결과해석

(1) 평행선로 개방시의 정상파 파형에서 전기장과 자기장이 동일한 위치에

서 약 90〫의 위상차를 가짐을 알 수 있다.

(2) 마디와 마디 사이의 거리를 측정하여 전파 속도를 측정한 결과 공기 중

에서의 광속 c= 2.997924× 10 8㎧ 와 비교하여 전기장에서는 약 0.7％,

자기장에서는 약 0.9％의 상대 오차를 나타내므로 거의 일치한다.

(실험5) 평행선로 단락시의 정상파

가) 실험방법

(1) 평행선로 끝부분을 단락하여 <그림22>과 같이 장치하고 개방시와 같

은 방법으로 실험한다.

<그림22> 평행선로 단락시 실험장치도

- 26 -

실험횟수배와 마디의 위치(㎝)

배 마디 배 마디 배

1 40.25 82.68 123.37 165.78 205.01

2 41.56 80.94 125.96 164.90 205.16

3 38.49 81.99 124.65 163.94 201.58

캡쳐한

화면

<그림23> 평행선로 단락시 전기장의 정상파

나) 실험결과

(1) 전기장

<표 9> 단락시 전기장의 배와 마디의 위치

- 27 -

실험횟수배와 마디의 위치(㎝)

마디 배 마디 배 마디

1 40.49 82.64 123.55 163.72 204.56

2 40.49 82.64 123.55 163.87 205.61

3 39.61 81.88 123.56 162.60 202.54

캡쳐한

화면

<그림24> 평행선로 단락시 자기장의 정상파

(2) 자기장

< 표 10 > 단락시 자기장의 배와 마디의 위치

- 28 -

(3) 파장과 전파 속도 측정

(가) 전기장

실험 결과 마디와 마디 사이 거리의 평균값은 83.00㎝로 이것은 λ2에 해

당된다.

그러므로 파장 λ=166.00 ㎝,

전파속도 v= fλ=181.25 × 10 6×166.00× 10 -2=3.01 × 10 8㎧

(나) 자기장

마디와 마디 사이 거리의 평균값은 82.20㎝

그러므로 파장 λ=164.04㎝

전파속도 v= fλ=181.25 × 10 6×164.04× 10 -2=2.97× 10 8㎧

다) 결과해석

(1) 평행선로 단락시의 정상파 파형에서 전기장과 자기장이 동일한 위치에서

약 90〫의 위상차를 가짐을 알 수 있다.

(2) 마디와 마디 사이의 거리를 측정하여 전파 속도를 측정한 결과 공기 중

에서의 광속 c= 2.997924× 10 8㎧와 비교해보면 전기장에서는 약 0.4％,

자 기장에서는 약 0.9％의 상대 오차를 나타낸다.

(3) 개방했을 때와 단락했을 때의 마디의 위치가 전기장, 자기장 각각에 대해

약 λ4만큼 차이가 난다.

- 29 -

Ⅵ. 결론 및 전망

1. 결론

가. 전자기파 검출 장치의 제작

송신안테나로 평행 금속판과 평행선로를, 수신안테나로 전기장과 자기장을

검출할 수 있는 안테나를 제작하여 TV 피변조파(전자기파)를 관찰할 수 있

었다.

나. 데이터 분석 프로그램의 개발

수신한 TV 피변조파의 세기를 측정하기 위해 컴퓨터에 TV수신카드를 장착

하여 화면을 캡쳐하고 그 화면을 개발한 <조성비 프로그램>으로 분석한다.

이로 인해 TV 피변조파의 전기장과 자기장의 세기를 좀 더 정량적으로 측

정할 수 있었다.

다. 전자기파 성질 실험

1) 제작한 L-C회로를 사용하여

가) 극판 사이에서 형성되는 변위 전류에 의한 자기장을 시각적으로 확인

해 볼 수 있었다.

나) 변위 전류의 특징이 원주에서 극판 중심으로 갈수록 자기장의 세기가

약해지는 것도 관측할 수 있었다.

다) 전도 전류와 변위 전류에 의한 자기장을 비교해 볼 수 있었다.

2) 제작한 평행선로를 사용하여

가) 선로의 특성임피던스와 같은 300Ω의 저항을 연결하여 진행파를 관찰

할 수 있었고, 이 때 전기장은 z축, 자기장은 x축으로 일정한 방향성

을 가지며 서로 수직함을 확인할 수 있다.

나) 선로 끝을 개방 혹은 단락시킬 때 거리에 따른 TV화면의 상태변화로

인해 정상파가 형성됨을 시각적으로 확인할 수 있었고 이 때 전기장

과 자기장이 약 90°만큼의 위상차를 가짐을 알 수 있었다.

다) 선로 끝을 개방할 때와 단락할 때 마디의 위치가 전기장, 자기장 각각

에 대해 약λ4만큼의 차이가 남을 알 수 있다.

라) 평행선로상의 정상파에서 마디와 마디 사이의 거리를 측정하여 파장을

구하고 이 값으로 전파의 속도를 계산해보니 공기속에서의 광속과 거

의 일치했다.

- 30 -

2. 전망

빛과는 달리 눈으로 볼 수 없는 전자기파를 기존의 전자실험기가 아닌 본 연구

에서 제작한 전자기파 검출장치와 일상생활용품인 비디오와 TV를 사용해 시각화

할 수 있었다.

이 시각화를 통해 변위전류에 의한 자기장을 관측하고 전파에서 전기장과 자기장

이 직교함을 알 수 있고, 또한 파동의 특징인 간섭에 의한 정상파를 관측하여 이

것으로 파장을 구해 전파의 속도도 구할 수 있었다.

이 장치를 이용하여 학생들에게 수업을 해 본 결과 어렵게만 느껴지던 전자기파

에 대해 보다 손쉽게 실험을 통해 접근할 수 있었다. 이로써 본 연구에서 제작한

전자기파 검출장치는 학생들의 이해를 도울 수 있는 과학교재로 활용할 수 있을

것이라 생각된다.

- 31 -

Ⅶ. 참고 문헌

(1) 유정찬․김일영 안테나 핸드북 명지출판사

(2) 김동일․나정웅․박동철 전파공학 청문각

(3) 도꾸마루 시노부 전파기술에의 초대 전파과학사

(4) 이상수 음파와 광파 전파과학사

(5) 최영하 안테나․전파전파 키출판사

(6) 박찬외2인 물리학의 세계 교학사

(7) 김수정․왕종배 최신전자기학 도서출판 세화

(8) 조한형 전자기기 상학당

(9) http://www.rfdh.com

(10) http://cdma.netian.com

(11) http://www.shpc.pe.kr

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부 록

평행선로 개방시 거리에 따른 전기장의 세기를 측정하기 위해 캡쳐한 화면

※ 전체32

λ를 한 줄에 λ4씩 나타냄

( 260장 중 42장 선택해서 인쇄함 )