Transcript 흑백 브라운관
11. 전자기파 변하는 전기장은 자기장을
,
그리고 변하는 자기장은 전기장을 유도한다
.
이 관계는 진공상태에서도 성립한다
.
또한 이들은 전자기파의 형태로서 극한의 속도로 공간을 가로지를 수 있다
.
이들 전자기파는 우리 주위에 존재하면서 통신기술과 열복사 등의 기초가 된다
.
이 장에서 우리는 전자기파가 어떻게 형성되고
,
어떻게 검출되는지를 탐구한다
.
11.1
라디오
11.2
텔레비전
11.3
전자레인지
11-1
라디오
질문
: 1.
전류는 소리를 낼 수 있고 말을 전달할 수 있다
.
선이 닿는 곳이면 어디든 음악을 보낼 수 있다
.
그러나 움직이고 있는 누군가에 어떻게 소리를 전달하는가
?
2.
한 금속 안테나에서 전하의 움직임은 근처의 다른 안테나에 어떠한 영향을 미치는가
? 3.
두 번째 안테나가 첫 번째 안테나로부터 멀리 떨어져 있을 때는 어떠한가
?
4.
라디오 방송국에서
5
만 와트로 전송한다는 것은 무엇을 의미하는가
?
5.
멀리 떨어진 라디오 방송국에서 나오는 음악을 어떻게 라디오로 들을 수 있는가
?
실험
: AM
라디오를 들으면서 소리의 크기 가 있다
.
라디오 파는 라디오의 방향이나 위치에 따라 달라지는 것 라디오 내부 안테나를 통해 전하를 앞 뒤로 밀어준다
.
을 알 수 때때로 라디오 소리 가 중단되는 것을 경험할 수가 있는데
,
이는 안테나를 따라 전하를 이동시킬 수 없는 방향으로 라디오 파가 향하고 있기 때문이다
.
/
라디오를 금속 상자 안에 넣으면 라디오 소리를 들을 수가 없는데
,
그 이유는 무엇일까
?
무선전화기
(
라디오 송신기와 수신기
)
를 이용하여 실험해보자
.
/
무선전화기로 통화하면서 본체에서 얼마나 멀리까지 갈 수 있는가
?
/
안테나의 크기와 방향이 이 범위에 영향을 미치는가
?
/
금속 물체 가까이 서 있을 경우의 청취 상태는 어떠한가
?
• 안테나와 탱크회로 라디오 파
(radio wave): .
전하는 전기장 을 만들고
,
운동하는 전하는 자기장 을 형성한다
. .
전하가 가속될 때
:
가속 전하 는 변하는 전기장과 자기장의 혼재를 가져오며
,
또 다른 것들이 끊임 없이 재생성 되고
,
빈 공간을 통해 먼 거리를 이동한다
.
라디오 파 는 이렇게 혼합된 전자기장의 일종이다
.
• 안테나와 탱크회로 라디오 파가 공간을 통해 먼 거리를 어떻게 이동하는지를 알아보기 전에 가까이 있는 두 개의 안테나가 서로에게 어떻게 영향을 미치는 지를 살펴보자
: .
송신기의 안테나에 전하를 위아래로 보내면
,
이 전하의 전기장이 공간을 통해 수신기 안테나로 퍼지게 되어
,
수신기 안테나의 전하에 영향을 미치게 된다
.
.
송신기 안테나의 전하의 운동이 주기적이 아닐 경우
,
수신기 안테나의 전하의 움직임이 너무 작아서 검파 하기 힘들다
.
.
송신기 안테나의 전하의 운동이 특정 주파수를 가진 주기적인 운동이라면
,
동일한 주파수로 규칙적인 운동을 하는 수신기가 검파 하기에 훨씬 용이해진다
.
@
탱크회로 는 축전기 와 인덕터
(
코일
)
로 구성된 공명 전자장치 이다
.
.
인덕터
(
코일
)
는 전자석으로서 자기장은 그 것을 통해 흐르는 전류에 비례한다
. .
전류가 증가함에 따라 인덕터 에서 증가하는 자기장은 전류를 뒤쪽으로 밀어내는 전기장을 형성하여 전류를 약화시키며
,
전류가 감소하면 인덕터의 감소하는 자기장은 전류를 앞쪽으로 밀어내는 전기장을 만들어 전류를 다시 증가시킨다
.
따라서
,
인덕터의 전류는 변할 수 있지만
,
그 변화는 상대적으로 서서히 진행된다
.
인덕턴스
(Inductance) L :
인덕터의 전류변화에 대한 저항
:
전류가 변할 때 자체에서 유도전압을 발생시기는 능력
V L = L (dI/dt)
단위
; V.S/A,
헨리
(H)
탱크회로
(tank circuit)
의 작동원리
: a)
탱크회로가 축전기에 분리된 전하에서 시작된다고 생각하자
. b)
인덕터가 전기를 통하기 때문에 양으로 대전된 플레이트로부터 음으로 대전된 플레이트로 전류가 흐른다
.
인덕터내에서 자기장을 형성한다
.
c)
축전기의 분리된 전하가 사라지면서 모든 탱크회로에서 의 에너지는 인덕터의 자기장으로 저장된다
.
d)
전류가 감소함에 따라 자기장도 감소하고
,
렌츠의 법칙에 의해 자기장이 증가하는 방향으로 기전력이 유도되어
,
전류를 계속 흐르게 하여
,
분리된 전하들이 축전기에 저장된다
.
e)
결국
,
전류와 자기장은
0
에 도달하고
,
축전기는 처음의 극성과 반대로 충전된다
.
이 모든 과정이 역으로 되풀이되면서 초기 상태로 돌아가고
,
계속해서 이들 과정이 반복된다
.
이는
,
역학 단진자와 유사한 전자 단진자 이다
. (
조화 진동자
,
공명특성
)
탱크회로
(tank circuit)
의 주기
: .
축전기와 인덕터에 의존
.
.
축전기의 전기용량이 클수록 주어진 양의 에너지를 유지할 수 있는 분리된 전하도 많아지고
,
전류를 형성하는데 오랜 시간이 걸린다
.
.
인덕터의 인덕턴스가 클수록 전류가 흐르기 시작하여 멈추는데 걸리는 시간은 더 길어진다
.
탱크회로
(tank circuit): .
탱크회로 는 축전기 와 인덕터
(
코일
)
로 구성된 공명 전자장치 이다
. .
전하는 탱크회로를 통해 특정한 주파수에서 앞 뒤로 충돌한다
.
.
발신기 역시 매 주기 마다 전하를 밀어 줌으로써 전하가 탱크회로를 통해 강하게 충돌할 수 있도록 할 수 있다
.
.
발신기가 더 많은 전하를 안테나의 상하로 보내는 것을 도와 줌으로 해서
,
탱크회로는 급격하게 발신을 강화시킨다
.
.
수신 안테나에 붙어있는 두 번째 탱크회로는 수신기가 발신을 검파 하도록 도와준다
.
.
발신 안테나의 장에 의한 주기적인 전하 밀어주기는 수신 탱크회로에서 수신안테나 위 아래로 전하를 충돌시킨다
.
.
안테나에서의 전하 운동을 단독으로 검파 하는 것은 어려울 수도 있으나
,
탱크회로에서 충돌하는 전하가 많을수록 측정하기 용이해진다
.
.
탱크회로에서 작고
,
주기적으로 밀쳐진 전류는 회로 내에서 커다란 전하의 진동이 있게 한다
.
.
발신기에서 주기적으로 밀쳐진 많은 전하들이 탱크회로 앞뒤로 이동하면서 안테나를 오르내리게 되면 수신기는 이러한 전하를 쉽게 검출할 수 있다
.
이러한 연속적인 전달은 모든 부분이 같은 주파수로 공명될 때만 가능하게 된다
.
주파수를 특정한 방송국에 맞추는 것은 주로 탱크회로가 적절한 공명주파수를 가지도록 축전기와 인덕터를 조절하는 일이다
.
• 라디오 파
.
라디오에서는 라디오 파에 의해 송신기에서 수신기로 전달된다
.
.
정지하고 있는 전하나 일정한 전류는 일정한 전기장과 자기장을 만드는 반면
,
가속되는 전하는 시간에 따라 변하는 전기장과 자기장
(
라디오 파
)
을 만든다
.
.
전하가 안테나를 오르내릴 때
,
전기장은 교대로 위아래를
,
자기장은 좌우를 향하며
,
전자기파로서 공간을 통해 광속
(299,792,458 m/s)
으로 이동한다
. (
횡파
) .
라디오 파의 파장은
1m,
혹은 그 이상이다
.
• 라디오 파
.
지면에 수직인 발신 안테나에 의해 방출된 파는 수직 편광 되며
,
발신 안테나가 지면에 수평이면 파의 전기장은 수평편광 된다
. –
자기장은 전기장에 수직
.
방송국은 적당한 길이의 송신아테나
(
송신파장의
1/4)
를 사용하여
,
송신을 최적화한다
.
(
송신 탱크회로와 안테나의 자연공명
,
전하들은 자연공명상태에서 안테나 상하로 심하게 요동한다
.) .
전자기파가 공간을 지나갈 때
,
발신기로부터 전력을 운반하며
,
나무나 산에 의해 반사되거나 흡수되어서
,
멀리퍼지면서 약화된다
.
소리재생
: AM
및
FM
라디오
.
라디오 파 스스로는 음파를 운반할 수 없다
. .
소리에 대한 정보를 전달하는 방법 진폭변조
(AM):
음파
(20-20000 HZ)
가 진폭 변조에 의해 전파될 때
,
공기 압력은 라디오 파의 강도에 의해 표현된다
. ( 550 kHz-1600kHz)
주파수변조
(FM):
주파수 변조에 의해 음파가 전달 될 때
,
공기 압력은 라디오 송신기의 주파수 변화에 의해 표현된다
. (88 MHz-108MHz)
진폭변조
(AM)
주파수변조
(FM)
11-2
텔레비전
소리를 전자기파로 전송하는 라디오에 비해
,
영상신호를 전송하는 방식은 훨씬 더 복잡하다
.
이 절에서는 화면이 어떻게 영상신호로 표현되는지
,
다른 장소로 이것을 어떻게 전송하는지
,
어떻게 다시 화면을 재생하는지에 대해 알아본다
.
•
TV
화면의 생성
. TV
는 화면에 직사각형으로 배열된 작은 색 점으로 화면을 만든다
.
.
색 점의 수
:
세로 점
525
개
,
가로 점
440
개
(NTSC
아날로그
TV
기준
) .
화면을 구성할 때
,
왼쪽 위의 모서리로부터 가로로 움직이면서 세로로 훑어 가며
,
매
1/30
초 마다 하나의 화면을 완성한다
.
.
실제로는 우리 눈에서의 깜빡거림을 줄이기 위해
,
두 개의 경로
(
홀 수번째
,
짝 수번째
)
로 나누어 화면을 만드는 방법으로
,
매
1/60
초마다 화면을 훑게 된다
.
이해도 확인
1
만약
TV
스크린을
1/250
초의 노출 시간을 이용해 사진으로 얻으려면
,
전체 높이의
1/4
정도되는 한 층 만을 얻게 될 것이다
.
그 이유는 무엇인가
?
흑백 브라운관
(CRT; Cathode-Ray Tube)
.
발광 점은 전자 가 화학적 형광 물질
(phosphor)
과 충돌할 때 유리 브라운관 내부의 표면에서 생긴다
.
.
전자 는 음극 에서 방출된다
.
음극은
TV
를 켜는 순간 수초 내에 가열된다
.
.
음극 주위는 음의 전하를 띤 빈 그리드가 둘러싸고 있는데
,
이러한 음 전하는 전자를 반발하므로 음극에서 방출된 대부분의 전자들은 표면으로 다시 돌아오게 된다
.
그리드에는 전자들이 달아날 수 있도록 작은 구멍이 있는데
,
이렇게 달아난 전자는 양극에 의해 끌리게 되고 가느다란 전자 빔의 형태를 갖는다
.
형광물질 편향코일 음극 양극 그리드 초점코일 가속양극
흑백 브라운관
.
전자를 화면 위의 한 점으로 모으기
:
초점 코일에 의하여 생성된 화면방향으로 직진하는 자기장과 전자간의 로렌츠 힘을 이용 한다
.
로렌츠 힘은 전자의 속도의 바깥쪽 성분
(
자기장에 수직
)
에 작용한다
.
화면을 향하는 전자의 속도와 전자들의 로렌츠의 힘은 중첩하여 싸이클로 트론 운동을 하며
,
모든 전자는 화면 위의 같은 점을 때리게 된다
.
흑백 브라운관
.
편향코일일 이용하여 전자 빔의 주사 점을 제어하기
:
수평편향코일
:
수직방향의 자기장을 형성하는 코일의 전류의 양과 방향을 조절함으로써 주사 점의 수평 위치를 조절한다
.
수직편향코일
:
수편방향의 자기장을 형성하는 코일의 전류의 양과 방향을 조절함으로써 주사 점의 수직 위치를 조절한다
.
수평 편향코일 수직 편향코일
흑백 브라운관
.
고전압의 전원공급기
(15000V-25000V)
가 화면의 안쪽과 가속 양극 주위에서 양전하의 양을 높이고
,
이 전하는 전자들을 형광물질이 흰 빛을 낼만한 운동에너지를 갖고 화면에 충돌하게 한다
. .
회색 또는 검은색을 만들 때
TV
는 브라운관의 그리드에 있는 전하를 조절하여 전자빔의 전류를 감소시킨다
.
그리드의 음전하가 클수록 적은 양의 전자가 형광체를 때리게 된다
.
그리드의 전하를 적당히 조절하여 흑백의 색깔을 조절한다
.
컬러 브라운관
.
컬러 브라운관에는 전자빔이 세 개 있고
,
형광물질이 각각 적색
,
녹색
,
청색 빛을 발광한다는 것 외에는 흑백브라운관 과 크게 다른 점이 없다
. .
적색
,
녹색
,
청색을 조합하여 여러 가지 색을 만들 수 있다
.
.
전자 빔이 금속 층의 구멍을 통해 각각의 점만을 발광시키도록 한다
.
이 때 사용되는 금속은 온도가 변해도 안정된 열적보정금속을 사용하나
,
자화 되기 쉬우며
,
자화는 전자빔을 편향시키며
,
영상이나 색깔이 찌그러지게 하는 원인이 된다
.
•
아날로그 전송
.
아날로그 기준에서 비디오 신호는 점들의 밝기와 색상을 나타내는 요동 전압이나 라디오 파의 진폭이다
.
.
흑백의 비디오 신호의 기본 구조는 화면상의 각각의 밝은 점들을 영상으로 한 선씩 스캔하도록 되어 있다
.
각각의 선들의 출발 점을 나타내기 위한 동조신호가 포함되어 있다
.
.
컬러 영상신호는 흑백
TV
에 유사하지만
,
컬러 신호도 갖고 있다
.
각각 휘도와 색체를 나타내는 두 가지 신호는 전기공학에서 동일한 영상 신호로 결합된다
.
.
라디오 파에 의해 이동하는 영상신호는 알려진 파의 주파수 이하 범위에서 확장하여
,
그 이상의 전송주파수까지 내부의 주파수 범위
(
대역폭
)
를 갖는다
.
. TV
영상신호의 대역폭
(
아래로
1.25 MHz-
위로
4.75 MHz)
은
6MHz
이다
. . AM
라디오
:
대역폭
10 KHz. (550 -1600 KHz) FM
라디오
:
대역폭
200 KHz (88-108 MHz) .
대역폭이 크면 클 수록 많은 정보를 실어 나를 수 있다
.
•
케이블
TV
전송
.
케이블
TV
는 전자기파를 빈 공간이 아닌 전선을 통해 보낸다
.
.
동축케이블 안에서 전달되는 전자기파는 외부의 전자기파와 상호작용을 하지 않기 때문에 케이블 내의 전체 전자기파 주파수 대를 채널로 사용할 숭 있고
, 1000 MHz
까지의 주파수를 감당할 수 있으므로
170
개의 채널 운영이 가능하다
.
.
광케이블 사용시
:
빛도 역시 전자기파이고 라디오 파와 같이 진폭 변조 되지만
, 4.5x10
14 -7.5x10
14 Hz
로 주파수가 매우 높다
.
만일
TV
채널을 통해
6MHz
의 대역폭으로 채널을 배치시킨다면
, 5
천 만개나 되었을 것이다
.
•
디지털
TV .
아날로그 전송은 계속해서 반복적으로 별로 중요하지 않은 정보들을 전송하고 있다
.
디지털 전송은 불필요한 영상 정보를 압축함으로써
6MHz
의 대역폭을 효율적으로 이용하고 있다
. .
전자기파의 진폭과 같이 밝기와 색상이 나타나는 대신 디지털 전송은 수의 흐름으로 그림을 전환하며
,
전자기파의 진폭에 의해 그 수들을 나타낸다
.
대부분의 컴퓨터처럼
2
진수로 나뉘어지는 것이 아니라
, 8
혹은
16
진 숫자로 나타낸다
. (
옥외 방송국
: 8
진법
,
케이블 방송국
: 16
진법
)
11-3
전자레인지
전자기파는 한 장소에서 다른 장소로 소리나 영상뿐만 아니라 전력까지 전달할 수 있다
.
질문
: .
전자레인지로 요리하는 동안 음식의 위치를 바꾸어 주지 않으면
,
요리가 고르게 되지 않는 이유는 무엇인가
?
.
냉동 음식을 데울 때 왜 어떤 부분은 언 상태로 있고
,
다른 부분은 뜨겁게 되는가
?
.
레인지 안에 금속 용기를 넣지 말아야 하는 이유는 무엇인가
?
.
어떤 음식은 레인지 속에서 데워도 차갑게 있는 이유는 무엇인가
?
•
마이크로파란 무엇인가
? .
전자기파는 파장과 진동수로 특징지어 진다
.
.
전자기파에 있어서 파장과 진동수의 곱은 항상 빛의 속도와 같다
.
(
전자기파의 진동수가 높아질수록 파장은 짧아진다
.)
빛의 속력
=
파장
·
진동수
.
전파
:
파장이
1m
이상
. (
장파
,
중파
,
단파
,
초단파
) .
마이크로파
:
파장이
1m
이하
1mm
까지
(
극 초단파
)
이해도 확인
1
전자기파가 투명한 물질을 통해 전달 될 때 파의 주파수는 변하지 않지만 파장은 어떻게 되겠는가
?
•
마이크로파로 음식 데우기
.
물 분자에서 산소원자 가 수소 원자의 전자를 부분적으로 끌어 당기기 때문에
,
수소원자의 끝 쪽은 양으로 대전되고
,
산소원자의 끝 쪽은 음으로 대전되어
,
물 분자는 극성 을 띠게 된다
. .
액체인 물 분자는 전기장이 없을 때 불규칙한 방향을 가리킨다
.
그러나 전기장이 가해지면
,
물 분자의 양극은 전기장과 평행한 방향으로 정렬한다
.
.
전기장의 방향이 바뀌면
,
물 분자도 반대 방향으로 회전하여 정렬하려고 한다
.
물 분자가 회전하면서 다른 분자들과 충돌하는데 이 때 정전기 위치에너지의 일부가 열에너지로 전환된다
. .
전자레인지는
2.45 GHz (1
기가는
10
억
)
의 마이크로파를 사용 하여
,
음식 안의 물 분자의 방향이 앞 뒤로 초당 수십 억 번을 움직이도록 한다
.
이 때
,
물 분자의 상호 충돌로 인해 가열되어
,
마이크로파의 에너지를 열에너지로 변환시킨다
.
•
마이크로파로 음식 데우기
.
위의 주파수
(2.45 GHz)
는 통신분야에는 사용하지 않으며
,
음식을 조리할 수 있기 때문에 결정되었다
.
.
만일 주파수가 더 높다면
,
마이크로 파는 매우 강하게 음식으로 흡수될 것이나
,
큰 물체로는 깊숙이 침투하지 못한다
.
주파수가 더 낮다면
,
마이크로파는 쉽게 음식을 통과하겠지만
,
효과적으로 조리되진 않는다
.
.
얼음 속의 물 분자들은 그 고정된 결정구조 때문에
,
방향을 바꿀 수 없어
,
마이크로파의 전력을 잘 흡수하지 못한다
.
언 음식을 전자레인지로 가열하면
,
뜨거운 액체부분 사이 사이에 얼어 있는 부분이 남아있는 경우가 있다
.
이해도 확인
2
팝콘 알갱이는 딱딱한 껍데기 내부에 둘러싸인 녹말을 포함하고 있다
.
뜨거운 기름으로 옥수수 껍데기를 태워 벗길 수도 있지만
,
전자레인지를 사용할 때 껍데기가 너무 과열되지 않게 옥수수를 튀길 수 있는 것은 무엇 때문인가
?
•
전자레인지 내의 금속
.
금속체와 전자레인지도 양립할 수 있다
.
사실 전자레인지의 조리용기의 벽은 금속으로 되어있다
.
마이크로파는 송수신 안테나처럼 금속표면에서 유동전하를 야기한다
.
그러나 이 전하들이 가속됨으로써 새로운 마이크로파를 방출한다
.
방출된 마이크로파는 초기와 주파수는 동일하지만
,
방향이 바뀌어 새로운 방향으로 움직인다
. (
반사
)
즉
,
전자레인지의 벽은 음식을 골고루 익힐 수 있도록 내부에서 파가 계속 반사하도록 되어있다
.
전자 레인지의 앞쪽 문도 반사하는 금속 그리드로 덥혀 있다
.
.
알루미늄 호일로 음식을 싼 채로 넣으면 호일이 마이크로파를 반사하므로
,
음식은 데워지지 않는다
. .
금속은 이동하는 전하가 전기장 속에서 가속되기 때문에
,
마이크로파를 반사하는데
,
때로는 충분한 전하들이 금속의 날카로운 끝이나 알루미늄 호일 조각위로 밀리면
,
이 전하들은 공기 중으로 튀어 올라 불꽃으로 된다
.
•
전자레인지 내의 금속
.
전기저항이 큰 금속의 경우
,
마이크로파가 금속의 전하들을 앞뒤로 밀면
,
빠르게 가열된다
.
두꺼운 레인지 벽과 조리도구는 저항 값이 작아 잘 가열되지 않지만
,
가느다란 금속 줄이나
,
도자기 접시의 얇은 금속장식 등은 사고를 유발하는 원인이 된다
.
.
전자레인지는 음식을 동시에 안팎으로 조리하기 때문에
,
음식의 표면만이 뜨거워지거나 타는 경우는 드물다
. .
마이크로파의 전기장의 진폭이 전자레인지의 구석구석까지 균일하지 않기 때문에
,
고르게 조리 되지 않는다
.
이해도 확인
3
전자레인지의 조리 용기를 정확히 반으로 나누기 위해 가느다란 금속 조각을 사용하기로 하자
.
전자레인지는 용기의 정확히 오른쪽 반으로 마이크로파를 보낸다
.
만일 음식을 용기의 왼쪽 반에 놓아둔다면
,
요리가 되겠는가
?
삼성전자, `5나노반도체' 회로기술 성공 [ 연합뉴스 2005.04.18 14:09:02]
(
서울
=
연합뉴스
)
김지훈기자 해당하는
5
나노반도체
=
삼성전자가 사람 머리카락 굵기의 회로기술을 구현하는데 성공했다
.
2
만
4
천분의
1
크기
(5
나노미터
)
에
18
일 삼성전자에 따르면 황창규 삼성전자 반도체 총괄 사장은 지난 강의에서
" 14
일 성균관대학교에서 가진 탄소나노튜브 등 신물질이 아닌 기존의 상보성금속산화물반도체
(CMOS)
를 기반으로
5
나노미터의 트랜지스터 특성을 만드는 데 성공했다
"
고 밝혔다
.
이는 현재 상용화기술로 개발된 세계 최소 회로선폭인 회로선폭에서 기술을 구현한 것이다
.
60
나노미터보다
12
분의
1
가량 얇은 반도체 업계는 그동안 기준 시설이나 장비를 활용할 수 있는
CMOS
기반으로는 반도체를 미세화하기가 어려워 탄소나노튜브 등 다른 신물질을 통해 극미세 회로기술을 연구해왔다
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이에 대해 업계에서는 학회 등을 통한 검증이 필요하며 집적화 문제나 양산기술 확보 등에 많은 절차가 남아있어 상용화에는 많은 시간이 필요할 것이라고 밝혔다
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