Transcript 전 자 기 학

전자기학
오상훈
목원대학교
전자정보통신공학부
정보통신전공
강의교재
• William H. Hayt, Jr. and Jpohn A. Buck, Engineering
Electromagnetics, sixth edition, McGraw-Hill, 2000
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-2
전자파는 정보를 어떻게 전달하는가?
목 차
1. 전자파의 발견 및 발달
 1.1 맥스웰
 1.2 헤르츠
 1.3 마르코니
 1.4 마이크로 웨이브 통신
2. 전자파의 정보전달 메커니즘
 2.1 맥스웰 방정식
 2.2 파동 방정식
 2.3. 평면파
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-3
 1.1 맥스웰(Maxwell) (1831-1879)
 전자파의 존재를 이론적으로 예측한 사람은 스코틀랜드 태생의 물리
학자 맥스웰(J.C. Maxwell)임.
 맥스웰의 이론(1873년)은, 전자파(Electromagnetic wave) 가 광속
으로 공간중을 전파하는 것을 예견하였음.
 맥스웰의 업적은, 패러데이(M.Faraday)의 전자유도의 발견, 또 캐벤
디쉬(H.Cavendish), 쿨롱(C.A. Coulomb)의 전하간에 작용하는 힘의
역2승 법칙의 실험적 검증, 외르스테드(H.C. Oersted)의 전류에 의한
자계 생성의 발견과 수학적 기술에 의한 앙페르(A.M. Ampere) 법칙
을 모두 일련의 방정식으로 통합화 하였다는 것임.
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-4

1.2 헤르츠(Hertz) (1857-1894)
 1885년부터 맥스웰의 이론을 전파의 속도를 측정함으로써 증명.
연구실 안에서 수십에서 수백 Mhz의 전파를 발생시켜, 실내에 생긴
정재파(Standing Wave) 분포를 측정하여 전파의 속도를 실험적으
로 계산하였음.
 1.3 마르코니(Marconi) (1874-1937)
 마르코니는 모노폴 안테나를 고안하여 주파수가 낮은 장파대에서
의 무선전송에 의한 가시거리 밖의 통신에 성공하였음.

1.4 마이크로웨이브(초고주파) 통신
 레이더 등의 개발에 따른 초고주파 회로소자 및 시스템의 발전에
힘입어, 무선통신도 단파대를 사용하여 대지나 해면과 전리층의 사
이를 반사하면서 전파하여, 지구의 반대쪽과의 통신도 가능해짐.
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-5
 급격히 증대하는 통신회선량의 문제로 해저케이블이나 위성을 이
용한 통신이 그 주역이 됨
 2.1 맥스웰 방정식(Maxwell’s equations)
 맥스웰 방정식중 페러데이 법칙과 앙페르 법칙은 다음과 같이 주
어진다.
  E  B / t
  H  J  D / t
(1) 패러데이의 전자유도법칙
(2) 앙페르의 법칙과 맥스웰의
변위전류항
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-6
여기서D 는 전기변위 또는 전속밀도이며,B 는 자속 밀도, E 는 전계
(강도), H 는 자계(강도), J 는 전류밀도, D / t 는 변위전류이다.
 전계의 변화가 공간중에 변위전류를 만들고, 그 변위전류가 이어
서 자계를 생성한 결과, 전자파가 공간중에 빛의 속도로 전파하는
것을 수식으로 나타내었음.
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-7
 2.2 파동방정식
 맥스웰의 미분방정식을 조합시키면 파동방정식이
얻어진다.
 파동방정식은 전계와 자계가 파동으로서 음파와 같이 공간으로 전
달되어 감을 의미함.
파동방정식은 전자파가 정보를 전달하는 메커니즘을 나타내는 식임.
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-8
 2.3 평면파
 파동방정식의 해는 보통 정현파(sinusoidal wave) 형태의 평면파
로 나타내어짐.
평면파 전계의 형태는,
E ( x, y, z )  xˆE cos(t  kz)
0

이며, 여기서 E 는 진폭이며, 는 각 주파수, k 는 파수임.
0
(전파속도 = / k )
따라서, 정보(information)는 정현파에 실리게 됨.
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-9
 정현파 형태의 평면파가
z-방향으로 진행하며 정보를 전달하는 모
양을 나타내면,
<그림. 평면파의 전파>
가 된다.
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-10
Chapter 1. Vector Analysis
1.
Scalars & Vectors
•
•
2.
Scalar: a quantity represented by a single number
Vector: a quantity with a magnitude and a direction
Vector Algebra
•
•
A+B=B+A (Commutative law)
A+(B+C)=(A+B)+C (Associative law)

Mul. of vectors by scalars
•
(r+s)(A+B)=r(A+B)+s(A+B)=rA+rB+sA+sB
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-11
3. The Cartesian Coordinate System
Fig. 1.2
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-12
4. Vectors Components and Unit Vectors
Fig. 1.3
R PQ  rQ  rP
 (2  1)a x  (2  2)a y  (1  3)a z
 a x  4a y  2a z
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-13
•
The Magnitude of a vector
B  Bx a x  B y a y  Bz a z | B | Bx2  B y2  Bz2
•
A unit vector
aB 
B
B x2  B y2  B z2

B
|B|
5. The Vector Field
•
A vector function of a position vector
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-14
6. The Dot Product ( or Scalar Product)
Definition : A  B | A || B | cos  AB
A  B  B  A  Ax Bx  Ay By  Az Bz
A  A | A |2
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-15
7. The Cross Product
A  B  a N | A || B | sin  AB
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
ax
 Ax
Bx
ay
Ay
By
az
Az
Bz
1-16
8. The Circular Cylindrical Coordinate System
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-17
x   cos 
y   sin 
zz
  x2  y2
  tan 1
y
x
zz
A  Ax a x  Ay a y  Az a z (cartesian coordinate )
A  A a   A a   Az a z (cylinderi cal coordinate )
A  A  a  and A  A  a 
A  ( Ax a x  Ay a y  Az a z )  a   Ax a x  a   Ay a y  a 
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-18
9. The Spherical Coordinate System
x  r sin  cos 
y  r sin  sin 
z  r cos 
목원대학교 전자정보통신공학부 전자기학
1-19