전자기파
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전자기파(電磁氣波, Electromagnetic wave; EM wave)는 시간에 따라 변하는 전기장과 자기장이 서로 결합하여 공간을 통해 에너지를 전달하는 파동으로, 전파·적외선·가시광선·자외선·X선·감마선을 모두 포함한다.
전자기파는 전기장과 자기장의 변화가 서로를 유도하면서 공간으로 전파되는 현상이다. 진공에서도 전파될 수 있다는 점에서 공기·물 등의 매질이 필요한 소리와 같은 기계적 파동과 구별된다.
NASA는 전자기파를 서로 변화하는 전기장과 자기장으로 이루어진 파동으로 설명하며, 전기장과 자기장은 서로 수직이고 진행 방향에도 수직인 횡파 형태를 이룬다.[1]
전자기파에는 일상에서 서로 전혀 다른 것으로 느껴지는 다음과 같은 것들이 모두 포함된다.
이들은 본질적으로 같은 전자기 복사이며 주로 주파수·파장·광자 에너지가 서로 다르다. NASA는 전자기 스펙트럼을 가장 긴 파장의 전파부터 가장 짧은 파장의 감마선까지 이어지는 하나의 연속적인 범위로 설명한다.[2]
이상적인 평면 전자기파에서는 다음 세 방향이 서로 수직이다.[1]
- 전기장(E)의 진동 방향
- 자기장(B)의 진동 방향
- 전자기파의 진행 방향
즉 전기장이 위아래로 진동한다면 자기장은 그와 수직인 방향으로 진동하며, 파동은 두 장에 모두 수직인 방향으로 진행한다.
전기장 E
↑
│
│
└──────→ 진행 방향
/
/
자기장 B
NASA는 전기장과 자기장의 진동 방향이 서로 90도를 이루며 진행 방향 역시 이들에 수직이라고 설명한다.[3]
전자기장과 전자기파는 완전히 같은 뜻은 아니다.
정지한 전하 주변에는 정전기장이 존재할 수 있고 영구자석 주변에는 정적인 자기장이 존재할 수 있지만, 이것만으로 공간으로 에너지를 방출하며 진행하는 전자기파라고 하지는 않는다.
시간에 따라 변하는 전류 또는 가속되는 전하 등은 변화하는 전기장과 자기장을 만들 수 있으며, 그 변화가 공간으로 떨어져 나가 전파되면 전자기 복사가 된다.[1]
대표적인 예는 안테나이다. 안테나 속 전자를 주기적으로 움직이면 전기장과 자기장이 변화하고 일부 에너지가 전자기파 형태로 공간으로 방출된다.
진공에서 모든 전자기파는 종류와 관계없이 동일한 속도 c로 전파된다.
- c = 299,792,458 m/s
이 값은 근사 측정값이 아니라 국제단위계(SI)에서 정확하게 고정된 값이며, 미터의 정의에도 사용된다.[4]
대략적으로는 초속 30만 km이므로 빛은 1초에 지구 둘레를 약 7.5바퀴 이동할 수 있는 거리를 진행한다.
공기에서는 진공보다 아주 조금 느려지고 물이나 유리 등 물질 속에서는 더 느려진다.
매질의 굴절률을 n이라고 할 때 단순한 경우 전파 속도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- v = c / n
따라서 유리에서 빛이 느려지는 것은 빛의 종류가 달라져서가 아니라 매질과 전자기장의 상호작용 때문이다.
전자기파는 주로 파장과 주파수로 구분한다.
- 파장(λ) : 파동의 한 주기가 차지하는 거리
- 주파수(f 또는 ν) : 1초 동안 반복되는 진동 횟수
- 주파수의 단위 : 헤르츠(Hz)
진공에서는 다음 관계가 성립한다.
- c = λf
따라서 파장이 짧을수록 주파수는 높고, 파장이 길수록 주파수는 낮다.[1]
예를 들어 진공에서 1 GHz 전자기파의 파장은 다음과 같다.
- λ = 299,792,458 / 1,000,000,000
- ≈ 0.30 m
즉 약 30 cm이다.
주파수가 10배인 10 GHz가 되면 파장은 약 3 cm로 10분의 1이 된다.
전자기파가 공기에서 유리나 물 등 다른 물질로 들어갈 때 일반적으로 주파수는 그대로 유지되고 전파 속도와 파장이 변한다.
따라서 굴절률이 높은 물질에 들어가 빛의 속도가 느려지면 파장도 짧아진다.
전자기파는 파동으로 설명할 수 있는 동시에 양자역학적으로는 광자(Photon)라는 에너지 양자의 흐름으로 설명할 수 있다.
광자 하나의 에너지는 다음과 같다.
- E = hf
또는 c = λf를 이용하면
- E = hc / λ
- E : 광자 에너지
- h : 플랑크 상수
- f : 주파수
- λ : 파장
- c : 빛의 속도
따라서 주파수가 높을수록 광자 하나의 에너지가 크고, 파장이 짧을수록 에너지가 크다.
NIST가 정의하는 플랑크 상수는 정확히 6.62607015 × 10−34 J·s이며, 빛의 속도와 함께 현대 SI를 정의하는 기본 상수이다.[5]
따라서 일반적으로 다음 순서로 광자 에너지가 높아진다.
- 전파 → 마이크로파 → 적외선 → 가시광선 → 자외선 → X선 → 감마선
NASA 역시 감마선에서 전파 방향으로 갈수록 광자 에너지가 낮아진다고 설명한다.[2]
전자기파를 파장 또는 주파수에 따라 연속적으로 배열한 것을 전자기 스펙트럼(Electromagnetic spectrum)이라고 한다.
대략적인 순서는 다음과 같다.
| 영역 | 대략적인 특징 | 대표적 활용 |
|---|---|---|
| 전파(Radio waves) | 가장 긴 파장 영역 | 방송, 이동통신, Wi-Fi, 위성통신 |
| 마이크로파(Microwaves) | 전파의 고주파 영역에 포함 | 레이더, 위성통신, 전자레인지 |
| 적외선(Infrared) | 약 780 nm~1 mm | 열화상, 센서, 리모컨, 광통신 |
| 가시광선(Visible light) | 사람이 볼 수 있는 영역 | 시각, 조명, 카메라, 광통신 |
| 자외선(Ultraviolet) | 약 100~400 nm | 살균, 형광, 광경화 |
| X선(X-rays) | 자외선보다 짧은 파장 | 의료 영상, 보안검사, 결정구조 분석 |
| 감마선(Gamma rays) | 가장 짧고 높은 에너지 영역 | 핵물리, 방사선 치료, 천문학 |
NASA는 전자기 스펙트럼을 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선으로 나누어 설명한다.[6]
단, 이들 영역의 경계는 자연계에 물리적인 선이 존재하는 것이 아니라 각 학문·산업 분야에서 편의를 위해 구분한 것이다.
전파는 주로 통신과 레이더 등에 사용되는 긴 파장의 전자기파를 의미한다.
국제전기통신연합(ITU)의 Radio Regulations에서는 전파(Radio waves)를 인공적인 도파관 없이 공간을 전파하며 주파수가 3,000 GHz보다 낮은 전자기파로 정의한다.[7]
실제 무선통신에서는 kHz, MHz, GHz 등의 단위를 주로 사용한다.
예를 들면 다음과 같다.
- AM·FM 라디오
- 지상파 방송
- 무전기
- 이동통신
- 5세대 이동통신
- Wi-Fi
- 블루투스
- GPS
- 위성통신
- 레이더
ITU는 통신에서 자주 다루는 전파 영역을 VLF, LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF, EHF 등의 주파수 대역으로 다시 나눈다.[8]
마이크로파는 전파와 별개의 물리적 현상이 아니라 전파의 비교적 높은 주파수 영역을 따로 부르는 명칭이다.
NASA는 마이크로파를 전파 스펙트럼의 고주파 부분이라고 설명하며 약 1 mm~30 cm 정도의 파장을 마이크로파로 보는 분류를 사용한다.[9]
대표적인 용도는 다음과 같다.
- 레이더
- 위성통신
- 이동통신
- Wi-Fi
- 전자레인지
- 전파천문학
따라서 '전파와 마이크로파'를 완전히 별개의 전자기파처럼 설명하기보다는 마이크로파는 넓은 의미의 전파에 포함된다고 보는 것이 기술적으로 정확하다.
X선은 자외선보다 파장이 짧고 광자 에너지가 높은 전자기파이다.
NASA는 X선의 대표적인 파장 범위를 약 0.03~3 nm로 설명한다.[13]
X선은 물질에 따라 흡수 정도가 크게 달라 이를 의료 영상에 이용한다. 인체에서는 뼈가 연조직보다 X선을 더 많이 흡수하므로 X선 사진에서 대비가 발생한다.
대표적인 활용은 다음과 같다.
- 의료 X선 촬영
- CT
- 공항·화물 보안검사
- X선 결정학
- 반도체·산업 검사
- X선 천문학
감마선은 전자기 스펙트럼에서 가장 높은 에너지 영역으로 분류된다.
방사성 붕괴, 핵반응, 초신성, 중성자별, 블랙홀 주변 등 매우 높은 에너지 현상에서 발생할 수 있다.[14]
X선과 감마선의 에너지 범위는 일부 겹칠 수 있기 때문에 두 영역을 단순히 하나의 파장으로 완전히 나누기 어려운 경우도 있다. 물리학에서는 방출 기원에 따라 원자 전자의 과정에서 발생한 고에너지 복사를 X선, 핵 과정에서 발생한 복사를 감마선으로 구분하는 경우도 있다.
전자기파는 물질을 이온화할 수 있는지에 따라 전리 방사선과 비전리 방사선으로 구분하기도 한다.
광자 하나가 원자나 분자의 전자를 떼어낼 정도의 에너지가 충분하지 않은 영역을 주로 비전리 방사선이라고 한다.
WHO는 비전리 방사선 영역에 다음을 포함해 설명한다.[15]
- 저주파 전기장·자기장
- 전파
- 마이크로파
- 적외선
- 가시광선
- 자외선
그러나 비전리라고 해서 무조건 인체에 영향을 주지 않는다는 뜻은 아니다.
예를 들어 다음과 같은 작용이 가능하다.
- 강한 전파·마이크로파 : 조직 가열
- 강한 적외선 : 열 손상
- 강한 가시광선·레이저 : 망막 손상
- 자외선 : 광화학 반응과 DNA 손상
즉 전리 가능 여부와 생물학적 유해성은 동일한 개념이 아니다.
전자기파가 물질에 도달하면 여러 현상이 발생할 수 있다.
- 반사(Reflection)
- 굴절(Refraction)
- 흡수(Absorption)
- 투과(Transmission)
- 회절(Diffraction)
- 간섭(Interference)
- 산란(Scattering)
- 편광(Polarization)
NASA는 전자기파가 물질의 특성과 파장에 따라 반사·굴절·흡수·투과·회절·산란·편광 등의 다양한 행동을 할 수 있다고 설명한다.[17]
전자기파가 물질의 경계에서 되돌아오는 현상이다.
거울은 가시광선을 강하게 반사하며 금속 표면은 여러 전파 영역에서도 높은 반사율을 나타낼 수 있다.
레이더는 전파를 물체에 발사한 뒤 반사되어 돌아오는 신호를 측정하는 대표적인 응용이다.
전자기파가 서로 다른 매질의 경계를 지날 때 진행 방향이 달라지는 현상이다.
공기에서 유리로 들어가는 가시광선, 광섬유 내부의 빛 등이 대표적인 사례이다.
굴절률은 파장에 따라 달라질 수 있기 때문에 프리즘에 백색광을 통과시키면 여러 색으로 나뉘는 분산이 발생한다.
전자기파의 에너지가 물질에 전달되는 현상이다.
전자레인지에서는 마이크로파와 물질의 상호작용을 이용해 음식에 에너지를 전달하며, 적외선이 흡수되면 물질의 온도가 높아질 수 있다.
X선 촬영에서는 조직 종류마다 X선의 흡수율이 다른 특성을 이용한다.
파동이 장애물이나 틈의 가장자리에서 휘어 퍼지는 현상이다.
일반적으로 장애물의 크기가 파장과 비슷할수록 회절 효과가 두드러진다.
이 때문에 긴 파장의 전파는 건물이나 지형 주변으로 비교적 잘 돌아 들어갈 수 있는 반면 높은 주파수의 밀리미터파는 직진성이 상대적으로 강하고 장애물에 의해 쉽게 차단될 수 있다.
둘 이상의 전자기파가 같은 공간에서 겹칠 때 파동이 서로 보강되거나 상쇄되는 현상이다.
무선통신의 다중경로 간섭, 박막의 색, 광학 간섭계 등이 대표적인 사례이다.
전자기파에서 전기장이 진동하는 방향의 특성을 편광이라고 한다.
선형 편광, 원형 편광, 타원 편광 등이 있으며 통신, 레이더, 안테나, LCD, 선글라스 등에 활용된다.[3]
파장이 짧을수록 무조건 물질을 잘 통과한다거나, 반대로 파장이 길수록 항상 투과력이 좋다는 법칙은 없다.
전자기파가 물질을 얼마나 통과하는지는 다음 요소에 따라 달라진다.
- 파장·주파수
- 물질의 화학적·전자기적 특성
- 전도도
- 유전율
- 흡수선
- 물체의 두께
- 산란 특성
예를 들어 긴 파장의 라디오 전파는 벽을 비교적 잘 통과하는 반면 가시광선은 불투명한 벽을 통과하지 못한다.
그러나 이 사실을 그대로 더 높은 주파수에 적용할 수는 없다. X선은 가시광선보다 파장이 훨씬 짧음에도 인체 연조직을 상당 부분 통과할 수 있다.[13]
따라서
- 주파수가 높다 → 파장이 짧다
는 관계는 항상 맞지만,
- 파장이 짧다 → 투과력이 낮다
또는
- 파장이 짧다 → 투과력이 높다
와 같은 단순한 관계는 성립하지 않는다.
무선통신에서 전자기파를 발생시키거나 받아들이는 장치가 안테나이다.
송신 안테나에서는 교류 전류에 의해 전하가 반복적으로 가속되면서 변화하는 전기장과 자기장이 형성되고 그 일부가 자유 공간으로 방사된다.
수신 안테나에서는 반대로 외부 전자기파의 전기장이 안테나 내부 전하에 힘을 가해 미세한 전압과 전류를 만들어낸다.
따라서 안테나는
- 전기 신호 → 전자기파
또는
- 전자기파 → 전기 신호
를 변환하는 장치로 볼 수 있다.
안테나의 크기와 형태는 사용하는 파장과 밀접한 관계가 있으며 반파장 안테나, 1/4파장 안테나 등 파장의 일정 비율을 이용한 설계가 널리 사용된다.
전자기파는 현대 통신의 물리적 기반이다.
전자기파는 파장에 따라 서로 다른 방식으로 의료에 사용된다.
| 영역 | 대표적 의료 활용 |
|---|---|
| 전파 | MRI에서 원자핵의 공명 신호 측정 |
| 마이크로파 | 일부 온열 치료 및 의료 센싱 |
| 적외선 | 체온 측정, 열화상 |
| 가시광선 | 내시경, 수술 조명, 레이저 치료 |
| 자외선 | 피부 질환 광선치료, 살균 |
| X선 | X선 촬영, CT |
| 감마선 | 방사선 치료, 핵의학 |
전자기파의 의료적 효과는 파장뿐 아니라 출력, 조사 시간, 조사 면적과 대상 조직의 특성에 따라 달라진다.
천체는 전자기 스펙트럼의 여러 영역에서 서로 다른 정보를 방출한다.
따라서 현대 천문학에서는 가시광선 망원경뿐 아니라 다음을 사용한다.
- 전파망원경
- 마이크로파 관측기
- 적외선 망원경
- 자외선 우주망원경
- X선 망원경
- 감마선 망원경
NASA는 전자기 스펙트럼 전체를 관측함으로써 지구·태양계·우주를 연구한다고 설명한다.[2]
예를 들어 차가운 성간물질은 적외선이나 전파 영역에서 잘 관측되고, 매우 뜨거운 가스와 블랙홀 주변은 X선에서 강하게 관측될 수 있다.
지구 대기는 모든 전자기파를 똑같이 통과시키지 않는다.
가시광선과 일부 전파는 비교적 대기를 잘 통과하는 반면, 감마선·X선과 상당 부분의 자외선은 대기에서 흡수된다. 일부 적외선 역시 수증기와 이산화탄소 등에 의해 흡수된다.[2]
대기가 특정 파장 영역을 잘 통과시키는 구간을 대기창(Atmospheric window)이라고 한다.
이 때문에
- 가시광선 천문대는 지상에 설치할 수 있고
- 전파망원경 역시 많은 주파수에서 지상 관측이 가능하지만
- X선·감마선 천문학은 주로 우주망원경을 필요로 한다.
전자기파 개념의 확립에는 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)과 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)의 연구가 중요한 역할을 했다.
맥스웰은 1860~1870년대 전기와 자기 현상을 하나의 이론으로 통합하고, 시간에 따라 변화하는 전기장과 자기장이 파동 형태로 공간을 전파할 수 있음을 이론적으로 예측하였다.[1]
그는 이 파동의 계산된 전파 속도가 당시 알려진 빛의 속도와 일치한다는 사실을 통해 빛 역시 전자기파라는 결론에 도달했다.
1880년대 하인리히 헤르츠는 맥스웰이 예측한 전자기파를 실험적으로 발생시키고 검출했으며 반사·굴절·편광·회절 등 빛과 유사한 성질을 확인하였다.[18]
주파수 단위 헤르츠(Hz)는 그의 이름에서 유래한다.
이 발견은 이후 무선전신, 라디오, 레이더, 이동통신, 위성통신 등 현대 무선기술의 기초가 되었다.
'전자기파'라는 말 자체만으로 위험성을 판단할 수는 없다.
전자기 스펙트럼에는 저주파 전기·자기장부터 감마선까지 에너지와 물질과의 상호작용 방식이 전혀 다른 영역이 포함되어 있기 때문이다.
WHO는 전자기장에 대한 인체 영향을 평가할 때 주파수와 노출 강도를 함께 고려해야 하며 국제적인 노출 기준 역시 주파수별로 다르게 설정된다고 설명한다.[19]
따라서
- 휴대전화의 전파
- 전자레인지 내부의 강한 마이크로파
- 적외선 레이저
- 햇빛의 자외선
- 병원의 X선
을 모두 단순히 '전자기파이므로 같은 위험성을 갖는다'고 보는 것은 잘못이다.
전자기파의 생물학적 영향은 최소한 다음 요소를 함께 고려해야 한다.
- 주파수·파장
- 출력과 전력 밀도
- 노출 시간
- 신체와 광원 사이의 거리
- 조사 면적
- 연속파인지 펄스인지 여부
- 전리 방사선인지 여부
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