전자기파 생성의 원리 및 사례 -...

전자기학 II (S. J. Baik) 1

전자기파 생성의 원리 및 응용 사례

제4강

자기장이 변하면 회로에 전류 생성


전류가 생기는 이유는 전기장에 의한 기전력 때문 도선이 존재하지 않아도 전기장은 발생할 수 있다!

자기장이 변하면 회전하는 전기장 생성


B (t): 감소

E

도선이 없는 경우! 패러데이 법칙은 도선의 존재가 필요치 않은 일반 법칙이다.

전기장이 변하면 (또는 전류가 흐르면) 회전하는 자기장 생성


E (t): 증가

B

전기장의 변화는 전류밀도와 등가이다 (커패시터에도 전류가 흐르지 않는가?) 전도전류 뿐 아니라 변위전류도 전류! 자기장을 생성한다.

도선과 직류 전원


균일한 전기장 균일한 자기장

도선과 교류 전원: 전자기파의 생성 및 전파


전기장 증가, 전류 증가, 자기장 증가

전기장 증가, 전류 증가, 자기장 증가

도선과 교류 전원: 전자기파의 생성 및 전파


전기장 감소 (변위)전류 감소 자기장 감소

(앞페이지) 전기장 증가, 전류 증가, 자기장 증가 전기장 증가 (변위)전류 증가 자기장 증가

(결론) 도선과 수직방향으로 전기장, 자기장 전파: 전자기파

도선과 교류 전원: 안테나


V

t

전기장 자기장

도선에 교류 전원을 인가하면 전기장과 자기장의 파동이 공간으로 전파 : 안테나의 원리

안테나: 자유공간 전자기파 전파


일반적인 안테나의 형태

장거리 전자기파 전달 방법 불특정 수신단

안테나의 종류


예제: 쌍극자 안테나 (풀이)


전류와 벡터포텐셜의 관계

교류전류의 표현

벡터포텐셜의 표현 (z방향만 존재)



벡터포텐셜의 구좌표계 표현

*전자기파의 공간 변화는 구좌표계로 표현하는 것이 적합하다.



자기장은 벡터포텐셜의 회전 (f 성분만 존재한다)



전기장은 자기장의 회전으로부터 (r, q 성분만 존재한다)

예제: 쌍극자 안테나 (정리)


안테나 신호의 직진성 (지향성, Directivity)


도파관(waveguide): 직진성 높은 신호 전달


도파관: 수신단이 특정되어 있는 경우 신호 전달 효율을 높이기 위한 전자기파 전송 방법

도파관을 통한 신호 전달의 원리: 전자기파의 직진성, 경계물질에서 전자기파의 전반사

도파관의 종류


속이 비어있는 금속 관 부도체로 만든 섬유 (광섬유)

주로 고주파 전자기파의 전송에 이용된다 (GHz 이상) 신호는 부도체 영역을 통해 전파된다 신호전달 효율이 매우 높다 (손실이 적다) 특정 주파수에서만 사용할 수 있다

전송선로 (transmission line)


금속으로 이루어진 선 또는 판으로 이루어진 일종의 도파관

여러분이 ‘도선’ 이라고 부르는 것들이 이것에 해당됨

직류에서 고주파까지 다양한 주파수에서 사용할 수 있다

주파수가 높아질 수록 손실이 증가한다

전송선 이론은 회로이론보다 복잡. 전송선이론의 특수한 경우

(주파수가 매우 높지 않은 경우) 가 회로이론에 해당됨.

전송선로의 종류


Parallel-plate transmission line

Coaxial transmission line Two-wire transmission line

전송선로의 종류 (실제의 사례)


전송선로의 해석 방법


일반적인 평면파: 전기장, 자기장을 매개로 해석 전송선로의 경우 전압, 전류를 매개로 해석

전송선로의 경우 금속 재질이 파의 진행방향에 따라 형성되어 있음. : 전기장, 자기장에 의해 금속 매질 내 전하 분포, 전류 분포가 형성 전압, 전류의 전파로 해석 가능.

* 평행판 전송선로의 TEM wave 해석

회로이론: 교류 전원과 노드 전압


V1 V2

V1=V2 인가?, 전원의 전압이 도선을 전파하는 속도는 유한하지 않은가? 회로이론에서는 교류전원의 전압이 도선을 전파하는 속도를 무한대로 근사함 그러나, 교류전원의 주파수가 증가할 수록 이러한 근사법의 오차는 증가한다. 이 때 전송선로 이론을 적용해야 함.

회로이론의 근사


Scale (L)

Fre

quency

(c/

l)

회로이론

L << l

전자기학 이론 (전송선 이론)

회로의 크기에 비해 전자기파의 파장이 충분히 큰 경우 (교류전원의 주파수가 매우 높지 않은 경우) 회로이론 근사 적용 3X108=109X0.3 (c=fl)

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