마이크로파 기초실험

이론
	빛의 파동적인 현상을 잘 이해하기 위하여 본 실험에서는 빛(가시광선)보다 파장이 훨씬 길어 수 cm정도의 파장을 갖고 있는 마이크로파를 이용한다. 마이크로파도 빛과 마찬가지로 전자기파의 일종이기 때문에 빛이 가지고 있는 거의 대부분의 현상을 나타내는데, 파동으로서의 여러 성질들은 가시광선의 빛인 경우 파장이 작아서 보통의 경우에는 잘 나타나지 않는 반면 마이크로파의 경우에는 파장이 적당하여 실험실에서 그 효과를 쉽게 관측할 수 있다. 일반적으로 파동은 어떤 물리량이 주기적으로 변하면서 그 변화가 공간을 따라 전파되어 나가는 것을 말한다. 그 물리량이 기체의 압력일 때는 보통 소리라고 하는 음파가 되고, 평형위치에서 수면의 변위일 때는 수면파가 된다. 그 외에도 지진파, 줄의 진동 등이 있다. 보통 파동으로 되는 물리량은 서로 공간적으로 영향을 주고 받을 수 있어 유기적으로 연결되어 있어야 하고 또한 평형상태로 되돌아 가려고 하는 탄성이 있어야 한다. 자연현상에서는 여러 가지 종류의 파동이 있고, 그 전파모양이나 진동모양이 일정하지 않다. 그러나 어느 경우든지 파동이라 함은 은 물리량이 존재하고 있는 바탕으로 볼 수 있는 매질이 전파되어 나가는 것이 아니라, 그 매질의 성질이 전파되어 나가는 것이다. 전기장과 자기장의 경우도 한쪽의 변화가 다른 것을 변화시키고, 그 때문에 다시 자기자신이 변화되어 결국에는 공간에서 파동형태로 전파되게 된다. 이를 전자기파라한다. 이 파동은 특이하게 매질을 바탕으로 하여 전파되는 것이 아니라, 공간 그 자체를 바탕으로 하여 전파된다. 진공에서의 그 속도는 잘 알고 있는 대로 30만km/sec이다. 이 파의 파장에 따라 우리는 전파(장파, 중파, 초단파, 마이크로파 등), 빛(적외선, 가시광선, 자외선 등), X-선, γ-선 등 구분하여 부르는데 각각은 발생방법이 다르다. 그러나 이 모두는 전자기파로서의 공통적인 성질을 갖고 있다. 전파로서의 마이크로파는 파장이 극히 짧아서 많은 정보를 실어보낼 수 있기 때문에 위성통신, 정보통신등의 분야에 널리 쓰인다. 뿐만 아니라 마이크로파는 금속에서 잘 반사되고, 유리, 공기, 종이등에서는 잘 투과되나 수분을 포함하는 음식물 등에서는 흡수되어 발열을 하므로 이를 이용하여 음식을 가열하는데 쓴다. 지금은 가정에서도 많이 볼 수 있는 마이크로파 오븐(전자렌지)이 바로 물에 가장 잘 흡수되는 2.45GHz의 마이크로파를 이용한 조리기구이다. 보통 마이크로파를 발생시키는데는 진공관, 마그네트론 등을 이용한다. 본 실험에서는 건 다이오드(gunn giode)라 하는 마이크로파 발진 다이오드를 써서 미약한 신호를 발진시켜 이를 이용한다. 레이저의 경우처럼 특수한 경우가 있지만 보통의 광원은 결이 잘 맞아 있지 못할 뿐더러 파장도 일정하지 못하여 간섭이 잘 일어나지 않는다. 그러나 전자 회로를 통하여 발진되는 전파는 일반적으로 파장도 일정하고 또한 결이 잘 맞아 있어서 쉽게 간섭이 일어난다. 본 실험에서는 파장이 수 cm인 마이크로파를 이용하므로 간섭도 그 정도의 공간적인 차이에서 생기기 때문에 쉽게 정상파도 만들 수 있고, 또 그 정도의 간격을 갖는 그물망에서 편광이 되기도 한다.
	<반사, 굴절의 법칙> 평면파가 균일한 매질을 진행할 때는 진행 방향을 바꾸지 않고 직진을 하지만, 전파속도가 다른 매질의 경계면에 진입을 하면 진행 방향이 바뀌게 되고(굴절), 또한 그 경계면에서 부분적인 반사가 일어난다. 입사파의 진행 방향과 매질의 경계면, 굴절파의 진행 방향, 반사파의 진행방향 사이에는 간단한 관계가 성립한다. 즉 입사각과 반사각은 같다는 반사의 법칙, 입사각과 굴절각의 sine비는 각 매질에서의 파동의 전파속도의 비로 주어 진다는 것이다. 이는 파동의 일반적인 속성으로서 입자의 경우에는 반사의 법칙은 단순계일 때는 성립하지만 굴절의 법칙은 성립하지 않는다. 특히 굴절의 법칙은 전파속도의 비에 대해 반대로 성립하는 경향이 있어 역사적으로 빛이 파동의 성질을 가지고 있는 증거가 되기도 하였다. 입사각을 θ_i, 반사각을 θ_r, 굴절각을 t라 하고 파가 속도 v_i인 매질에서 v_t인 매질로 입사했을 때 두 법칙은 다음과 같이 표현된다. <식 1> <식 2>
	< 정상파 > 그림 1. 정상파. 그림의 오른편에서 왼편으로 입사하는 파동이 왼쪽에 있는 벽을 만나서 반사되어 나온다. 이때 반사되어 나오는 파는 입사파에 비하여 반대의 위상(180o)을 가지고 있다. 입사파와 반사파가 합성되어 오른편에 적혀 있는 시간별로 파가 진동을 한다.
	그림 1에서 보이는 것처럼 서로 반대로 움직이고 진폭이 거의 같은 두 파가 만나면 제자리에 머물면서 진동을 하게 된다. 이렇게 공간적으로 전파되지 않고 진동을 하는 파동을 정상파라 한다. 이때 진동을 하지 않고 언제나 그대로 있는 부분을 정상파의 마디(node), 진동을 최대로 하는 부분을 정상파의 배(antinode)라고 한다. 이렇게 정상파가 생기는 것은 한쪽으로 진행하는 파가 벽에 부디 쳐서 반사가 될 때 주로 일어나는데 반사될 때 위상의 변화에 따라 마디와 배가 생기는 위치가 다르다. 또한 반사되는 파가 일부 벽면에 흡수된다면 마디가 명확하게 형성되지 않아 약간 진동을 한다. 마디와 다음 마디사이의 거리는 파장의 반이다. <"정상음파 실험" 참조> 마이크로파는 금속에서 거의 완전히 반사되므로 정상파를 만들기 위해서 금속판이나 파장보다 간격이 작은 철망을 쓸 수 있다. (전자렌지의 앞문은 유리로 되어 안을 들여다 볼 수 있으나, 가는 철망이 유리 뒷편에 있어서 마이크로파는 내부로 반사되어 밖으로 잘 나오지 못한다.)

실험장치

(1) 마이크로파 송신기 : 건 다이오드(gunn diode)를 사용하는 본 장치는 약 15mW의 출력을 낸다. 보통의 학생 실험용 장치에서 발사되는 마이크로파는 진동수가 10.5GHz, 파장이 약 2.9cm이고 선형편광되어 있다. 전원공급장치가 따로 있어 잭을 통해서 전압을 공급한다. 건 다이오드는 공명상자속에서 마이크로파에 대한 비선형의 저항체로서의 역할을 하여 출력은 다이오드의 축방향으로 선형편광되어 있다. 이 다이오드는 나팔형태의 금속관 가운데에 놓여 있다.

(2) 마이크로파 수신기 : 마이크로파 송신기의 나팔관과 같은 모양의 금속관이 앞에 달려 있어 그로부터 발생된 마이크로파를 잘 받아들이게 되어 있다. 그리고 나팔관 속에는 역시 마이크로파에 감응하는 다이오드가 들어 있어서 거기에 나란한 방향의 선형편광된 것만 받아 들인다. 이렇게 입력된 파의 세기를 전류의 눈금으로 읽을 수 있다. 한편 본 수신기에는 감도를 조절할 수 있는 몇 단계의 스위치와 각 단계를 연속적으로 미세 조절할 수 있는 가변저항이 달려있다. 그리고 전원은 건전지를 사용하고 전원스위치는 감도조절용 스위치와 같이 되어 있다.

(3) 금속 반사판 : 금속판은 마이크로파에 대해 완벽한 거울이 된다. 파의 파장보다 작은 눈금의 그물망도 거울로 행동한다. 통신용 마이크로파 송신기나 수신기의 접시형 반사판이 그물망으로 된 것을 볼 수 있을 것이다.

(4) 프리즘 : 작은 스틸렌(styrene) 구슬 을 프리즘 형의 스티로폼에 담아서 쓴다.

(5) 각도측정장치, 금속 반사판, 프리즘, 회전판 등

실험방법
	<반사의 법칙> 그림 2. 반사의 법칙 실험 장치 구성. 금속 반사판(metal reflector)를 중심에 설치한다.
	(1) 그림 2처럼 실험기구를 배치한다. 이때 송신기와 수신기가 나란한 편광방향을 가져야 한다. 이는 송신기와 수신기를 마주보게 해놓고 수신기의 각도를 회전시켜보아 최대의 수신감도를 가진 방향으로 결정하면 된다. 금속반사판에 수직한 방향에 대하여 송신기의 방향이 이루는 각을 입사각, 수신기의 방향이 이루는 각을 반사각이라 하자. (2) 입사각을 20^o로 고정해 놓고, 반사각이 이루는 각을 0^o로부터 5^o 간격으로 90^o 까지 변화시키면서 수신기의 눈금을 기록한다. 결과를 그래프로 그린다. 반사의 법칙이 성립하는지를 검증하라. (3) 입사각을 5^o로고정하고 반사각을 연속적으로 변화 시키면서 수신기의 눈금을 읽어 최대값을 보이는 반사각을 1^o의 정밀도로 측정하라. 입사각을 5^o씩 증가시키면서 같은 측정을 하라. 입사각에 대한 최대 반사각을 그래프로 그리고 반사의 법칙이 성립하는지 여부를 알아보라.
	<굴절의 법칙> 그림 3. 굴절실험의 기구 배치. 중앙에 프리즘을 설치한다. (1) 그림 3처럼 기구를 배치한다. 먼저 프리즘 거푸집을 비운 채로 프리즘을 이리저리 돌려보아 파가 프리즘에 의해 흡수, 반사, 굴절되는지를 살펴본다. (2) 프리즘에 스틸렌 구슬을 채운다. (3) 프리즘의 한 면에 송신기를 수직으로 배치하고 수신기를 회전시켜 최대 수신감도의 각을 결정한다.(그림 4를 참고) 프리즘 내부에서 바깥으로 나가는 파의 입장에서 입사, 반사각을 결정하고 이로부터 프리즘을 형성하는 물질의 공기에 대한 상대굴절율을 결정하라. (4) 프리즘의 다른 면에 대해 (3) 실험을 되풀이 한다. 그림 4. 프리즘에 수직으로 입사한 파는 프리즘 내부에서 에서 공기중으로 입사각 i로 입사하여 굴절각 t로 나간다.
	<정상파를 이용한 파장 측정> (1) 그림 5 처럼 장치를 구성한다. 수신기의 감도조절은 전체 측정 범위에서 수신파가 제일 센 위치에서 전류계의 눈금의 움직임이 최대가 되도록 한다. (이렇게 하는 것이 측정에서의 정밀도를 높이는 일반적인 방법이다.) (2) 수신기는 반사판의 역할도 한다. 송신기와 수신기 사이에 공명상태가 되면 그 사이에서 마이크로파는 상당한 진폭을 가지고 진동을 할 것이다. 이 공명상태는 수신기의 전류눈금으로 측정할 수 있다. 수신기를 송신기로부터 멀어지게 이동시키면서 수신기의 눈금을 계속 적어준다. 이때 수신기의 감도는 고정시킨 채로 측정하여야 한다. (3) 송신기와 수신기사이의 거리와 측정 전류를 그래프로 그려서 최대값 사이의 평균 거리로부터 파장을 구한다. ( 파장 = 2 평균거리 ) 그림 5. 정상파를 이용한 파장 측정 실험장치의 구성. 송신기는 전원공급장치에 연결되어 있고, 수신기는 전원을 내장하고 있다.

마이크로파 기초 실험

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