파동이란? 

 

 

파동은 무엇인가?

 

일반적으로 파동은 어떤 물리량이 주기적으로 변하면서 그 변화가 공간을 따라 전파되어 나가는 것을 말한다.

그 물리량이 기체의 압력일 때는 보통 소리라고 하는 음파가 되고, 평형위치에 대한 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 물리량이 존재하고 있는 바탕으로 볼 수 있는 매질 자체가 전파되어 나가는 것이 아니라, 그 매질의 성질이 전파되어 나가는 것이다.

 

 


파동은 어떤것이 있는가?

줄의 파동

 

팽팽하게 당겨진 줄이 그 평형위치에서 변위된 정도가 줄을 타고 전파되는 파동이다. 기타, 바이올린 등 현악기는 줄의 파동이 음파를 만들어 내게 된다.

 

 

음파

 

음파는 매질을 구성하는 분자 등의 진동이 전파되는 파동으로서 파의 진행방향으로 압축되었다가 팽창하면서 전파된다. 이 음파는 공기중으로 전파되어 우리 귀로 들을 수 있다.

 

 

 

 

그림은 금속 관위에 작은 촛불을 켜서 일렬로 늘어 놓은 것이다. 관 내부에 정상파를 형성시키면 관의 진동이 초를 흔들어 진동이 큰 지역에서는 촛불이 어두워 지게 된다. 이 불꽃의 형태는 바로 관 내부에서 형성되는 음파의 정상의 모습을 시각적으로 보여준다.

 

막의 파동

 

고무막을 가장자리들을 팽팽하게 당겨서 그 막의 일부분을 튕겨주면 변형된 모습이 사방으로 전파된다. 이는 줄의 파동이 2차원으로 확장된 것으로 이해할 수 있다. 이 파동의 공명을 이용한 북 등 타악기가 있다.

 

 

수면파

 

호수나 바다의 수면이 진동하면서 그 진동하는 양상이 주변으로 전파되는 파동으로 탄성에 의한 복원력의 종류에 따라 표면장력파, 중력에의한 파 등이 있다.

 

 

전자기파

 

전기장의 요동이 자기장을 만들거나 변화시키고, 또한 자기장의 요동이 전기장을 만들거나 변화시키다. 그 전기장이나 자기장의 변화는 다시 자기자신의 변화를 유발하게 되어 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, -선 등 구분하여 부르는데 그것이 생겨나는 원리가 다르다. 그러나 이 모두는 전자기파로서의 공통적인 성질을 갖고 있다.

 

 

마이크로파

 

전자기파로서의 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.

 

 

 

빛도 전자기파의 일종이다. 그러나 보통 전파라고 하는 영역의 전자기파는 전자공학의 회로구성을 통하여 발생시킬 수가 있는데 비하여 빛은 원자 혹은 분자의 전자전이에 의하여 발생되고 또한 이들에 의하여 흡수된다. 따라서 이는 생명체의 생체 화학적인 과정에 의하여 우리가 빛을 인식하기때문에 보통의 전자기파와 구별한다. 레이저의 경우처럼 특수한 경우가 있지만 보통의 광원은 결이 잘 맞아 있지 못할 뿐더러 파장도 일정하지 못하여 간섭이 잘 일어나지 않는다.

 

 

파동의 분류

물리량에 따라

 

위치, 변위, 압력 - 줄의 진동, 수면파, 지진파, 음파

전기장, 자기장 - 빛

중력장 - 중력파

 

 

변위량의 수학적 성질에 따라

 

스칼라파 - 음파(음압의 변화로 볼 때), 온도파

벡터파 - 대부분의 파동

텐서파 - 중력파

 

 

벡터의 방향에 따라 (종파와 횡파)

 

 

용수철의 파동의 예
 

 

 


위 그림은 용수철을 진동시켰을 때 형성되는 파동의 모습을 보여주고 있다. 위의 것은 용수철을 좌우로 흔들어 주었을 때 그 좌우의 진동이 오른쪽으로 전파되는 것을, 아래 그림은 용수철을 아래위로 흔들었을 때 그것이 오른쪽으로 전파되는 것을 보여주고 있다. 위의 경우처럼 파의 진행방향과 진동방향이 나란한 경우를 종파라 한다. 한편 아래의 경우처럼 두 방향이 수직일 때를 횡파라 한다. 경우에 따라 두 진동이 조합되어 횡파나 종파라고 말할 수 없는 경우도 있다.(약 10초 마다 다른 파장의 파가 만들어진다. 실제의 용수철로 다른 파장을 만들기 위해서는 왼쪽 끝을 진동시키는 진동수를 달리 하면 될 것이다)

파가 존재하지 않는 경우는 일직선으로 용수철의 늘어져 있으면서 나선으로 감겨있는 그 간격이 일정한 평형상태라고 할 수 있다. 종파의 경우 이 평형상태에서 좌우로 벗어나게 되는데 이 거리를 변위라고 한다. 횡파에서는 이 변위의 방향이 아래위, 즉 세로 방향이 된다.  용수철의 종파는 감겨있는 정도가 촘촘해졌다가 듬성듬성해졌다가 하는 양상이 번져나가는 것이어서 소밀파의 한 종류가 된다. 그러나 횡파의 경우는 겉으로 보기에 그 높낮이가 전파되는 것이어서 고저파의 일종이다.

 

 

종파 - 음파, 지진파

횡파 - 줄의 진동, 수면파, 지진파, 빛