개념 한 쪽
전자파 문항은 세 물음으로 압축된다 — 어느 쪽으로 에너지가 흐르는가(포인팅 벡터 E×H), 횡전자파(TEM)는 진행 방향 성분을 왜 갖지 않는가, 전계와 자계의 위상은 어떤 관계인가. 마지막은 두 갈래로 갈라진다 — 자유공간 평면파에서는 동상, 변위전류가 유도하는 자계는 변위전류보다 90도 뒤진다.
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출제기준 단원 「전자파」의 공개 문제 5개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 진행·에너지 방향 | 2 | 포인팅 벡터 E×H 방향 고르기 |
| TEM 성질 | 1 | 진행 방향 성분의 유무 판정 |
| 전계·자계 위상 | 1 | 자유공간 평면파의 동상 판정 |
| 변위전류 위상 | 1 | 유도 자계의 90도 지상 여부 |
가장 자주 묻는 것은 진행·에너지 방향입니다.
전자파는 전계 E와 자계 H가 서로 수직으로 진동하면서 공간을 나아가는 파동이다. 두 벡터와 진행 방향은 오른손 법칙에 따른 직교좌표계를 이루고, 에너지가 흘러가는 쪽은 포인팅 벡터 S = E×H가 가리킨다. 그래서 진행·에너지 전달 방향을 묻는 보기의 정답은 E×H이고, 전계 E의 방향·자계 H의 방향·∇×E의 방향은 모두 오답으로 깔려 있다.
자유공간을 나아가는 평면파는 횡전자파(TEM)다. 나아가는 방향 성분을 전계도 자계도 갖지 않고, 둘 다 그 방향에 수직인 평면 안에 놓인다 — 동축케이블 속의 파동이 대표 예다. 「진행 방향에 E성분만 존재한다」「H성분만 존재한다」 같은 보기는 이 성질을 어긴 것으로, 둘 다 없다는 보기가 정답이 된다.
위상 관계는 상황별로 정리해야 한다. 무손실 매질인 자유공간의 평면파에서 E와 H는 서로 동상이다 — 동시에 최대·최소가 된다. 90도 앞선다·뒤진다·45도 빠르다는 보기는 이 물음의 오답. 한편 변위전류 i_d = ε ∂E/∂t가 만드는 자계(전자파)는 시간 적분 관계를 거쳐 생기므로 변위전류보다 위상이 90도 늦어진다 — 같은 「90도」라도 앞서느냐 뒤서느냐를 바꿔 놓은 보기가 함정이다.
① 방향: S = E×H(오른손 법칙) — E·H·진행 방향 서로 수직. ② TEM: 진행 방향 성분은 E·H 모두 없음. ③ 자유공간 평면파: E와 H 동상. ④ 변위전류 → 자계: 90도 지상(뒤짐).
전자파의 에너지 전달방향은?
정답 ② · 전자파의 에너지 전달 방향은 포인팅 벡터(Poynting vector) 로 주어지며, 그 방향이 곧 에너지가 전파되는 방향이다. **오답 소거**: 의 방향은 패러데이 법칙에서 시간변화 자속과 관련된 벡터로, 에너지 전달 방향이 아니다.
전자파의 에너지 전달방향은 포인팅 벡터 S=E×H의 방향으로, E·H 각각과는 수직이다.
횡전자파(TEM)의 특성은?
정답 ② · TEM파(횡전자파)는 전파(진행) 방향으로 전계 와 자계 성분이 모두 존재하지 않고, 와 가 모두 진행방향에 수직인 평면 내에 있는 파동이다. 자유공간을 진행하는 평면파, 동축케이블 내의 파동 등이 대표적 TEM파이다.
TEM파는 진행 방향에 E, H 성분이 모두 없고 둘 다 진행방향에 수직인 평면 내에 있는 파동이다.
자유공간 내의 전자파의 진행에서 전계와 자계의 시간적인 위상 관계는?
정답 ① · 자유공간(무손실 매질)에서 진행하는 평면 전자파의 경우, 전계 와 자계 는 서로 수직이면서 진행 방향에도 수직이며, 시간적으로는 위상이 서로 같다(동상, in phase). 즉 와 가 동시에 최대·최소가 된다.
자유공간(무손실) 평면파는 전계와 자계가 시간적으로 동상, 즉 위상차 0°이다.
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