자기장과 전기장, 전자기파

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자기장과 전기장은 전자기학에서 매우 중요한 개념으로, 각각 전하와 전류에 의해 발생하며 상호작용을 통해 전자기파를 형성한다. 이 두 장의 기본적인 특성과 차이점을 살펴보자.

전기장(Electric Field)

정의

전기장은 전하에 의해 생성되며, 전하 주위 공간에서 다른 전하에 힘을 작용하는 영역을 말한다. 전기장은 벡터량으로, 방향과 크기를 가진다. 전기장은 다른 전하에 전기력을 작용하여 그 전하를 이동시키거나 정지시킬 수 있다.

생성 원리

전기장은 정전기 전하에 의해 발생한다. 전기장의 세기는 전하의 크기와 그 전하로부터의 거리의 제곱에 반비례한다.

단위

전기장의 단위는 볼트/미터(V/m)이다.

전기장의 특징

• 전하와의 관계: 전기장은 정전기 전하에 의해 생성되며, 그 전하의 주위에 방사형으로 퍼져나간다.
• 쿨롱의 법칙: 전기력은 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례하며, 전하의 곱에 비례한다.

 

자기장(Magnetic Field)

정의

자기장은 전류 또는 이동하는 전하에 의해 생성되며, 자기력의 작용을 설명하는 벡터장을 말한다. 자기장은 움직이는 전하나 자석에 의해 생성된 공간의 물리적 장이다. 자기장은 다른 자석이나 전류에 자기력을 작용하여 방향을 바꾸거나 회전시키는 작용을 한다.

 

생성 원리

자기장은 이동하는 전하나 전류에 의해 생성된다. 또한, 변하는 전기장에 의해서도 자기장이 발생할 수 있다.

단위

자기장의 단위는 테슬라(T)이다.

자기장의 특징

• 전류와의 관계: 자기장은 이동하는 전하(전류)에 의해 생성되며, 전류 주위에 원형으로 형성된다.
• 암페어의 법칙: 자기장의 세기는 전류의 크기에 비례하며, 거리의 역에 반비례한다.

전기장과 자기장의 상호작용

맥스웰 방정식

전기장과 자기장은 상호작용하여 전자기파를 형성한다. 제임스 클러크 맥스웰은 전기장과 자기장의 관계를 설명하는 맥스웰 방정식을 제시하였다. 맥스웰 방정식은 다음과 같은 네 가지 방정식으로 구성된다:

1. 가우스의 법칙 (전기): 전기장은 전하에 의해 발생한다.
2. 가우스의 법칙 (자기): 자기장은 닫힌 선을 이루며, 자기 단극자는 존재하지 않는다.
3. 패러데이 법칙: 시간에 따라 변하는 자기장은 전기장을 유도한다.
4. 암페어-맥스웰 법칙: 시간에 따라 변하는 전기장은 자기장을 유도한다.

  변화하는 전기장은 자기장을 유도하고, 변화하는 자기장은 전기장을 유도한다.

전자기파

변하는 전기장과 자기장은 서로를 유도하여 전자기파를 생성한다. 전자기파는 빛을 포함한 다양한 형태의 파동으로, 전기장과 자기장이 서로 수직으로 진동하면서 공간을 통해 전파된다.

결론

전기장과 자기장은 각각 전하와 전류에 의해 생성되며, 서로 상호작용하여 전자기파를 형성한다.

 

 

* 전하

전하(Electric Charge)는 물리학에서 기본적인 속성 중 하나로, 물체가 전자기적 상호작용을 할 수 있게 하는 물리량이다. 전하는 두 종류, 즉 양전하와 음전하로 나뉘며, 전하 간의 상호작용은 전기력과 자기력을 형성한다. 전하의 개념과 특성은 다음과 같다.

전하의 기본 개념

전하의 종류

• 양전하 (Positive Charge): 양성자와 같은 입자가 가지는 전하. 양전하는 전기장 내에서 전기력선이 바깥쪽으로 나가는 성질을 가진다.
• 음전하 (Negative Charge): 전자와 같은 입자가 가지는 전하. 음전하는 전기장 내에서 전기력선이 안쪽으로 들어가는 성질을 가진다.

전하의 특성

• 보존 법칙: 전하는 생성되거나 소멸되지 않으며, 고립된 시스템 내에서 총 전하의 양은 일정하다. 이는 전하 보존 법칙에 따른다.
• 쿨롱의 법칙: 두 전하 사이의 힘은 전하의 곱에 비례하고, 그 사이 거리의 제곱에 반비례한다. 이는 전하 사이의 전기력을 설명한다.

전하의 단위

전하의 단위는 쿨롱(Coulomb, C)이다. 1 쿨롱은 약 6.242×10186.242 \times 10^{18}6.242×1018개의 전자 또는 양성자의 전하량에 해당한다. 기본 전하의 단위는 전자 한 개의 전하량으로, 이를 기본 전하량 또는 소립자 전하량이라고 한다. 이는 약 1.602×10−191.602 \times 10^{-19}1.602×10−19 쿨롱이다.

전하의 측정

전하의 크기를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 가장 일반적인 방법 중 하나는 전기력을 이용하는 것이다. 정전기 전하를 측정할 때는 전기력계를 사용하며, 움직이는 전하를 측정할 때는 전류계를 사용한다.

 

양성자와 전자

양성자와 전자는 원자의 기본 구성 입자로, 각각 양전하와 음전하를 가진다. 이 두 입자의 구조와 특성을 자세히 살펴보자.

양성자(Proton)

구조

양성자는 원자핵을 구성하는 입자로, 양전하를 가지고 있다. 양성자는 세 개의 쿼크로 구성된 하드론이다.

• 쿼크 구성: 양성자는 두 개의 업 쿼크(up quark)와 한 개의 다운 쿼크(down quark)로 구성되어 있다. 업 쿼크는 +2/3의 전하를, 다운 쿼크는 -1/3의 전하를 가진다. 따라서 양성자의 총 전하는 +1+1+1이다.
• 글루온: 쿼크들 사이에는 강한 상호작용을 매개하는 입자인 글루온이 존재하여 쿼크들을 결합시킨다.

특성

• 전하: 양성자는 +1의 전하를 가진다.
• 질량: 양성자의 질량은 약 1.67×10−271.67 \times 10^{-27}1.67×10−27 kg으로, 이는 전자의 약 1836배에 해당한다.
• 위치: 양성자는 원자핵 내에 위치하며, 원자 번호에 해당하는 수의 양성자를 포함한다.

전자(Electron)

구조

전자는 기본 입자로, 더 이상 쪼개질 수 없는 소립자로 간주된다.

• 입자 물리학: 전자는 기본 입자 표준 모형에서 렙톤(lepton) 계열에 속한다.
• 스핀: 전자는 스핀 1/2을 가지며, 페르미온으로 분류된다.

특성

• 전하: 전자는 -1의 전하를 가진다.
• 질량: 전자의 질량은 약 9.11×10−319.11 \times 10^{-31}9.11×10−31 kg으로, 이는 양성자의 질량에 비해 매우 작다.
• 위치: 전자는 원자핵 주위를 전자 궤도를 따라 움직이며, 원자의 화학적 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.

양성자와 전자의 상호작용

• 전기적 상호작용: 양성자와 전자는 서로 반대 전하를 가지고 있어 전기적 인력으로 결합하려는 경향이 있다. 이는 원자의 전자기적 구조의 기초가 된다.
• 원자 구조: 원자는 양성자로 구성된 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이루어져 있다. 전자의 배치는 원자의 화학적 특성을 결정하며, 전자껍질 모델로 설명된다.

 

 

 

원자핵(Nucleus)

구성 요소

1. 양성자(Proton):
   • 전하: 양전하를 가지며, 원자핵의 전기적 특성을 결정한다.
   • 질량: 약 1.67×10−271.67 \times 10^{-27}1.67×10−27 kg로, 원자핵의 질량 대부분을 차지한다.
   • 쿼크 구조: 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크로 구성된다​ (Wikipedia)​.
2. 중성자(Neutron):
   • 전하: 전하가 없으며, 전기적으로 중성이다.
   • 질량: 약 1.675×10−271.675 \times 10^{-27}1.675×10−27 kg로, 양성자와 거의 동일하다.
   • 쿼크 구조: 두 개의 다운 쿼크와 한 개의 업 쿼크로 구성된다​ (Wikipedia)​.

강한 핵력

양성자와 중성자는 강한 핵력으로 결합되어 원자핵을 형성한다. 이 힘은 매우 강하지만 짧은 범위에서 작용하며, 양성자 간의 전기적 반발력을 극복하고 원자핵을 안정시키는 역할을 한다​ (Encyclopedia Britannica)​.

원자핵의 역할

• 원자 번호: 원자핵의 양성자 수는 원자 번호를 결정하며, 이는 원소의 정체성을 정의한다. 예를 들어, 수소 원자는 하나의 양성자를 가지며, 헬륨 원자는 두 개의 양성자를 가진다.
• 질량 수: 원자핵의 양성자 수와 중성자 수를 합한 값은 질량 수로, 원자의 질량 대부분을 차지한다.

아이소토프

원자핵의 중성자 수는 같은 원소라도 다를 수 있다. 이런 경우를 아이소토프라고 한다. 예를 들어, 탄소의 일반적인 형태는 6개의 양성자와 6개의 중성자를 가지지만, 탄소-14는 6개의 양성자와 8개의 중성자를 가진다​ (Encyclopedia Britannica)​.

 

 

생물학적 비유: 동물의 유전자가 네 가지 염기(G, A, T, C)로 구성되어 서로 다른 생명체를 만드는 것처럼, 양성자와 중성자의 수와 배열에 따라 다양한 원소가 형성된다.

 

전자기파

가시광선도 전자기파의 일종이다. 가시광선은 전자기 스펙트럼에서 인간의 눈이 감지할 수 있는 범위에 있는 전자기파이다. 

우리가 보는 빛(가시광선)도 전자기파이므로 전자기파의 속성은 빛의 속성을 통해서도  이해할 수 있다.

전자기파와 빛의 전파

전자기파와 빛은 공간을 통해 에너지를 전달하는 파동으로, 기본적인 전파 원리가 동일하다. 주요 특징과 원리는 다음과 같다:

1. 파동의 성질: 전자기파는 전기장과 자기장이 서로 수직으로 진동하며, 이 두 장도 파동의 전파 방향에 대해 수직이다. 빛도 이러한 전자기파의 특성을 가진다.
2. 진공에서의 속도: 전자기파는 진공에서 빛의 속도로 전파된다. 이는 약 299,792,458 m/s로, 모든 주파수의 전자기파에 동일하게 적용된다.
3. 파장과 주파수: 전자기파는 다양한 파장과 주파수를 가질 수 있으며, 이로 인해 서로 다른 형태의 전자기파가 존재한다. 가시광선도 특정 파장 범위 내의 전자기파로, 각각의 색은 특정 주파수와 파장을 갖는다.
4. 에너지 전달: 전자기파는 에너지를 전달하는 역할을 한다. 빛이 에너지를 전달하는 방식도 동일하다. 예를 들어, 태양빛은 지구에 에너지를 전달하여 생명체의 에너지원을 제공한다.

 

주파수와 파장

주파수와 파장은 전자기파의 두 가지 중요한 특성으로, 서로 밀접하게 관련되어 있지만 다른 개념이다. 이 둘을 이해하는 것은 전자기파를 이해하는 데 매우 중요하다.

주파수 (Frequency)

• 정의: 주파수는 파동이 1초 동안 몇 번 진동하는지를 나타내는 값이다. 주파수의 단위는 헤르츠(Hz)이다.
• 표현: 주파수는 초당 진동 수를 나타내며, 1 Hz는 1초에 한 번 진동하는 것을 의미한다.

 

파장 (Wavelength)

• 정의: 파장은 파동의 한 주기가 공간적으로 얼마나 떨어져 있는지를 나타내는 거리이다. 파장의 단위는 미터(m)이다.
• 표현: 파장은 파동의 두 같은 점(예: 두 개의 연속적인 파동 꼭짓점) 사이의 거리를 나타낸다.

 

주파수와 파장의 관계

주파수와 파장은 서로 반비례 관계에 있다. 즉, 주파수가 높으면 파장은 짧아지고, 주파수가 낮으면 파장은 길어진다. 이는 위의 식에서 알 수 있듯이 파장과 주파수가 모두 파동의 속도와 관련이 있기 때문이다. 전자기파의 경우, 진공에서의 속도는 빛의 속도로 일정하다. 약 299,792,458 m/s이다

예시를 통한 이해

1. 가시광선: 가시광선의 파장은 약 400nm(보라색)에서 700nm(빨강색) 사이이다. ( 789 THz~400 THz ) 파장이 짧은 보라색 빛은 주파수가 높고, 파장이 긴 빨강색 빛은 주파수가 낮다.
2. 라디오파: 라디오파는 매우 긴 파장을 가지며, 주파수는 상대적으로 낮다. 예를 들어, FM 라디오 주파수는 약 88 MHz에서 108 MHz 사이이며, 이 주파수에 해당하는 파장은 몇 미터에 달한다.
3. 엑스선: 엑스선은 매우 짧은 파장을 가지며, 주파수는 매우 높다. 엑스선의 파장은 나노미터(nm) 단위로 측정되며, 이는 고주파수 대역에 속한다.

요약

주파수와 파장은 전자기파의 중요한 특성으로, 서로 반비례 관계에 있다. 주파수는 파동이 1초 동안 몇 번 진동하는지를 나타내며, 파장은 파동의 한 주기가 공간적으로 얼마나 떨어져 있는지를 나타낸다. 이 둘의 관계는 파동의 속도에 의해 결정되며, 전자기파의 경우 진공에서 빛의 속도로 일정하다. 주파수와 파장을 이해하면 전자기파의 다양한 특성을 더 잘 이해할 수 있다.

 

 

인간은 전자기파를 어떻게 만들어 내는가? 

인간은 다양한 방법으로 전자기파를 생성할 수 있다. 전자기파를 생성하는 기본 원리는 전하의 가속 또는 진동이다. 이를 위해 여러 기술과 장치가 사용된다.

1. 안테나를 통한 전자기파 생성

안테나는 전자기파를 생성하고 방출하는 데 널리 사용되는 장치이다. 안테나는 다음과 같은 방법으로 전자기파를 생성한다:

• 교류 전류 (AC): 안테나에 교류 전류가 흐를 때 전류가 시간에 따라 진동하며, 이 진동하는 전류는 전기장과 자기장을 생성한다. 이 전기장과 자기장은 공간을 통해 전파되면서 전자기파를 형성한다.
• 다이폴 안테나: 가장 간단한 형태의 안테나로, 두 개의 금속 막대로 구성된다. 교류 전류가 막대들을 통해 흐르면 막대 주위에 전기장이 형성되고, 이 전기장이 변화하면서 자기장이 유도되어 전자기파가 방출된다.

2. 발진기 (Oscillator)를 통한 전자기파 생성

발진기는 특정 주파수의 전자기파를 생성하는 데 사용되는 전자 장치이다. 발진기는 다음과 같은 원리로 작동한다:

• LC 회로: 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 회로에서, 전류와 전압이 서로 진동하면서 특정 주파수의 전자기파를 생성한다.
• 크리스털 발진기: 석영 크리스털을 이용하여 매우 정확한 주파수의 전자기파를 생성할 수 있다. 이는 주로 통신 기기, 시계 등에서 사용된다.

3. 전자기 유도

전자기 유도는 변화하는 자기장이 전기장을 유도하여 전류를 생성하는 현상이다. 이를 이용해 전자기파를 생성할 수 있다:

• 변압기: 변압기는 전자기 유도를 이용하여 전압을 변환한다. 1차 코일에 흐르는 교류 전류가 자기장을 생성하고, 이 자기장이 2차 코일에 전기장을 유도하여 전류를 흐르게 한다.
• 마이크로파 발생기: 마이크로파 오븐에서 사용되는 마그네트론은 전자기 유도를 통해 마이크로파를 생성한다.

4. 레이저

레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)는 특정 파장의 전자기파를 매우 집중된 형태로 생성하는 장치이다. 레이저는 다음과 같은 원리로 작동한다:

• 자극 방출: 특정 에너지 상태에 있는 전자가 낮은 에너지 상태로 전환될 때 빛(광자)을 방출한다. 이 광자는 다른 전자에게 영향을 미쳐 동일한 파장과 위상의 광자를 방출하게 한다. 이러한 과정이 반복되면서 강한 빛이 생성된다.
• 공진기: 레이저는 두 개의 거울로 구성된 공진기를 통해 빛을 반사시켜 증폭시키고, 특정 방향으로 빛을 방출한다.

5. 천연 전자기파 발생기

인간이 의도적으로 생성하지는 않지만 자연적으로 발생하는 전자기파도 있다:

• 번개: 번개는 대기 중에서 강력한 전기적 방전으로 인해 강력한 전자기파를 발생시킨다.
• 태양 방사: 태양은 매우 넓은 스펙트럼의 전자기파를 방출하며, 이는 지구에 도달해 다양한 영향을 미친다.

 

전자기파와 음파, 물결파와의 비교

전자기파의 본질을 이해하는 데 도움을 주기 위해, 다른 파동의 예시와 비교하여 설명해보겠다. 음파와 물결파는 전자기파와 공통점이 있지만, 본질적인 차이도 있다.

음파와 물결파 비교

1. 음파:
   • 매질: 음파는 공기, 물, 고체와 같은 매질을 통해 전파된다. 음파는 매질의 입자들이 압축과 팽창을 반복하면서 에너지를 전달한다.
   • 종파: 음파는 종파로, 입자의 진동 방향이 파동의 진행 방향과 평행하다.
   • 예: 소리가 공기를 통해 우리의 귀로 전달되는 과정.
2. 물결파:
   • 매질: 물결파는 물과 같은 매질을 통해 전파된다. 물결파는 매질의 표면에서 위아래로 진동하면서 에너지를 전달한다.
   • 횡파: 물결파는 횡파로, 매질의 진동 방향이 파동의 진행 방향과 수직이다.
   • 예: 물속에서 돌을 던졌을 때 생기는 물결.

전자기파

• 매질 없음: 전자기파는 진공을 포함하여 어떤 매질 없이도 전파될 수 있다. 이는 음파나 물결파와의 큰 차이점이다.
• 횡파: 전자기파는 횡파로, 전기장과 자기장이 서로 수직으로 진동하며 파동의 진행 방향과도 수직이다.
• 전기장과 자기장의 상호작용: 전자기파는 변화하는 전기장이 자기장을 유도하고, 변화하는 자기장이 다시 전기장을 유도하는 방식으로 전파된다. 이 과정이 계속 반복되며 파동이 전파된다.

 

 

우리 주변의 전기장과 자기장

 

전기장의 가장 흔한 예는 풍선을 머리카락에 문질렀을 때의 정전기이다. 머리카락에 비해 풍선의 고무는 전자를 잘 받아들이는  성질이 있어 머리카락의 전자가 마찰에 의해 고무로 이동한다. 그러면 고무풍선은 음전하를 띠고 머리카락은 양전하를 띠게 된다. 고무풍선과 머리키락은 서로를 잡아당긴다. 이것이 우리가 일생에서 쉽게 볼 수 있는 전기장이다.  양전하를 띠고 있는 풍선은 머리카락 뿐 아니라 중성인 벽에도 붙으려는 힘을 갖는데 그 이유는 고무풍선이 벽에 가까이 갈때 음전하를 띠고 있는 풍선이 벽의 전자들을 밀어내서 전자들이 밀려나고  벽의 양성자를 끌어당기기 때문이다.  마치 자석이 다르극 뿐 아니라 쇠붙이에는 다 붙는것과 비슷한 현상이다.

자기장은 말그대로 자석 주위의 자성이다.

 

 

인간은 모든 주파수대역의  전자기파를 모두 발생시킬 수 있는가? 

인간이 전자기파를 발생시킬 수 있는 주파수 대역은 매우 넓지만, 모든 주파수 대역을 실제로 생성하는 것은 기술적, 경제적, 물리적 한계가 있다. 다음은 인간이 발생시킬 수 있는 다양한 주파수 대역과 그 방법들을 설명한 것이다.

전자기파의 주파수 대역

전자기파는 주파수에 따라 다양한 형태로 나뉜다. 각 주파수 대역은 특정한 발생 방법과 응용 분야가 있다.

1. 라디오파 (RF, Radio Frequency)
   • 주파수 범위: 약 3 kHz ~ 300 GHz
   • 발생 방법: 오실레이터, 안테나, 송신기
   • 응용 분야: 라디오 방송, 텔레비전 방송, 무선 통신, 레이더
2. 마이크로파 (Microwave)
   • 주파수 범위: 약 300 MHz ~ 300 GHz
   • 발생 방법: 마그네트론, 클라이스트론, 트랜지스터
   • 응용 분야: 레이더, 위성 통신, 마이크로파 오븐
3. 적외선 (Infrared)
   • 주파수 범위: 약 300 GHz ~ 430 THz
   • 발생 방법: 발열체, 적외선 LED, 적외선 레이저
   • 응용 분야: 적외선 카메라, 원격 제어, 열 감지기
4. 가시광선 (Visible Light)
   • 주파수 범위: 약 430 THz ~ 770 THz
   • 발생 방법: LED, 레이저, 백열등, 형광등
   • 응용 분야: 조명, 디스플레이, 광통신
5. 자외선 (Ultraviolet)
   • 주파수 범위: 약 770 THz ~ 30 PHz
   • 발생 방법: 자외선 램프, 자외선 LED, 레이저
   • 응용 분야: 살균, 형광 분석, UV 경화
6. 엑스선 (X-rays)
   • 주파수 범위: 약 30 PHz ~ 30 EHz
   • 발생 방법: 엑스선 튜브, 싱크로트론
   • 응용 분야: 의료 영상, 비파괴 검사, 결정보
7. 감마선 (Gamma Rays)
   • 주파수 범위: 약 30 EHz 이상
   • 발생 방법: 방사성 동위원소, 입자 가속기
   • 응용 분야: 방사선 치료, 천문학 연구, 방사선 측정

발생 방법과 한계

인간은 다양한 방법으로 전자기파를 발생시킬 수 있지만, 각 대역마다 특정 기술과 장비가 필요하며, 일부 주파수 대역은 기술적, 경제적, 안전성 측면에서 발생시키기 어렵다.

1. 기술적 한계:
   • 고주파 발생: 주파수가 높아질수록 전자기파 발생 장비의 제작이 어려워진다. 특히 엑스선과 감마선 영역에서는 고에너지 입자를 이용해야 하며, 이는 고도의 기술과 안전한 환경이 필요하다.
   • 저주파 발생: 매우 낮은 주파수(예: ELF, 초장파) 대역에서는 거대한 안테나와 많은 전력이 필요하며, 이는 실용적이지 않을 수 있다.
2. 경제적 한계:
   • 고주파 및 고에너지 전자기파 발생 장비는 매우 고가이다. 예를 들어, 엑스선 발생 장비나 입자 가속기는 수백만 달러에 이를 수 있다.
   • 특정 응용 분야에만 사용되는 장비는 대중화되기 어려우며, 비용 효율적이지 않을 수 있다.
3. 안전성 한계:
   • 고에너지 전자기파는 생체에 해로울 수 있다. 엑스선과 감마선은 방사선으로, 생체 조직에 손상을 줄 수 있어 특별한 보호 장치와 안전 절차가 필요하다.
   • 이러한 안전 문제로 인해 모든 주파수 대역의 전자기파를 일상적으로 발생시키는 것은 제한적이다.

요약

인간은 다양한 주파수 대역의 전자기파를 발생시킬 수 있지만, 모든 주파수 대역을 발생시키는 것은 기술적, 경제적, 안전성 측면에서 어려움이 있다. 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선 등은 일상적으로 쉽게 발생시킬 수 있지만, 엑스선과 감마선과 같은 고에너지 전자기파는 전문적인 장비와 안전 절차가 필요하다.

 

 

 

전자기파 중 저주파는 어디에 사용되는가?

 전자기파 중 저주파(Extremely Low Frequency, ELF 및 Very Low Frequency, VLF) 대역은 주파수가 낮고 파장이 길기 때문에 특수한 용도로 사용된다. 저주파 전자기파의 발생과 활용에는 여러 가지 중요한 응용이 있다. 여기서는 주요 응용 분야를 설명하겠다.

주요 응용 분야

1. 잠수함 통신
   • ELF 및 VLF 대역: 잠수함 통신에 주로 사용되는 주파수 대역은 ELF (3Hz ~ 30Hz)와 VLF (3kHz ~ 30kHz)이다.
   • 특징: 저주파 전자기파는 매우 긴 파장을 가지며, 물 속을 깊이 침투할 수 있어 잠수함과의 장거리 통신에 적합하다.
   • 장점: 긴 파장은 수백 미터에서 수천 미터 깊이의 물을 통과할 수 있어, 잠수함이 수면 위로 떠오르지 않고도 지상 기지와 통신할 수 있다.
2. 지구 물리학 및 지구 탐사
   • 지구 자기장 연구: 저주파 전자기파는 지구의 자연 자기장을 연구하는 데 사용된다.
   • 자원 탐사: 지하 자원의 탐사, 특히 광물과 석유의 탐사에 저주파 전자기파를 사용하여 지질 구조를 분석한다.
   • 지진 예측: 저주파 전자기파를 이용하여 지진 발생 전에 나타나는 지구 자기장의 변화를 감지하는 연구가 진행 중이다.
3. 의료 및 생체 연구
   • 의료 영상: 저주파 전자기파는 MRI(Magnetic Resonance Imaging)에서 사용되며, 주로 매우 낮은 주파수의 자기장을 사용하여 인체 내부 이미지를 생성한다.
   • 생체 신호 연구: 뇌파(EEG)와 심전도(ECG)와 같은 생체 신호는 저주파 전자기파의 특성을 이용하여 측정된다.
4. 전력 시스템
   • 전력 품질 분석: 전력 시스템에서 발생하는 고조파와 같은 문제를 분석하기 위해 저주파 전자기파를 사용한다.
5. 항공 및 해상 항법
   • VLF 항법: 항공기와 선박의 항법 시스템은 VLF 주파수 대역을 이용하여 위치와 항로를 결정하는 데 사용된다.
   • LORAN 시스템: Long Range Navigation (LORAN) 시스템은 VLF 대역을 이용하여 장거리 항법 정보를 제공한다.

저주파 전자기파의 특성

1. 긴 파장: 저주파 전자기파는 긴 파장을 가지며, 이는 깊은 물속이나 지구 대기를 통과하는 데 유리하다.
2. 낮은 에너지: 저주파 전자기파는 에너지가 낮아 인체와 환경에 미치는 영향이 비교적 적다.
3. 깊은 침투력: 물, 지반 등의 매질을 깊이 통과할 수 있어 특수한 통신 및 탐사 용도로 유용하다.

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엑스선 감마선과 같이 파장이 짧은 선은 왜 강력한 힘 또는 방사선과 같은 치명적 특성을 지니는가?

1. 이온화 능력:
   • 엑스선과 감마선은 물질을 이온화시킬 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있다. 이는 물질의 원자나 분자에서 전자를 제거하여 이온을 생성하는 능력이다. 이온화 방사선은 생체 분자(예: DNA)에 손상을 줄 수 있으며, 이는 돌연변이, 세포 사멸, 암 발생 등의 원인이 된다.
2. 투과력:
   • 엑스선과 감마선은 대부분의 물질을 투과할 수 있는 높은 투과력을 지닌다. 이는 신체 내부를 조사하거나 깊숙한 조직까지 도달할 수 있어 의료 영상(엑스선 촬영, CT 스캔)과 방사선 치료에 사용된다. 하지만 이러한 높은 투과력은 적절히 제어되지 않으면 생체 조직에 심각한 손상을 줄 수 있다.
3. 방사선 효과:
   • 높은 에너지를 가진 엑스선과 감마선은 방사선으로 간주되며, 이는 생체 조직에 방사선 효과를 일으킬 수 있다. 방사선 효과는 단기적(방사선 화상, 급성 방사선 증후군) 및 장기적(암 발생, 유전적 손상)으로 나타날 수 있다.