도플러 효과
(1) 도플러 효과: 파원이나 관찰자가 움직이게 되면 정지해 있을 때와는 다른 진동수의 파동을측정하게 되는데, 이를 도플러 효과라고 한다. 파원과 관찰자가 서로 가까워지면 파동의 진동수가 커지고, 서로 멀어지면 파동의 진동수가 작아진다.
(2) 음원이 움직일 때: 소리의 속력, 파장, 진동수를 각각 v, λ, f, 음원의 속력을 vs라 하고,이때 관찰자가 듣게 되는 진동수를 f‘라고 하면 관찰자가 듣는 소리는 다음과 같이 달라진다.
도플러 효과의 이용
(1) 속력 측정: 속력 측정 장치에서는 마이크로파나 적외선, 초음파를 내보내는데, 이 전자기파나 초음파가 다가오는 공이나 자동차에 부딪혀 되돌아오면서 진동수가 커진다. 이러한 진동수 변화를 측정하여 도플러 효과로 투수가 던진 공의 속력이나 자동차의 속력을 알아낸다.
(2) 기상 관측: 도플러 레이더가 구름을 향해 전파를 방출하면 구름 안에 있는 물방울, 눈, 우박 등에서 반사되는데, 방출한 전파와 반사된 전파의 진동수를 비교하면 구름의 이동 방향과 속력에 대한 정보를 얻을 수 있다.
(3) 천체 관측: 대부분의 은하에서 나오는 빛의 흡수 스펙트럼에서 적색 이동(적색 편이)이 나타나는 것으로부터 우주가 팽창하고 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 은하가 멀리 있을수록 적색 이동이 더 많이 나타난다.
이외에도 박쥐가 초음파의 도플러 효과를 이용하여 물체나 먹이의 속도를 알아내고, 도플러 초음파 검사로 인체 내 혈액의 속도를 알아내는 등 도플러 효과는 일상생활에서 널리 활용되고 있다.
전자기파의 발생
(1) 전기장에 의한 자기장의 변화: 전원이 연결된 직선 도선 주위에 전기장이 생기고, 도선 내부의 전자가 전기력을 받아 이동하면 도선 주위에 자기장이 발생한다. 이때 직선 도선에 연결하는 전원이 교류이면 전기장이 계속 변하게 되어 자기장도 계속 변하게 된다.
(2) 전자기파: 전기장과 자기장은 계속해서 서로를 유도하면서 주기적으로 진동하는 파동의 형태로 퍼져 나가는데, 이를 전자기파라고 한다.
(3) 전자기파의 발생: 그림과 같이 평행판 축전기를 교류 전원에 연결하면 평행판 사이에는 시간에 따라 변하는 전기장이 만들어진다. 전기장이 시간에 따라 변하면 진동하는 자기장이 유도되고, 다시 진동하는 자기장이 전기장을 유도하면서 공간으로 퍼져 나간다. 이렇게 발생한 전자기파는 공간으로 전파된다. 이때 전기장과 자기장은 진행 방향에 대하여 서로 수직으로 진동하며, 빛의 속력으로 전파된다.
교류에서 코일과 축전기의 전기적 특성
(1) 코일의 저항 역할: 교류 회로에 코일을 연결하면 코일에 발생하는 유도 기전력이 전류의 흐름을 방해한다. 따라서 코일의 자체 유도 계수가 클수록, 교류 전원의 진동수가 커질수록 전류가 빠르게 변하기 때문에 코일의 저항 역할이 커진다.
(2) 축전기의 저항 역할: 교류 회로에 축전기를 연결하면, 축전기의 전기 용량이 작거나 교류전원의 진동수가 작은 경우 교류의 방향이 바뀌기 전에 축전기가 완전히 충전되어 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서 축전기의 전기 용량이 클수록, 교류 전원의 진동수가 커질수록 축전기의 저항 역할이 작아진다.
(3) 교류 회로와 공명 진동수(공진 주파수)
전자기파의 수신
(1) 전자기파의 수신: 안테나의 전자는 전자기파의 전기장으로부터 전기력을 받는다. 안테나에 들어오는 전자기파의 전기장은 시간에 따라 진동하기 때문에 안테나 속의 전자도 진동하게 된다. 따라서 안테나 속에는 전자의 진동으로 인해 교류가 흐르게 된다.
(2) 전자기파 공명: 우리 주위에는 여러 방송국에서 보낸 다양한 진동수를 가진 전자기파들이 섞여 있다. 이 전자기파들이 안테나에 있는 전자를 진동시켜 전자기파 수신 회로에 교류를 유도한다. 이때 안테나에 연결된 회로가 특정한 공명 진동수(고유 진동수)를 갖도록 하면 이 진동수와 같은 진동수의 전자기파만 수신하여 회로에 전류가 세게 흐를 수 있다. 이러한 현상을 전자기파 공명이라고 한다.
(3) 라디오 방송 통신의 송수신: 송신하고자 하는 음성 신호를 전기 신호로 변환하여 변조시키고, 변조된 신호를 안테나를 통해 전파로 송신한다. 라디오에서는 다시 안테나를 통해 전파를 수신하고, 수신된 전파는 복조 과정을 거쳐 음성 신호로 전환된다.
참고자료: EBS 수능특강 물리2
