교류와 전자기파

콘센트 전압은 한 방향으로 계속 밀어 주는 직류가 아니라, 시간에 따라 부호가 바뀌는 교류입니다. 순간값만 보면 어떤 때는 양수, 어떤 때는 음수이지만 전등은 계속 밝고 전열기는 계속 열을 냅니다. 그래서 교류에서는 최댓값보다 실제 효과를 나타내는 실효값이 중요합니다.

전자기파는 전기장과 자기장이 서로를 만들며 공간으로 퍼지는 파동입니다. 빛, 전파, 적외선, X선은 모두 같은 전자기파이고, 차이는 주파수와 파장입니다. 회로의 시간 변화가 공간으로 방출되면 통신과 안테나의 물리로 이어집니다.

오늘의 한 문장#

교류는 시간에 따라 변하는 전압·전류이고, 전자기파는 진동하는 전기장과 자기장이 함께 이동하는 파동입니다.

꼭 익힐 말#

교류 회로에서 저항은 에너지를 열로 소비하지만, 축전기와 코일은 에너지를 저장했다가 되돌려 주며 전압과 전류의 위상 차이를 만듭니다. 그래서 교류 해석은 크기뿐 아니라 시간상 어느 쪽이 먼저 변하는지도 함께 봅니다.

시간 변화와 평균 효과#

사인파 교류는 한 주기 동안 평균 전압이 0입니다. 그러나 전력은 대체로 V^2 또는 I^2에 비례하므로 평균 효과는 0이 아닙니다. 실효값은 이 열효과를 기준으로 정합니다. 가정용 전압을 220 V라고 부를 때도 보통 최댓값이 아니라 실효값을 뜻합니다.

전자기파에서는 전기장 E, 자기장 B, 진행 방향이 서로 수직입니다. 진공에서는 속력이 c이고, 물질 속에서는 매질의 성질에 따라 느려집니다. 주파수가 높을수록 파장은 짧아지고, 파장이 짧을수록 작은 구조와 더 강하게 상호작용할 수 있습니다.

수식과 단위 읽기#

• V(t) = V0 sin(ωt): V0는 최댓값, ω는 각진동수 rad/s, t는 초입니다. 위상 기준을 바꾸면 cos로 써도 같은 현상을 나타낼 수 있습니다.
• V_rms = V0 / sqrt(2): 사인파에서만 이 관계가 바로 성립합니다. 파형이 다르면 실효값 계산도 달라집니다.
• c = λf: 진공에서 전자기파 속력 c는 파장 λ와 주파수 f의 곱입니다. λ는 m, f는 Hz입니다.

예시와 오개념#

실효값이 220 V인 사인파 전압의 최댓값은 V0 = 220sqrt(2) ≈ 311 V입니다. 전기기기 정격에서 실효값을 쓰는 이유는 저항 부하가 내는 평균 열효과와 직접 연결되기 때문입니다.

오개념은 교류의 평균 전압이 0이므로 에너지를 전달하지 못한다는 생각입니다. 부호가 바뀌어도 전류와 전압의 곱인 순간 전력은 한 주기 평균에서 양수가 될 수 있습니다. 또 전자기파는 매질의 진동이 옮겨 가는 소리와 달리, 진공에서도 전기장과 자기장의 변화로 전파됩니다.