마이크로파를 이용한 전자기파의 특성조사
1. 목적
전자기파의 일종인 마이크로파(microwave)의 특성을 측정하여 일반적인 전자기파의 성질 이해.
(1) 마이크로파 발생기와 검출기의 작동을 이해한다.
(2) 마이크로파의 반사현상을 이해한다.
(3) 정상파(standing wave)를 형성하여 마이크로파의 파장을 측정한다.
2. 배경
마이크로파를 이용하여 파동의 성질을 연구하는데 여러 가지 장점이 있다. 이 실험에서 이용되는 파장 2.85 cm의 마이크로파는 파장이 몇 μm정도 영역에 있는 광학실험에서 나타나는 여러 가지 현상을 cm영역의 크기를 갖는 실험기구를 써서 살펴 볼 수 있도록 하는 장점이 있다. 아래에 기 술된 몇 가지 실험은 전자기파의 특성조사와 함께 광학에서 자주 접하게 되는 기본원리에 관한 실험을 마이크로파를 이용하여 할 수 있는 기회이다.(실험기구에 대한 소개는 지침서 끝의 부록 을 참조한다.)
3. 실험기구
Receiver with a Built-In Amplifier Rotating Mounts
Gunn Diode Transmitter
18 cm High Mounts Magnetic Mounting Long-Arm Goniometer
4. 실험방법
(1) 마이크로파의 발산
A. 실험방법 :
1) 그림 1.1과 같이 발생기와 검출기를 각도조절기(Goniometer)에 부착한다. 이때 발생기가 고정 되어 있는 팔에 부착되도록 한다. 발생기와 검출기가 같은 극성(polarity)을 갖도록 - 나팔관이 서로 같은 방향을 같도록 - 조절한다.
2) 발생기를 장착하고 검출기의 INTENSITY조절단추를
OFF
위치에서 10X위치에 놓는다.(이때 두 기기의 전원표시 LED가 켜진다.)3) 발생기와 검출기사이의 거리를 조정하여 발생기의 원천이극자(source diode)와 검출기의 검출 이극자(detection diode) 사이의 거리(그림 1.1에서 R로 표시된 거리)가 40
cm
가 되도록 한다.(그림 1.2에 발생과 검출위치가 표시되어 있다.) 두 이극자들은 기기의 받침발에 "T"와 "R"로 표시된 위치에 있다. 검출기의 INTENSITY와 VARIABLE SENSITIVITY를 조절하여 검출계 의 표시가 1.0(최대감도)되도록 한다.
그림 1.1 실험기구배열
그림 1.2 실험기구배열
4) 거리 R을 아래의 표 1.1에 주어진 값으로 바꾸어 가며 검출계의 값을 읽는다.(매번 측정하는 사이에 검출기의 조절단추를 건드리지 않도록 조심한다.) 측정이 끝난 후 표에 명시된 계산을 실 시한다.
표 1.1
거리 측정값 측정값/거리 측정값/거리2
40 50 60 70 80 90
5) R이 70과 90cm 사이의 한 값을 갖도록 조절한다. 검출계를 관측하며 발생기와 검출기사이의 거리를 천천히 줄인다. 검출계의 바늘이 거리의 감소에 따라 바뀌는 것을 관찰한다.
B. 토의사항 :
1) 전자기파의 전기장의 세기(strength)는 파의 원천(source)으로부터의 거리에 반비례한다.
(즉, E ∝ 1/R) 실험결과를 써서 검출계의 측정값과 파동의 전기장사이의 비례관계를 보여라.
2) 전자기파의 세기(intensity)는 파의 원천으로부터의 거리의 제곱에 반비례한다.(즉, I = 1/R2) 위의 실험결과를 써서 검출계의 측정값과 파동의 세기사이의 비례관계를 고찰한다.
(2) 마이크로파의 반사
A. 실험방법 :
1) 그림 2.1과 같이 발생기가 각도조절대의 고정되어 있는 팔에 부착되도록 기구를 배열한다. 발 생기와 검출기가 같은 극성을 갖도록 조절하는 것을 잊지 않는다.(나팔관이 그림과 같이 같은 방향을 가져야 한다.)
그림 2.1 실험기구배열
2) 발생기를 켜고 검출기 INTENSITY 조절단추를 30X에 놓는다.
3) 발생기에서 나오는 입사파와 반사판에 수직한 선사이의 각도를 입사각이라 한다(그림 2.2).
각도 조절대를 조절하여 반사각이 45도가 되도록 한다. 검출기 나팔관과 반사판에 수직한 선사 이의 각도를 반사각이라 한다.
4) 발생기나 검출기를 움직이지 않은 채로 각도 조절대를 돌려 검출계의 측정값이 최대가 되도록 놓는다.
5) 표 2.1에 주어진 각 입사각도에 대하여 검출기의 측정값이 최대가 되는 반사각을 기록한다.
(측정은 각도 조절기가 손상됨없이 회전가능한 입사각범위까지만 한다.)
그림 2.2 입사와 반사각실험
표 2.1
입사각 반사각
30o 40o 50o 60o 70o 80o
[참고사항]
어떤 입사각에서 검출기는 반사파를 검출할 뿐만 아니라 반사판에서 반사를 거치지 않고 발 생기에 직접 검출기로 전달되는 파를 검출하여 원치 않는 측정결과를 만들어 낼 수 있다. 이 같은 현상이 일어나는 각도를 찾아 기록하고 이 각도에서 측정한 값들에 별표를 추가한다.
B. 토의사항 :
1) 입사각과 반사각사이의 관계는 무엇인가? 이 관계가 모든 입사각에 대하여 유지되는가?
2) 반사각을 측정하기 위하여 검출계가 최대측정값을 기록하는 위치를 찾았다. 이 최대값은 발생 기와 검출기가 마주 보고 있을 때의 값보다 작은 값이다. 그렇다면 왜 파의 일부가 다른 각도 로 반사되어 이 같은 현상을 만들어 내는지 설명하시오. 이 같은 현상이 1)번 질문의 답을 어 떻게 변화시키는가?
4) 반사현상은 파의 세기(intensity)에 어떤 영향을 미치는가? 반사판을 치는 파의 모든 에너지가 반사되는가? 반사되는 파의 에너지는 입사각에 따라 변화하는가?
(3) 정상파(standing wave)를 이용한 마이크로파 파장측정
A. 실험방법 :
전자기파가 공간에서 만나면 서로 중첩되는 현상이 일어난다. 따라서 한 점에서의 전기장의 세 기는 그 지점에서 두 전자기파에 의하여 형성된 전기장세기의 합이다. 이때 두 전자기파가 같은 진동수를 가지고 마주보며 진행하면 정상파가 형성된다. 두 파의 장이 상쇄하는 위치에는 “골”이 생기고 두 파가 겹쳐 최대, 최소값 사이에서 전기장이 진동하는 위치에는 “봉우리”가 생긴다. 정 상파의 경우 골사이의 거리는 두 파의 파장의 1/2이다.
1) 그림 3.1과 같이 기구를 배열한다.
그림 3.1 실험기구배열
2) 발생기와 검출기를 가능한 한 가까이 놓고 검출기의 조절봉을 써서 검출계에 최대값이 나타나 도록 한다. 검출기를 각도계의 팔을 따라 천천히 발생기로부터 멀어지게 움직인다. 이때 검출계 의 값이 어떻게 변하는지 조심스럽게 관찰한다.
[참고사항]
마이크로파 나팔관은 그 설계목적과는 달리 마이크로파를 완전히 모아들이지는 못한다. 반대 로 나팔관은 마이크로파의 부분적인 반사체의 역할을 하며 발생기에서 방출된 파의 일부는 검 출기와 발생기사이에서 진폭이 점점 줄어 들어가며 반사되는 과정을 반복한다. 이때 발생기와 검출기사이의 거리가 마이크로파 반파장의 정수배이면 반사된 파는 발생기에서 나오는 파와 같은 위상(phase)을 갖는다. 이때 검출계의 측정값은 가장 크게 된다.(따라서 최대값을 보게 되는 두 위치사이의 거리가 마이크로파 파장의 1/2이다.
3) 검출기를 각도계 팔을 따라 약간 움직여(1 혹은 2cm 이하) 최대측정값이 나오도록 한다.
이때 검출계 팔의 눈금위치를 읽는다.
4) 검출계를 관찰하며 검출기를 발생기로부터 멀어지게 움직인다. 검출기를 계속 움직여 최저측 정값(or 최대 측정값) 위치가 10번 이상 나온 후 다시 최대측정값 위치에 오도록 놓는다. 이때 검출기의 새로운 위치를 기록하고 관측된 최저점의 수를 기록한다.
5) 이 결과를 써서 마이크로파의 파장의 계산한다. (파장 = 거리/최저(최대)점의 수)
7) 속도와 파장사이의 관계식, (속도=파장×진동수)를 이용하여 마이크로파의 파장(이론치) 를 계산 한다.
(공기 중 파의 속도 : × , 실험에서 이용되는 마이크로파의 진동수 :
) 6) 이 과정을 한 번 더 반복한다.표 3.1
실험 횟수
검출기 판의 위치(cm)
최저(최대) 점의 수(개)
측정한 마이크로파 의 파장()
계산한 마이크로 파의 파장 ( )
오차율(%)
시작점 끝점
1 2
[부록] 실험기구와 작동원리소개
A. Gunn Diode Transmitter(마이크로파발생기소자)
Gunn Diode transmitter는 15
mW
의 2.85cm
의 파장을 갖고 선형 편광된(linearly polarized) 일정한 위상(coherent)의 마이크로파를 발생시킨다. 발생기는 10.525GHz
공진통 내부에 위치한 Gunn Diode와 마이크로파를 한 방향으로 내보내기 위한 나팔관, 그리고 실험대 표면으로부터의 반사를 줄이기 위한 18cm
높이의 받침대로 구성되어 있다. 발생기는 115 혹은 220/240VAC
, 50/60Hz
전원에 전원을 바로 연결하여 작동할 수 있다. 발생기에는 전원공급유무를 표시하는 LED와 회전각을 표시하는 각도기가 부착되어 있다. Gunn Diode는 마이크로파영역에서 진동하는 비선형 저항기의 역할을 한다. 출력파는 diode의 축 방향으로 선형 편광되어 있고 부착된 나팔관 은 그 축을 따라 마이크로파의 다발을 쏘아 낸다.[주의사항]
마이크로파발생기의 출력은 매우 작아 표준안전규격을 충분히 만족하지만 그렇다고 해서 발생 기가 작동하는 동안 마이크로파나팔관안쪽을 가까이 들여다보면 눈에 손상을 일으킬 수 있다.
B. 질문사항:
(1) 마이크로파나 일반적인 전자기파에서 극성이란 어떤 특성을 일컫는 말인가?
(2) 반사실험에서 반사판에
cm
크기의 요철이 있다면 반사현상에 어떤 영향을 줄 수 있는가?(3) 전자기파의 편극은 무엇을 뜻하는가?
(4) “Gunn diode"란 무엇이며 작동원리는 무엇인가?
(5) 실험에서 쓰이는 마이크로파의 검출 반도체소자의 작동원리는 무엇인가?
