통합과학 고1 시스템과 상호작용

전자기파와 정보 통신

전자기파의 스펙트럼(라디오파~감마선)과 통신 기술, 디지털 정보 처리의 원리를 이해한다.

전자기파는 전기장과 자기장이 서로를 만들어 내며 매질 없이도 퍼져 나가는 파동으로, 파장에 따라 전파부터 감마선까지 성질이 달라지고 이 성질 차이를 이용해 정보를 실어 나릅니다.

라디오 방송, 전자레인지, 리모컨, 병원의 X선 촬영은 전혀 다른 기술처럼 보이지만 전부 같은 파동입니다. 다른 것은 오직 파장(진동수) 하나뿐입니다.

쉽게 말하면

전자기 유도 기초에서 변하는 자기장이 전류를 만든다고 배웠습니다. 이 관계는 반대로도 성립해서, 변하는 전기장은 자기장을 만듭니다. 그래서 전기장이 흔들리면 자기장이 생기고, 그 자기장이 흔들리며 다시 전기장을 만드는 일이 꼬리에 꼬리를 물고 이어집니다. 이렇게 스스로를 이어 가며 공간을 달려 나가는 것이 전자기파입니다. 소리와 달리 흔들어 줄 매질이 필요 없다는 점이 결정적입니다 — 태양빛이 텅 빈 우주를 건너 지구까지 오는 것이 그 증거입니다.

빛과 파동에서 배운 '속력 $=$ 파장 $\times$ 진동수'가 그대로 적용됩니다.

$c = f λ, c \approx 3 \times 1 0^{8} m/s$

진공에서 전자기파의 속력 $c$ 는 종류와 상관없이 모두 같습니다. 그러니 전자기파들 사이의 유일한 차이는 파장(또는 진동수)입니다. 파장이 긴 쪽부터 전파(라디오파) $\to$ 마이크로파 $\to$ 적외선 $\to$ 가시광선 $\to$ 자외선 $\to$ X선 $\to$ 감마선 순이고, 진동수가 클수록 에너지가 커서 물질을 뚫고 지나가거나 몸에 해를 끼치는 정도도 커집니다. 우리 눈이 볼 수 있는 것은 이 넓은 스펙트럼 중 가시광선이라는 아주 좁은 구간뿐입니다.

통신은 이 성질을 골라 쓰는 기술입니다. 소리나 영상을 먼저 전기 신호로 바꾼 뒤, 그 신호를 전파에 실어(변조) 안테나로 내보내고, 받는 쪽에서 원래 신호만 꺼냅니다(복조). 방송국마다 주파수가 다른 이유는 서로 섞이지 않게 각자 다른 진동수의 전파를 배정받았기 때문입니다.

요즘 통신이 디지털인 이유는 잡음 때문입니다. 아날로그 신호는 잡음이 섞이면 원래 모습을 되살릴 수 없지만, 디지털 신호는 0과 1 두 가지만 구별하면 되므로 웬만한 잡음이 끼어도 원래 값으로 되돌릴 수 있습니다. 복사해도 열화되지 않고, 압축·암호화·오류 정정도 숫자 계산으로 할 수 있다는 점이 덤으로 따라옵니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

전자레인지가 마이크로파를 쓰는 이유

마이크로파는 물 분자를 흔들어 열을 냅니다. 음식 속 물이 데워지면서 음식 전체가 익습니다. 파장이 더 짧은 X선을 쓰면 음식을 그냥 통과해 버려 데워지지 않고, 사람에게도 위험합니다. '어떤 전자기파를 쓸 것인가'는 곧 '어떤 파장이 이 일에 맞는가'를 고르는 문제입니다.
예시 2

리모컨은 적외선, 와이파이는 전파

리모컨의 적외선은 벽을 통과하지 못해서 방향을 맞춰야 하지만, 그 덕분에 옆방 TV가 켜지지 않습니다. 반대로 파장이 긴 전파는 벽을 잘 돌아 나가므로 집 안 어디서나 와이파이가 잡힙니다. 같은 '통과하지 못함/통과함'이 상황에 따라 장점이 되기도 단점이 되기도 합니다.
예시 3

소리를 0과 1로 바꾸기

마이크가 받은 소리의 세기를 아주 짧은 간격으로 반복해서 재고(표본화), 그 값을 정해진 단계의 숫자로 맞추고(양자화), 숫자를 0과 1의 나열로 적습니다(부호화). 이렇게 만든 0과 1의 줄을 전파에 실어 보내면, 받는 쪽은 신호가 조금 찌그러져도 '0이냐 1이냐'만 판단하면 되므로 원래 소리를 되살릴 수 있습니다.

순서대로 하면

아날로그 신호를 디지털로 바꾸는 순서

1표본화: 연속으로 변하는 신호의 값을 일정한 시간 간격마다 잽니다. 촘촘히 잴수록 원래 신호에 가까워집니다.
2양자화: 잰 값을 정해진 단계 중 가장 가까운 값으로 맞춥니다. 이때 아주 작은 오차가 생깁니다.
3부호화: 각 단계의 값을 0과 1의 나열로 바꿉니다.
4전송·복원: 0과 1을 전자기파에 실어 보내고, 받는 쪽에서 다시 원래 신호 모양으로 되돌립니다.

아날로그 신호와 디지털 신호

구분	아날로그 신호	디지털 신호
신호의 값	연속적으로 이어져 변함	0과 1처럼 정해진 값만 가짐
잡음이 섞이면	원래 모습을 되살리기 어려움	0인지 1인지만 판단하면 되어 복원 가능
복사·저장	복사할수록 품질이 나빠짐	몇 번을 복사해도 그대로
원래 신호와의 차이	원리상 그대로 담을 수 있음	표본화·양자화 과정에서 아주 작은 오차가 생김

자주 하는 오해

전자기파도 공기가 있어야 전달된다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움우주는 진공이니까 전자기파도 전달되지 않을 것이다

실제로는전자기파는 매질이 필요 없습니다. 진공에서도 그대로 진행하며, 오히려 진공에서 가장 빠릅니다.

소리는 공기 입자가 밀렸다 당겨지며 전달되므로 매질이 반드시 필요합니다. 하지만 전자기파는 전기장과 자기장이 서로를 만들어 내며 스스로 나아갑니다. 흔들릴 '무엇'이 따로 있어야 하는 파동이 아닙니다. 우주 정거장의 통신이 되는 것도, 태양빛이 우리에게 닿는 것도 이 때문입니다.

감마선이 라디오파보다 빠르다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움감마선은 에너지가 세니까 더 빨리 날아갈 것이다

실제로는진공에서는 모든 전자기파의 속력이