[자료실]
(시리즈 5/9) 전자파의 생체에의 영향 5 ~ 전자파는 전자의 운동량이 바뀐 “장(Field)의 변화" 에너지 |
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Date : 2014-11-03
Name : 엑스블루
Hits : 2105
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전자파에 대한 기초 설명부터 생체에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 메카니즘까지, 상당히 재미있고 좋은 자료로 보입니다. 아래 일본의 블로그에서 발췌했으며,일주일에 2편씩 번역/공유할까 합니다. 약간 거칠고, 이상한 단어표현 등이 있더라도 이해해 주시기를 바랍니다. 전체 내용 흐름의 메시지 전달에는 문제가 없도록 노력하였습니다. 전자파의 생체에의 영향 5 ~ 전자파는 전자의 운동량이 바뀐 “장(Field)의 변화" 에너지  시리즈의 지금까지, 전자파의 생체에 미치는 영향을 추구하는 데있어 "자연전자파와 인공 전자파의 차이" 그리고 "전자의 운동 상태에서 전자파의 발생 메커니즘" 에 대해 확인하였습니다. 이번 회에는 "전자파는?" 그것에 대해 "전자와 장(Field)의 상호 작용" 으로부터 생각해보도록 하겠습니다. 이하, 인용 부분은 "전자기력과 장, 빛 미츠이 타카히사」 에서 인용한 내용입니다. ◆ 전하와 전하 사이에는 "정전기력"이라는 힘이 작용한다  II. 전하 - 전자기 현상의 가장 중요한 물질적 실체 ? 유리와 모사(털실)를 문지르면 양자 간에 힘이 발생한다(소위 정전기). 문지르기 전과 비교하여, 문지른 후에 물질에 뭔가 새로운 성질 또는 물질이 있기 때문에 힘이 생기고 있다고 본다. (신비한 무언가가 있다고는 생각하지 않습니다.)이 힘을 정전기력 이라고 하며, 정전기력의 원인이 되고 있는 그 무엇(실체)을 전하라고 부른다. 그래서 전하 사이에 힘이 작용하는 것은 "정의로부터 나온 분명한 사실”이라고 할 수 있다. 전하는 질량과 같이, 이 세상의 물질이 가지고 있는 성질이다. 질량에 중력이라는 힘과 관련된 성질이 있는 것처럼, 전하에는 정전기력이라는 힘이 작용한다. 관찰결과에 따르면 전하 사이에는 인력이 작용하는 경우와 척력이 작용하는 경우가 있으며, 이 것을 정부(正負) 2 종류의 전하로 표현한다. 같은 부호의 전하끼리는 배척, 서로 다른 부호의 전하끼리는 끌어 당긴다. 이것들은 실험에 의해 얻어지는 사실이다. 전하의 실체에 대해 살펴보면, 원자를 구성하고 있는 전자와 원자핵에 전하라고 하는 성질이 갖춰져 있는 것으로 나타났다. 구체적으로는 원자핵에는 양의 전하가, 전자에는 음의 전하가 있다. 서로 다른 물질을 문질렀을 때에 생기는 정전기는, 전자를 이용하여 설명 할 수 있다. 물질은 종류와 형상에 따라서 전자를 받기 쉽거나 잃기 쉽거나 한다. 이런 까닭에, 다른 재료와 형상의 물질을 접촉시키고 떨어뜨려 놓으면 한 물질에서 다른 쪽으로 약간에 불과하지만 전자가 이동한다. 그 결과 물질의 양전하와 음전하의 균형이 무너지고, 물질이 정전기를 띠게 된다. 스웨터를 벗을 때의 불꽃이나 번개 등 불쾌한 정전기 현상은 많다. 일상 생활에서 정전기는 불편한 경우가 더 많기 때문에, 왜 정전기 현상이 발생하지? 라고 생각해 볼지도 모른다. 그러나 물질을 구성하는 원자가 전하를 가진 전자와 원자핵으로 되어 있기 때문에, 더욱 많은 정전기 현상이 우리 주변에 발생해도 이상할 정도는 아니다. 오히려 정전기 현상이 우리 주변에 적은 쪽이 더 이상하다 할 수 있다. 이것은 정전기력이 비교적 큰 힘으로, 작고 가벼워서 움직이기 쉬운 전자에 작용하면 전자가 신속하게 움직여서, 우리가 알아차리기도 전에 정전기력을 부정해 버리기 때문이다. 전하는 정전기력의 주역이기 때문에, 전하의 크기는 힘의 크기를 이용하여 정량화한다. 전하를 정량화하여 조사한 결과, 안정한 물질에서 전자의 전하보다 작은 전하를 가진 물질은 발견되지 않았고, 또한 세상의 모든 전하의 크기가 전자 전하의 크기의 정수배 인 것으로 나타났다. 전하를 정량적으로 표현하기 위한 단위는 C(쿨롱)이다. 원자에서 전자를 받기 쉬움 혹은 잃기 쉬움은, “전기음성도 (전자를 받기 쉬운 정도)”라는 개념으로 나타낸다. (※주기율표의 우상의 원자일수록 전기음성도가 커진다) 전기음성도는 원자핵 주위에 배치한 전자운의 상태(궤도각(?)의 수와 그곳 전자의 위치와 수, 부대(不?) 전자의 상태)로 결정, 모든 원자(118 원소)가 다르게 되어 있어, 각 원자 고유의 것입니다. 따라서 물질끼리 가까이 하면 전기음성도의 차이로 인해, 전기음성도가 작은 원자에서 전기 음성도가 큰 원자로 전자가 움직입니다. 그 결과, 물질의 양전하와 음전하의 균형이 무너져서 전하간에 정전기력이 작용하게 됩니다. 그리고 이것은 물질이 접촉 한 경우뿐만 아니라, 떨어진 전하끼리라도 힘을 서로 발휘하고 있는 것입니다. ◆ 전하끼리는 전자기장을 통해 힘을 서로 발휘한다  III. 장 (Field) ? 전자기현상은 정전기력과 자력의 발견으로 시작되어, 정전기력과 자력은 물질 사이에 생기는 힘으로 관찰된다. 이런 이유로 정전기에 관련된 문제는 물질의 특성처럼 생각될지도 모른다. 그러나 정전기뿐만 아니라 전자기현상은 물질만 아니라 공간(진공)의 성질이기도 하다 . 어떤 공간에 뭔가 움직임이 있는 경우, 그 공간을 장(Field)이라고 부른다. 따라서 전자기력은 장을 만든다. A. 전기장과 자기장 정전기 실험을 실시하면, 전하를 가진(대전된) 물체 간에 힘이 작용처럼 보이지만, 이 현상을 본 영국의 패러데이는 이 힘이 전하와 전하 사이에 작용하고 있는 것은 아니다 라는 것을 알았습니다. 패러데이에 따르면 전하는 주위 공간의 성질을 변화시켜, 성질이 바뀐 공간이 다른 전하에 힘을 작용시키는 것이다. 전하에 의해 성질이 바뀐 공간을 전기장이라고 한다. 따라서 전하는 그 주위에 전기장을 만들고, 전기장 안에 다른 전하를 두면, 전기장이 전하에 힘을 미친다. 힘에는 방향과 크기가 있으므로 전기장은 벡터 공간이다. 전기장의 단위는 V/m (= N/C)이며, Q(C)의 전하에 전기장 V(V/m)가 작용하면 그 전하에는 F = QV (N)의 힘이 작용한다. 마찬가지로 자석이 2개 있으면, 달라 붙거나 밀어 내거나 합니다. 이 현상을 하나의 자석이 주변 공간의 성질을 바꾸고, 성질이 바뀐 공간이 다른 자석에 힘을 작용시키고 있다고 생각한다. 이 때, 자석으로 성질이 바뀐 공간을 자기장 이라고 한다. ? 전하와 전하 사이에 작용하는 힘은 "직접력"이 아니라 장을 개재한 “간접력" 입니다. 전기음성도의 차이로 움직인 전자는, 주위 공간의 성질을 바꾸어서 전위차가 있는 공간 (= 전기장)을 만듭니다. 동시에, 만들어진 전기장이 그 전기장에 있는 다른 전자에 힘을 미치어서, 그 전자는 그에 따라 움직입니다. 즉, "전하와 장은 상호작용의 관계” 에 있는 것입니다. 전자기장, 중력장이라는 개념은 장의 발생원(전하, 자석, 질량)이 정지하고 있는 경우에는 필요하지 않습니다. 그렇지만, 발생원의 크기와 위치가 시간에 따라 변화하는 경우(전하와 질점이 운동하는 경우)에 “장”이라는 개념이 필요합니다.  B. 왜 장이라는 개념이 필요한가? ? 전기장 * 자기장 개념에 대한 위의 설명에서는, 전하끼리 * 자석끼리 힘이 움직이는 것을, 장이라는 이해하기 어려운 개념을 사용하여 어렵게 바꿔서 말을 한 것뿐으로, 새로운 것이 없다고 생각 될지도 모르겠지만, 그렇지 않다. 전기장과 자기장은 공간이 가지는 성질이며, 전하가 없어도 전기장은 독립적으로 존재. 자석이 없어도 자기장은 혼자 존재한다. 전기장 및 자기장은 발생원과는 독립적으로 존재할 수 있으며, 공간의 성질임을 보여주기 위하여, 전자석을 이용한 실험을 생각해보자. 전자석 A에 전류를 흘리면 전자석 A에서 자기장이 발생, 다른 자석 B에 힘을 미친다. 자석 B에 작용하는 힘을 측정하면서 어느 순간에 전자석 A의 전류를 제거했다고 하자. 전류를 끊은 순간 전자석 A는 자석이 없어지게 된다. 그런데 실제로 이 실험을 하면 자석 B에는 잠시 힘의 작용이 계속된다. 이 현상은 전자석 A와 자석 B가 직접력으로 작용하고 있다고 생각하면 설명 할 수 없다. 그러나 자기장은 공간이 가지는 특성이라고 하면 쉽게 설명 할 수 있다. ? 전자석 A에 전류를 흘리면, 주변에 자기장이 만들어져 자석 B에 힘을 미친다. 전자석 A는 전류를 끊으면 더 이상 자석이 아니지만, 주위에 자기장이 남아있다. 남겨진 자기장은 전자석 A의 주변에서 서서히 사라져 갑니다(물결처럼 전해져 가는 것처럼 사라진다). 어느 정도 시간이 지나면, 자석 B 주위의 자기장(전자석 A에 의해 만들어진 자기장)이 사라지고 힘이 작용하지 않게 된다. 자기장은 자석과 전류로부터 발생하지만, 자석이랑 전류와는 독립된 공간의 성질이다. 이처럼, 전하와 자석의 크기와 위치가 시간 변화하는 경우 에는 장이라는 개념을 사용하지 않으면 설명할 수 없는 현상이 있다. 우리 주변에 시간 변화하는 전기장 * 자기장으로써는 전자파가 있다. 전자파는 발생원인 전하와 자석이 소멸해도 공간을 전파한다. 예를 들어, 손전등과 별에서 방출되는 빛(전자파의 일종)은 발생원이 소멸해도 우주공간을 어디까지라도 전파해 나간다. 전기장과 자기장은 전하의 운동량(≒ 에너지)을 변환하는 기능 을 가진 특별한 성질의 장소라고 할 수 있습니다. 장이라는 것이 어떤 공간일까? 그것을 전하라는 소립자의 움직임보다도 인간의 감각기능으로 파악하기 쉬운 중력장이라고 이해가 진행됩니다.  C. 중력장 ? 중력은 질량을 가진 물체 사이에 작용하는 힘처럼 보이지만, 정전기력이나 자력처럼 공간의 성질이다. 장이라는 개념을 사용하면, 중력은 질량을 가진 물체가 주위 공간의 성질을 바꾸고 성질이 바뀐 공간이 다른 질량에 힘을 미친다 로 이해한다. 질량을 가진 물체에 힘을 미치는 변화한 공간을 중력장 이라 한다. 예를 들면, 지구는 질량을 가지고 있기 때문에 지구 주변의 공간은 질량에 힘을 미칠 수 있도록 변화하고 있다. 지상에서 생활하는 우리가 아래로 당겨지는 느낌은 지구 주변의 중력장이 우리와 같은 질량을 가진 물체에 힘을 미치고 있기 때문이다. 중력장이라는 개념도 전기장 * 자기장과 마찬가지로, 장의 발생원이 정지하고 있는 경우에는 필요 없으며, 질량끼리가 직접력을 서로 미친다고 생각해도 결과는 같다. 그러나 중력원이 변화하는 경우 (질점이 운동하는 경우)에는 다르다. 태양의 주위를 공전하는 지구를 생각해 보자. 케플러의 법칙에 따라 타원궤도를 그리며 지구는 공전하고 있지만 어느 순간 태양에 힘을 발휘하고 움직였다고 한다. 그러면, 그 순간부터 중력장은 태양의 주위에서 바깥쪽으로 변화를 시작하여, 태양이 이동 한 후 8분 후에 지구의 공전 궤도가 변화하기 시작한다. 그때까지 지구의 공전 궤도는 변화하지 않는다. 이처럼, 중력장에서는 장과 질량을 가진 물질이 상호작용하여, 질량을 가진 물질끼리 중력장을 통해서 서로 관계하고 있는 것입니다. 마찬가지로 전하끼리도 장과 전하가 상호 작용하여 전자기장을 통해 서로 관계하고 있는 것입니다. 그리고 장과 전하, 전하끼리의 상호 관계를 연결하고 있는 것이 "전자파" 입니다. ◆ 전자파는 전자의 운동량이 바뀐 “장의 변화" 에너지  전자기장은 큰북의 막이나 고무 막과 같은 움직임을 하기 때문에, 그것들을 이용해 정확한 설명이 가능하다. 고무 막을 팽팽하게 잡아당기면, 거울처럼 평평하게 된다. 이 상태는 자기장과 전기장이 없는 공간에 대응한다. 막을 손가락으로 누르면 들어간다. 이 상태는 자석이나 정전기로 변화하는 공간, 즉 정자장과 정전장이 있는 상태에 대응한다. 막이 크게 변형할 수록, 큰 장에 대응한다. ? 여기서 막을 누르고 있는 손가락을 진동시켜 보자. 그러면 손가락의 진동은 막 전체에 물결처럼 되어 전파 해 나간다. 비슷한 현상이 자석이나 정전기도 생기고 이것이 전자파이다. 전자파의 발생은 단순하여, 자석이나 정전기(전하)를 진동 운동하면 된다. 엄밀히 말하면, 전자파를 발생시키기 위해 자석과 전하의 속도를 변화시키는(가속도 운동) 것만으로도 충분하다는 것을 알고 있다. 휴대폰에서 이용하고 있는 전자파는 전기 회로를 이용하여 특정 주파수의 교류 (전류가 흐르는 방향이 변하는 전류)를 만들어 교류를 안테나에 연결하여 발생시키고 있다. 안테나라고 하는 것은, 안테나는 특별한 것이 있는 것은 아니고, 단순한 금속이다. 금속 내에는 원자핵의 속박에서 떨어져 자유롭게 움직일 수 있는 자유 전자가 있으며, 금속에 전장을 가하면 전장에서 힘을 받아 움직인다. (앞서 설명한 바와 같이, 전기장은 전하에 힘을 미칠 수 있도록 변화된 공간이다.) 교류 전압에 의해 만들어진 전기장은 방향이 변화하므로, 금속 내의 전자에 작용하는 힘의 방향도 변화 하고, 자유 전자가 가속도운동하여 전자파가 방사된다. 전자가 가속도운동을 하면, 장이 변화하고 전자파가 발생합니다. 그리고 동시에 전장의 변화에 의해 발생하는 전자파에 의해 그 장에 있는 다른 전자는 영향을 받아서 변화합니다. 전자파란 전하의 운동량이 변화시킨 “장의 변화” 그 자체 라고 파악됩니다. ◆ 정리 1) 물질끼리 가까워지면 전기음성도의 차이로 인해 전자가 움직이는 것으로, 양의 전하와 음의 전하의 균형이 무너져 전하 간에 정전기력 이 작용한다. 2) 전하와 전하 사이에 작용하는 힘은 "직접력"이 아니라, 장을 개재로 한 “간접력" 이다. 3) 전장과 자장은 전하의 운동량(≒ 에너지)을 변환하는 기능 을 가진 장소이다. 4) 전자에 인공적인 전압 및 자연환경변화에 따른 외압이 작용하여, 전자가 가속도운동 하면 전자장은 변화한다. 5) 전자장이 변화하면, 그 장에 충만하게 있는 에너지 상태가 편재하여(두루 퍼져), 그것이 전자파로써 나타난다. 즉, "전자파란 장의 변화” 그 자체라고 할 수 있다. 6) 장의 변화인 전자파에 의해, 그 장에 있던 다른 전자가 영향을 받아서 운동상태를 변화시킨다. 즉, 전하와 장과는 상호작용 의 관계에 있다. ◇ ◇ ◇ ◇ ◇  전하의 운동상태의 변화 (가속도 운동)은, 장에 에너지를 주어서 장을 변화시킨다. 동시에 변화한 장에 의해서 다른 전하는 에너지를 받아 운동상태를 변화시켜, 그 전하를 가진 물질의 상태를 변화시킨다. 이것은 전하의 집적인 인간도 마찬가지이며, 장에 영향을 미치는 것과 동시에, 장으로부터 영향을 받고 있으며, 장의 변화인 전자파로부터 적지 않은 영향을 받고 있는 것은 틀림 없을 것입니다. ◇◇◇◇◇ 다음 회부터 드디어 "인공 전자파가 영향을 미치는 장에서, 사람은 무엇이 얼마나 영향을 받는지?" 시리즈 테마의 핵심에 들어갑니다. |
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