(주제 통합 9) '전자기파'-지문 해설, 대비 34문제(2024 수능특강 적용 학습 기출 및 변형)

 

※ 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

 

(가) 18세기에 수립된 뉴턴 과학은 거리의 제곱에 반비례하는 힘인 만유인력과 같이 전기력이나 자기력도 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로 상정하게 했고 이는 실험을 통해 입증되었다. 기본적으로 만유인력이 질량을 갖는 두 입자 사이에 매개물이 없어도 힘을 전달한다는 ‘원격 작용’의 개념 위에서 수립된 것이었기에 전기력과 자기력도 원격 작용의 일종으로 중간의 매개물 없이 전달되는 힘으로 상정되었다. 19세기 전반에 전자기학에서의 원격 작용설은 유럽 대륙의 과학자들에 의해 수학적 이론으로 정교화되었다.

 

전자기학에서의 혁명은 영국의 연구자인 패러데이에게서 시작되었다. 패러데이는 1821년부터 뛰어난 실험 자질을 발휘하여 새로운 전자기 현상을 여럿 발견하였다. 이 과정에서 패러데이는 유럽 대륙의 원격 작용설과는 대조되는 연속체설로 자신의 실험 결과를 설명하였다. 1838년에 패러데이는 전기력이 매개물 없이 작용하는 것이 아니라 절연 매질 연속체에 의해 전달된다고 생각하여 힘이 전달되는 연속체를 ‘장’이라고 부르고 ‘장’에서 힘이 전달되는 매질 내부의 경로를 ‘역선’이라는 개념으로 표현할 것을 제안했다.

 

1845년에 패러데이는 자석의 자기력으로 빛의 편광면을 회전시킬 수 있다는 것을 발견하자 장 개념으로 이 현상을 설명했다. 패러데이 효과로 명명된 이 자기 광학 효과는 자기와 빛의 연관을 암시했다. 몇 개월 후에 패러데이는 반자성*을 발견했고 그것을 장 개념을 사용하여 어떤 공간에 투입된 물체가 그 주변에 일으키는 교란을 최소화하기 위해 유발되는 것으로 설명했다. 그렇지만 패러데이의 이러한 해석은 과학계에서 별로 환영받지 못했다. 그 이유 중 결정적인 것은 패러데이의 설명이 정성적이어서 수학적 엄밀성이 미흡하다는 것이었다.

 

*반자성: 자기장 속에 놓인 물체가 자기장과 반대 방향으로 자성을 띠는 성질.

*유선: 운동하고 있는 유체에서 각 점에 대한 접선의 방향이 유체의 흐르는 방향과 일치하도록 그은 가상적인 선.

*유관: 옆면이 유선(流線)으로 둘러싸인 관.

 

 

(나) 독일의 물리학자인 헤르츠는 1883년부터 전자기를 연구하기 시작했다. 이 시점에서 헤르츠는 연속적 매질을 토대로 하여 논의를 전개하는 맥스웰의 전자기 이론에 대해 알고 있었지만 그에게 오히려 친숙한 것은 맥스웰 이론을 배격하면서 원격 작용으로 전기력과 자기력이 전달된다고 보는 관점이었다. 그러던 중 헤르츠는 자신의 전자기 실험들이 맥스웰의 이론을 지지하는 결과를 내놓는 것을 보게 되었다. 한번은 헤르츠가 유도 코일을 사용하여 진동하는 전류를 만들어 냈다. 유도 코일에 연결된 두 도선의 말단에 도체 구를 두고 그 구들을 가까이 하면 그 간극에서 유도 코일에서 만들어진 진동 전류에 의해 스파크가 발생했다. 헤르츠는 이렇게 발생한 스파크가 <그림>처럼 옆에 놓인 도선 고리에 만들어놓은 간극에 또 다른 스파크를 일으키는 것을 발견했다. 첫 번째 스파크 간극에서 1.5미터가량 떨어진 곳에 두 번째 스파크 간극을 배치해 놓은 상태에서 첫 번째 간극이 있는 회로의 전원 스위치를 켰을 때, 두 번째 간극에서 스파크가 나타났다.

 

헤르츠는 이것이 맥스웰이 예견한 전자기파가 공간으로 퍼져 나가는 현상인지 확인하고자 했다. 그는 첫 번째 스파크 간극에서 발생하는 파동이 광속으로 진행하는지 측정했다. 그는 처음에는 이 파동이 무한대의 속력으로 전파된다는 실험 결과를 얻었으나 더 멀리 회로들을 떨어뜨려 놓고 측정을 하여 그 속력이 광속임을 확인했다. 그는 이 파동이 유도 코일의 진동수와 일치하는 진동수를 가지고 있음을 확인했으며 빛이 거울에서 반사되듯이 이 파동이 금속판에서 반사되는 것을 확인했다. 그는 또한 이 파동이 금속판에 입사할 때와 반사될 때 금속판과 이루는 각도가 같아 빛처럼 반사의 법칙을 충족함을 확인했다. 이로써 헤르츠가 맥스웰이 예견한 전자기파를 발견했음이 확실해졌다. 그의 발견이 세상에 알려지자 유럽 대륙에서도 이제 맥스웰의 전자기 이론을 거부할 수 없게 되었고 빛이 전자기파의 일종이라는 사실을 받아들이게 되었다.

 

 

 

[해설]

전자기파

(가)

{해제}

19세기 전반에 유럽 대륙의 전자기학은 원격 작용설에 토대를 두고 있었는데 패러데이가 등장하여 새로운 전자기 현상을 발견하고 그것을 연속체설에 입각하여 설명하기 시작하였다. 그의 이론은 정성적인 성격을 가지고 있었는데 톰슨을 시작으로 맥스웰이 그것을 수학화하였다. 맥스웰은 유체 역학적 개념들을 활용하여 전자기학을 수학화하였고, 그의 방정식은 빛의 전자기 이론과 전파 통신의 토대를 놓았다.

 

 

{주제}

원격 작용설에서 맥스웰 방정식까지 19세기 전자기학 연구의 전개 과정

{구성}

•1문단: 유럽 대륙의 원격 작용설

•2문단: 패러데이의 연속체설의 제시

•3문단: 패러데이의 전자기학과 그에 대한 반응

•4문단: 연속체설을 수학화한 톰슨과 맥스웰

•5문단: 맥스웰의 전자기 이론의 내용

•6문단: 맥스웰 방정식과 그 결실

 

SMALL

 

(나)

{해제}

1880년대에 헤르츠는 전기력과 자기력이 원격 작용으로 전달된다고 설명하던 상황에서 전자기 실험을 수행하던 중 맥스웰의 이론을 지지하는 결과를 얻었다. 그는 유도 코일이 있는 회로에서 스파크를 일으키고 떨어진 회로에서 스파크를 유도하는 실험을 수행하고 회로 사이를 이동하는 파동이 맥스웰이 예견한 전자기파임을 입증하였고 이로써 전자기파가 발견되었다. 마르코니는 헤르츠의 장치를 개선하여 원거리 전파 통신을 실현 시켰다.

 

 

{주제}

헤르츠의 전자기파 발견부터 원거리 전파 통신 실현까지의 과정

{구성}

•1문단: 헤르츠의 전자기 실험

•2문단: 맥스웰이 예견한 전자기파를 발견한 헤르츠

•3문단: 원거리 전파 통신을 실현시킨 마르코니

 

 

(주제 통합 9) '전자기파'-지문 해설, 대비 34문제(2024 수능특강 적용 학습 기출 및 변형)

 

 

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