제 30 회 전국 과학 전람회

물 리

전자파에 대한 물질의 특성

대 구 동 촌 중 학 교

교 사 정 시 용

목 차

Ⅰ. 연구동기 ·······································································································1

Ⅱ. 연구내용 ·······································································································1

Ⅲ. 연구방법 및 결과 ·······················································································1

1. 실험 기구 ····································································································1

2. 실험방법 ······································································································3

3. 결과 ··············································································································4

Ⅳ. 종합결론 ·····································································································20

Ⅴ. 반성 및 전망 ·····························································································20

※ 참고문헌 ······································································································20

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Ⅰ. 연구동기

물질의 특성은 여러 가지 측면에서 다루어지고 잘 알려져 있으나 전자파에 대한

물질의 특성에 다한 의문이 있어 본 연구에 임하게 되었다.

파는 에너지를 운반하여 파의 진행방향에 수직한 단위면적당 시간에 흐르는 에너

지의 강도를 파의 세기라 한다. 만약 파가 어떤 물질을 통과할 때 흡수된다면 파의

세기는 줄어들 것이다. 또 줄어든 파의 세기의 일부는 반사도 될 것이다. 실험실에

서 간단한 장치로서 microwave를 사용하고 장애물 (물질)이 없을 때 전파의 강도

와 물질을 통과한 전자파의 강도 그리고 물질에 반사한 전자파의 강도를 측정하여

물질의 특성을 비교코자 한다.

Ⅱ. 연구내용

1. microwave 발신기 전면에 Cu판을 세워 Standing Wave에 의한 파장의 측정

2. 장애물이 없을 경우 (시료 : 공기 )두께를 변화시키면서 전자파의 세기를 측정

한다.

3. 물질을 투과한 전자파의 세기와 반사되는 전자파의 세기를 측정한다.

4. 장애물 (물질)이 없을 경우 전자파의 세기와, 이들 투과한 전자파의 세기(강도)

와 물질에 반사된 전자파의 세기를 비교 분석한다.

Ⅲ. 연구방법 및 결과

1. 실험 기구

본 연구에 사용된 실험기구는 첫째 microwave를 발생시키는 Transmitter, 둘

째로 이 전자파를 detect 할 수 있는 Diode probe ( 안테나), 셋째로 전자파의

세기 (강도)를 측정할 수 있는 Micro ampere meter 등이다.

가. Microwave Transmitter : 파장 12㎝의 Transmitter로서 지름 20㎝의 포물

경 중앙에 축이 같은 두 개의 공명 Carity로 구성되어 있으며, 교류 관의

전위는 초당 60Cycle 의 주파수로 350 Volt 이다.

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나. Diode Probe Microwave dector로서 가장 간단한 광석 검파기 (정류기)

(Crystal rectifer) 이다. 만약 전류가 100㎂나 그 이하가 되면 정류 전류는

검파기를 통과한 전위 차가 제곱에 비례하므로 바로 이 전류의 세기는 파의

세기에 비례하는 것이 된다.

Crystal detector에서 Current

실험에 사용한 것은 실리콘 검파기이며 Sylvania 1N82 와 1 N60 로 유리관

에 밀폐된 것을 사용하였다.

이중 1N82A의 성능이 우수하였다.

그림과 같이 꼬인 선은 안테나 외의 다

른 Microwave 신호를 받아들이는 것

을 방지한다.

다. Micro Ampere meter : Diode probe 의 정류된 전류를 직접 연결한다. 눈금

은 +-각각 30㎂까지 되어 있고 눈금판에 거울이 부착되어 판독시 오차를

가급적 줄이도록 되어 있다.

라. 실험에 사용하는 장애물 재료는 Transmitter 와 Receiver 사이의 회절효과

를 무시할 수 있는 정도의 크기를 가진다.

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2. 실험방법

가. Standing wave 에 의한 파장측정

그림과 같이 Transmitter 전방에 100㎝에 Cu plate (25×25)를 전자파의 진

행방향에 수직으로 설치하고 그 중간에 Diode probe를 두어 발신기와 금속판

사이를 일직선으로 움직이면서 Micro ammeter에 나타난 강약을 보아 극대치와

극소치를 표시해 나간다.

이는 입사 파와 반사파에 의한 중첩으로 정상파 (Standing wave) 의 마루와

골이 나타난다.

마루와 마루사이의 거리를 10회 이상 측정하여 평균하면 이 값이 반파장의

값이므로 이 값을 두 배하면 파장이 된다.

Microwave 의 모든 실험을 수행할 때는 주위에 금속과 같은 반사 및 장애

물 역할을 하는 물질이 없어야 한다. 측정기구 (Micro Ammeter) 등, 인체까지

도 접근하지 않아야 한다.

나. 공기 중에서 거리에 따른 전자파의 강도측정

발신기 전면의 상당한 거리까지 장애물이 없도록 하고 지면에서부터 150㎝이

상 올려 지면의 반사에 의한 영향을 최소한 줄여야 한다.

발신기 전면에서 일직선으로 10㎝간격으로 이동하면서 전자파의 세기를 측정

한다.

다. 투과된 전자파의 세기와 반사된 전자파의 세기측정

(1) 장애물에 수식으로 통과한 전자파의 세기측정

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장애물(물질)을 발신기의 전방에 수직으로 놓고 회절현상을 줄이기 위해 물

질 바로 뒤편에 Diode probe를 놓고 측정한다. 이때 물질의 두께를 변화시켜

본다.

(2) 투과한 전자파의 세기와 반사한 전자파의 세기측정

3. 결과

가. Standing wave 에 의한 파장측정

발신기 정면 수직으로 25×25㎝ 의 Cu판을 설치하고 조사한다.

(발신기와 Cu판 사이의 거리는 100㎝)

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거리(㎝) 강도(㎂) Max(마루)사이 골 (Min)사이 비 고

31.0 22.0

34.0 11.8

37.0 16.8 6.0

40.0 8.3 6.0

43.0 16.8 6.0

46.1 5.6 6.1

49.1 11.8 6.1

52.2 3.8 6.1

55.1 11.7 6.0

58.0 2.1 5.8

61.0 10.0 5.9

64.0 1.5 6.0

67.2 9.2 6.2

70.0 0.9 6.0

73.0 10.5 5.8

76.1 0.8 6.1

79.4 11.1 6.4 ┓지면 반사에 의

┃한 영향임

┛(계산에 제외함)83.0 0.4 6.9

계 42.0 42.1

평균 6.0 6.0

파장은 마루와 마루사이 거리의 2배에 해당되므로 파장 λ = 12㎝ 이다. 이

과정에서 반사파의 영향 특히 주의한다.

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나. 공기 중에서 거리의 변화에 따른 전자파의 강도측정

발신기로부터 10㎝간격으로 강도를 측정하면 다음 표와 같다.

(처음 20㎝까지는 강도가 Ammeter의 눈금을 (30㎂) 초과하므로 측정하지 못

했다. 이 때 발신기의 출력은 최소)

거리(㎝) 강도(㎂) 비고 거리(㎝) 강도(㎂) 비고

10 측정불가Mec

Ammeter사용100 2.0

20 〃 110 1.2

30 23.0 120 1.1

40 13.8 130 1.1

50 7.6 140 1.1

60 5.2 150 1.1

70 3.3 160 ․

80 2.8 170 ․

90 2.8 180 ․

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강도 (㎂) 와 거리 (㎝)와의 관계 Graph

이 경우는 공기 (기체)자체의 반사는 없고 기체 속에서 전자파의 세기이다.

또 고체시료의 전자파세기 측정에 무관하다 볼 수 있다.

다. 물질을 투과한 전자파의 세기와 반사한 전자파의 세기 측정

(1) 송판에 수직으로 입사한 전자파의 투과한 세기

회수

매1회 2회 3회 4회 5회 6회 7회 8회 평균

1 10.8 12.4 8.5 10.4 11.2 12.8 8.8 10.8 10.6

2 6.3 9.3 5.8 4.4 5.0 4.3 4.1 4.9 5.7

3 4.0 4.0 5.8 3.2 3.0 3.8 4.0 4.0 3.8

4 1.7 2.0 1.2 1.2 1.1 1.6 1.8 1.3 1.5

5 1.1 1.1 0.9 0.8 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

6 0.8 0.3 0.4 0.5 0.8 0.5 0.7 0.7 0.5

7 0.7 0.2 0.3 0.3 0.7 0.4 0.6 0.5 0.4

8 0.5 0.2 0.2 0.3 0.7 0.3 0.4 0.5 0.4

9 0.4 0.2 0.2 0.2 0.5 0.2 0.2 0.4 0.3

10 0.4 0.2 0.2 0.2 0.4 0.2 0.2 0.3 0.3

11 0.4 0.2 0.2 0.2 0.4 0.2 0.2 0.3 0.3

d = 1.43㎝

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매수 ( 1매 두께 1. 43㎝ )

전자파의 강도는 송판매수 (두께) 에 거의 반비례한다. 반사파에 의한 간섭

현상은 거의 보이지 않는다.

(2) 합성수지 타일의 두께 변화에 따른 강도측정

회절현상을 적게 나타나도록 하기 위하여 합성수지 타일 바로 뒤쪽에

Diode probe를 장치하여 매수변화에 따른 강도를 측정했다.

다음 표는 10회 측정한 평균값임.

매 수

1대두께 2㎜

강도

(㎂)

매 수

1대두께2㎜

강도

(㎂)

매 수

1대두께2㎜

강도

(㎂)

1 25.0 12 16.0 23 14.0

2 16.7 13 20.2 24 18.1

3 8.0 14 24.9 25 20.1

4 4.0 15 25.1 26 22.5

5 6.5 16 22.0 27 21.8

6 8.6 17 18.9 28 19.9

7 9.5 18 14.0 29 16.2

8 9.6 19 1.0 30 14.8

9 9.7 20 1.9 31 13.5

10 10.9 21 5.7 32 14.3

11 12.0 22 8.7 33 12.8

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매우 불규칙한 형태로 나타났다. 한 장 사이의 공기 층에서 일어나는 반사

현상이 중첩되어 모양을 나타낸 것으로 생각되어 전자파의 입사각을 30˚ 기

울여 같은 방법으로 강도를 측정하여 다음과 같은 표를 얻었다.

매 수 강도(㎂) 매 수 강도(㎂) 매 수 강도(㎂)

1 11.0 12 3.8 23 13.0

2 8.2 13 3.9 24 13.3

3 9.1 14 4.1 25 13.5

4 12.0 15 4.0 26 15.0

5 13.0 16 3.0 27 12.0

6 11.0 17 2.0 28 6.9

7 9.8 18 3.0 29 6.1

8 6.2 19 7.6 30 6.7

9 1.1 20 11.8 31 5.3

10 1.7 21 9.9 32 5.0

11 3.9 22 9.0 33 5.0

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매수와 전자파의 강도 관계가 더욱 복잡하므로 판과 판사이의 공기 층 등에

서 반사된 것이 복잡하게 중첩되었다고 볼 수 있으나 이것으로 간단히 단정

키 어려운 것이다.

단매로써 투과된 전자파의 강도를 측정하면 금속판에 반사된 모양과 같이

거리에 따라서 Standing wave 모양을 만든다. 이는 판의 표면에서 반사된 전

자파와 안테나로부터 발신되는 전자파가 중첩되어 투과되기 때문이다.( 판과

전자파는 수직 )

타일 (20㎝×20㎝) 의 거리에 따른 투과된 전자파의 조사

거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂)

27 30.5 34 19.3 41 11.5 48 9.3

28 25.4 35 17.7 42 11.3 49 10.1

29 22.3 36 17.5 43 12.8 50 10.0

30 22.8 37 18.8 44 15.4 51 13.8

31 25.0 38 21.2 45 15.8 52 11.8

32 27.3 39 19.0 46 12.3 53 9.8

33 23.5 40 13.5 47 10.1 54 8.7

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발신기에서 발신된 전파와 타일에 반사된 전자파가 중첩된 전자파도 다시

타일을 투과하여 Standing wave 모양을 이룬다.

타일 (24㎝×24㎝)을 전자파의 진행방향에 30˚ 회전시켜 투과한 전자파의

강도를 조사하면 다음과 같다.

거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂)

18 29.0 27 10.0 36 4.1

19 23.0 28 8.5 37 4.8

20 18.5 29 9.0 38 4.0

21 17.0 30 9.0 39 3.8

22 18.5 31 8.5 40 2.9

23 19.5 32 7.0 41 2.3

24 18.0 33 6.0 42 2.0

25 15.0 34 4.5 43 2.0

26 12.0 35 3.3 44 2.0

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반사파의 상당한 양이 외부로 빠져나갔으나 만족할 만한 값은 되지 못한다.

실험대 주위의 다른 물체에 반사된 전자파가 중첩된 것으로 해석된다. 그러나

graph는 상당히 향상된 양상을 띤다.

레코드 판 1매, 30˚회전, I 0 = 30㎂ 일 때

거리에 따르는 투과된 전자파의 강도

거리 : ㎝ 강도 : ㎂

거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂)

27 26.0 36 17.6 45 11.3 54 6.9

28 24.0 37 17.2 46 10.9 55 6.5

29 22.6 38 15.2 47 9.7 56 6.7

30 21.7 39 14.6 48 8.7 57 6.9

31 21.2 40 13.1 49 8.2 58 7.1

32 21.0 41 11.4 50 8.6 59 6.8

33 19.8 42 10.9 51 8.7 60 6.0

34 18.2 43 11.0 52 8.4 61 5.7

35 17.5 44 11.2 53 7.8 62 5.4

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석고 1매, φ = 30。 I 0 = 30㎂ 거리와 투과된 전자파의 관계

석고두께 : 7.0㎝ 거리 : ㎝ 강도 : ㎂

거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂) 거리(㎝) 강도(㎂)

24 25.8 34 15.0 44 8.9 54 5.3

25 23.2 35 13.8 45 8.9 55 5.0

26 22.0 36 13.1 46 8.0 56 5.1

27 22.0 37 13.0 47 6.9 57 5.3

28 21.2 38 12.1 48 6.5 58 5.1

29 20.7 39 11.7 49 6.2 59 4.8

30 20.3 40 10.3 50 6.3 60 4.2

31 18.9 41 9.4 51 6.7 61 4.0

32 17.0 42 8.8 52 6.1 62 3.7

33 16.1 43 8.8 53 5.8 63 3.5

레코드판과 석고판은 거리가 멀어질수록 강도가 약해진다.

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아크릴 (1.8㎜), φ = 30°, I 0 = 30㎂

거리 : ㎝ 강도 : ㎂

거리 아크릴1매아크릴2매아크릴3매 거리 아크릴1매아크릴2매아크릴3매

26 25.7 26.0 25.0 46 9.7 9.0 8.0

27 24.0 24.2 24.1 47 8.4 8.0 6.9

28 22.6 22.8 21.8 48 7.2 6.9 6.0

29 20.8 21.5 20.2 49 7.0 6.8 6.0

30 19.5 20.6 19.3 50 7.0 6.9 6.0

31 19.0 19.7 19.6 51 7.2 6.9 6.0

32 18.9 18.3 18.8 52 6.8 6.8 6.0

33 18.1 16.3 16.3 53 6.3 6.0 5.8

34 18.3 17.7 15.0 54 5.9 5.3 5.0

35 17.1 14.2 13.5 55 5.6 5.1 4.3

36 14.3 13.8 13.7 56 5.8 5.0 4.2

37 14.0 13.7 13.1 57 5.9 5.2 4.5

38 13.8 13.2 12.0 58 6.0 5.1 4.8

39 13.1 12.1 11.2 59 5.4 5.1 4.3

40 11.5 11.0 10.0 60 5.0 4.2 3.9

41 10.2 9.9 8.9 61 4.0 3.8 3.2

42 10.1 9.2 8.2 62 4.0 3.8 3.1

43 9.8 9.6 8.0 63 4.2 4.0 3.7

44 10.0 9.8 8.3 64 4.4 4.0 3.8

45 9.9 9.8 8.8 65 4.7 4.0 3.8

거리 31㎝ 까지는 아크릴을 2매 3매 사용했을 때 1매 사용시보다 투과 량이

더 많이 나타났다. 33㎝ 이상은 매수가 많은 것이 투과된 전자파의 강도가 약

하게 나타났다.

- 15 -

- 16 -

스티로폴, φ = 30。 I 0 = 30㎂, d = 4.8㎝

거리 : ㎝ 강도 : ㎂

거리 강도 거리 강도 거리 강도 거리 강도

27 29.7 37 16.0 47 9.8 57 6.9

28 25.0 38 15.2 48 9.0 58 7.0

29 23.9 39 14.9 49 8.5 59 6.0

30 22.3 40 13.1 50 8.1 60 5.9

31 22.1 41 11.7 51 8.2 61 5.3

32 21.2 42 11.1 52 8.1 62 5.0

33 20.3 43 11.0 53 7.9 63 5.1

34 18.6 44 11.2 54 6.8 64 5.5

35 17.8 45 11.4 55 6.3 65 5.8

36 16.5 46 11.1 56 6.5 66 5.0

거리가 멀어짐에 따라 강도가 점차 약해진다.

공기에서의 수치와 가장 비슷하다. 스티로폴은 전자파와 방해를 하는 양이

매우 적다.

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합판 ( d = 1.1㎝ 0.5㎝ ) φ = 30°, I 0 = 30㎂ 때 거리와 강도

거리(㎝) 합 판(1.1㎝) 합 판(0.5㎝) 거리(㎝) 합 판(1.1㎝) 합 판(0.5㎝)

23 25.8 25.8 40 11.7 11.3

24 23.0 23.0 41 11.1 10.5

25 21.7 21.8 42 11.0 10.0

26 20.0 21.4 43 10.3 9.9

27 20.5 21.1 44 10.2 9.8

28 21.0 21.3 45 9.5 9.8

29 21.2 20.2 46 9.1 9.2

30 19.8 19.2 47 8.5 8.0

31 18.5 18.0 48 8.7 7.2

32 17.5 16.9 49 8.9 7.0

33 14.0 18.0 50 9.0 7.1

34 14.5 15.0 51 9.0 7.5

35 14.0 14.5 52 8.5 7.2

36 13.8 13.7 53 7.7 6.9

37 14.0 13.2 54 7.2 6.4

38 13.5 12.9 55 7.0 6.2

39 12.6 12.2 56 7.0 6.1

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※ 금속판, 철망(0.5㎝눈금)은 모두 반사하고 투과 량은 없었다.

구분

재료장애물 없을때 투 과 반 사 비 고

구 리 판 21.0㎂ 0 18.0㎂ 85.7%

철망 (0.5㎝) 30.0㎂ 0 12.0㎂ 40.0%(난반사)

금속판은 정반사되고 있으나 철망 (그물) 은 난 반사가 되므로 반사되는 전자

파의 강도는 훨씬 떨어진다.

※ 물의 투과율(아크릴 수조를 만들고 여기에 물을 부어 투과율을 조사하였다.

( 거리 : ㎝, 강도 : ㎂ )

거리 강도 거리 강도 거리 강도 거리 강도

10 6.2 17 5.6 24 2.6 31 0.2

11 6.1 18 2.2 25 0.7 32 0.6

12 0.9 19 0.9 26 1.1 33 0.9

13 6.7 20 2.5 27 2.0 34 1.2

14 5.2 21 5.1 28 3.0 35 1.1

15 10.3 22 5.4 29 3.2 36

16 6.3 23 6.0 30 0.9 37

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공기의 투과된 강도에 스티로폴은 거의 접근한다. 다음 합판이고 타일 순위

다. 물은 그보다 훨씬 떨어진다.

※ 참고, 투과와 반사파 강도의 비교

물질 처음강도 투과강도 반사강도 비고(두께)

구리판 21.0㎂ 0 18.0㎂ 0.033㎝

철 망 30.0㎂ 0 12.0㎂ (0.5㎝눈)

스티로폴 18.0㎂ 13.0㎂ 0.2～0.3 4.8㎝

스펀지 18.5 17.0 1.1 9.6㎝

송판 18.3 16.2 0.6 1.43㎝

합판 18.5 17.2 1.0 1.1㎝

종이 19.5 8.2 1.0 4.6㎝

고무판 19.0 16.8 1.4 0.2㎝(건축용)

고무판 19.8 17.5 1.3 0.3㎝

타일(A) 20.6 16.6 2.2 0.75㎝

타일(B) 20.6 18.9 1.6 0.55㎝

유리 19.0 15.1 2.0 0.18㎝

석고 20.3 13.1 2.2 0.7㎝

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Ⅳ. 종합결론

1. 투과 파의 강도는 기체가 가장 강하고 다음 고체, 액체의 순서이다.

스티로폴, 스펀지는 공기의 투과율에 큰 차이가 없다.

2. 액체 중에서도 물은 투과 파의 강도가 현저히 떨어진다. 따라서 물 속에서 초

단파(Microwave)의 사용은 어려울 것이다.

3. 금속판, 금속 망 (0.50m망)은 전부 반사하고 투과율은 없었다. 타일, 유리종류

는 중간정도의 투과율을 보인다.

4. 두께의 변화에 따라 투과율의 변화는 물질내부의 반사파도 중첩된다는 것을 알

수 있다.

Ⅴ. 반성 및 전망

1. 실험도중 전자파의 반사회절현상에 특별히 주의한다.

인체의 접근도 불허한다.

2. Micro ammeter보다는 Oscilloscope를 쓰면 더욱 정밀도를 높일 것으로 생각된

다.

3. 시료의 두께가 ㎜단위로 차이가 있는 것을 필요로 한다.

4. 더욱 정확한 위치에 감지할 수 있는 안테나가 필요하였다.

5. 모든 물질에 대해서 동일조건으로 전자파의 모든 특성을 조사했을 때 물질의

특수성을 밝혀낼 것으로 확신한다.

※ 참고문헌

1. 오 철한 교육대학원논문집 1 (1970)

2. 오 철한 경대논문집 (자연과학) (1970)

3. 정 기호 일반물리학 (문운당 발행)

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4. 학원사편집부 : 과학대백과사전(물리편)