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압전소자를 이용한 전파의 발생 및 측정을 통한 실험보고서 개발

학번: 2006-12958

물리교육과 박민용

Ⅰ. 서론

텔레비전, 라디오, 휴대폰처럼 우리 주변에서 흔히 사용하는 물건들은 모두 전파를 사용하

며 전파의 세상이다. 전파는 맥스웰에 의해서 처음 이론적으로 예견되었고, 발견은 헤르

츠가 방전 실험을 했던 1888년의 일이었다. 현대의 과학기술은 다양한 분야에서 전파를 이

용하고 있다. 실제로 우주로부터 오는 전파를 처음으로 수신한 것은 미국 벨 전화연구소에

서 일하고 있었던 젊은 전파공학자 잰스키였는데, 1932년의 일이었다. 잰스키의 발견에 많

은 관심을 갖고 있던 전파공학자 레이버는 1937년 최초의 전파망원경이라고 불리는 9.4m

짜리 포물면 반사 안테나를 만들었다. 그는 이 망원경으로 온 하늘을 관측했고, 최초의 전

파 분포도를 1944년에 발표했다. 이것이 전파천문학의 시작이었다. 학생들은 전파에 대해서

관심이 많지만, 전파의 특성상 학생들이 쉽게 접근하기 어려운 대상이고 개념화하기 쉽지

않다.

1. 연구의 필요성

다소 추상적이며 수학적인 전파를 고등학교 실험과정에 도입하고 이를 통해 물리적 상황을

이해시키려면 적절한 실험장치 개발이 필수적이다. 전파는 전자의 진동을 통해 나타나는 전

기적인 현상인 동시에 파동이라는 물리적 특성을 갖는다. 본 논문은 이런 전파가 갖는 특성

학을 쉽게 이해하도록 실험 장치를 만들고, 이를 통해서 고등학교 학생들이 이해하기 쉽도

록 수업지도안을 개발하고자 한다.

2. 연구 문제

1) 고등학교 학생들이 만들 수 있는 실험장치 개발

2) 교사용 수업지도안 및 실험보고서 개발

3. 용어의 정의

☞ 불꽃방전 (Spark Discharge) : 기체 내에 넣은 전극에 고전압을 걸었을 때, 갑자기 기체

의 절연상태(絶緣狀態)가 깨지면서 큰 소리와 함께 불꽃을 내며 방전하는 현상

☞ 전자기파 (電磁氣波, Electromagnetic Wave) : 주기적으로 그 세기가 변하는 전자기장

이 공간을 통해 전파해 가는 현상으로 전자파(電磁波)라고도 한다. 전하(電荷)가 급속하게

진동하거나 전류가 진동적으로 변화할 때 생기며, 그 통로에 해당되는 공간에 전기적 작용

을 미치면서 빛과 같은 속도(진공 중에서는 매초 약 30만km)로 전파된다.

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4. 연구의 제한점

본 연구는 일반계 고등학교 학생을 대상으로 하기에 물리1 수업을 하였고, 물리Ⅱ를 수업

받고자 하는 학생을 대상으로 한다.

수업지도안과 보고서 양식은 기본 형식을 워크북 형식으로 학생들이 수업중 사용할 수 있도

록 한다.

Ⅱ. 이론적 배경

1. 헤르츠의 실험이란?

헤르츠의 실험(Hertz's experiment)은 영국의 물리학자 J.C 맥스웰(Maxwell)에 의해 예언

된 '전자기파'의 존재와 그 성질을 규명하기 위하여 1887년 말부터 1888년 초에 독일의

물리학자 H. 헤르츠가 실시한 실험을 말한다.

독일의 물리학자 헤르츠는 처음에는 기술자를 지망하여 고등공업학교에 다녔으나 자연과학

으로 전향, 베를린 대학에서 물리학을 전공하였으며 키르히호프와 헬름홀츠의 지도를 받았

다.

22세 무렵 전자기이론 및 전자기파에 관심을 가졌으나 당시의 장치로는 관측실험이 불가

능하였다. 카를스루에에 있는 고등공업학교에 부임하던 무렵부터 ‘크노헨하우엘의 소용돌이

선’이라는 장치에서 힌트를 얻어 높은 진동수의 전기진동을 만들어내는 데 성공하고 전자기

파 실험에 착수하였다.

위 사진은 헤르츠의 실험에서 사용된 실험도구이다.

이 사진의 좌측에 있는 도구는 놋쇠로 만든 구형의 전극을 서로 가까이 두고 고전압을 생

성하는 발전기로 유도 코일에 전류를 흐르게 하여 (+)극과 (-)극을 짧은 시간 동안에 바꿔

주는 과정에서 공기 중에서 방전이 일어나도록 만든 장치이다.

이때 전자기파가 생성되고, 우측의 고리 모양의 도구는 생성된 전자기파를 검출한다.

전자기파가 검출되면 고리 위 쪽에 달려있는 두 개의 작은 구형 전극에서 불꽃의 방전이 일

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어난다.

즉, 큰 구형 전극에 저장된 많은 전하에 의해 형성된 전기장이 변화하면 주위에 자기장이

형성되고 이 자기장의 변화로 인하여 다시 공간에 전기장이 만들어지는 과정이 반복되면서

발생된 전기장과 자기장이 파동의 형태로 이동하게 된다.

사진 우측의 원형 고리에 전기장과 자기장의 파동이 도달하게 되면 고리 위의 구형 전극에

한쪽은(+) 다른 쪽은 (-)전하가 대전되고 다시 반대로 대전되면서 방전현상이 관측된다.

헤르츠는 이 실험을 통하여 전자기파가 빛과 같이 회절이나 편향성을 나타내고 빛과 같은

정도의 속도로 직진한다는 성질을 증명하였다.

2. 헤르츠의 실험의 발전

이탈리아의 전기 기술자 마르코니(1874~1937)는 먼 거리까지 헤르쯔가 발견한 전파를 보

내는 장거리 무선 전송기기를 발명했다.

그는 10년에 걸친 실험 끝에 드디어 1901년에 영국에서 바다 건너 캐나다까지 3,600 킬로

미터의 대서양을 횡단하는 무선전신 실험을 성공하였다.

대서양 횡단 실험은 먼저 영국에 거대한 전파를 보내는 발신소를 세우고 대서양 건너편의

캐나다에 120미터 높이로 철사줄을 맨 연을 띄워 전파를 수신함으로써 대서양 횡단통신에

성공하였다.

3. 고등학교 과정에서 헤르쯔 실험

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Ⅲ. 연구방법 및 절차

고등학생들이 전자기파 발생을 쉽고 간편하게 실험하도록 실험 소재와 장치를 꾸민다.

1. 실험도구의 제작

1) 송신장치(전기 방전 장치)의 두 극 사이를 5mm에서 2mm까지 줄이면서 방전이 일어나

는지 관찰한다.

2) 송신장치(전기 방전 장치)와 수신장치(공진 안테나) 사이의 거리를 5CM부터 1CM까지

가까이 옮기면서 전자기파 검출 정도를 측정한다.

3) 원형 안테나 선의 굵기가 일정할 때, 원형 안테나의 지름을 줄여가면서 전자기파 검출

정도를 측정한다.

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4) 원형 안테나를 세로로 놓을 때와 가로로 놓을 때 전자기파 검출 정도를 측정한다.

5) 전자기파 검출을 알려주는 신호등을 네온관 대신 LED를 사용한다.

※ 학생들에게 전선을 연결할 때 극성을 쉽게 구별하기 위해서 빨간색 전선은 (+)극, 검정

색 전선은 (-)극에 연결하도록 한다.

2. 연구 절차

1) 송전장치에서 충격 전압을 발생시키면 굵은 구리 줄 사이에 전기 방전을 일어나고 전기

방전에 의하여 전자기파가 발생한다.

2) 송신 장치에서 발생한 전자기파는 수신 장치에 공진되면서 수신 장치에 수신된 전자기파

의 자기장에 의하여 유도 전류가 흐른다.

Ⅳ. 연구 결과

1. 수업 시 필요한 물품

● 하드보드지, 알루미늄테이프, 압전세라믹, 발광다이오드(1개), 필름통(3개)

● 1.5V건전지(2개), 집게전선(2개), 절연테이프, 양면테이프, 쿠킹호일

● 칼, 가위, 송곳, 니이퍼, 롱로우즈, 압핀 또는 클립

2. 송신부 만들기

1) 전자기파 발생장치

① 필름통의 아래 부분에 전선이 통과할 수 이 있을 정도의 크기로 두 개의 구멍1)을 뚫는

다.

② 뚜껑에는 압전세라믹을 끼울 크기만큼의 사각형을 뚫는다.

③ 필름통의 길이는 압전 세라믹의 높이보다 작게 자른다,

④ 집게 전선의 집게가 바깥을 향하도록 필름통의 구멍2)에 끼운다.

⑤ 압전세라믹의 가닥을 필름통의 또 다른 구멍에 끼워서 압전세라믹이 필름통 안으로 들어

갈 수 있도록 한 후 가닥의 끝에 집게를 단다.

⑥ 압전세라믹의 아래편 금속으로 된 부분에 집게전선의 끝을 절연테이프로 연결3)한다.

1) 이 때 두 구멍의 각도는 90°가 되게 한다.

2) [그림1]

3) [그림 2]

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⑦ 압전세라믹을 뚜껑에 끼우고 필름통 속에 넣으면 전자기판 발생장치 완성

그림1. 집게 전선 연결 그림2. 절연테이프 감기 그림3. 전자기파 발생장치

2) 송신 안테나 만들기

① 하드보드지를 이용하여 2㎝×30㎝인 막대 4개, 5cm×8cm 판 2개를 준비한다.

② 막대 모양의 하드보드지를 알루미늄 테이프로 감싼다.

③ 판에 양면테이프를 붙이고, 알루미늄 테이프로 싼 막대를 2cm정도 간격으로 길게 붙인

다.

④ 2개의 클립 또는 압핀을 구부려 막대 사이에 서로 마주보도록4) 붙인다.5)

⑤ 전자기파 발생장치의 두 집게를 송신 안테나의 마주보는 클립머리에 연결하고 압전세라

믹을 누르면 딱딱 소리가 나면서 방전되는 모습6)이 보인다.

그림4. 클립마주붙이기 그림5. 완성품

4) [그림 4]

5) 이 때 클립 또는 압핀 사이의 간격이 2 mm가 되게 한다.

6) [그림 5]

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3. 수신부 만들기

1) 전원장치 만들기

① 필름통의 아래 부분에 전선이 통과할 수 있을 정도의 크기로 두 개의 구멍을 뚫는다.

② 2개의 집게 전선을 꽂아 집게가 바깥을 향하도록 한다.

③ 집게전선의 각 끝을 테이프를 이용하여 두 개의 건전지에 하나는 ＋극 다른 하나는 －극

에 붙이고 필름통7)에 넣는다.

④ 필름통 뚜껑 안쪽에 알루미늄 테이프를 바르고 뚜겅을 닫어 완성8)시킨다.

그림5. 건전지 연결하기 그림6. 전원장치 완성

2) 수신안테나 만들기

① 송신안테나를 만들 때 만들어 두었던 알루미늄 테이프를 감싼 막대 2개를 준비한다.

② 필름통 뚜껑의 중앙에 송곳을 이용하여 2개의 구멍을 뚫는다.

③ 구멍의 왼쪽에 발광다이오드의 긴 쪽(＋극)을, 오른쪽에 짧은 쪽(－극)을 끼운다.

`뚜껑

다이오드

(+)극

(-)극

뚜껑

구멍 뚫기 다이오드 극성 다이오드끼우기 다리접기

④ 발광 다이오드의 양다리를 90。정도 각도로 하여, 왼쪽은 앞으로, 오른 쪽은 오른 쪽 옆

으로 접는다.

7) [그림5]

8) [그림6]

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⑤ 필름통 바닥의 양쪽을 그림처럼 마주보게 잘라낸다.

⑥ 알루미늄 테이프를 잘라낸 면을 기준으로 위아래 길게 붙인다.9) 필름통 밖으로 나오도

록 넉넉하게 붙인다.

⑦ 양면테이프를 이용하여 2㎝×30㎝ 막대 2개를 필름통 양쪽에 끼워 붙인다. [그림8]

그림7. 알루미늄 테이프 붙이기 그림8. 알루미늄 막대 끼우기

⑧ 5cm×8cm크기 하드보드지 판에 양면테이프를 길게 붙인 후, 쿠킹호일을 가위나 손으로

잘게 잘라 필름통10)에 넣는다.

⑨ 전원 집게의 ＋극을 필름통 뚜껑의 앞쪽의 발광다이오드 다리에, －극을 발광다이오드의

다리가 없는 쪽의 안테나에 물린다.

그림9. 알루미늄 테이프 붙이기 그림10. 완성품

■ 주의사항(Teaching Tips)

1. 송신기를 만들 때, 2개의 압핀 사이의 간격이 2 mm가 되게 한다. 사이의 간격이 너무 좁

거나 넓으면 압전세라믹의 버튼을 눌렀을 때 불꽃방전이 일어나지 않는다.

9) [그림7]

10) [그림9]

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2. 수신기의 전원장치에서 필름 통 뚜껑에 알루미늄 테이프를 붙이는 이유는 두 개의 건전

지를 직렬로 연결시키기 위함이다.

3. 수신기에 들어가는 발광다이오드, 콘덴서 등은 극성이 있는 전자부품들이다. 따라서 이

부품들을 조립할 대는 극성에 주의해야 한다. 발광다이오드와 콘덴서는 다리가 긴 쪽이 (+)

극이 된다.

4. 실험결과

① 송신기를 작동시켰을 때 수신기의 센서가 반응할 수 있는 최대 거리는 10 m 정도이다.

② 송신기와 수신기의 안테나 각도가 서로 수평일 때 감도가 제일 좋다.

③ 송신기와 수신기의 각도가 점점 커질수록 감도가 떨어지고 수직이면 감도가 가장 나쁘

다.

Ⅴ. 결론 및 제언

학생들이 접하는 파동의 개념은 보통 음파나 수면파로서 위치에 따른 시간의 함수로서 매질

이 있을 때 진동하는 모습을 관찰한다. 매질이 있을 때 파동이 전파하므로 관찰하기 쉬운

파는 mechanical wave라 한다. 그러나 전자기파는 매질이 있어도 없어도 진행한다. 이러

한 특성은 학생들이 이해하기 힘들다.

위의 헤르쯔 실험은 전자기파가 횡파라는 성질을 안테나가 가지는 방향성을 다양하게 바꾸

어 봄으로 확인할 수 있다.

또한, 접점 사이의 간격의 다양성을 통해서 발생하는 전파의 특성을 확인할 수 있다. 그렇

지만 공기는 훌륭한 절연체이므로 다양한 전자기파를 재현할 수 없고 특정한 길이의 전파를

발생하고 그 전파를 수신기를 통해 확인할 수 있었다.

오히려 광석라디오를 조립하는 방법을 통해서 특정한 전자기파를 수신하거나 먼거리까지 통

신을 통해 전파의 속도를 측정하는등 새로운 실험 장치를 개발하는 것도 의미가 있을 것이

다.

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Ⅵ. 참고문헌

1. 전자기파

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%84%EC%9E%90%EA%B8%B0%ED%8C%8C

2. 안테나 공학

http://myung.inje.ac.kr/Lecture/%EC%95%88%ED%85%8C%EB%82%98%EA%B3%B5%E

D%95%99/electro_w.html

3. 안종제, 확 달라진 고등학교 물리교육

http://www.kps.or.kr/storage/webzine_uploadfiles/1729_article.pdf

4. 김영민외 7인, 고등학교 물리Ⅰ, 교학사, 2011

5. 곽성일외 7인, 고등학교 물리Ⅰ, 천재교육, 2011

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부록1. 본시 수업지도안

학습

단계학습 과정

학 습 활 동 참고자료

/유의점시간

교 사 활 동 학 생 활 동

도입

-인사/

출석점검

-선수학습

점검

-본수업소개

-인사 및 출석점검

조별로 정해진 좌석 점검

-헤르쯔의 성질 확인(전체)

-본수업(실험) 소개

-바른 자세로 인사한다

-해당 교과서를 편다.

-OHP설치,

스크린확인

-실험 설명

-실물 화상기

-TP 준비

5분

전개

-학습목표

제시-학습목표를 읽게한다.

-학습목표를 큰 소리로 읽는

다.(전체)

-학습목표를

칠판에 적

어놓는다.

2분

-조별 준비

확인

-유의점제시

-준비물을 확인한다.

-보고서와 기름종이를 1장씩

갖고 이름을 쓰도록 한다.

(여유 기름종이를 1장 더 줌)

-TP용지와 유성 싸이펜

-실험 시 유의사항을 알려준

다.

-실험준비물 등을 확인한다.

-보고서에 이름을 쓴다.

- 보 고 서 와

준 비 물 을

미리 책상

에 준비

3분

-실험설명 -탐구과정을 설명한다. -유인물을 읽어본다. 5분

-실험수행-학생들이 조별로 토의하며,

도와가며 수행하도록 한다.27분

결과

정리

-실험 내용

정리

-TP용지에 적은 실험결과는

조별로 발표하게 한다.

-결과를 비교하고 특이한 조

가 없는지 살펴본다.

-조별로 나와 결과를 적는다.

-다른 조의 결과와 비교한다.

-결과가 이상한 조가 있는지

살펴본다.

-OHP 이용 3분

정리

및

평가

-정리 문제

풀이

-보고서의 정리문제를 같이

풀어본다.

-TP자료를 보면서 다함께 답

한다- 컴 퓨 터 와

빔 프로젝트

준비

3분

차시

예고

-차시 학습

내용 예고

-차시 내용을 예고한다.

- 컴 퓨 터 와

빔 프로젝트

준비

2분

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부록2.

실험보고서학년 반 번호 이름 X X X

실험일시 2015년 월 일 교시 장소 점수 점

1. 송신기와 수신기를 일정한 거리만큼 떨어뜨리고 송신기의 신호에 수신기가 반응

하는지 시험해본다.

송신기와 수신기

거리(m)

작동상태(○,×)

▷센서가 반응할 수 있는 최대 거리는 얼마인가?

송신기를 작동시켰을 때 수신기의 센서가 반응할 수 있는 최대 거리는 10 m 정도이

다.

2. 송신기와 수신기의 안테나 각도에 따른 수신감도를 조사해보자.

송신과 수신기

사이의 각도

수평으로

작동상태(○,×)

▷어떤 경우에 가장 효과적인가?

송신기와 수신기의 안테나 각도가 서로 수평일 때 감도가 제일 좋다.

송신기와 수신기의 각도가 점점 커질수록 감도가 떨어지고 수직이면 감도가 가장

나쁘다.

3. 수신기의 필름통 안에 작게 자른 쿠킹호일을 넣는 이유?

수신안테나에서 전기장을 받아들이면 전자의 이동이 발생한다. 잘게 자른 쿠킹호일

들이 대전되어 전기가 통하도록 한다.

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■ 참고 자료

1. 안테나의 역할

안테나는 전파를 보내기도 하지만, TV 안테나와 같이 전파를 포착하는 역할도 한

다. 전파를 공간으로 내보내는 안테나를 송신안테나라고 하는데, 반대로 공간에 있

는 전파를 포착하는 안테나를 수신안테나라고 한다. 송신안테나도 수신안테나도 물

론 그 구조는 같아서 수신안테나에 송신기를 붙이면 송신안테나가 된다.

2. 전자기파 (電磁氣波, Electromagnetic Wave)란?

전기장과 자기장이 동반하여 파가 진행하는 방향에 대해 수직으로 진동하는 전기적

횡파이다. 역사적으로는 영국의 물리학자 J. C. 맥스웰이 1864년 정리한 전자기장

의 수학적 이론에서 그 존재가 예상되어 1871년 빛도 전자기파의 일종일 것이라는

이른바 빛의 전자기파설이 제창되었다.

이 이론은 독일의 물리학자 H. R. 헤르츠에 의해 불꽃 간극(間隙)이 있는 전기진

동 회로로부터 전자기파를 발생시킴으로써 실험적으로 증명되어(1888), 그 결과 전

자기파는 파장이 다른 점을 제외하면 반사․간섭․회절․편의(偏倚) 등 빛과 완전히 같은 성질을 나타내며, 전파속도도 빛과 같음이 확인되었다.

오늘날에는 γ선․X선․자외선․적외선 등도 각각 다른 파장범위에 있는 전자기파인 것이 확인되었다. 따라서 일반적으로 전자기파라고 하는 것 중에는 특이한 성질을 가

지고 또한, 발생방법도 다른 많은 종류가 있으나 그 중에도 비교적 파장이 긴(주파

수가 낮은) 범위의 전자기파는 적당한 전원과 진동회로를 사용하여 진동전류를 일

으키고 그것을 안테나를 통해 흐르게 함으로써 일정한 파장을 가지는 것을 지속적

으로 보낼 수 있다. 이와 같은 파장 범위에 있는 전자기파를 보통 전파(電波)라 한

다.

3. 전파의 이용

일반적으로 전파는 빛이나 소리보다도 대기 중에서의 감쇠가 적으므로 이로 인해

서 멀리까지 보낼 수 있다. 공간에서의 전파방식은 파장의 장단에 따라서 같지 않

다. 예를 들면 전파 중에서도 비교적 긴 파장은 회절현상이 뚜렷하고 지표에 따라

서 상당히 멀리까지 갈 수 있지만 파장이 짧고 빛에 가까운 극초단파(極超短波)는

지표 상에서 가시거리 범위밖에 전파하지 않기 때문에 멀리까지 보내기 위해서는

약 50km마다 전파를 중계하여야 한다.

반대로 빛과 같이 예민한 지향성(指向性)을 가지게 할 필요가 있는 통신에는 회절

현상이 적고 짧은 파장의 전파를 이용할 필요가 있다. 전파로 전송할 수 있는 정보

량은 그 주파수가 높은(파장이 짧은) 것일수록 많아지므로 많은 신호를 보낼 필요

가 있는 통신에는 다소 전달범위가 좁아도 파장이 짧은 전파를 이용해야 한다. 이

와 같이 무선통신이라도 여러 종류의 전파가 각각의 전달방식에 따라 특징을 살릴

수 있도록 사용하게 된다.