🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

원리 자세히 보기

• 전자는 느리고, 신호는 빠르다 — 단면적 1 mm²의 구리선에 1 A가 흐를 때 전자 하나가 실제로 나아가는 평균 속도는 1초에 약 0.07 mm로 달팽이보다 느립니다. 그런데도 신호가 순식간에 전달되는 것은 전선 주변의 전기장·자기장이 퍼져 나가기 때문이며, 그 속도는 케이블 종류에 따라 빛의 속도의 약 60~80 %입니다(전기와 자기의 관계).
• 약해지는 정도는 dB로 센다 — 3 dB 줄면 세기(전력)가 절반, 10 dB면 10분의 1, 20 dB면 100분의 1입니다. 예를 들어 Cat5e 랜선 100 m는 100 MHz 신호를 20 dB 남짓, 즉 100분의 1 정도로 약하게 만듭니다. 그래서 랜선 규격은 길이를 100 m로 제한합니다(유선 매체와 규격).
• 높은 주파수일수록 더 약해진다 — 교류 전류는 주파수가 높을수록 전선의 바깥 표면으로만 몰려 흐릅니다(표피 효과). 구리에서 전류가 흐르는 두께는 1 MHz에서 약 0.07 mm, 1 GHz에서는 약 0.002 mm뿐이라 저항이 커집니다. 네모난 0·1 펄스는 높은 주파수 성분을 많이 품고 있어서 (푸리에 변환) 긴 선을 지나면 모서리가 먼저 깎여 둥글게 뭉개집니다. 위 시뮬레이션의 흐트러진 파형이 바로 이 모습입니다.
• 꼬임선과 차동 신호 — 랜선의 한 쌍은 같은 신호를 하나는 +, 하나는 −로 거꾸로 실어 보냅니다. 바깥 잡음은 두 선에 똑같이 들어오므로, 받는 쪽에서 두 선의 차이만 읽으면 잡음은 지워지고 신호는 두 배가 됩니다. 두 선을 꼬아 두는 것은 잡음이 두 선에 정말 똑같이 들어오게 하기 위해서입니다.
• 증폭기와 재생 중계기 — 아날로그 증폭기는 섞여 든 잡음까지 함께 키웁니다. 디지털 신호는 중간에서 "이건 0, 이건 1"이라고 판정한 뒤 깨끗한 펄스를 새로 만들어 보낼 수 있어서(재생), 아무리 여러 번 중계해도 잡음이 쌓이지 않습니다. 디지털 통신이 장거리에 강한 핵심 이유입니다.
• 0이나 1이 길게 이어지면? — 같은 전압이 오래 계속되면 받는 쪽은 비트가 몇 개 지나갔는지 박자를 놓치기 쉽습니다. 그래서 초기 이더넷(10 Mbps)은 비트마다 한가운데에서 전압이 반드시 바뀌는 맨체스터 부호를 써서 신호 속에 박자를 함께 실었습니다.

전기 신호 전송의 발전사

비유로 설명하기

• 긴 케이블은 "말랑한 고무호스"와 같습니다. 호스 입구에서 물을 '퐁, 퐁' 끊어 보내도, 호스가 부풀었다 줄었다 하면서 출구에서는 물줄기가 뭉개져 나옵니다. 호스가 길수록 더 심해집니다.
• 차동 신호는 "시소 위 두 사람"과 같습니다. 바람(잡음)이 불면 두 사람이 함께 흔들리지만, 시소의 기울기(두 선의 차이)는 그대로입니다.

자주 하는 오해

• "전기 신호는 전자가 빛처럼 빠르게 달려가서 전달된다" — 전자 자체는 아주 느리게 움직입니다. 빠르게 전달되는 것은 전선을 따라 퍼지는 전자기장의 '밀기'입니다. 줄지어 선 공의 한쪽 끝을 밀면 반대쪽 공이 곧바로 튀어나가는 것과 비슷합니다.
• "전압을 높이면 신호가 더 멀리 간다" — 1858년 대서양 케이블은 높은 전압 때문에 오히려 망가졌습니다. 멀리 보내는 비결은 센 신호가 아니라 약한 신호도 읽는 예민한 수신기, 잡음을 지우는 차동 신호, 그리고 중간에서 신호를 되살리는 중계기입니다.

함께 해 볼 질문·활동

• 못 쓰는 랜선이 있다면 어른이 피복을 조금 벗겨, 안쪽 4쌍의 선이 쌍마다 서로 다른 간격으로 꼬여 있는지 관찰하기(쌍끼리 잡음을 주고받지 않게 하려는 설계입니다)
• 긴 줄넘기 줄의 한쪽 끝을 짧게 '탁' 튕겨 펄스를 보내고, 줄이 길거나 느슨할 때 반대쪽에 도착하는 모양이 어떻게 무뎌지는지 관찰하기
• 휴대용 AM 라디오를 켠 채 컴퓨터, 충전기, 랜선과 USB 케이블 가까이 가져가 잡음이 커지는 곳을 찾아보기