연못에 돌을 던지면 물결이 동그랗게 퍼져 나가는 모습을 본 적이 있을 것입니다. 안테나에서 만들어진 전파도 이와 비슷하게 사방으로 퍼져 나갑니다. 다만 물결은 물이라는 매질이 있어야 퍼질 수 있지만, 전파는 매질이 없는 우주 공간(진공)에서도 자유롭게 이동할 수 있다는 점이 다릅니다. 그래서 지구와 인공위성, 그리고 저 멀리 있는 탐사선과도 전파로 통신을 주고받을 수 있는 것입니다.
전파는 빛과 똑같은 속도로 나아갑니다. 진공에서 1초에 약 30만 km(299,792km)를 이동하는데, 이는 1초 만에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있는 엄청난 속도입니다. 지구에서 달까지의 거리(약 38만 km)도 전파로는 약 1.3초면 도달할 수 있습니다.
전파는 아래 그림처럼 오르내림을 반복하는 물결 모양(파동)으로도 나타낼 수 있습니다.
오르내림이 얼마나 자주 반복되는지는 주파수, 한 번 오르내리는 데 걸리는 거리는 파장, 오르내림의 크기는 진폭이라고 부릅니다.
진동하는 전자가 시간차를 두고 오른쪽으로 파동을 만들어 내는 모습
왼쪽의 전자가 위아래로 흔들리면, 그 변화가 조금씩 늦게 오른쪽으로 전달되어 물결 모양의 전파가 만들어집니다.
전자가 움직이면 전기장이 변하고, 전기장이 변하면 자기장이 변합니다. 이렇게 변하는 전기장과 자기장이 계속 서로를 만들어 내며 빛의 속도로 퍼져 나가는 것이 바로 전자기파(전파)입니다.
진행 방향(X)·전기장 방향(Y)·자기장 방향(Z) 세 축을 비스듬히 기울여 그린 입체 그림으로, 전기장(E)과 자기장(H)이 서로 직각(90˚)으로 진동하며 함께 나아가는 모습을 한눈에 보여줍니다.
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이렇게 만들어진 전자기파에는 우리 눈에 보이는 빛(가시광선)부터 적외선, 자외선, 엑스선까지 파장이 다른 다양한 종류가 있습니다. 그 이야기는 전자기파 편에서 자세히 다룹니다.
💡 재미있는 사실!
이 원리를 처음 수식으로 완성한 사람은 19세기 과학자 맥스웰입니다. 그는 전기장과 자기장이 서로를 만들어 내며 빛의 속도로 퍼져 나간다는 것을 계산으로 증명했고, 이후 실험을 통해 실제로 전파가 존재한다는 사실이 확인되었습니다. (아래 '좀 더 알아보기'에서 맥스웰 방정식을 자세히 소개합니다.)
전기와 자기에 관한 법칙들은 한 사람이 한꺼번에 찾아낸 것이 아닙니다. 쿨롱, 가우스, 외르스테드, 앙페르, 패러데이 등 여러 과학자가 약 80년에 걸쳐 각각 따로 발견했습니다. 1860년대에 영국의 과학자 제임스 클러크 맥스웰(1831–1879)이 흩어져 있던 이 법칙들을 하나의 체계로 모으고, 빠져 있던 조각 하나를 채워 넣었습니다. 그 결과가 오늘날 맥스웰 방정식이라 부르는 네 개의 식입니다. 전파가 만들어지고 퍼져 나가는 원리가 모두 이 네 식 안에 들어 있습니다.
① 가우스 법칙 — 전하는 전기장을 만든다
전하가 있는 곳에서 전기장이 뿜어져 나옵니다. (+)전하에서는 전기장이 밖으로 퍼져 나가고, (－)전하로는 빨려 들어갑니다. 전하가 많을수록 전기장도 강해집니다.
뿌리: 쿨롱(1785)이 두 전하 사이에 작용하는 힘을 정밀하게 측정했고, 가우스(1835)가 이를 "닫힌 면을 뚫고 나가는 전기장의 총량은 그 안의 전하량에 비례한다"는 수학적 형태로 정리했습니다.
② 자기에 관한 가우스 법칙 — N극만 따로 있을 수 없다
자기장이 한 점에서 솟아나거나 빨려 들어가는 곳은 없습니다. 자기력선은 언제나 시작도 끝도 없는 닫힌 고리를 이룹니다. 그래서 막대자석을 아무리 잘게 잘라도 N극과 S극이 항상 함께 나옵니다.
뿌리: 특정 인물의 발견이라기보다 "자석은 쪼개도 늘 두 극을 가진다"는 오랜 관찰 사실을 ①과 같은 가우스의 방식으로 표현한 식입니다. 자기 홀극(N극만 있는 입자)은 지금까지 발견된 적이 없습니다.
③ 패러데이 법칙 — 변하는 자기장은 전기장을 만든다
자기장이 시간에 따라 변하면, 그 둘레에 소용돌이 모양의 전기장이 생깁니다. 코일 속에서 자석을 움직이면 전류가 흐르는 원리로, 발전기·변압기·교통카드가 모두 이 법칙으로 작동합니다. 자기장이 변하지 않으면(\(\partial \mathbf{B}/\partial t = 0\)) 이런 전기장은 생기지 않습니다.
뿌리: 패러데이(1831)가 실험으로 전자기 유도를 발견했고, 렌츠(1834)가 유도된 전류는 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다는 것을 밝혔습니다. 식의 (－) 부호가 바로 이 뜻입니다.
④ 앙페르–맥스웰 법칙 — 전류와 변하는 전기장은 자기장을 만든다
첫째 항(\(\mu_0 \mathbf{J}\))은 전류가 흐르면 그 둘레에 소용돌이 모양의 자기장이 생긴다는 뜻입니다. 전기와 자기의 관계에서 본 나침반 실험이 이것입니다. 둘째 항(\(\mu_0 \varepsilon_0 \, \partial \mathbf{E}/\partial t\))은 전류가 없어도 전기장이 변하기만 하면 자기장이 생긴다는 뜻입니다.
뿌리: 외르스테드(1820)가 전류가 나침반을 움직인다는 것을 발견했고, 앙페르(1820–1826)가 전류와 자기장의 관계를 식으로 정리했습니다. 둘째 항은 맥스웰(1861–1865)이 새로 덧붙인 것입니다.
맥스웰 이전의 앙페르 법칙에는 ④의 첫째 항만 있었습니다. 그런데 맥스웰은 이 식이 축전기를 충전할 때 모순을 일으킨다는 것을 알아챘습니다. 축전기의 두 금속판 사이는 비어 있어서 전류가 건너가지 못하는데, 실제로는 그 틈 둘레에도 전선 둘레와 똑같이 자기장이 생깁니다. 또한 첫째 항만으로는 "전하는 저절로 생기거나 사라지지 않는다"는 전하 보존 법칙과도 맞지 않았습니다.
맥스웰은 판 사이에서 변하고 있는 전기장이 마치 전류처럼 자기장을 만든다고 보고, 이를 변위 전류라는 둘째 항으로 덧붙였습니다. 이 작은 항 하나가 모든 것을 바꾸었습니다. ③은 "변하는 자기장 → 전기장", 새로 완성된 ④는 "변하는 전기장 → 자기장"을 말하므로, 두 식이 서로 꼬리를 물며 이어질 수 있게 된 것입니다.
전하도 전류도 없는 텅 빈 우주 공간(\(\rho = 0,\ \mathbf{J} = 0\))에서는 ③과 ④가 다음처럼 됩니다.
변하는 자기장이 전기장을 만들고, 그 전기장의 변화가 다시 자기장을 만듭니다. 위의 애니메이션에서 본 "전기장 변화 → 자기장 변화"의 사슬이 바로 이 두 식입니다. 두 식을 하나로 합치면 파동의 모양을 나타내는 파동 방정식이 나오고, 그 속에 파동이 나아가는 속도가 들어 있습니다.
\(\varepsilon_0\)와 \(\mu_0\)는 전기와 자석 실험만으로 잰 값인데, 이를 넣어 계산한 속도가 놀랍게도 빛의 속도와 같았습니다. 1862년 맥스웰이 계산한 값은 초속 약 31만 km로, 몇 해 전 피조가 실험으로 잰 빛의 속도(초속 약 31만 5천 km)와 거의 일치했습니다. 맥스웰은 여기서 "빛은 전자기파다"라는 결론을 내렸고, 눈에 보이지 않는 다른 파장의 전자기파도 있을 것이라고 예측했습니다.
반대로 직류처럼 아무것도 변하지 않으면 \(\partial/\partial t = 0\)이 되어 ③과 ④의 변화 항이 사라집니다. 그러면 전기장과 자기장이 서로를 만들어 내지 못하므로 전파도 생기지 않습니다.
사실 맥스웰이 1865년 논문 「전자기장의 동역학적 이론」에 쓴 식은 지금의 네 식이 아니라, x·y·z 방향을 하나하나 풀어 쓴 20개의 식이었습니다. 지금의 간결한 네 식은 맥스웰이 세상을 떠난 뒤 다른 과학자들이 다듬은 것입니다.
| 연도 | 인물 | 한 일 |
|---|---|---|
| 1785 | 쿨롱 | 두 전하 사이의 힘이 거리의 제곱에 반비례함을 측정 → ①의 바탕 |
| 1820 | 외르스테드 | 전류가 흐르는 전선 옆에서 나침반이 움직임을 발견 → 전기와 자기의 연결 |
| 1820–1826 | 앙페르 | 전류와 자기장 사이의 관계를 수식으로 정리 → ④의 첫째 항 |
| 1831 | 패러데이 | 자기장의 변화가 전류를 만드는 전자기 유도 발견, '장(field)'과 '역선'이라는 생각을 도입 → ③ |
| 1834 | 렌츠 | 유도 전류의 방향 규칙 → ③의 (－) 부호 |
| 1835 | 가우스 | 전하와 전기장의 관계를 '닫힌 면' 형태로 정리 → ①, ② |
| 1861–1865 | 맥스웰 | 패러데이의 '장' 개념을 수학으로 옮기고 변위 전류를 추가해 이론을 완성, 빛이 전자기파임을 예측 |
| 1884–1885 | 헤비사이드 | 벡터 기호(\(\nabla \cdot,\ \nabla \times\))를 써서 20개의 식을 지금의 네 식으로 정리 |
| 1887–1888 | 헤르츠 | 실험실에서 전파를 직접 만들고 검출하여 맥스웰의 예측을 증명. 주파수 단위 Hz는 그의 이름에서 왔습니다. |
이처럼 맥스웰 방정식은 한 천재의 작품이라기보다, 앞선 과학자들의 실험과 발견을 맥스웰이 하나로 엮고, 뒤이은 과학자들이 다듬고 증명하여 완성한 공동 작품입니다. 그리고 그 결과로 태어난 전파는 오늘날 휴대전화와 방송, 그리고 KVN 같은 전파망원경으로 우주를 관측하는 데까지 쓰이고 있습니다.
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원리 자세히 보기
전파를 실험으로 확인해 온 역사
| 시기 | 사건 | 의미 |
|---|---|---|
| 1887년 | 마이컬슨–몰리 실험 | 지구가 '에테르' 속을 움직인다면 빛의 속도가 방향에 따라 달라져야 했지만, 아무 차이도 찾지 못했습니다. 빛(전자기파)에 매질이 필요 없다는 생각의 출발점이 되었습니다. |
| 1887~1888년 | 헤르츠의 반사·굴절·편광 실험 | 전파를 만들고 검출하는 데 그치지 않고, 전파가 빛과 똑같이 반사·굴절·편광된다는 것을 보여 "빛은 전자기파"라는 맥스웰의 생각을 실험으로 뒷받침했습니다. |
| 1888년 무렵 | "아무 쓸모가 없다" | 널리 알려진 일화로는, 헤르츠가 학생들에게 이 실험이 맥스웰이 옳았음을 보여 줄 뿐 실제로 쓸모는 없을 것이라고 말했다고 합니다. 불과 몇 년 뒤 무선 통신이 시작되었습니다. |
| 1894년 | 로지의 공개 강연 | 헤르츠가 세상을 떠난 해, 영국의 로지가 왕립연구소 강연에서 개선된 검출기로 전파 신호를 받는 장면을 시연해 무선 통신 연구에 불을 붙였습니다. |
| 1895년 | 보스의 밀리미터파 실험 | 인도의 보스가 콜카타에서 60 GHz(파장 약 5 mm) 전파를 23 m 떨어진 곳까지 보내고 받는 실험을 공개했습니다. KVN이 관측하는 밀리미터파 대역을 처음 다룬 선구적인 연구입니다. |
| 1905년 | 아인슈타인의 특수상대성이론 | 진공에서 빛의 속도는 누가 보아도 같다는 원리를 세워 에테르가 필요 없음을 이론적으로 정리했습니다. |
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📚 참고 자료 및 출처
본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.