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마이크로파 특성실험

1. 실험목적:microwave(파장 약 2.85cm)의 성질(반사, 간섭, 편광)을 알아보고 Bragg의 법칙을 실험한다.2. 이론:마이크로파의 특성Microwave는, wavelength는 길지만 가시광선과 같은 electromagnetic wave이며, 따라서 가시광선과 같이 reflection, refraction, diffraction 등의 성질을 가진다. 그런데 wavelength가 길기 때문에 격자에 의한 회절 등과 같은 실험을 할 때 실험을 가시화하기 쉽고 실험장치를 조작하기 간편한 장점이 있다.1) 반사평면파가 균일한 매질을 진행할 때는 진행 방향을 바꾸지 않고 직진을 하지만, 전파속도가 다른 매질의 경계면에 진입을 하면 진행 방향이 바뀌게 되고(굴절), 또한 그 경계면에서 부분적인 반사가 일어난다. 입사파의 진행 방향과 매질의 경계면, 굴절파의 진행 방향, 반사파의 진행방향 사이에는 간단한 관계가 성립한다. 즉 입사각과 반사각은 같다는 반사의 법칙, 입사각과 굴절각의 sine비는 각 매질에서의 파동의 전파속도의 비로 주어 진다는 것이다. 이는 파동의 일반적인 속성으로서 입자의 경우에는 반사의 법칙은 단순계일 때는 성립하지만 굴절의 법칙은 성립하지 않는다. 특히 굴절의 법칙은 전파속도의 비에 대해 반대로 성립하는 경향이 있어 역사적으로 빛이 파동의 성질을 가지고 있는 증거가 되기도 하였다.입사각을각을, 굴절각을 t라 하고 파가 속도인 매질에서인 매질로 입사했을 때 두 법칙은 다음과 같이 표현된다.그림 상파. 그림의 오른편에서 왼편으로 입사하는 파동이 왼쪽에 있는 벽을 만나서 반사되어 나온다. 이때 반사되어 나오는 파는 입사파에 비하여 반대의 위상(180o)을 가지고 있다. 입사파와 반사파가 합성되어 오른편에 적혀 있는 시간별로 파가 진동을 한다.그림1 에서 보이는 것처럼 서로 반대로 움직이고 진폭이 거의 같은 두 파가 만나면 제자리에 머물면서 진동을 하게 된다. 이렇게 공간적으로 전파되지 않고 진동을 하는 파동을 정상파라 한다. 이때 진동을 하지 않고 언제나 그대로 있는 부분을 정상파의 마디(node), 진동을 최대로 하는 부분을 정상파의 배(antinode)라고 한다. 이렇게 정상파가 생기는 것은 한쪽으로 진행하는 파가 벽에 부디 쳐서 반사가 될 때 주로 일어나는데 반사될 때 위상의 변화에 따라 마디와 배가 생기는 위치가 다르다. 또한 반사되는 파가 일부 벽면에 흡수된다면 마디가 명확하게 형성되지 않아 약간 진동을 한다. 마디와 다음 마디사이의 거리는 파장의 반이다. 마이크로파는 금속에서 거의 완전히 반사되므로 정상파를 만들기 위해서 금속판이나 파장보다 간격이 작은 철망을 쓸 수 있다. (전자렌지의 앞문은 유리로 되어 안을 들여다 볼 수 있으나, 가는 철망이 유리 뒷편에 있어서 마이크로파는 내부로 반사되어 밖으로 잘 나오지 못한다.)빛이 물질의 표면에서 반사된다고 가정하면 실제로는 빛은 물질 속으로 약간 침투하는데, 이 빛이 분자를 진동시킨다. 산란시의 편광과 같이, 반사된 빛은 입사면에 수직으로만 진동할 수 있어서 반사된 빛은 선형 편광되어있다. 알아 두어야 할 점은, 입사면이 빛이 입사하는 면이 아니고, 표면에 수직인 벡터와 입사광, 반사광으로 정의되는 면이라는 것이다. 최대의 편광은 반사각과 굴절각이를 이룰 대 일어난다. 이경우에이다. 그런데이므로 슈넬의 법칙인이그림이 된다.따라서이므로이 되는데 이를 브루스터 법칙이라 한다.2)편광빛은 전자기파로서 횡파이며 그림3과 같이 전기장(E)과 자기장(B)의 방향은 서로 직각이다.그림3빛은 그림3과 같이 진행방향(z-축)에 수직한 면(X-Y 평면)을 따라 진동하게 되는데 편광되지 않은 빛은 X-Y 평면상에서 모든 방향으로 진동하게 되고 그림4의 진동은 X와 Y방향의 두 성분으로 분해할 수 있다.그림5그림4그림5그림6만일에 그림6과 같이 편광자(Polarizer, P1)에 의해 어떤 한 방향으로만 진동한다면 이 빛은 평면 편광(Plane Polarization)되었다고 하며, 그 진동방향을 편광방향이라고 부른다.그리고 검광자(Analyzer,)를 편광자(Polarizer, P1)에 수직한 방향으로 둔다면 빛은 보이지 않게 된다. 입사광()의 편광방향과 검광자(Analyzer,)의 편광축의 방향이 이루는 각이라면 )를 통과한 빛의 세기()는로서 이를 Malus의 법칙이라 한다.3)이중슬릿의 회절길이가 L, 폭이 b인 가늘고 긴 두 실틈이 a만큼 떨어져있다. 길이방향으로 x축, 폭 방향으로 y축을 취하고, 실틈 면에서 수직으로 Z만큼 떨어진 위치에 스크린을 세운다. 단일 실틈과 동일하게 y축을 따라 실틈 위에서 적분한다.이식을 적분하여 회절된 광의 세기를 구하면 다음과 같다.여기서이고,으로에서의 광의 세기인 데, 슬릿의 4배가 된다.항은 두 슬릿에 의한 영(young)의 간섭무늬로 밝은 무늬가 발생하는 위치는인 점이다. 중심에서 n번째 밝은 무늬의 위치,을 구하면 다음 과 같다.간섭무늬의 간격은 일정하고, a는 b보다 큼으로 간섭무늬 간격이 회절무늬 간격 보다 더 조밀하다. 따라서 두 슬릿에 의한 회절무늬는 조밀한 간섭무늬가 회절에 의해 점점 약해지는 모양을 나타낸다. 만약 a와 b가 정수배의 비를 갖는다면 회절무늬가 사라지는 처음 위치와 간섭무늬의 밝은 무늬 위치와 일치하여, 간섭무늬 중 일부 밝은 무늬가 사라진다.이라 하자. 회절무늬가 사라지는 위치는,이 된다. 위의 밝은 간섭무늬의 위치와 비교해 보면일 때, 두 위치가 일치한다. 즉, 중심에서 N번째 밝은 간섭무늬가 사라진다.4) Bragg's lawX선, 감마선 같은 전자기파 또는 전자·중성자로 이루어진 입자파가 결정 안으로 입사했을 때 가장 강한 반사를 일으키는 면에 대해 결정 안의 원자간의 면간격과 입사각 사이에 성립하는 관계법칙.?반사된 파의 강도가 최대로 되려면 보강간섭이 일어날 수 있도록 각 파의 위상이 같아야 한다. 즉 개개 파의 동일점(가령 파의 마루나 골)이 관측장소에 동시에 도착해야 한다.??그림7?그림7을 보면, 위상이 서로 같은 2개의 파 1·2가 결정 안에 있는,원자에서 각각 반사된다. 이 결정의 격자(또는 원자) 면간격은이다. 실험에 의하면 반사각와 입사각는 서로 같다. 두 파가 반사된 다음에도 위상이 같으려면 경로차가 파장()의 정수배가 되어야 한다(즉). 그런데 기하학적으로 볼때,와의 길이가 서로 같고, 각각의 크기는 격자 면간격와 반사각의 사인값을 곱한와 같으므로?경로차가 된다 따라서 보강 간섭 조건은가 되고, 이 관계를 브래그 법칙이라 부른다.?브래그 법칙은 파장을 측정하거나 결정의 격자 간격을 알아내는 데 유용하다. 특정한 파장을 측정하려면 복사파와 탐지기를 모두 임의의 각 θ로 맞추어 놓은 다음, 탐지기에 강한 신호가 나타날 때까지 탐지기를 돌려 각도를 조절한다. 신호가 나타날 때의 각도(브래그 각)를 브래그 법칙에 대입하면 바로 파장을 구할 수 있다. X선과 저에너지의 감마선이 갖고 있는 정확한 에너지 값은 주로 이 방법으로 측정한다. 양자역학에 의하면 중성자도 파동성을 나타내기 때문에 중성자의 에너지를 구할 때도 브래그 반사를 자주 이용한다.3. 응용분야마이크로파를 흡수하는 나노입자이산화 망간 나노구조체는 뛰어난 마이크로파 흡수 성질을 갖고 있어서 레이더 횡단 감소, 휴대 통신, 컴퓨터, 무선 LAN 장치 및 무선 안테나 시스템의 보호와 같이 도시, 상업, 군사 등의 목적으로 사용될 수 있다.기존의 마이크로파 흡수제는 무게가 많이 나가 이용하는데 제약이 많았다. 따라서, 폭넓은 영역을 흡수할 수 있는 경량이고, 구조적으로 안정하며, 유연한 흡수제가 필요하게 되었다. 최근 중국의 란주대 연구진은 뛰어난 마이크로파 흡수 성질을 갖는 이산화 망간 나노구조체를 개발하였는데, 제조된 재료는 위와 같은 사항을 충족할 것으로 연구진은 기대하고 있다.?

자연과학| 2009.05.23| 8페이지| 2,000원| 조회(713)

microwave, 마이크로파, Microwave Optics, 마이크로파 실..

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감쇠조화진동 예비레포트

1. 실험 목적회전 진동자와 컴퓨터 인터페이스를 이용하여 스프링 상수를 확인하고 진동주기를 정하여 이론값과 일치하는가를 확인한다. 또한, 외부에서 힘이 공급되는 강제 감쇠 조화진동자를 통하여 스프링의 고유진동수 근처에서의 운동을 관찰하고 진동의 공진현상과 고유진동수에 대한 물리적 의미를 이해한다.2.원리조화 단진자가 행하는 운동을 자유 진동이라 하고, 그 경우에 한번 진동이 시작하면 멈추지 않는다. 물론 이것은 현실의 경우를 너무 단순화하고 있고 실제로는 분산력 또는 마찰력 때문에 진동은 감쇠하고 결국은 멈춘다. 그런데 운동 방정식에 감쇠력의 항을 도입하는 것이 가능하고, 감쇠력이 일반적으로 변위에 의존해야 한다는 것은 합리적으로 보이지 않으나, 속도의 함수이거나, 변위의 고차원 시간 미분의 함수일 수 있다. 감쇠력은 속도의 선형 함수로 가정는 경우가 많지만, 여기서는 1차원 감쇠 진동을 고려하여로 감쇠항을 나타낸다. 계수는 힘이 실제로 저항력이 되도록 양수이어야 한다. (인 경우에 힘는 어떠한 저항력이 작용할 때에 속력을 감소시키는 대신 증가시키도록 작용한다. 이리하여 질량의 입자가 선형 복원력와 저항력의 작용을 받아 운동할 경우에, 그 운동을 기술하는 미분 방정식은.....(1)이고, 이식은............(2)로 쓸수 있다.은 감쇠 계수 이고은 감쇠가 없는 경우의 고유 각진동수 이다. 이경우에 보조 방정식의 해는.....(3)가 되므로, (2)식의 일반해는..........(4)가 된다. 이해에 대해서 일반적으로 세가지 경우를 생각한다.과소 감쇠 :인계 감쇠 :과대 감쇠 :아래 그림은 특별한 초기 조건에 대해 나타내었고 과대감쇠의 경우에만 진동이 나타난다.그림과소 감쇠 진동이 경우에...............(5)로 정의하면 편리하다. 단,이므로, (4)식의 괄호 속의 지수는 허수가 되고, 해는....(6)(6)식은 또한...(7)로 쓸 수 있다. 이을 감쇠 진동자의 각진동수라 부른다. 감쇠가 있는 경우는 운동이 주기적이 아니므로, 즉 진동자가 어떤 점을 같은 속도로 반복해서 지나지 않으므로, 엄밀하게 말하면 진동수라고 하는 것은 정의할 수 없다. 그러나이 인접한축을 통과하는 시간이라면이므로 각진동수은 주어진 주기 동안 의미를 갖게 된다. 이 경우 “주기”는이아니라임에 주의해야 한다. 간단히 하기 위해을 감쇠 진동자의 “각진동수”라고 하고 이 값이 감쇠가 없을때의 진동수보다 작다는 점에 유의해야 한다. 만일 감쇠가 작으면,가 되므로, 진동수라는 말을 사용하나이 아닌 한, 그 의미는 정확하지 않다.감쇠진동자의 진동의 최대 진폭은(단,)을 포함하므로 시간과 함꼐 감소하고, 그것을 나타내는 시간에 대한 변위 곡선의 envelope은................(8)로 주어진다. 이포물선을 변위 곡선과 함께인 경우에 아래그림에 보인다. 이 그림에서 보는 바와 같이 감쇠 운동 ()에 대해서 sine곡선이다. 감쇠인 경우의 진동수가 감쇠가 없는 경우의 진동수보다 적다. (즉, 주기는 같다)는 것은 두 곡선을 비교하여 보면 명백하다. 두 개의 인접한 점에서의 진폭의 비는.....(9)이 된다. 단, 인접한 접점 중에서 최초의 것은에서 생기고, 접점 사이그림의 시간은이다.을 진동의 감쇠율이라 부르고,의 로그값, 즉을 진동의 대수 감쇠율이라 한다.조화 단진자와는 달리 진동자의 에너지는 시간에 따라 일정하지 않다. 오히려 에너지는 감쇠 매질에 계속적으로 전해져서 열로 (또는, 아마도 유체 파동의 형태로 복사되어) 사라지낟. 에너지 손실율은 속도의 제곱에 비례하여, 에너지의 감소는 일정하게 일어나지 않는다. 입자가 평형 위치 (정확하지는 않지만) 근처에서 최대속도를 이룰 때에 에너지 손실율은 최대가 되며, 그 입자가 최대 진폭일 때에 속도는 0이 되고, 에너지 속실율은 동시에 사라진다.그림감쇠 진동자에 대한 총 에너지와 에너지 손실율을 아래 그림에 보인다.임계 감쇠 진동감쇠력이 충분히 큰(만일) 경우에는 계에는 진동하지 않게 되고, 초속도가 0인 경우 변위는 그 초기값에서 평형점(x=0)까지 일정하게 감소한다. 임계 감쇠는이과 똑같을 때에 생긴다. 그래서 보조방정식의 두 근은 같고, 함수는 다음과 같이 쓸수 있다.........(10)초속도 0인 경우의 임계 감쇠의 변위 곡선을 그림1에 나타내었다.임계 감쇠 진동자는 주어진 초기 조건에 대해서, 과감쇠나 감쇠의 어떤 경우보다도 더 급속하게 평형점에 도달한다. 따라서 어떤 실용적인 진동계에서 계가 될 수 있는 대로 빨리 평형 상태에 돌아오기를 바라는 물건 (예를 들면, 전류계)을 설계할 때에 이 사실이 중요하다. 기압통식각막 문닫히기 시스템 이 임계 감쇠 디바이스의 좋은 예가 된다. 만약에 문닫히기가 과소 감쇠이라면 용수철로 된 문이 하는 것과 같이 세게 닫힐 것이다. 만약에 과대 감쇠이라면 문이 닫히는데 쓸데없이 긴 시간을 요할 것이다.과대 감쇠진동만약에 감쇠 피라미터가보다 크다면, 과대 감쇠하는 결과를 낳는다.이므로 (4)식의 괄호 속의 지수는 시리수가 되고............(11)을 얻는다. 여기서............(12)이다. 이 운동은 주기적이 아니므로,는 각진동수를 나타낸 것처럼 이상한 행동을 하는데 진폭이 영에 감소된다는 결과를 낳는다. 표시된 출발위치의 모든 위상경로에 대래 더 시간이 많이 지났을 때 접근경로는 점선곡선에 따라간다. 특별한경우만이 위상경로는 또하나의 점선 곡선에 따라간다. 출발점의 위치와 속도에 따라와모둥 다 부호가 바뀔 수도 있다. 예로서 아래그타낸 위상경로 Ⅲ을 보면 알수 있다.그림그림 5는 그림 4에서 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 으로 표시한 3개의 위상경로에 대한와를 시간함수로 나타낸 것이다. 이들 3개의 경우에 따라 흥미로운 행동을 한다.Ⅰ.인 경우,가 0이 되기까지 어떤 시각>0에서 한번 최대가 된다.Ⅱ.인 경우,와가 단조롭게 0에 접근한다.Ⅲ.이지만곡선 아래에 있고는 음으로부터 영에 접근하고는 양으로부터 영에 접근한다. 이런 경우의 운동은 진동이라고 생각할수 있다.초기점은 그림4의 2개 점선곡선 사이에 있고 단조롭게 영에 감소해 가는 위상경로를 갖는 것으로 보이는데 2개 점선곡선 밖에 있을 때는 그렇지 않다. 임계 감쇠는그림6에나타낸 그림보다 그림 4에 나타낸 과대 감쇠곡선에 유사한 위상곡선을 갖는다.그림그림 63. 응용분야진동을 감쇠하는 탄소나노튜브탄소나노튜브 충전제는 복합재료에서 진동을 감쇠하는 재료로서 주목을 받고 있으며, 고온에서 우수한 진동 감쇠 특성을 보이는 새로운 나노복합재료는 항공기, 우주선, 위성, 자동차, 미사일 시스템용 센서 등 다양한 분야에 사용될 수 있다.런셀러폴리테크닉연구소의 연구진은 단일벽 탄소나노튜브-고분자 복합재료의 진동이 높은 표면에서 더 많이 감쇠되는 현상을 발견하였다. 탄소나노튜브와 고분자 사이 계면의 미끄러짐 때문에 진동이 감쇠하고, 탄소나노튜브가 갖는 높은 종횡비(Aspect Ratio), 낮은 중량밀도, 큰 계면 표면적, 작은 중량으로 에너지를 잘 분산시킬 수 있다. 나노튜브의 진동 감쇠는 계면의 미끄러짐이 보다 활성화될 수 있는 고온에서 보다 효율적인데, 이는 고온에서 고분자 주사슬이 유연해지기때문에 고분자와 탄소나노튜브 사이의 기계적 결합이 약해져서 일어나는 것으로 여겨진다.

자연과학| 2009.05.08| 8페이지| 1,000원| 조회(1,385)

단진자, 감쇠, 감쇠조화, 저항력, 감쇠력

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홀효과 halleffect예비레포트

Hall effect는 1897년 Hall이 미국의 존스 홉킨스 대학에서 Henry A. Rowland 밑에서 대학원 생으로 있을 때 발견하였다. Hall은 current가 흐르는 도선이 자석에 의해 힘을 받는 것을 알고서 도선 전체가 힘을 받는 것인지 아니면 도선 내의 electron(current)만이 힘을 받는 것인지 알고 싶어했다. 그는 후자가 맞을 것이란 생각에 '만약 고정된 도선 내의 current 자신이 자석에 끌린다면, current는 도선의 한쪽으로 흘러나와야 하겠기에 도선의 전기저항이 증가할 것'이란 가정에 따라 실험을 행하였다. 실험은 결국 magnetroresistance을 찾는 것으로 당시의 실험 정밀도로는 알기 어려울 정도로 변화가 작아서 실패하였다. 그는 여기에 실망하지 않고 '만약 자석이 current를 당기더라도 도선 바깥으로 끄집어낼 수 없는 정도라면 도선 내에 한 쪽 벽으로 전기적인 응력이 생겨날 것이고 이 응력은 전압(전위차)으로 나타날 것'이라고 가정하여 전위차를 측정해보게 되었다. 이것이 Hall voltage이고 이로써 Hall effect가 발견되었다.이러한 hall effect로 부터 알려지지 않은 도체의 전하운반자의 종류, 전하운반자의의 drift velocity, 전기 전도도, 전하운반자의 농도 등을 조사할 수 있다.1.Hall Effect??magnetic field내에서 움직이는 charge는 힘(Larentz force)를 받는다. 힘을 받은 charge는 힘의 방향으로 움직이나 박막, 도선 등 제한된 크기의 물체내에 있는 charge의 경우에는 charge가 물체의 바깥으로 쉽게 나갈 수가 없으므로, 이들 경우에는 electron뿐이나, 반도체물질의 경우에는 type에 따라서 electron과 hole (electorn이 있을 자리에 빠져 있는 것을 마치 +e의 positive charge를 갖는 particle로 생각한다)일 수 있다. current와 magnetic field에 수직한 벽면이 전위차를 측정해보면, 그 극성으로부터 charge의 부호를 알 수 있다.시료(전도체)에 전류를 흘려주고, 이에 수직한 방향으로 자기장을 걸어준다. 시료에 흐르는 전류, 즉 각각의 전하운반자들은 자기장 하에서 힘을 받게 되며, 전하를 지니고 움직이는 입자에 작용하는 로렌츠 힘은,와 같으며, 이때 초기상태에서 작용하는 전기장은 없으므로, 전기장에 의해 발생하는 힘을 나타내는 부분은 무시할 수 있으며, 이 식은 다시,로서 나타낼 수 있다. 위 식에서 전하의 이동방향벡터와 자기장 벡터를 외적하게 되있는데, 위 실험장치 에서 보여지듯이, 두 벡터는 수직한다. 즉,와 같은 식으로서 작용하는 힘의 크기를 나타낼 수 있다.이러한 로렌츠 힘에 의해서 전하운반자는 전도체의 한쪽 방향으로 발생 하게 된다.시료의 ‘w’방향으로 전위차가 발생하게 되며, 이때의 전위에 따른 시료의 차는와 같이 나타낼 수 있으며, 각각의 전하운반자가 전하 q를 가지고 있다고 하면, 시료 내부에서 발생하는 전기장에 의해 각각의 전하운반자에 미치는 힘의 크기는가 된다. 이제 자기력에 의해 한쪽으로 전하운반자를 모으는 힘과 전도체 내부에서 발생하는 전기장에 의한 힘이 크기가 같다면, 전하운반자들에 작용하는 알짜힘은 0이 되게 되며, 평형을 이루게 된다. 이때의 전기장의 크기는 두 힘을 나타내는 두식과을 합치게 되면, 구할 수 있다. 즉,가 되며, 다시 위 식을 식, 전도체 내의 전위차를 나타내는 식‘’와 결합하게 되면,를 얻게 된다. 위 식에서 전위차, 자기장, 전도체의 폭은 실험을 통해 측정할 수 있으며, 이러한 값들을 이용하면 위 식을 통하여 전도체 내에서의 전하운반자의 유동속도 drift velocity를 구할 수 있다. 또한 전류밀도의 정의식인로부터 전도체 내의 단위시간당 전도체의 단면을 통과하는 전하운반자의 개수를 알아낼 수 있다. 우선 위 식을 아래의 식과 같이 정리하고,전류밀도 J는A : 전류가 흐르는 단면적이므로, 위 식은 다시와 같이 적을 수 있다. 즉, 위 식을 이용하면, 실험을 통해서 전하운반자의 개수를 알 수 있다. 또한 위 식을 홀 전압hall voltage을 나타내는 식에에 대하여 정리한 후 대입하면이 된다. 위 식에서이며, 이는 Hall coefficient(hall constant)라 한다.2. Carrier가 positive일 때 (hole)Lornetz force로부터 hole이 받는 힘 이 구해진다. 그리고, 물질 내의 전기장이 '0'이므로 초기에 hole 이 받는 힘은가 된다. 이 힘에 의해 hole은 위쪽으로 이동하고 따라서 위쪽은 (+)전하를 띄게 되고 아래쪽은 (-)전하를 띄게 된다 .그러므로 내부에서는 이 전하의 분극에 의해서 전기장이 생기게 되고 초기의 자기장에 의한 자기력과 전하 분극에 의한 정전기력이 hole에 작용하게 되어 두 힘이 평행을 이루게 된다. 이 평형 상태에서 윗부분은 (+)로 대전되어 있고 아래 부분은 (-)로 대전되어 있어 전압을 측정하게 되는데 이것이 Hall voltage 또는 Hall emf 라고 한다.이것을 다시 수식으로 나타내게 되면,① Lorentz force에서② 이므로③ 전기력과 자기력이 평형을 이루므로④ Hall emf는 ( 는 시료의 두께)가 된다.전류밀도로부터??????????여기서 A는 전류가 흐르는 단면적이다.④ 의 내용을 Hall emf의 식에 대입하면?????????? ??이 된다.?여기에서 이며 이것은 Hall coefficient이다. 이것에 의하여 Hall emf를 다시 표시하면 가 된다.3. Carrier가 negative일 때이 경우 수식 전개는 위의 경우와 같고, carrier의 부호가 다르므로 Hall coefficient의 부호와 힘의 방향이 다를 뿐이다.실제로 실험을 통해서 Hall emf와 시료에 가해지는 전류의 세기, 자기장의 세기 그리고 시료의 두께와 면적을 알면 그 시료의 Hall coefficient를 알 수 있다.4. 자기장 안에서 움직이는 전하가 받는 힘양의 전하를 가지는 입자를 일정한 속도로 균일한 자기장이 형성된 공간에 입사시키면, 힘을 받게 된다. 이는 벡터의 외적으로서 수식화 할 수 있으며, 이를 직접 나타내어 보면,와 같이 나타낼 수 있다.응용분야자기장 측정장비센서분야에서는 홀전압을 측정하므로써 자기장을 측정하는 방법으로 사용된다. 홀센서는 소형 다량생산이 가능하고 증폭기 등 전자회로를 동시에 반도체공정으로 생산가능하고저가의 다량생산공급이 가능하여 보편적인 용도의 자기장센서로 가장 많이 보급되어 있다.홀 센서를 이용한 가우스메타 (Gaussmeter using the Hall sensor)?자기장을 검출하는 방법에 따라 검출 센서의 종류는 여러 가지가 있으나 아마도 가장 널리 알려진센서는 홀 센서일 것이다. ??홀 센서의 동작은 반도체(홀 소자)의 전극에 전류를 흐르게 한 후 수직방향으로 자기장을 인가하면 전류의 방향과 자기장 방향에 수직하게 ?전위차(electric potential)가발생한다. 이를 홀 전압()이라 하고 다음과 같이 표현된다.???????????????????????????????????????????????????????????여기서 는 홀 전압??????????? 는 비례계수??????????? ?는 홀 센서에 인가하는 전류?????????????는외부 Magnetic flux density???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????홀 기전력이 발생 개념도

자연과학| 2009.05.08| 7페이지| 1,000원| 조회(832)

hall effect, 전위차, 홀효과, 전하운반자

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빛의 편광 예비레포트

편광이란빛으니 전자기파로서 전기장과 자기장이 진동을 하면서 전파되는 것입니다. 전기장이나 자기장은 서로 직교하면서 진행방향에 수직으로 진동을 하게 되어 횡파의 특성을 갖게 됩니다.-편광상태횡파의 경우, 방향이 진행방향에 수직한 진동방향은 2차원 면 위에 놓여 있을 수 있어 서로 수직인 두 성분으로 분해할 수 있다. 공간의 한 지점에서의 파는 그 평면상에서 같은 진동수로의 규칙적인 행동을 보이는데 그 양식을 파의 편광상태라 합니다.-편광방향빛의 경우는 전기장과 자기장 중, 물질에 더 큰 영향을 주게되는 전기장의 진동하는 방향을 편광방향이라 합니다.빛은 짧은 길이의 무수히 많은 파동줄기(wave train)가 모여서 형성된 것이므로 하나하나의 편광상태가 어떻게 집합되어 있는가를 고려해야 하므로 통계적인 처리가 필요하다아래 그림은 z 방향으로 전파되는 빛의 전기장과 자기장의 모습을 보여주고 있다. 전기장은 진행방향과 수직으로 진동할 수 있어 아래의 경우는 x-y 평면방향으로 진동할 수 있다. 그중 그림에서는 x 방향으로 진동하는 경우이다.한편 자기장은 항상 전기장, 진행방향 과 수직하면서 아래 그림처럼 전기장-자기장-진행 방향이 오른손 좌표계를 이루게 되어야 한다. 더구나 자기장의 크기도 전기장의 크기와 비례하므로 빛의 편광상태를 말할 때에는 자기장의 배치는 전적으로 무시하여 말 할 수 있다.?편광의 형태1) 선형 편광빛이 진행할 때 전장의 진동 방향이 항상 일정한 경우 선형 편광되었다고 한다. 평면조화파의 경우 전기장과 자장의 표현은와 같으므로, 선형 편광의 경우에는와가 항상 상수 벡터가 된다. 아래 그림은 선형편광의 전기장과 자기장의 진동 형태를 보여준다.2)부분편광부분 편광 이라 함은 편광된 빛과 그렇지 않은 빛이 섞여있음을 의미한다. 편광과 전혀 관계없어 보이는 자연광도 약간의 편광성을 띠며, 상용화되고 있는 일반 편광 레이저의 경우도 500:1 정도의 편광성을 보일 뿐이다. 이와 같이 거의 모든 빛은 부분 편광이라 해도 큰 무리가 없을 것이다 단지 편광된 빛의 비율에 차이가 있을 뿐이다. 입사되는 빛을 편광된 빛()과 그렇지 않은 빛()으로 나눌때, 전체 빛의 양에 대한 편광된 빛의 양의 비를 편광도라하며와 같이 정의된다. 선형 편광기를 사용하면 이 빛의 편광도를 쉽게 구할수 있다. 선형 편광기를 한 바퀴 회전시키는 동안 이를 통과하는 빛의 최대 세기()와 최소 세기()를 측정하면, 이들과,와의 사이에는와 같은 관계가 성립되므로, 편광도는와 같이 된다. 즉, 선형 편광기를 회전시킬때 이를 통과하는 빛의 최대, 최소 세기를 측정하면 그 빛의 편광도를 결정할 수 있는것이다.3)원편광전기장과 자기장의 크기는 변하지 않으나 아래 그림과 같이 진행함에 따라 그 진동축이 일정한 속도로 회전하는 경우를 원 편광 이라 한다.이 원 편광은 크기가 서로 같고 위상차가만큼 나며 서로 수직인 두선 편광을 중첩시킴으로서 얻을 수 있다.축 방향으로 편광된 빛과축 방향으로 편광된 두 빛이축 방향으로 진행하면서 중첩된다고 하자. 이때 전기장의 표현은와같다. 위식의성분과성분을 각각와로 놓으면와 같은 원의 공식이 성립된다. 즉, 위와 같은 방법으로 두선 편광을 중첩시키는 경우 원 편광이 만들어진다. 원 편광에서 진동축의 회전 방향은 광원을 중심으로 생각하느냐 또는 관측자를 중심으로 생각하느냐에 따라서 서로 정반대가 된다. 하지만 습관상 관측자의 입장에서 다가오는 빛을 관측할 때 진동축이 오른쪽으로 회전하면 우회전 원 편광 이라하며 왼쪽으로 회전하면 좌회전 원 편광이라 한다.3)타원 편광원 편광과는 달리 중첩되는 두 선형 편광의 크기가 서로 다른 경우에 타원 편광이 생성된다. 크기 이외의 모든 조건이 원 편광 때와 동일하다면, 중첩된 빛의 전기장은와 같다. 괄호 안의 각각의 성분을와로 놓으면,과 같은 타원 방정식이 얻어진다. 전파되는 빛의 전기장과 자기장의 진폭의 변화가 아래그림과 같이 타원을 그리는 것이다. 이 때문에 타원 편광이라 부른다.3.편광의 생성1)산란에 의한 편광산란이란 빛의 에너지가 분자에 흡수되었다가 파장의 변화 없이 재 방출되는 현상을 말한다. 빛이 산란 매질을 통과하는 동안 매질을 이루고 있는 분자에 외부 전기장이 걸리게 되며, 이에 의한 전하 이동으로 분자에 유도 쌍극자가 형성된다. 빛이 진행함에 따라 전기장이 변화하게 되며 전기장의 변화는 쌍극자 모멘트의 변화를 유도한다. 이 쌍극자의 진동은 동일한 진동수를 갖는 전자기파를 방출한다. 결국 산란은 빛이 매질에 흡수되었다가 안무런 변화 없이 재 방출되는 현상으로 볼 수 있다. 빛이 산란 매질을 지나면서 그 세기가 지수적으로 감소된다. 언 듯 빛의 흡수에 의한 현상과 흡사하다고 생각할 수도 있다. 그러나 흡수와 산란은 전혀 별개의 현상이다. 흡수는 말 그대로 빛이 소멸되는 것이므로 눈으로 관찰할 수 없다. 흡수는 빛의 진동수와 원자 또는 분자의 에너지 준위의 차이가 일치할 때 일어나며, 이렇게 흡수된 빛에너지는 운동에너지 또는 열에너지로 전환된다. 이와는 달리 에너지 준위간의 차이와 빛의 진동수가 일티하지 않을 때에는 에너지가 곧바로 동일한 진동수의 빛으로 재 방출된다. 이것이 산란인 것이다. 산란은 산란 입자의 크기에 따라서 레일리 산란과 미산란으로 구분된다. 빛이 파장의 1/10배 이하의 크기를 갖는 입자에 의해 산란되는 경우 이를 레일리 산란 또는 분자 산란이라 부른다. 레일리 산란에 의한 산란광의 세기가에 반비례한다. 이와는 반대로 큰 입자에 의한 산란을 미산란이라 부른다. 이경우에는 산란광의 세기와 파장과는 큰 관계가 없는 것으로 알려져 있다. 이경우에는 산란광의 세기와 파장과는 큰 관계가 없는 것으로 알려져 있다. 두 가지 산란 형태는 주변에서 쉽게 관찰할 수 있다. 푸른 하늘, 붉은 저녁노을, 그리고 혼자 타들어 가는 담배에서 피어오르는 푸르스름한 연기 등은 레일리 산란에 의한 현상이다. 그리고 하얀 구름과 입으로 내뿜는 하얀 담배 연기는 미산란의 예가 되겠다. 산란에 의한 편광의 생성은 전기 쌍극자의 방향성에 기인된다. 빛은 가로파이므로 아래그림과 같이 햇빛의 진행방향과 수직한 위치에서는 세로파 성분이 제거될 수 밖에 없다. 이에 따라 편광이 생성된다. 이 방법으로 훌륭한 편광을 기대할 수는 없지만 0.5이상의 편광도를 얻을 수있다.2)반사에 의한 편광빛이 물질의 표면에서 반사된다고 가정하면 실제로는 빛은 물질 속으로 약간 침투하는데, 이 빛이 분자를 진동시킨다. 산란시의 편광과 같이, 반사된 빛은 입사면에 수직으로만 진동할 수 있어서 반사된 빛은 선형 편광되어있다. 알아 두어야 할 점은, 입사면이 빛이 입사하는 면이 아니고, 표면에 수직인 벡터와 입사광, 반사광으로 정의되는 면이라는 것이다. 최대의 편광은 반사각과 굴절각이를 이룰 대 일어난다. 이경우에이다. 그런데이므로 슈넬의 법칙인이이 된다.따라서이므로이 되는데 이를 브루스터 법칙이라 한다.3. 전반사일반적으로 소한 매질에서 밀한 매질로 빛을 입사시킬 때, 점차로 입사각을 증가시키면 특정한 각 이상이 되었을때 빛이 전반사 (Total Internal Reflection)를 일으키게 된다. 이때의 각을 임계각 (Critical Angle)이라 부fms다. 임계각 보다 큰 입사각으로 빛이 들어오면 따라서 모두 반사를 하게 되는데. 이때에는 일반적인 반사의 법칙에 따라 반사를 하게 된다. 아래의 그림을 보면 앞에서 설명한 바와 같이 빛이 굴절률이 큰 매질이에서 그 보다 굴절률이 작은 매질로 입사하는 경우(n1

자연과학| 2009.05.08| 10페이지| 1,000원| 조회(2,432)

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음속 측정 sound velocity 예비레포트

1. 소리의 본질 : 공기의 압력(또는 밀도)의 파동, 종파2. 파면(wavefront)과 파선 (ray)1) 파면: 위상이 일정한 점들이 이루는 곡면2) 파선: 파면에 대한 법선을 이은 곡선 (에너지가 전달되는 궤적)3. 소리의 속도(B : 부피 탄성률)보기 : 실(끈)의 파동 전파속도여러 매질에서의 소리속도기체매질소리속도(m/s)액체매질소리속도(m/s)고체매질소리속도(m/s)공기331물1,402알루미늄6,420공기343물1,482강철5,941수소1,284바닷물1,522화강암6,0004. 소리의 크기와 준위1. 소리의 세기1)정의 : 단위면적에 단위시간동안 소리에 실려 전달되는 에너지, 즉, 단위 ()2) 압력/변위의 진폭과의 관계3) 음원으로부터의 거리에 따른 변화, (: 음원의 출력)소리1) 정의:,dB(decibel) ≡ 0.1 B(bel) [B?Alexander Graham Bell]2)보기 : 몇가지 상황에서의 소리준위 (dB)들을 수 있는 문턱값0록 연주회110나뭇잎 살랑이는 소리10고통의 문턱값120대화소리60제트엔진 소리130맥놀이진폭과 진행방향은 같지만, 진동수가 조금 다른우 음파가 겹쳐진 복합음파합성음파의 파동함수합성음파의 진폭(시간에 따라 진동)소리의 세기 (진폭의 제곱)따라서 소리의 세기가의 진동수로 커졌다 작아졌다 함도플러 효과1. 음원은 서있고, 듣는 사람이로 움직일때매질에서의 파장은 불면듣는 사람이 움직이므로, 귀에 들어오는 마루의 수(진동수)가 달라짐2 음원이로 움직이고 듣는 사람은 서 있을 때음원이 움직이므로 매질에서의 파장 (두 이웃 마루 사이의 거리)이 달라짐일반적 상황에서의 도플러 효과초음속: 충격파충격파 - 서로 다른 순간에 생겨난 여러 파면에 동시에 한곳에 모여 진폭이 아주 큰 파면을 형성한 것응용 분야1. 초음파: 20kHz이상의 주파수의 음파를 말한다.초음파의 특징음파와 초음파는 탄성파이다.음파는 전파에 비해 진행속도가 느리다.음파는 전파에 비해 파장이 짧다.음파는 진공중에서는 존재하지 않는다.음파나 전파는 공기중에서도 진행한다. 다만, 주파수가 높은 초음파는 공기중을 진행하지 못한다.음파는 물중에서도 잘 진행한다.음파는 금속중에서도 잘 진행한다. 또 멀리까지 즉 두꺼운 것까지 진행한다.초음파는 X선이나 r선과 같이 방사선의 장애을 일으키지 않는다.비파괴검사나 의료분야에서 사용하는 초음파는 인체의 장애우려가 없다.초음파의 응용분야세정(시계부품, 안경, 보석, 식기등)가공(다이어몬드등)용접(박판, 가는 선, 전자부품의 lead선 접착)용착(납땜이 어려운 재질)가진(금속조직의 미세화등)탐상시험두께측정코팅두께측정조직분석경도측정초음파 종류종파: 파의 진행방향이 진동방향과 동일하다. 고체,액체,기체에서 존재한다. 이웃분자에 에너지를 충분히 전달될 수 있기 때문에 속도가 빠르다. 초음파 유량계를 이용할 경우, 초음파가 유체,액체를 통과할 때에는 종파로 진행한다. (예: 물속에서의 sound speed는 대개 1500m/s인데, 이 속도는 종파의 속도인 것이다.)횡파: 파의 진행방향과 진동방향이 수직이다. 고체에만 존재하며, 액체,기체에서는 존재하지 않는다. 동일한 주파수에서 속도는 종파의 약1/2정도이다. 따라서 파장도 작아진다. 재질내에서는 쉽게 분산되지만, 작은 결함을 검출하는데 유효하다.표면파: 1880년경 Rayleigh가 처음 확인함. 상대적으로 두꺼운 시험체의 표면 또는 곡면을 따라 진행한다. 초음파 유량계에서는 초창기에 많이 사용하였다(금속 트랜스듀서). 물속에 잠긴 고체에서는 진행하지 못한다. 속도는 횡파의 약 90%정도이다. 표면아래 1파장이내에 유효에너지가 대부분이다. 에너지의 50%이상이 1/4파장이내에 존재한다. 곡면을 따라 진행하지만, sharp edge에서는 되돌아간다. 복잡한 형상의 곡면탐상이 가능하지만, 표면이 거칠거나 구리스 먼지등에 의해 영향을 받는다.판파: 단지 몇파장정도로 얇은 금속내로 진행한다. 전달특성이 density(밀도), elastic property, metal structure(금속구조), thickness(두께), frequency(주파수)등에 영향을 받는다. 속도는 주로 판두께와 주파수에 따라 달라진다. 판파의 진동양식에는 대칭형과 비대칭형이 있다.초음파 발생압전효과(piezoeletric effect): 1880년 큐리형제에 의해 정압전효과(Direct Piezoelectri Effect: 기계적인 압력(mechanical pressure)을 주면 그 물질에 전압(electrical charge)이 발생된다)가 발견되고, 1881년에 Lippman에 의해 역압전효과(Inverse Piezoelectric Effect)가 발견되다. 따라서 정압전효과는 초음파의 수신에 사용되고, 역압전효과는 초음파를 송신하는데 사용된다.압전탐촉자는 압전크리스탈탐촉자와 극성자기탐촉자로 분류된다. 압전크리스탈탐촉자로는 수정(SiO2), 전기석(tourmaline), 유화리튬(lithium sulfate: Li2SO4, H2O), 유화카드뮴과 산화아연등이 있으며, 이중에서 수정과 화리튬이 널리 사용된다. 수정을 x-cut하면 종파를 송수신하는데 사용된다. 그리고 파형변환을 이용하여 횡파나 표면파를 발생시키는 데도 사용된다. y-cut는 횡파를 송수신하는데 사용된다.극성자기탐촉자의 재질로는 polarized ceramics(BaTiO3,PZT), PbNb2O5(lead metaniobate)등이 있다.2. 패시브 소나(수동음파탐지기)패시브소나는 액티브소나와 반대되는 개념을 가진 소나라고 할 수 있는데 주로 외부에서 전달되는 음파를 받아들여 적의 방향과 거리 및 특성데이터를 얻는데 사용하다.또한 액티브 소나와는 달리 음파를 받아들이는 역할이기에 매우 작은 에너지로도 운용이 가능하고 도달거리와 탐지거리가 액티브소나에 비해 수백배까지 되므로 수상함보다 조용하고 자신이 위치를 숨기는 잠수함은 주로 패시브 소나를 이용한다.패시브 소나의 원리는 일반적으로 사용되는 마이크와 거의 같은데, 압전 세라믹이라 불리우는 자성체에 약간의 정류를 가한 상태에서 주변의 음파가 압전 세라믹에 닿으면 압전 세라믹에 가해진 전류의 흐름을 변형시키게 된다.즉 패시브 소나는 진동때문에 생기는 압전 세라믹 주위의 전류변화를 검출한 이후 이를 증폭하여 소나병 귀에 들려주거나 화면에 파형으로 보여주는 것이다.이 패시브 소나 역시 자신이 탐지하고자 하는 범위 내 및 주파수대역에 따라 각각의 패시브 소나 모듈을 배치시켜 필요목적에 따라 사용하게 된다.소나 sonar음파를 이용, 해저·선박·어군이나 기타 목표물과의 거리를 측정하여 항해용으로 제공되는 장치. sound navigation and ranging의 약칭. 음파탐지기라고도 한다. 수동소나와 능동소나가 있다. 수동소나는 선박이나 물고기가 발하는 음의 방향·거리·세기 등을 측정하는 수신전용소나이다.음파를 이용, 해저·선박·어군이나 기타 목표물과의 거리를 측정하여 항해용으로 제공되는 장치. sound navigation and ranging의 약칭. 음파탐지기라고도 한다. 수동소나(passive sonar)와 능동소나(active sonar)가 있다. 수동소나는 선박이나 물고기가 발하는 음의 방향·거리·세기 등을 측정하는 수신전용소나이다. 능동소나는 선박이나 물고기가 발하는 음의 방향·거리·세기 등을 측정하는 수신정용소나이다. 능동소나는 음파를 발사해서 목표물로부터의 반사음을 수신하여 방위·거리를 측정하는 방식으로서, 수평소나와 수직소나로 분류된다. 다만 수직소나는 일반적으로 음향측심기·어군탐지기 등으로 불리며, 소나만을 말할 때는 수평소나를 가리키는 것이 보통이다. 소나는 어느 한 방향으로 송파기(送波器)를 향하여 음파의 펄스를 발사하고, 그 방향으로부터의 반사파를 수신하고 나서 다음 방향을 향하여 같은 과정을 반복하는 것이 원칙이다. 이러한 점에서는 레이더와 같지만, 수중음파의 속도는 매초 약 1500m로 느리기 때문에 안테나를 빨리 회전시킬 수 없어서 펄스의 반복주파수를 낮추지 않으면 안되어 특별한 연구가 필요하며, 다음과 같은 방식이 있다. ① 선형주사방식(扇形走査方式):뱃머리를 중심으로 해서 좌·우 수십 도만을 주사한다. ② 나선상탐사방식:송파기에서 모든 방향으로 펄스를 발사하고, 빔폭이 작고 예민한 지향성을 가진 수파기(受波器)를 고속도로 회전시켜서, 각 방향에서 되돌아오는 반사파를 차례로 수신한다. ③ 다중탐사방식:나선상탐사방식은 1개의 주파기를 이용하는 데 비해, 다중탐사방식은 예민한 지향성의 수파기를 원주상에 몇 개 정도 장비해 두고 이것을 순차적으로 교환하며 수신한다. 소나의 표시에서는 방향·거리·수심 등 3가지 정보가 필요하므로 평면적인 화면에 나타내기 힘들지만, 표시방법도 여러 가지로 연구되고 있다. 그 밖에 도플러소나라고 불리는 것이 있는데 이것은 방위·거리를 측정하는 것이 아니라, 음파의 도플러효과를 이용하여 선박의 속력을 측정하는 장치이다.

자연과학| 2009.05.08| 6페이지| 1,000원| 조회(929)

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