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안녕하세요. 군속도와 위상속도는 어떤 점이 다를까요?

군 속도의 대상이 되는 Wave Packet 과 위상속도의 대상이 되는 일반 Wave의 차이점은 정보를 전달 할 수 있느냐 없느냐에 있습니다. 파 다발이라 부르는 Wave Packet은 여러개의 파를 합치면(Superpose) 만들 수 있습니다.

 (3개의 파을 합성한 Wave Packet)

위의 영상을 보시면 3개의 파의 속도가 다 다르고 파장도 다름을 볼 수 있습니다. 파장이 다르기 때문에 합치면 파의 보강이 일어나는곳도 있고 간섭이 일어나는곳도 있습니다. 그리고 3개의 파가 속도가 다르기 때문에 합처진 파를 잘보면 크게 아우는 파와 그 속의 파의 속도가 다른것을 눈으로 확인 할 수 있습니다.

(파의 군 속도와 위상속도)

더 자세히 보면 빨간점이 가는 이동하는 속도가 위상속도 (Phase Velocity)이고 초록점이 이동하는것이 군 속도(Group Velocity)입니다. 왜 이런 변형을 하는 것일까요?

바로 파 하나로는 정보를 전달 하는것이 불가능 하기 때문입니다. 파 하나로는 파의 굴곡을 만드는게 불가능합니다. 그 굴곡을 통해 정보를 전달 할 수 있기 때문에 Wave Packet의 개념이 탄생했습니다. 전자기파가 그런 대표적인 예입니다. 빛의 속도는 30만 km/s 이지만 단색파(monochromatic wave)는 그 속도를 넘을 수 있습니다. 하지만 단색파가 모인 Wave Packet은 절대 30만km/s라는 상수를 넘을 수 없습니다. 실제로 제한 적이긴 하지만 단색 레이져 Pulse가 빛의 속도를 넘은 경우도 있습니다. 우리가 실생활에서 접하는 빛은 모두 이런 WavePacket으로 되어있습니다.

이제 증명을 통해 군 속도는 빛의 속도를 넘을 수 없음을 증명해 봅시다.

파수와 진동수가 다른 두개의 파를 합쳐 보도록 하겠습니다.

위 식에서는

위 결과를 이용해,

이런 결과를 이용하였고,

그리고

평균과 델타를 이렇게 정의 하였습니다.

이 결과

에서 A부분은 Wave Packet의 특성을 나타내고 cos부분은 위상속도의 특성을 나타내는 부분입니다. 시간이 지나도 위상은 변하지 않기 때문에

위상속도는 이렇게 간단히 정의 됩니다. 2개의 파의 속도는 두 개의 파수와 주파수의 평균으로 정의 되는 것을 볼 수 있습니다.

만약 두개의 주파수와 파수가 서로 아주 가깝다면

으로 정의 할 수 있습니다.

이제, 2개의 전자기파가 진공속에서 traveling 한다고 가정하고 빛의 속도가 c라고 하면,

단일파에서는 속도가 c가 나옵니다.

이제 Wavepacket의 속도를 보면,

아니 단일파와 Wavepacket의 속도가 같게 되었습니다. 왜일까요?

진공속에서의 전자기파는 단일파들의 속도들이 같기 때문에 dispersion이 생기지 않습니다.

(non-dispersion wave)

(dispersion wave)

단일파들의 속도가 다르다면 파동에 dispersion이 생겨 위상속도가 군속도보다 빠를 수 있게 됩니다(영상속에선 군속도가 빠름). 빛이 진공에서 빛의 속도로 진행하다 프리즘을 만나 빛이 퍼지는 이유도 물질안에서는 파장에 따라 빛의 속도가 달라지기 때문에 색(파장)에 따라 굴절률이 다르게 되기 때문 입니다.

(프리즘으로 인한 굴절)

이제 파장에 따라 달라 지는 굴절률(Index of reflection)을 적용해봅시다.

주파수가 어떤 임의의 W0로 다가가면 굴절률이 무한대가 됩니다. 즉 파수가 무한대이고 속도는 0으로 수렴하게 됩니다.

굴절률과 파장의 관계는 위의 식과 같습니다.

위의 예상대로 파장이 W0에 다가가면 갈수록 속도가 0으로 수렴하게 됩니다.

그리고 군속도는 절대 빛의 속도를 넘을 수 없게 됩니다.

(빛의 dispersion relation)

위의 그래프는 빛이 진공에서 물질속으로 들어가면 파수에 따라 속도가 달라지는것을 볼 수 있습니다. 그래프에서 기울기가 군속도라고 볼 수 있겠지요?

그래프를 잘 보면 파수가 높아짐에 따라 기울기가 0으로 수렴합니다. 바로 군속도가 0이 되는것이지요, 위의 식과 일치 합니다.

만약 굴절률이 -(Negative)일경우 어떻게 될까요? 이는 다음 포스팅에서 다뤄 보도록 하겠습니다.

  안녕하세요. 첫 번째로 블로깅을 하는데요, 이 블로그는 제가 수업받는 내용을 정리하는 차원에서 블로그를 만들었습니다. 또 어려운 내용을 여러 사람들과 한글로 소통하고 싶어 블로그를 만들었습니다.

  저는 우주과학을 공부하는데요, 우주과학에서 연구하는 내용들은 현장관측(In-situ observation)이 가능한 우주공간을 포함합니다. 즉 인간이 만들어낸 인공위성이 관측가능한 우주공간을 연구합니다. 우주과학의 중요성은 현대(1900년대)에 들어와서 주목을 받기 시작합니다. 왜냐하면 산업혁명을 통해 각종 산업이 발전함과 동시에 사람들에게 전자제품, 전자기기들이 일상화 되었기 때문입니다. 현대에서는 이런 전자기기들이 없어서는 생활이 안되는 생활권에 들어왔기 때문에 우주과학의 연구는 중요성을 가지게 됩니다.

  (지구 자기권과 태양풍의 상호작용)

  우주공간에서의 주요 관측대상은 전자기적인 현상입니다. 전자기적 현상에서도 대부분 플라즈마의 흐름이나 플라즈마의 에너지, 파동등을 많이 연구합니다. 왜냐하면 우주공간에서의 물질은 대부분 플라즈마 상태로 존재합니다. 지구에서는 대부분 태양에서 태양풍을 통해 지구까지 날아온 플라즈마들이 지구 자기권과 상호작용하며 각종 현상을 일으킵니다. 이런 전자기적인 현상들은 우주공간에 떠있는 위성에 피해를 주기도 하고, 지상에서는 자기폭풍(Storm)이나 Sub-storm을 통해 통신에 장애를 주기도 합니다. 만약 이런 지구자기권이 없다면 태양 플라즈마들이 지상으로 그대로 유입이 되어 인간은 존재할 수도 없을 것입니다.

  이처럼 우주를 이해하기 위해서는 플라즈마에 대한 이해가 필수적입니다. 지구 자기권으로 유입된 플라즈마는 자기권과 상호작용을 통해 에너지가 상승하게 됩니다. 이것을 가속된다고 표현합니다. 전자들은 지구 자기권 내에서 상대론적으로 볼 수 있을만큼까지 가속되는 전자(Relativitic Electron)들도 있습니다. 이런 특성을 이해하기 위해 두 가지 기작을 생각하게 됩니다. 첫 번째는 자기 재결합, 두 번째는 플라즈마 파동을 통한 입자의 가속을 생각할수 있습니다. 자기 재결합도 전자를 가속시킬수 있는 기작중에 하나이긴 하지만 상대론적으로 까지 가속시킬수 없습니다. 그래서 플라즈마 파동(Plasma Wave)을 이해하게 되는데 플라즈마 파동의 Circular Frequency가 전자의 Cyclotron Frequency와 맞게 되면 공명을 하게 되는데 이러한 기적으로 전자들이 가속될수 있습니다.  저는 이런 플라즈마 웨이브를 공부 하고 있습니다. 자기 재결합에 대한 내용은 추후에 포스팅 하도록 하겠습니다.

(Cyclotron motion ion)

(원형편광된 파동)

  이런 플라즈마 파동를 해석하기 위해서는 두 가지 방법이 있습니다. 첫 번째로는 미시적(Micro Scopic)하게 플라즈마 입자 하나하나의 운동의 역학을 분석하는 관점과 두 번째는 플라즈마 입자를 거시적(Macro Scopic)하게 유체로 보는관점에서 분석하는 방법 두 가지 방법이 있습니다. 입자 하나하나를 보고자 한다면 정확하겠지만, 계산량이 방대하고 실제로 없는 현상도 해로 많이 나오기 때문에 유체역학을 전자기학과 결합시켜 풀기 시작했습니다. 이렇게 나온 학문이 MHD(Magnetohydro Dynamics)입니다. MHD는 플라즈마를 전자 한 개 종류의 입자로 보고 전기장과 자기장을 유체역학에 접목시켜 해를 풀게 됩니다. 하지만 실제로 플라즈마는 전자와 Ion들로 이뤄져 있기 때문에 MHD로는 해석할수 있는 현상들에 한계가 있습니다.  그래서 MHD는 Two Fluid Plasma Wave로 발전하게 됩니다. 바로 전자와 ion을 유체역학 관점에서 해석하게 됩니다. 이로써 많은 현상을 이해 할수 있게 되었지만 이 역시 ion의 종류가 여러가지 이기 때문에 한계점이 있습니다. 그래서 Multiful Fluid Plasma Wave가 나오게 됩니다. 저는 일단 Two Fluid Plasma 에서 Multiful Fluid Plasma까지 포스팅할 계획입니다.

  Two Fluid Plasma를 해석하기 위해서는 아래 크개 3가지 방정식을 연립해서 풀게 됩니다.

(연속방정식)

(Momentum Equation)

(멕스웰 방정식)

첫 번째는 들어온 Flux와 나가는 Flux가 같다는 의미의 그 유명한 연속방정식입니다.

두 번째는 플라즈마를 덩어리로보고 각종 힘을 기술하는 Momentum equation입니다. F=ma와 같은 식이라고 생각하면 됩니다.

세 번째는 그 유명한 멕스웰 방정식입니다.

멕스웰 방정식의 첫 번째는 정전기장(Eletrostatic field)은 발산한다는 의미 이고,

두 번째는 자기홀극(Monopole)은 없다.

세 번째는 자기장의 근원은 흐르는 전하(전류)와 변위전류라는 의미이고

네 번째는 시간에 따라 변하는 자기장은 전기장을 만든다는 의미입니다.

위의 식들을 결합하려면 다소 어려워 보이지만 적절한 근사를 통해 계산 할수 있습니다.

위와 같은 계산을 통해 Wave의 특성을 산출 할 수 있습니다. 이런 Wave는 Plasma라는 물질속에서 밀도와 자기장에 따라 성질이 변하게 됩니다.

다음 계산은 다음 포스팅을 통해 전해드리도록 하겠습니다.