전파의 속도 : 위상속도 vs 군속도( + 분산)

목차

1. 전파의 속도 분류

2. 위상속도

3. 군속도

 

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1. 전파의 속도 분류

전파의 속도는 위상속도(Phase velocity)와 군속도로 나눌 수 있다.

 

전파의 속도 분류

간단하게 설명하면,

위상 속도는 단일 파장의 파가 가지는 속도,

군 속도는 파동 묶음(Wave packet = 파군)이 가지는 속도이다.

 

이때, 파동 묶음은 파장이 서로 다른(조금씩 다른) 여러 파형이 중첩된

파동의 묶음(=파군)이다.

 

 

2. 위상속도

위상속도는 단일 파장의 빛이 진행하는 속도이다.

단일 파형

 

위상속도의 크기는 일반적인 전파의 속도와 마찬가지로

'주파수 * 파장'으로 나타낼 수 있다.

 

진공에서의 경우, 위상속도는 빛의 속도와 동일하다.

 

다만, 물리학적으로 위상속도는 큰 의미를 가지지 않는다.

 

실제로, 단일 주파수를 가진 빛은 존재하기 쉽지 않고

따라서, 정보의 전달은 군속도를 가진 파동 묶음에 의해 이루어지기 때문이다.

 

즉, 매질 내에서 파가 에너지를 전달하는 속도,

혹은 정보를 전달하는 속도는 군속도이다.

 

 

3. 군속도

군속도는 앞서 설명했듯이

여러 중첩된 파동(파동 묶음)이 진행하는 속도이다.

그림이 좀 못생기긴 했다.(이해하기 힘들수도 있지만,,)

 

 

좀더 구체적으로,

무손실 매질(Lossless medium)에서 전파속도(위상속도)는

어떤 파형이든 모두 동일하다.

즉, 무손실 매질에서 전자기파의 전파 속도는 주파수에 독립적이다.

 

 

하지만, 손실매질(Loss medium)에서의

위상속도는 그 파형이 가지는 주파수의 영향을 받는다.

여기서, 위상속도를 사용하는 것의 문제가 발생한다.

 

에너지, 정보가 전달될 때,

다른 말로 통신을 할 때는 특정 대역의 주파수 band가 사용되며,

따라서 서로 다른 주파수들이 함께 존재한다.

 

손실 매질에서 각각의 주파수들은 서로 다른 속도를 가지게 되므로,

각각의 주파수들이 담고 있는 정보들은

같은 시간에 출발하더라도

서로 다른 시간에 수신점에 도착하게 된다.

 

여기서 서로 다른 신호의 속도로 인한 파형의 왜곡을

서로 다른 신호 속도로 인한 송신 신호와 수신 신호의 파형 변화를

분산(Dispersion)이라고 한다.

 

적절한 통신을 위해서는 분산이 정보에 미치는 영향을 최소화해야 하고,

이를 위해,

즉, 데이터의 속도차 계산을 통한 보정을 쉽게 하기 위해

'군 속도'를 사용하게 된다.

 

쨋든, 쉽게 설명하면,

주파수(파장)의 크기가 비슷한 파동이 합쳐지면

파동이 중첩되면서 새로운 형태의 포락선(envelop)을 만들어내고,

이 포락선이 진행하는 속도,

즉, 전체 파동이 진행하는 속도가

군속도가 된다.

 

일반적으로, 군속도가 위상속도보다 느리지만,

경우에 따라 군속도와 위상속도가 같을 수도,

군속도가 위상속도보다 빠를 수도(일반적이지 않은 경우이다) 있다.