[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    1[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    그림과 같이 네 개의 점전하가 변의 길이가 aa인 정사각형의 꼭짓점에 위치할 때, 점 PP에 위치한 전하에 작용하는 전기력 Fe→\overrightarrow{F_e}의 크기와 방향으로 적절한 것은?

    문제 이미지
    1
    [그림]
    2
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    3
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    4
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    해설

    점 P의 전하가 받는 합력은 0이 아니며, 대각선 맞은편 꼭짓점(2Q 쪽, 왼쪽 위) 방향을 향한다.

    P의 전하 Q는 위쪽과 왼쪽에 있는 −Q에 각각 kQ2a2\dfrac{kQ^2}{a^2}의 인력을 받아 합이 왼쪽 위 대각선으로 2 kQ2a2\dfrac{\sqrt{2}\,kQ^2}{a^2}이다.
    대각선 거리 2a\sqrt{2}a의 2Q로부터는 오른쪽 아래로 k(2Q)Q2a2=kQ2a2\dfrac{k(2Q)Q}{2a^2}=\dfrac{kQ^2}{a^2}의 척력을 받는다.

    따라서 합력은 (2−1)kQ2a2(\sqrt{2}-1)\dfrac{kQ^2}{a^2}으로 인력 쪽, 곧 왼쪽 위 대각선 방향이다.

    • 오른쪽 아래 대각선 방향: 2Q의 척력보다 두 −Q의 인력 합이 더 크므로 틀리다.
    • 합력이 0: 두 힘의 크기가 2\sqrt{2}배 차이 나므로 상쇄되지 않는다.
    • 오른쪽 위 대각선 방향: 같은 대각선 위의 힘만 남으므로 이 방향 성분은 생기지 않는다.

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    2[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    z=0z=0 [cm]와 z=4z=4 [cm]에 놓인 완전도체 무한평판 사이에 비유전율이 2인 유전체가 채워져 있다. 아래에 놓인 평판의 전위가 5 [V]이고, 위에 놓인 평판의 전위가 -5 [V]일 경우, 두 평판 사이의 전계분포[V/m]는?
    1
    125az→125\overrightarrow{a_z}
    2
    −125az→-125\overrightarrow{a_z}
    3
    250az→250\overrightarrow{a_z}
    4
    −250az→-250\overrightarrow{a_z}
    해설

    두 평판 사이의 전계는 +z 방향 250 V/m, 즉 250az→250\overrightarrow{a_z}이다.

    평행평판 사이 전계는 균일하므로 E→=−dVdzaz→\overrightarrow{E}=-\dfrac{dV}{dz}\overrightarrow{a_z}이다.
    dVdz=−5−50.04=−250 V/m\dfrac{dV}{dz}=\dfrac{-5-5}{0.04}=-250\ \mathrm{V/m}
    E→=250az→ V/m\overrightarrow{E}=250\overrightarrow{a_z}\ \mathrm{V/m}

    전계는 전위가 높은 쪽에서 낮은 쪽(아래 평판에서 위 평판)으로 향하며, 전위차가 주어졌으므로 비유전율은 전계 크기에 영향을 주지 않는다.

    • 125az→125\overrightarrow{a_z}는 비유전율 2로 한 번 더 나눈 값이다.
    • −125az→-125\overrightarrow{a_z}는 비유전율로 나누고 부호까지 뒤집은 값이다.
    • −250az→-250\overrightarrow{a_z}는 전계가 전위 증가 방향을 향한다고 부호를 거꾸로 잡은 경우이다.

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    3[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    정전계에서 도체의 성질에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
    1
    도체 내부의 전계세기는 0이다.
    2
    도체 표면의 접선방향에서 전계 E→\overrightarrow{E}의 선적분 ∮E→⋅dl→\oint \overrightarrow{E}\cdot d\overrightarrow{l}의 값은 0이 아니다.
    3
    도체 표면에서 전계의 법선성분 크기는 표면전하밀도에 비례한다.
    4
    도체 표면은 등전위면이다.
    해설

    옳지 않은 것은 도체 표면 접선방향 전계의 선적분이 0이 아니라는 설명이다.

    정전계에서 도체 표면은 등전위면이므로 표면의 접선방향 전계 성분이 0이고, 정전계는 보존장이므로 ∮E→⋅dl→=0\oint\overrightarrow{E}\cdot d\overrightarrow{l}=0이 항상 성립한다.

    • 도체 내부 전계가 0이라는 설명은 옳다 — 자유전자가 이동해 내부 전계를 상쇄한다.
    • 표면 전계의 법선성분이 표면전하밀도에 비례한다는 설명은 옳다 — En=ρsεE_n=\dfrac{\rho_s}{\varepsilon}이다.
    • 도체 표면이 등전위면이라는 설명은 옳다 — 도체 전체가 같은 전위를 가진다.

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    4[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    등방이고 선형인 자성체의 자기에너지밀도[J/m3]에 대한 옳은 표현식은? (단, BB는 자속밀도[Wb/m2], HH는 자계[A/m]의 크기이다)
    1
    BH2\frac{BH}{2}
    2
    BHBH
    3
    H22\frac{H^2}{2}
    4
    B22\frac{B^2}{2}
    해설

    선형 등방성 자성체의 자기에너지밀도는 wm=BH2w_m=\dfrac{BH}{2}이다.

    B=μHB=\mu H이므로 wm=12μH2=B22μ=BH2 J/m3w_m=\dfrac{1}{2}\mu H^2=\dfrac{B^2}{2\mu}=\dfrac{BH}{2}\ \mathrm{J/m^3}로 세 형태가 모두 같다.

    • BHBH는 계수 1/2이 빠진 식이다.
    • H22\dfrac{H^2}{2}는 투자율 μ\mu가 빠져 단위가 맞지 않는다.
    • B22\dfrac{B^2}{2}는 투자율로 나누는 항이 빠져 단위가 맞지 않는다.

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    5[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    외부 자계가 인가되면 내부 자기모멘트의 영향으로 내부 자속밀도가 외부 자속밀도보다 커지고, 외부 자계가 제거되더라도 물질의 자계 상태가 잔류되는 자성체는?
    1
    반자성체
    2
    상자성체
    3
    강자성체
    4
    반강자성체
    해설

    외부 자계를 강하게 증폭하고 제거 후에도 자화가 남는 물질은 강자성체이다.

    강자성체는 자구(자기모멘트)가 외부 자계 방향으로 정렬해 비투자율이 매우 크고, 히스테리시스 때문에 자계를 없애도 잔류자기가 남는다.

    • 반자성체는 외부 자계와 반대 방향으로 약하게 자화되어 내부 자속밀도가 오히려 작아진다.
    • 상자성체는 외부 자계 방향으로 약하게 자화되지만 자계를 제거하면 자화가 사라진다.
    • 반강자성체는 이웃 자기모멘트가 반평행으로 정렬해 알짜 자화가 거의 없다.

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    6[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    구좌표계의 원점에 전하량이 2 [C]인 점전하가 놓여 있는 자유공간에서 r=2r=2 [m], π3≤θ≤π2, 0≤ϕ≤2π\frac{\pi}{3}\le\theta\le\frac{\pi}{2},\ 0\le\phi\le2\pi인 영역의 구표면을 통과하는 전속[C]은?
    1
    11
    2
    12\frac{1}{2}
    3
    122\frac{1}{2\sqrt{2}}
    4
    14\frac{1}{4}
    해설

    지정된 구면 영역을 통과하는 전속은 1/2 C이다.

    점전하의 전속밀도는 Dr=Q4πr2D_r=\dfrac{Q}{4\pi r^2}이므로 전속은 반지름과 무관하게 입체각 비율로 정해진다.
    Ψ=Q4π∫02π∫π/3π/2sin⁡θ dθ dϕ\Psi=\dfrac{Q}{4\pi}\int_0^{2\pi}\int_{\pi/3}^{\pi/2}\sin\theta\,d\theta\,d\phi
    =24π⋅2π⋅(cos⁡π3−cos⁡π2)=1⋅12=12 C=\dfrac{2}{4\pi}\cdot2\pi\cdot\left(\cos\dfrac{\pi}{3}-\cos\dfrac{\pi}{2}\right)=1\cdot\dfrac{1}{2}=\dfrac{1}{2}\ \mathrm{C}

    • 1 C은 반구 전체(0≤θ≤π/20\le\theta\le\pi/2)를 통과하는 전속이다.
    • 122\dfrac{1}{2\sqrt{2}}는 경계각의 코사인 값을 잘못 대입한 값이다.
    • 14\dfrac{1}{4}는 방위각 적분을 절반만 취한 값이다.

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    7[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    그림과 같이 자유공간에 놓인 각각 반지름이 aa [m]와 bb [m]인 두 동심 원통 도체 사이에 유전율 ε\varepsilon [F/m]인 유전체가 채워져 있다. 내부 도체에 선전하 ρl\rho_l [C/m]이 균일하게 분포되어 있다고 할 때, a≤ρ≤ba\le\rho\le b에서 분극벡터의 크기[C/m2]는? (단, 자유공간의 유전율은 ε0\varepsilon_0이다)

    문제 이미지
    1
    ρl2πρ\frac{\rho_l}{2\pi\rho}
    2
    ρl2περ\frac{\rho_l}{2\pi\varepsilon\rho}
    3
    ρl2πε0ρ\frac{\rho_l}{2\pi\varepsilon_0\rho}
    4
    ρl2πρ(1−ε0ε)\frac{\rho_l}{2\pi\rho}\left(1-\frac{\varepsilon_0}{\varepsilon}\right)
    해설

    분극벡터의 크기는 ρl2πρ(1−ε0ε)\dfrac{\rho_l}{2\pi\rho}\left(1-\dfrac{\varepsilon_0}{\varepsilon}\right)이다.

    가우스 법칙에서 전속밀도는 유전체와 무관하게 D=ρl2πρD=\dfrac{\rho_l}{2\pi\rho}이고, 전계는 E=Dε=ρl2περE=\dfrac{D}{\varepsilon}=\dfrac{\rho_l}{2\pi\varepsilon\rho}이다.

    분극 관계식 P=D−ε0EP=D-\varepsilon_0E에 대입하면 P=ρl2πρ(1−ε0ε)P=\dfrac{\rho_l}{2\pi\rho}\left(1-\dfrac{\varepsilon_0}{\varepsilon}\right)가 된다.

    • ρl2πρ\dfrac{\rho_l}{2\pi\rho}: 분극이 아니라 전속밀도의 크기이다.
    • ρl2περ\dfrac{\rho_l}{2\pi\varepsilon\rho}: 유전체 내부 전계의 크기이다.
    • ρl2πε0ρ\dfrac{\rho_l}{2\pi\varepsilon_0\rho}: 유전체가 없을 때의 진공 중 전계로, 분극과 단위부터 다르다.

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    8[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    그림과 같이 각각 반지름이 aa와 bb인 두 동심 도체 원통 사이에 비유전율이 서로 다른 유전체가 균등하게 4등분으로 채워져 있을 때 정전용량[F]은? (단, ε0\varepsilon_0는 자유공간의 유전율이고, εr1=2, εr2=4, εr3=8, εr4=16, a=1\varepsilon_{r1}=2,\ \varepsilon_{r2}=4,\ \varepsilon_{r3}=8,\ \varepsilon_{r4}=16,\ a=1 [cm], b=2b=2 [cm], L=6L=6 [m]이다)

    문제 이미지
    1
    90πε090\pi\varepsilon_0
    2
    16πε05\frac{16\pi\varepsilon_0}{5}
    3
    90πε0ln⁡(2)\frac{90\pi\varepsilon_0}{\ln(2)}
    4
    16πε05ln⁡(2)\frac{16\pi\varepsilon_0}{5\ln(2)}
    해설

    정전용량은 90πε0ln⁡(2)\dfrac{90\pi\varepsilon_0}{\ln(2)}이다.

    유전체가 반지름 방향 경계로 4등분되어 있으므로 네 부분은 같은 전위차를 받는 병렬 연결이다. 중심각 π2\dfrac{\pi}{2}인 한 부분의 용량은 Ci=(π/2)ε0εriLln⁡(b/a)C_i=\dfrac{(\pi/2)\varepsilon_0\varepsilon_{ri}L}{\ln(b/a)}이다.

    C=(π/2)ε0(2+4+8+16)×6ln⁡2=90πε0ln⁡(2)C=\dfrac{(\pi/2)\varepsilon_0(2+4+8+16)\times 6}{\ln 2}=\dfrac{90\pi\varepsilon_0}{\ln(2)}

    • 90πε090\pi\varepsilon_0: 동축 원통 용량의 분모 ln⁡(b/a)\ln(b/a)를 빠뜨린 값이다.
    • 16πε05\dfrac{16\pi\varepsilon_0}{5}, 16πε05ln⁡(2)\dfrac{16\pi\varepsilon_0}{5\ln(2)}: 경계면이 전계와 나란하여 네 부분이 병렬이므로 비유전율의 합 30이 계수에 그대로 들어가야 하는데, 이 값들은 그렇게 되지 않는다.

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    9[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    전극판의 면적이 SS [m2]이고 간격이 dd [m]인 평행판 커패시터에 유전율이 ε\varepsilon [F/m]인 수지를 가득 채우고 두 전극판 사이에 VV [V]의 전압을 인가한다면 전극판에 작용하는 힘[N]은?
    1
    14εS(Vd)2\frac{1}{4}\varepsilon S\left(\frac{V}{d}\right)^2
    2
    12εS(Vd)2\frac{1}{2}\varepsilon S\left(\frac{V}{d}\right)^2
    3
    εS(Vd)2\varepsilon S\left(\frac{V}{d}\right)^2
    4
    2εS(Vd)22\varepsilon S\left(\frac{V}{d}\right)^2
    해설

    전극판에 작용하는 힘은 12εS(Vd)2\dfrac{1}{2}\varepsilon S\left(\dfrac{V}{d}\right)^2이다.

    전극 표면에 작용하는 단위 면적당 힘은 전계 에너지밀도와 같다.
    f=12εE2,E=Vdf=\dfrac{1}{2}\varepsilon E^2,\quad E=\dfrac{V}{d}
    F=fS=12εS(Vd)2 NF=fS=\dfrac{1}{2}\varepsilon S\left(\dfrac{V}{d}\right)^2\ \mathrm{N}

    같은 결과를 가상변위법 F=−∂W∂dF=-\dfrac{\partial W}{\partial d}(전하 일정)으로도 얻는다.

    • 계수 1/4은 에너지밀도의 1/2을 한 번 더 곱한 값이다.
    • 계수 1은 에너지밀도의 1/2을 빠뜨린 값이다.
    • 계수 2는 근거가 없는 과대값이다.

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    10[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    변의 길이가 각각 aa [m], 3 a\sqrt{3}\,a [m]인 직사각형 회로에 전류 II [A]가 흐를 때, 회로의 중심에서 자계 H→\overrightarrow{H}의 크기[A/m]는?
    1
    2Iπa\frac{2I}{\pi a}
    2
    Iπa\frac{I}{\pi a}
    3
    2Iπa(13+3)\frac{2I}{\pi a}\left(\frac{1}{\sqrt{3}}+\sqrt{3}\right)
    4
    Iπa(13+3)\frac{I}{\pi a}\left(\frac{1}{\sqrt{3}}+\sqrt{3}\right)
    해설

    회로 중심의 자계는 Iπa(13+3)\dfrac{I}{\pi a}\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}+\sqrt{3}\right)이다.

    유한 직선전류의 자계는 H=I4πd(sin⁡α1+sin⁡α2)H=\dfrac{I}{4\pi d}(\sin\alpha_1+\sin\alpha_2)이고, 중심에서 꼭짓점까지 거리는 (a/2)2+(3a/2)2=a\sqrt{(a/2)^2+(\sqrt{3}a/2)^2}=a이다.

    길이 aa인 변(거리 3a/2\sqrt{3}a/2, sin⁡α=1/2\sin\alpha=1/2) 두 개: 2⋅I4π(3a/2)⋅1=I3πa2\cdot\dfrac{I}{4\pi(\sqrt{3}a/2)}\cdot1=\dfrac{I}{\sqrt{3}\pi a}
    길이 3a\sqrt{3}a인 변(거리 a/2a/2, sin⁡α=3/2\sin\alpha=\sqrt{3}/2) 두 개: 2⋅I4π(a/2)⋅3=3Iπa2\cdot\dfrac{I}{4\pi(a/2)}\cdot\sqrt{3}=\dfrac{\sqrt{3}I}{\pi a}
    네 변의 자계는 같은 방향이므로 더하면 Iπa(13+3)\dfrac{I}{\pi a}\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}+\sqrt{3}\right)

    • 2Iπa(13+3)\dfrac{2I}{\pi a}\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}+\sqrt{3}\right)는 각 변의 기여를 두 배로 센 값이다.
    • 2Iπa\dfrac{2I}{\pi a}와 Iπa\dfrac{I}{\pi a}는 변 길이에 따른 사인값 차이를 반영하지 않은 값이다.

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    11[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    그림과 같이 원통형 자성체에 코일을 감은 형태인 솔레노이드의 인덕턴스를 증가시키는 방법으로 옳지 않은 것은?

    문제 이미지
    1
    코일 감은 수 NN을 증가시킨다.
    2
    자성체의 반지름 RR을 증가시킨다.
    3
    자성체의 비투자율 μr\mu_r을 증가시킨다.
    4
    솔레노이드에 인가하는 전류 II를 증가시킨다.
    해설

    인덕턴스는 형상과 재질로 정해지는 값이므로 인가 전류를 늘리는 것은 인덕턴스를 증가시키는 방법이 아니다.

    솔레노이드의 인덕턴스는 L=μ0μrN2πR2lL=\dfrac{\mu_0\mu_rN^2\pi R^2}{l}로, 전류 II가 식에 들어 있지 않다. 전류를 키우면 자속은 늘지만 자속을 전류로 나눈 비는 그대로이다.

    • 감은 수 증가: L∝N2L\propto N^2이므로 인덕턴스가 증가한다.
    • 자성체 반지름 증가: 단면적 πR2\pi R^2에 비례하므로 증가한다.
    • 비투자율 증가: L∝μrL\propto\mu_r이므로 증가한다.

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    12[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    특성 임피던스가 Z0Z_0 [Ω]인 무손실 전송 선로의 길이가 ℓ\ell [m]이고 위상 상수가 kk [rad/m]이며 부하 임피던스 ZLZ_L [Ω]로 종단되어 있는데, ZLZ_L이 단락 회로(short circuit)일 경우 이 전송 선로 입력단에서 바라본 입력 임피던스[Ω]는?
    1
    −jZ0cot⁡(kℓ)-jZ_0\cot(k\ell)
    2
    −jZ0tan⁡(kℓ)-jZ_0\tan(k\ell)
    3
    jZ0tan⁡(kℓ)jZ_0\tan(k\ell)
    4
    jZ0cot⁡(kℓ)jZ_0\cot(k\ell)
    해설

    단락 종단 무손실 선로의 입력 임피던스는 jZ0tan⁡(kℓ)jZ_0\tan(k\ell)이다.

    무손실 선로의 입력 임피던스는 Zin=Z0ZL+jZ0tan⁡(kℓ)Z0+jZLtan⁡(kℓ)Z_{in}=Z_0\dfrac{Z_L+jZ_0\tan(k\ell)}{Z_0+jZ_L\tan(k\ell)}이다.
    ZL=0Z_L=0을 대입하면 Zin=jZ0tan⁡(kℓ)Z_{in}=jZ_0\tan(k\ell)

    • −jZ0cot⁡(kℓ)-jZ_0\cot(k\ell)는 개방 종단(ZL=∞Z_L=\infty)일 때의 입력 임피던스이다.
    • −jZ0tan⁡(kℓ)-jZ_0\tan(k\ell)는 단락 종단 결과의 부호를 뒤집은 식이다.
    • jZ0cot⁡(kℓ)jZ_0\cot(k\ell)는 개방 종단 결과의 부호를 뒤집은 식이다.

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    13[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    그림과 같이, 균일 자속밀도 B→\overrightarrow{B}가 있는 공간에 반지름이 aa인 원형 도체에 반시계 방향으로 전류 II가 흐를 때, 점 PP에서 미소 길이 dldl이 받는 미소 자기력의 방향은? (단, OO는 원형 도체의 중심, PP는 원형 도체상의 임의의 점, ⊙\odot는 지면을 뚫고 나오는 방향이다)

    문제 이미지
    1
    벡터 OP→\overrightarrow{OP}방향
    2
    벡터 PO→\overrightarrow{PO}방향
    3
    자속밀도 B→\overrightarrow{B}의 방향
    4
    원형 도체의 접선방향
    해설

    미소 자기력은 중심에서 바깥을 향하는 벡터 OP→\overrightarrow{OP} 방향이다.

    전류 요소가 받는 힘은 dF→=I dl→×B→d\overrightarrow{F}=I\,d\overrightarrow{l}\times\overrightarrow{B}이다. 반시계 방향 전류의 dl→d\overrightarrow{l}은 원주 방향 ϕ^\hat{\phi}, 자속밀도는 지면을 뚫고 나오는 z^\hat{z}이므로 ϕ^×z^=ρ^\hat{\phi}\times\hat{z}=\hat{\rho}, 즉 반지름 바깥 방향이다.

    • PO→\overrightarrow{PO} 방향: 전류가 시계 방향이거나 자계가 지면으로 들어갈 때의 방향이다.
    • 자속밀도 방향: 외적의 결과는 B→\overrightarrow{B}에 수직이므로 불가능하다.
    • 접선 방향: 외적의 결과는 dl→d\overrightarrow{l}에도 수직이므로 불가능하다.

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    14[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    동축 케이블의 내부 도체의 반지름이 aa [m]이고, 외부 도체의 반지름이 bb [m]일 때, 동축 케이블의 내부(a≤ρ≤b, ρa\le\rho\le b,\ \rho는 동축 케이블 중심으로부터의 반지름)에서의 단위 길이당 자기 인덕턴스[H/m]는? (단, 동축 케이블 내부의 절연체는 비자성 물질이며, 도체는 매우 얇고, μ0\mu_0는 자유공간의 투자율이다)
    1
    2μ0πln⁡(ba)\frac{2\mu_0}{\pi}\ln\left(\frac{b}{a}\right)
    2
    2μ0πln⁡(ab)\frac{2\mu_0}{\pi}\ln\left(\frac{a}{b}\right)
    3
    μ02πln⁡(ba)\frac{\mu_0}{2\pi}\ln\left(\frac{b}{a}\right)
    4
    μ02πln⁡(ab)\frac{\mu_0}{2\pi}\ln\left(\frac{a}{b}\right)
    해설

    동축 케이블 내부(절연체 부분)의 단위 길이당 인덕턴스는 μ02πln⁡ba\dfrac{\mu_0}{2\pi}\ln\dfrac{b}{a}이다.

    앙페르 법칙으로 a≤ρ≤ba\le\rho\le b에서 B=μ0I2πρB=\dfrac{\mu_0I}{2\pi\rho}이다.
    단위 길이당 쇄교자속 Φ=∫abμ0I2πρdρ=μ0I2πln⁡ba\Phi=\int_a^b\dfrac{\mu_0I}{2\pi\rho}d\rho=\dfrac{\mu_0I}{2\pi}\ln\dfrac{b}{a}
    L=ΦI=μ02πln⁡ba H/mL=\dfrac{\Phi}{I}=\dfrac{\mu_0}{2\pi}\ln\dfrac{b}{a}\ \mathrm{H/m}

    • ln⁡(a/b)\ln(a/b)가 들어간 식은 b>ab>a이므로 음수가 되어 인덕턴스가 될 수 없다.
    • 2μ0πln⁡ba\dfrac{2\mu_0}{\pi}\ln\dfrac{b}{a}는 계수가 4배 커 앙페르 법칙의 2πρ2\pi\rho를 잘못 적용한 값이다.

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    15[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    전자기파에 대한 설명으로 옳은 것은?
    1
    초음파는 가청음파보다 주파수가 높은 전자기파이다.
    2
    와이파이(Wi-Fi) 공유기가 공기 중으로 방사한 전자기파는 공기 중의 가시광선보다 파장이 길다.
    3
    동일한 핸드폰이 방사한 전자기파의 전파 속도는 공기 중에서와 물속에서 같다.
    4
    손실 매질에서 전파하는 균일 평면 전자기파의 전계와 자계는 서로 수직이 아니다.
    해설

    옳은 것은 와이파이 전자기파가 가시광선보다 파장이 길다는 설명이다.

    와이파이는 GHz 대역 마이크로파로 파장이 센티미터 수준이고, 가시광선은 수백 나노미터 수준이므로 와이파이 쪽 파장이 훨씬 길다.

    • 초음파는 매질의 진동으로 전달되는 음파(기계파)이지 전자기파가 아니다.
    • 전자기파 속도는 v=cμrεrv=\dfrac{c}{\sqrt{\mu_r\varepsilon_r}}이므로 유전율이 큰 물속에서 공기 중보다 느리다.
    • 손실 매질에서도 균일 평면파의 전계·자계·진행방향은 서로 수직이며, 달라지는 것은 두 장의 위상차와 감쇠이다.

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    16[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    자유공간에서 평면 z=0z=0에 면전류 Js→=8ax→\overrightarrow{J_s}=8\overrightarrow{a_x} [A/m]가 흐르고, 직선 y=0, z=4y=0,\ z=4 [m]에 선전류 II [A]가 흐르고 있다. 위치 (0, 0, 2) [m]에서 측정한 자계가 H→=0\overrightarrow{H}=0이라면, 직선에 흐르는 선전류 II [A]의 크기와 방향은?
    크기 방향
    1
    8π8\pi −ax→-\overrightarrow{a_x}
    2
    8π8\pi ax→\overrightarrow{a_x}
    3
    16π16\pi −ax→-\overrightarrow{a_x}
    4
    16π16\pi ax→\overrightarrow{a_x}
    해설

    선전류는 크기 16π16\pi A, 방향 +ax→+\overrightarrow{a_x}이다.

    면전류에 의한 자계는 H→=12Js→×an→\overrightarrow{H}=\dfrac{1}{2}\overrightarrow{J_s}\times\overrightarrow{a_n}이고, 점 (0, 0, 2)는 평면 위쪽이므로 an→=az→\overrightarrow{a_n}=\overrightarrow{a_z}이다.
    Hs→=4ax→×az→=−4ay→ A/m\overrightarrow{H_s}=4\overrightarrow{a_x}\times\overrightarrow{a_z}=-4\overrightarrow{a_y}\ \mathrm{A/m}

    합성 자계가 0이려면 선전류가 +4ay→+4\overrightarrow{a_y}를 만들어야 한다. 측정점은 선전류에서 거리 2 m, 선에서 점을 향하는 방향은 −az→-\overrightarrow{a_z}이다.
    I2π⋅2=4 ⇒ I=16π A\dfrac{I}{2\pi\cdot2}=4\ \Rightarrow\ I=16\pi\ \mathrm{A}
    전류가 +ax→+\overrightarrow{a_x}이면 ax→×(−az→)=+ay→\overrightarrow{a_x}\times(-\overrightarrow{a_z})=+\overrightarrow{a_y}로 조건을 만족한다.

    • 크기 8π8\pi는 측정점에 2 A/m2\ \mathrm{A/m}만 만들어 면전류 자계 4 A/m4\ \mathrm{A/m}를 절반만 상쇄한다.
    • 방향 −ax→-\overrightarrow{a_x}는 선전류 자계가 −ay→-\overrightarrow{a_y}가 되어 면전류 자계와 더해지므로 상쇄되지 않는다.

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    17[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    속도 v⃗=(5ax→−6ay→)×105\vec{v}=(5\overrightarrow{a_x}-6\overrightarrow{a_y})\times10^5 [m/s]로 움직이는 전자가 자속밀도 B→=10ax→+20az→\overrightarrow{B}=10\overrightarrow{a_x}+20\overrightarrow{a_z} [mWb/m2] 내의 한 점에서 힘을 받지 않을 경우, 이때 전자에 가해진 전계 E→\overrightarrow{E} [kV/m]는?
    1
    −12ax→−10ay→+6az→-12\overrightarrow{a_x}-10\overrightarrow{a_y}+6\overrightarrow{a_z}
    2
    12ax→+10ay→−6az→12\overrightarrow{a_x}+10\overrightarrow{a_y}-6\overrightarrow{a_z}
    3
    12ax→−10ay→−6az→12\overrightarrow{a_x}-10\overrightarrow{a_y}-6\overrightarrow{a_z}
    4
    −12ax→+10ay→+6az→-12\overrightarrow{a_x}+10\overrightarrow{a_y}+6\overrightarrow{a_z}
    해설

    전자가 힘을 받지 않으려면 E→=−v⃗×B→\overrightarrow{E}=-\vec{v}\times\overrightarrow{B}이어야 하며, 결과는 12ax→+10ay→−6az→12\overrightarrow{a_x}+10\overrightarrow{a_y}-6\overrightarrow{a_z} kV/m이다.

    로렌츠 힘 F→=q(E→+v⃗×B→)=0\overrightarrow{F}=q(\overrightarrow{E}+\vec{v}\times\overrightarrow{B})=0은 전하의 부호와 무관하게 위 조건을 준다.
    v⃗×B→=105⋅10−3[(−6)(20)ax→+(0−5⋅20)ay→+(0−(−6)(10))az→]\vec{v}\times\overrightarrow{B}=10^5\cdot10^{-3}\left[(-6)(20)\overrightarrow{a_x}+(0-5\cdot20)\overrightarrow{a_y}+(0-(-6)(10))\overrightarrow{a_z}\right]
    =−12000ax→−10000ay→+6000az→ V/m=-12000\overrightarrow{a_x}-10000\overrightarrow{a_y}+6000\overrightarrow{a_z}\ \mathrm{V/m}
    E→=12ax→+10ay→−6az→ kV/m\overrightarrow{E}=12\overrightarrow{a_x}+10\overrightarrow{a_y}-6\overrightarrow{a_z}\ \mathrm{kV/m}

    • −12ax→−10ay→+6az→-12\overrightarrow{a_x}-10\overrightarrow{a_y}+6\overrightarrow{a_z}는 v⃗×B→\vec{v}\times\overrightarrow{B} 자체로 음의 부호를 빠뜨린 값이다.
    • 12ax→−10ay→−6az→12\overrightarrow{a_x}-10\overrightarrow{a_y}-6\overrightarrow{a_z}는 y성분 부호를 틀린 값이다.
    • −12ax→+10ay→+6az→-12\overrightarrow{a_x}+10\overrightarrow{a_y}+6\overrightarrow{a_z}는 x·z성분 부호를 틀린 값이다.

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    18[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    그림과 같이 무한히 긴 가는 도선에 전류 I1I_1이 흐르고 있고, 도선과 나란하게 놓인 직사각형 루프에 전류 I2I_2가 흐르고 있다. 도선과 직사각형 루프의 상호 인덕턴스에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

    문제 이미지
    1
    aa와 bb를 고정하고, dd만 줄이면 상호 인덕턴스가 증가한다.
    2
    bb와 dd를 고정하고, aa만 줄이면 상호 인덕턴스가 감소한다.
    3
    aa와 dd를 고정하고, bb만 줄이면 상호 인덕턴스가 감소한다.
    4
    전류 I1I_1과 I2I_2를 크게 하면 상호 인덕턴스가 증가한다.
    해설

    상호 인덕턴스는 배치와 형상으로만 정해지므로 전류를 키워도 상호 인덕턴스는 변하지 않는다.

    도선에서 거리 dd~d+ad+a 구간의 루프(높이 bb)를 지나는 자속으로부터 M=μ0b2πln⁡d+adM=\dfrac{\mu_0b}{2\pi}\ln\dfrac{d+a}{d}를 얻는다. 이 식에 전류가 없다.

    • dd만 줄임: d+ad\dfrac{d+a}{d}가 커져 상호 인덕턴스가 증가하므로 옳다.
    • aa만 줄임: 로그 안의 값이 작아져 감소하므로 옳다.
    • bb만 줄임: M∝bM\propto b이므로 감소하여 옳다.

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    19[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    z>0z>0인 영역에 투자율이 4 [μH/m]인 매질 I이 있고, z<0z<0인 영역에 투자율이 7 [μH/m]인 매질 II가 있다. 평면 z=0z=0에 면전류 Js→=2ax→\overrightarrow{J_s}=2\overrightarrow{a_x} [kA/m]가 흐른다. 매질 I에서 B1→=2ax→−4ay→+4az→\overrightarrow{B_1}=2\overrightarrow{a_x}-4\overrightarrow{a_y}+4\overrightarrow{a_z} [mWb/m2]의 자속밀도가 주어질 때, 매질 II에서의 자속밀도 B2→\overrightarrow{B_2} [mWb/m2]는?
    1
    2ax→−4ay→+7az→2\overrightarrow{a_x}-4\overrightarrow{a_y}+7\overrightarrow{a_z}
    2
    0.5ax→+2ay→+7az→0.5\overrightarrow{a_x}+2\overrightarrow{a_y}+7\overrightarrow{a_z}
    3
    2ax→−5ay→+4az→2\overrightarrow{a_x}-5\overrightarrow{a_y}+4\overrightarrow{a_z}
    4
    3.5ax→+7ay→+4az→3.5\overrightarrow{a_x}+7\overrightarrow{a_y}+4\overrightarrow{a_z}
    해설

    매질 II의 자속밀도는 3.5ax→+7ay→+4az→3.5\overrightarrow{a_x}+7\overrightarrow{a_y}+4\overrightarrow{a_z} mWb/m2mWb/m^{2}이다.

    법선성분은 연속이다: B2z=B1z=4B_{2z}=B_{1z}=4

    접선성분은 az→×(H1→−H2→)=Js→\overrightarrow{a_z}\times(\overrightarrow{H_1}-\overrightarrow{H_2})=\overrightarrow{J_s}(법선은 II에서 I로)를 따른다.
    H1→=B1→μ1=0.5ax→−ay→+az→ kA/m\overrightarrow{H_1}=\dfrac{\overrightarrow{B_1}}{\mu_1}=0.5\overrightarrow{a_x}-\overrightarrow{a_y}+\overrightarrow{a_z}\ \mathrm{kA/m}
    az→×(ΔHxax→+ΔHyay→)=−ΔHyax→+ΔHxay→=2ax→\overrightarrow{a_z}\times(\Delta H_x\overrightarrow{a_x}+\Delta H_y\overrightarrow{a_y})=-\Delta H_y\overrightarrow{a_x}+\Delta H_x\overrightarrow{a_y}=2\overrightarrow{a_x}
    ΔHx=0, ΔHy=−2 ⇒ H2x=0.5, H2y=1 kA/m\Delta H_x=0,\ \Delta H_y=-2\ \Rightarrow\ H_{2x}=0.5,\ H_{2y}=1\ \mathrm{kA/m}
    B2x=7×0.5=3.5, B2y=7×1=7 mWb/m2B_{2x}=7\times0.5=3.5,\ B_{2y}=7\times1=7\ \mathrm{mWb/m^2}

    • 2ax→−4ay→+7az→2\overrightarrow{a_x}-4\overrightarrow{a_y}+7\overrightarrow{a_z}는 접선 BB를 그대로 두고 법선 BB를 바꾼 것으로 경계조건을 거꾸로 적용했다.
    • 0.5ax→+2ay→+7az→0.5\overrightarrow{a_x}+2\overrightarrow{a_y}+7\overrightarrow{a_z}는 법선성분이 불연속이라 성립하지 않는다.
    • 2ax→−5ay→+4az→2\overrightarrow{a_x}-5\overrightarrow{a_y}+4\overrightarrow{a_z}는 투자율 비와 면전류에 의한 접선 HH의 변화를 반영하지 않았다.

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    20[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    100 [Ω] 특성 임피던스를 갖는 무손실 전송선로 종단에 50 [Ω] 저항성 부하가 연결되어 있다. 전송 선로의 길이는 인가된 전압의 파장에 비해 충분히 길며, 부하에서 측정된 전압이 50 [V]일 때 부하로 전달되는 시간 평균 전력의 크기[W]는?
    1
    12.5
    2
    25
    3
    50
    4
    1250
    해설

    부하로 전달되는 시간 평균 전력은 25 W이다.

    부하 전압 페이저의 진폭이 50 V이고 부하는 순저항이므로, 선로의 특성 임피던스와 무관하게 부하 단자 조건만으로 전력이 정해진다.
    Pav=∣VL∣22RLP_{av}=\dfrac{|V_L|^2}{2R_L}
    =5022×50=25 W=\dfrac{50^2}{2\times50}=25\ \mathrm{W}

    • 12.5 W는 진폭을 두 번 나누는 등 1/2 계수를 중복 적용한 값이다.
    • 50 W는 50 V를 실횻값으로 보고 V2/RV^2/R로 계산한 값이다.
    • 1250 W는 저항으로 나누지 않고 V2/2V^2/2만 계산한 값이다.

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    21[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    전계 E→(z,t)=40πcos⁡(2×107t−kz)ax→\overrightarrow{E}(z,t)=40\pi\cos(2\times10^7t-kz)\overrightarrow{a_x} [V/m]인 전자기파가 비유전율이 18, 비투자율이 2인 무손실 유전체 내에서 진행하고 있다. 이 전자기파의 위상 상수 kk [rad/m]를 포함한 자계 H→(z,t)\overrightarrow{H}(z,t) [A/m]는? (단, 자유공간의 고유 임피던스는 120π120\pi [Ω]이고, 자유공간의 광속은 3×1083\times10^8 [m/s]이다)
    1
    cos⁡(2×107t−0.4z)ay→\cos(2\times10^7t-0.4z)\overrightarrow{a_y}
    2
    −cos⁡(2×107t−4z)ay→-\cos(2\times10^7t-4z)\overrightarrow{a_y}
    3
    2cos⁡(2×107t−0.4z)ay→2\cos(2\times10^7t-0.4z)\overrightarrow{a_y}
    4
    −2cos⁡(2×107t−4z)ay→-2\cos(2\times10^7t-4z)\overrightarrow{a_y}
    해설

    자계는 cos⁡(2×107t−0.4z)ay→\cos(2\times10^7t-0.4z)\overrightarrow{a_y} A/m이다.

    위상 상수: k=ωμrεrc=2×107×363×108=0.4 rad/mk=\dfrac{\omega\sqrt{\mu_r\varepsilon_r}}{c}=\dfrac{2\times10^7\times\sqrt{36}}{3\times10^8}=0.4\ \mathrm{rad/m}

    고유 임피던스: η=120πμrεr=120π×13=40π Ω\eta=120\pi\sqrt{\dfrac{\mu_r}{\varepsilon_r}}=120\pi\times\dfrac{1}{3}=40\pi\ \Omega
    자계 진폭: H0=40π40π=1 A/mH_0=\dfrac{40\pi}{40\pi}=1\ \mathrm{A/m}
    진행방향이 +az→+\overrightarrow{a_z}, 전계가 ax→\overrightarrow{a_x}이므로 ax→×ay→=az→\overrightarrow{a_x}\times\overrightarrow{a_y}=\overrightarrow{a_z}에서 자계는 +ay→+\overrightarrow{a_y}이다.

    • 위상 상수 4는 μrεr\sqrt{\mu_r\varepsilon_r} 계산이나 자릿수를 틀린 값이다.
    • 진폭 2는 고유 임피던스를 20π20\pi로 잘못 구한 값이다.
    • 음의 ay→\overrightarrow{a_y} 방향 자계는 +z+z 진행파에서 전계·자계·진행방향의 오른손 관계를 만족하지 않는다.

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    22[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    균일 평면파가 공기 중에서 바닷물로 수직 입사하여 진행한다. 이 균일 평면파의 주파수는 10 [MHz]이고, 바닷물의 비유전율이 100일 때, 바닷물에서의 이 균일 평면파의 위상 속도 vpv_p [m/s], 파장 λ\lambda [m] 및 위상 상수 kk [rad/m]는? (단, 자유공간의 광속은 3×1083\times10^8 [m/s]이고, 바닷물은 무손실 매질로 가정한다)
    vpv_p λ\lambda kk
    1
    3×1083\times10^8 30 2π30\frac{2\pi}{30}
    2
    3×1073\times10^7 0.3 2π3\frac{2\pi}{3}
    3
    3×1073\times10^7 3 2π3\frac{2\pi}{3}
    4
    3×1063\times10^6 0.3 20π3\frac{20\pi}{3}
    해설

    바닷물에서 vp=3×107v_p=3\times10^7 m/s, λ=3\lambda=3 m, k=2π3k=\dfrac{2\pi}{3} rad/m이다.

    비자성 무손실 매질이므로 vp=cεr=3×10810=3×107 m/sv_p=\dfrac{c}{\sqrt{\varepsilon_r}}=\dfrac{3\times10^8}{10}=3\times10^7\ \mathrm{m/s}
    λ=vpf=3×107107=3 m\lambda=\dfrac{v_p}{f}=\dfrac{3\times10^7}{10^7}=3\ \mathrm{m}
    k=2πλ=2π3 rad/mk=\dfrac{2\pi}{\lambda}=\dfrac{2\pi}{3}\ \mathrm{rad/m}

    • 속도 3×1083\times10^8·파장 30 m는 자유공간 값으로 매질 효과를 반영하지 않았다.
    • 속도 3×1073\times10^7·파장 0.3 m는 파장을 10배 작게 계산해 k=2π/λk=2\pi/\lambda와도 맞지 않는다.
    • 속도 3×1063\times10^6은 εr\sqrt{\varepsilon_r} 대신 εr\varepsilon_r로 나눈 값이다.

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    23[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    공기 선로(air line)는 두 도체 사이의 유전체가 공기인 전송 선로이다. 주파수가 1 [GHz]에서 특성 임피던스가 50 [Ω]이고 위상 상수가 10 [rad/m]인 공기 선로의 단위 길이당 커패시턴스 [nF/m]는? (단, 공기 선로의 두 도체는 완전 도체로 가정한다)
    1
    110π\frac{1}{10\pi}
    2
    15π\frac{1}{5\pi}
    3
    12π\frac{1}{2\pi}
    4
    1π\frac{1}{\pi}
    해설

    단위 길이당 커패시턴스는 110π\dfrac{1}{10\pi} nF/m이다.

    무손실 선로에서 β=ωLC\beta=\omega\sqrt{LC}, Z0=L/CZ_0=\sqrt{L/C}이므로 둘을 나누면 C=βωZ0C=\dfrac{\beta}{\omega Z_0}이다.
    C=102π×109×50=1π×1010 F/mC=\dfrac{10}{2\pi\times10^9\times50}=\dfrac{1}{\pi\times10^{10}}\ \mathrm{F/m}
    =110π nF/m=\dfrac{1}{10\pi}\ \mathrm{nF/m}

    • 15π\dfrac{1}{5\pi}는 ω\omega 대신 πf\pi f를 쓰는 등 계수 2를 틀린 값이다.
    • 12π\dfrac{1}{2\pi}와 1π\dfrac{1}{\pi}는 단위 환산(F에서 nF)이나 대입 자릿수를 틀린 값이다.

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    24[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    비자성 매질에서 평면파 E→(x,t)=20sin⁡(2π×108t−4x)az→\overrightarrow{E}(x,t)=20\sin(2\pi\times10^8t-4x)\overrightarrow{a_z} [V/m]가 진행하고 있다. 이 평면파가 x+y=1x+y=1 평면을 통과하며 전달하는 시간 평균 전력 밀도[W/m2]는? (단, 자유공간의 유전율과 투자율은 각각 ε0=136π×10−9\varepsilon_0=\frac{1}{36\pi}\times10^{-9} [F/m], μ0=4π×10−7\mu_0=4\pi\times10^{-7} [H/m]이다)
    1
    10π2\frac{10}{\pi^2}
    2
    5π2\frac{5}{\pi^2}
    3
    52π2\frac{5\sqrt{2}}{\pi^2}
    4
    0
    해설

    x+y=1x+y=1 평면을 통과하는 시간 평균 전력 밀도는 52π2\dfrac{5\sqrt{2}}{\pi^2} W/m2W/m^{2}이다.

    매질 상수: εr=βcω=4×3×1082π×108=6π\sqrt{\varepsilon_r}=\dfrac{\beta c}{\omega}=\dfrac{4\times3\times10^8}{2\pi\times10^8}=\dfrac{6}{\pi}
    η=120πεr=20π2 Ω\eta=\dfrac{120\pi}{\sqrt{\varepsilon_r}}=20\pi^2\ \Omega

    +x 방향 전력 밀도: Pav=E022η=40040π2=10π2P_{av}=\dfrac{E_0^2}{2\eta}=\dfrac{400}{40\pi^2}=\dfrac{10}{\pi^2}
    평면의 단위 법선 ax→+ay→2\dfrac{\overrightarrow{a_x}+\overrightarrow{a_y}}{\sqrt{2}} 성분: 10π2⋅12=52π2\dfrac{10}{\pi^2}\cdot\dfrac{1}{\sqrt{2}}=\dfrac{5\sqrt{2}}{\pi^2}

    • 10π2\dfrac{10}{\pi^2}는 평면에 수직인 성분으로 투영하지 않은 값이다.
    • 5π2\dfrac{5}{\pi^2}는 투영 계수를 1/21/2로 잘못 쓴 값이다.
    • 0은 평면이 진행방향과 평행할 때만 성립하는데, 이 평면은 진행방향과 45°를 이룬다.

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    25[7급 국가직 전기자기학] 21년 1회차
    스미스 차트(Smith chart)는 정규화된 복소 부하 임피던스(zL=r+jx, 0≤r≤∞z_L=r+jx,\ 0\le r\le\infty이고 −∞≤x≤∞-\infty\le x\le\infty)와 복소 반사 계수(Γ=Γr+jΓi\varGamma=\varGamma_r+j\varGamma_i)의 관계로부터 유도된 아래의 스미스 차트 방정식을 이용하여 그려진 그래프이다. 이 방정식으로부터 알려진 스미스 차트의 특성에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
    <스미스 차트 방정식>
    (Γr−r1+r)2+Γi2=(11+r)2\left(\varGamma_r-\frac{r}{1+r}\right)^2+\varGamma_i^2=\left(\frac{1}{1+r}\right)^2
    (Γr−1)2+(Γi−1x)2=(1x)2(\varGamma_r-1)^2+\left(\varGamma_i-\frac{1}{x}\right)^2=\left(\frac{1}{x}\right)^2
    1
    zLz_L의 조건하에서 스미스 차트의 가장 큰 원은 x=0x=0일 때 얻을 수 있다.
    2
    r=∞r=\infty이면 복소 Γ\varGamma 평면의 특정 좌표로 수렴된다.
    3
    스미스 차트 방정식은 각각 rr과 xx값에 따라 그려지는 원의 방정식이다.
    4
    모든 rr과 xx값에 대하여 그려진 원들은 복소 Γ\varGamma 평면의 특정한 점을 지난다.
    해설

    옳지 않은 것은 가장 큰 원이 x=0x=0일 때 얻어진다는 설명이다.

    저항원의 반지름은 11+r\dfrac{1}{1+r}이므로 r=0r=0일 때 반지름 1인 가장 큰 원(단위원)이 된다. x=0x=0이면 리액턴스원의 반지름 1/x1/x가 무한대가 되어 원이 아닌 실수축 직선이 된다.

    • r=∞r=\infty이면 중심 r1+r→1\dfrac{r}{1+r}\to1, 반지름 →0\to0이므로 점 (1, 0)으로 수렴한다는 설명은 옳다.
    • 두 방정식이 각각 rr값·xx값에 따른 원의 방정식이라는 설명은 옳다.
    • 모든 원이 점 (1, 0)을 지난다는 설명은 옳다 — Γr=1, Γi=0\varGamma_r=1,\ \varGamma_i=0을 대입하면 두 식이 항상 성립한다.

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