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2013 7급 국가직 전기자기학

1번

주어진 점에 대한 점전하에 의한 전계의 크기는

E1=Q4πϵ0×12=Q4πϵ0E_1=\frac{Q}{4\pi\epsilon_0\times1^2}=\frac{Q}{4\pi\epsilon_0}

이고, 무한 선전하에 의한 전계의 크기는

E2=ρl2πϵ0×1=ρl2πϵ0E_2=\frac{\rho_l}{2\pi\epsilon_0\times1}=\frac{\rho_l}{2\pi\epsilon_0}

이다. 따라서 E1=E2E_1=E_2이기 위해서는

Q4πϵ0=ρl2πϵ0×1ρl=0.5Q\begin{gather} \frac{Q}{4\pi\epsilon_0}=\frac{\rho_l}{2\pi\epsilon_0\times1}\\ \Rightarrow \rho_l=0.5Q \end{gather}

이므로 답은 1번 이다.

2번

ㄱ. 위쪽으로 증가하는 BB를 줄여아 하므로 전류는 주어진 화살표대로 흘러야 한다.

ㄴ, 위쪽으로 감소하는 BB를 늘려야 하므로 전류는 주어진 화살표의 반대로 흘러야 한다.

ㄷ. 위쪽으로 감소하는 BB를 늘려야 하므로 전류는 주어진 화살표대로 흘러야 한다.

ㄹ. 위쪽으로 증가하는 BB를 줄여아 하므로 전류는 주어진 화살표의 반대로 흘러야 한다.

따라서 답은 3번 이다.

3번

자유공간이므로 고유임피던스는

η0=μ0ϵ0\eta_0=\sqrt{\frac{\mu_0}{\epsilon_0}}

이다. 그리고 H=Eη0H=\frac{E}{\eta_0}이고 전파가 +az+\vec{a_z} 방향으로 진행하므로 H\vec{H}의 방향은 ay\vec{a_y}여야 한다. 따라서

H=ϵ0μ0E0ej(kzωt)ay\vec{H}=\sqrt{\frac{\epsilon_0}{\mu_0}}E_0e^{-j(kz-\omega t)}\vec{a_y}

이므로 답은 1번 이다.

4번

Q=CVQ=CV

이다. 처음 상태의 커패시턴스를 C1C_1이라 하면 충전되는 전하량은

Q=C1×1=C0Q=C_1\times1=C_0

이다. 그러고 나서 전원을 끊었으므로 충전된 전하량의 변화는 없을 것이다. 비유전율이 10이 되었으므로 커패시턴스는 10배가 커진 10C010C_0이다. 따라서

V=QC=C010C0=0.1 VV=\frac{Q}{C}=\frac{C_0}{10C_0}=0.1\text{ V}

이므로 답은 2번 이다.

5번

Φ=Bds=4cos(10t)\begin{equation} \begin{split} \Phi&=\int \vec{B}\cdot\vec{ds}\\ &=4cos(10t) \end{split} \end{equation}

이다. 따라서 유도기전력은

emf=Φt=(4×10sin(10t))=40sin(10t)\begin{equation} \begin{split} emf&=-\frac{\partial \Phi}{\partial t}\\ &=-(-4\times10sin(10t))\\ &=40sin(10t) \end{split} \end{equation}

이다. 따라서 유도기전력의 최댓값이 40 V이고, 단위길이 당 저항이 1 Ω\Omega/m이므로 총 저항은 4 Ω\Omega이다. 그러므로 전류의 최댓값은

Imax=404=10 AI_{max}=\frac{40}{4}=10\text{ A}

이고 답은 3번 이다.

6번

전도전류밀도는

Jc=σE=500sin(ωt)\begin{equation} \begin{split} J_c&=\sigma E\\ &=500sin(\omega t) \end{split} \end{equation}

이다. 그리고 변위전류밀도의 크기는

Jd=Dt=t(2×10936π×50sin(ωt))=ω×2×10936π×50cos(ωt)=2πf×10736π×cos(ωt)=f×10718×cos(ωt)\begin{equation} \begin{split} J_d&=\left|\frac{\partial D}{\partial t}\right|\\ &=\left|\frac{\partial}{\partial t}\left(2\times\frac{10^{-9}}{36\pi}\times 50sin(\omega t)\right)\right|\\ &=\omega\times2\times\frac{10^{-9}}{36\pi}\times 50cos(\omega t)\\ &=2\pi f\times\frac{10^{-7}}{36\pi}\times cos(\omega t)\\ &=f\times\frac{10^{-7}}{18}\times cos(\omega t) \end{split} \end{equation}

이다. 따라서 둘의 최댓값이 같기 위해서는

500=f×10718f=90×100×107=90 GHz\begin{equation} \begin{split} 500&=f\times\frac{10^{-7}}{18}\\ \Rightarrow f&=90\times100\times10^{7}\\ &=90\text{ GHz} \end{split} \end{equation}

이므로 답은 3번 이다. 사실 문제가 엄밀하게 되어 있진 않다.

7번

Q=ρvdv=0a0π02πerar2rsinθdϕrdθdr=0a0π02πerasinθdϕdθdr=2π0aeradr0πsinθdθ=2π×(a)[era]0a×[cosθ]0π=2πa(e11)×(1+1)=4πa(e1)e\begin{equation} \begin{split} Q&=\iiint \rho_v dv\\ &=\int_0 ^a \int_0 ^{\pi} \int _0 ^{2\pi} \frac{e^{-\frac{r}{a}}}{r^2} rsin\theta d\phi rd\theta dr\\ &=\int_0 ^a \int_0 ^{\pi} \int _0 ^{2\pi}e^{-\frac{r}{a}}sin\theta d\phi d\theta dr\\ &=2\pi\int_0 ^a e^{-\frac{r}{a}} dr \int_0 ^{\pi}sin\theta d\theta\\ &=2\pi \times(-a)\left[e^{-\frac{r}{a}}\right]_0 ^a \times [-cos\theta]_0 ^\pi\\ &=-2\pi a (e^{-1}-1)\times(1+1)\\ &=\frac{4\pi a(e-1)}{e} \end{split} \end{equation}

이므로 답은 4번 이다.

8번

  1. 공극에서의 자기저항은
    Rair=lμ0S=14π×107×2=124×107 H1\begin{equation} \begin{split} \mathcal{R_{air}}&=\frac{l}{\mu_0 S}\\ &=\frac{1}{4\pi\times10^{-7\times2}}\\ &=\frac{1}{24}\times10^{7}\text{ H}^{-1} \end{split} \end{equation}
    이다.
  2. 자속과 총 자기저항과의 곱은 기자력이다. 따라서
    RΦ=NI=200×3=600 Wb/H\begin{equation} \begin{split} \mathcal{R}\Phi=NI\\ &=200\times 3\\ &=600\text{ Wb/H} \end{split} \end{equation}
    이다.
  3. 자속밀도는 자속을 단면적으로 나눈 것이므로 자속밀도와 총 자기저항과의 곱은 위 값을 단면적으로 나눈
    6002=300 T/H\frac{600}{2}=300\text{ T/H}
    이다.
  4. aa의 코어 자기저항은
    Ra=5+5+55000×4π×107×2=1515000×8×107=18×104=1250 H1\begin{equation} \begin{split} \mathcal{R_a}&=\frac{5+5+5}{5000\times4\pi\times10^{-7}\times2}\\ &=\frac{15}{15000\times8\times10^{-7}}\\ &=\frac{1}{8\times10^{-4}}\\ &=1250\text{ H}^{-1} \end{split} \end{equation}
    이다.

따라서 답은 4번 이다.

9번

금속판의 중심에서 ρ\rho만큼 떨어진 지점에 있는 단위전하가 받는 힘은

F=v×B=ρωaϕ×(2az)=2ρωaρ\begin{equation} \begin{split} \vec{F}&=\vec{v}\times \vec{B}\\ &=\rho\omega\vec{a_\phi}\times(2\vec{a_z})\\ &=2\rho\omega{\vec{a_\rho}} \end{split} \end{equation}

이다. 따라서 기전력을 구하면

Vemf=Fdl=0a2ρωaρdρaρ=ωρ20a=ωa2\begin{equation} \begin{split} V_{emf}&=\int \vec{F}\cdot\vec{dl}\\ &=\int_0^a 2\rho\omega{\vec{a_\rho}}\cdot d\rho\vec{a_\rho}\\ &=\omega \rho^2|_0 ^a\\ &=\omega a^2 \end{split} \end{equation}

이므로 답은 4번 이다.

10번

  1. BC\overline{BC}에서 전류와 자속밀도가 평행하므로 받는 힘은 0이다.
  2. CD\overline{CD}ay\vec{a_y} 방향으로,AB\overline{AB}ay-\vec{a_y} 방향으로 같은 크기의 힘을 받을 것이므로 합력은 0이다.
  3. 토크는
    τ=m×B=6×6×103ay×1az=3.6×102ax Nm\begin{equation} \begin{split} \vec{\tau}&=\vec{m}\times\vec{B}\\ &=-6\times6\times10^{-3}\vec{a_y}\times1\vec{a_z}\\ &=-3.6\times10^{-2}\vec{a_x}\text{ N}\cdot\text{m} \end{split} \end{equation}
    이다.
  4. 루프가 xyxy 평면과 평행이면 mB\vec{m}||\vec{B}이므로 토크는 0\vec{0}이다.

따라서 답은 4번 이다.

11번

한 변을 xx축상에 놓고, 그 중점이 원점에 위치하도록 하자. 그러면 루프의 중심은 (0,1)(0,1)에 위치한다. 이 변으로 인한 이 점에서의 자속밀도의 크기를 구하고 4를 곱하면 총 자속밀도가 나올 것이다.

변 위의 어느 위치 xx에서 루프의 중심까지의 거리는

R=x2+1\mathcal{R}=\sqrt{x^2+1}

이다. 그리고 이 위치에서 루프의 중심까지의 방향벡터를 aR\vec{a_\mathcal{R}}이라 하자.

이제 비오-사바르 법칙을 이용하자.

dB=μ0I4πdl×aRR2=2μ04πdxax×(1ayxax)(x2+1)32=μ02πdxaz(x2+1)32\begin{equation} \begin{split} \vec{dB}&=\frac{\mu_0I}{4\pi}\frac{\vec{dl}\times\vec{a_\mathcal{R}}}{\mathcal{R}^2}\\ &=\frac{2\mu_0}{4\pi}\frac{dx\vec{a_x}\times(1\vec{a_y}-x\vec{a_x})}{(x^2+1)^{\frac{3}{2}}}\\ &=\frac{\mu_0}{2\pi}\frac{dx\vec{a_z}}{(x^2+1)^{\frac{3}{2}}} \end{split} \end{equation}

다음과 같이 치환하자.

x=tanθdx=sec2θdθx=tan\theta \Rightarrow dx=sec^2\theta d\theta

대입하면

dB=μ02πsec2θdθ(sec2θ)32=μ02πcosθdθ\begin{equation} \begin{split} \vec{dB}&=\frac{\mu_0}{2\pi}\frac{sec^2\theta d\theta}{(sec^2\theta)^{\frac{3}{2}}}\\ &=\frac{\mu_0}{2\pi} cos\theta d\theta \end{split} \end{equation}

이다. 이를 (2,2)(-2,2) 구간에 대해 적분하면 θ\theta의 범위는 (π4,π4)(-\frac{\pi}{4},\frac{\pi}{4})가 되므로

H1=μ02ππ4π4cosθdθ=μ02π(sin(π4)sin(π4))=μ02π12×2=2μ02π\begin{equation} \begin{split} \vec{H_1}&=\frac{\mu_0}{2\pi}\int_{-\frac{\pi}{4}} ^{\frac{\pi}{4}}cos\theta d\theta\\ &=\frac{\mu_0}{2\pi} \left(sin\left(\frac{\pi}{4}\right)-sin\left(-\frac{\pi}{4}\right)\right)\\ &=\frac{\mu_0}{2\pi} \frac{1}{\sqrt{2}}\times 2\\ &=\frac{\sqrt{2}\mu_0}{2\pi} \end{split} \end{equation}

이다. 따라서 이를 4배하면

H=22μ0πH=\frac{2\sqrt{2}\mu_0}{\pi}

이므로 답은 3번 이다.

12번

  1. Stokes 정리는
    Hdl=×Hds\oint \vec{H}\cdot\vec{dl}=\iint \nabla\times\vec{H}\cdot\vec{ds}
    이므로 옳다.
  2. 암페어의 주회법칙의 미분형은
    ×H=J\nabla\times\vec{H}=\vec{J}
    이다. 이를 적분형에서 유도할 수 있다.
  3. 적분 결과의 부호는 음이 될 수도 있다.
  4. 당연히 그렇다.

그러므로 답은 3번 이다.

14번

  1. 그렇다.
  2. 그렇다. 외부 전속밀도를 상쇄하는 방향으로 전하들이 분포하기 때문에 합치면 전속밀도느 없다.
  3. 그렇다. 있다면 전계에 의해 전하들이 더이상 전계가 없을 때까지 이동할 것이다.
  4. 완전도체 표면에서 전류가 흐른다면 접선방향의 자계는 있을 수 있다.

따라서 답은 4번 이다.

15번

기전력은

emf=SBtds+(v×B)dlemf=-\int_S\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\cdot \vec{ds}+\oint (\vec{v}\times\vec{B})\cdot\vec{dl}

이다. 주어진 상황에서는 B\vec{B}가 시간에 대해 일정하므로 시간으로 편미분하면 0\vec{0}이고, 움직임도 없으니 v\vec{v}0\vec{0}이다. 따라서

emf=0emf=0

이므로 검출전압은 스위치 개폐에 따라 변하지 않는다. 그러므로 답은 1번 이다.

16번

자계가 없다고 가정했을 때 표면전류밀도로 인하여 생기는 자계는 영역1에서 10az10\vec{a_z}이고, 영역2에서 10az-10\vec{a_z}이다. 그런데 영역1에서 주어진 자계의 zz성분이 30az30\vec{a_z}20az20\vec{a_z}가 더해졌으니 영역2에도 20az20\vec{a_z}를 더해주면 영역2의 자계의 zz성분은 10az10\vec{a_z}이다. 그리고 yy성분은 변화가 없으므로 둘 다 20ay-20\vec{a_y}이다. 그고 자기장의 발산이 0임을 고려하면 경계면에 수직인 자계 성분인 xx성분을 다음과 같이 구할 수 있다.

B1x=B2xμr1H1x=μr2H2x4×10=2×H2xH2x=20 A/m\begin{equation} \begin{split} B_{1x}&=B_{2x}\\ \Rightarrow \mu_{r1}H_{1x}&=\mu_{r2}H_{2x}\\ \Rightarrow 4\times10&=2\times H_{2x}\\ \Rightarrow H_{2x}&=20\text{ A/m} \end{split} \end{equation}

따라서 종합하면

H2=20ax20ay+10az\vec{H_2}=20\vec{a_x}-20\vec{a_y}+10\vec{a_z}

이므로 그 크기는

H2=202+202+102=30 A/mH_2=\sqrt{20^2+20^2+10^2}=30\text{ A/m}

이다. 따라서 답은 3번 이다.

17번

반사가 일어나지 않았으므로 미지의 무손실 매질 영역의 고유임피던스는 자유공간의 고유임피던스와 같다. 그러므로 답이 될 수 있는 것은 1번 또는 4번이다. 다음으로 전파속도 조건을 보면 빛의 속도의 13\frac{1}{3}이고, 전파속도는

v=1μ0ϵ01μrϵrv=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\epsilon_0}}\frac{1}{\sqrt{\mu_r\epsilon_r}}

이므로

ϵr=μr=3\epsilon_r=\mu_r=3

임을 알 수 있다. 따라서 답은 1번 이다.

18번

외부도체에서 ρ\rho일 때의 미소전류를 구하면

dI=2πaπ((5a)2(3a)2)×2πρdρ=2πa16a2π×2πρdρ=πρ4adρ\begin{equation} \begin{split} dI&=\frac{2\pi a}{\pi((5a)^2-(3a)^2)}\times2\pi\rho d\rho\\ &=\frac{2\pi a}{16a^2\pi}\times 2\pi \rho d\rho\\ &=\frac{\pi\rho}{4a}d\rho \end{split} \end{equation}

이다. 따라서 ρ=4a\rho=4a일 때 그 안의 외부도체의 전류는

Iouter=3a4aπρ4adρ=π4a[ρ22]3a4a=π4a×12(16a29a4)=7aπ8A\begin{equation} \begin{split} I_{outer}&=\int_{3a}^{4a}\frac{\pi\rho}{4a}d\rho\\ &=\frac{\pi}{4a}\left[\frac{\rho^2}{2} \right]_{3a}^{4a}\\ &=\frac{\pi}{4a}\times\frac{1}{2}(16a^2-9a^4)\\ &=\frac{7a\pi}{8}\text{A} \end{split} \end{equation}

이다. 내부도체에는 반대 방향으로 2πa2\pi a의 전류가 흐르므로 총 전류는

Itotal=2πa7aπ8=9aπ8 AI_{total}=2\pi a-\frac{7a\pi}{8}=\frac{9a\pi}{8}\text{ A}

이다. 한편 자계는 원형으로 대칭성이 있고,

Hdl=I\oint \vec{H}\cdot\vec{dl}=I

이므로

2π×4aH=9aπ8H=964=(38)2\begin{equation} \begin{split} 2\pi \times 4a H&=\frac{9a\pi}{8}\\ \Rightarrow H&=\frac{9}{64}\\ &=\left(\frac{3}{8}\right)^2 \end{split} \end{equation}

이다. 따라서 답은 3번 이다.

19번

쿨롱의 법칙에 따라서 두 점전하 사이에 작용하는 힘은

Q1Q24πϵ0ϵr2\frac{Q_1Q_2}{4\pi \epsilon_0\epsilon r^2}

이다. 유전체로 채웠을 때 힘이 절반으로 감소했으므로, 비유전율이 1에서 2로 2배가 되었을 것이다. 따라서 답은 2번 이다.

20번

무왜곡 선로의 조건은

RC=LGRC=LG

이다. 전파정수를 구해보면

γ=ZY=(R+jωL)(G+jωC)=RGω2LC+jω(RC+LG)=RGω2LC+2jω(RC)=RG+jωLC=α+jβ\begin{equation} \begin{split} \gamma&=\sqrt{ZY}\\ &=\sqrt{(R+j\omega L)(G+j\omega C)}\\ &=\sqrt{RG-\omega^2 LC+j\omega(RC+LG)}\\ &=\sqrt{RG-\omega^2 LC+2j\omega(RC) }\\ &=\sqrt{RG}+j\omega\sqrt{LC}\\ &=\alpha+j\beta \end{split} \end{equation}

이므로

α=RGβ=ωLC\begin{equation} \begin{split} \alpha&=\sqrt{RG}\\ \beta&=\omega\sqrt{LC} \end{split} \end{equation}

이다. 따라서 감쇠상수는 일정하고, 위상상수가 (각)주파수에 따라 변하므로 답은 2번 이다. 위상속도나 특성임피던스는 L,CL,C에만 의존한다.