● 전자기학
- 전기와 자기 현상을 탐구하는 학문이고 전기와 자기는 전자기장을 이룹니다.
- 전기와 자기가 전자기력이라는 동일한 기본 상호작용에 의한 현상이라는 점은 19세기에 와서야 밝혀졌습니다.
- 자기 현상은 이미 기원전 2000년 무렵 중국 문헌에 등장합니다.
- 전기 역시 기원전 700년 무렵 고대 그리스 세계에 알려져 있습니다.
● 전기장
- 두 물체를 마찰하여 대전된 전기를 정전기라고 하는데 정전기가 대전되는 까닭은 물체를 이루는 원자가 지니는 전자 가운데 일부가 적은 에너지로도 쉽게 원자에서 벗어날 수 있기 때문입니다.
- 양털로 만든 옷감에 플라스틱 빗을 여러 번 문지른 후 머리카락에 갖다 대면 머리카락이 빗에 달라붙는 것을 볼 수 있습니다.
- 물질 가운데에는 상태에 따라 도체와 부도체의 성질을 모두 가질 수 있는 것도 있고 이런 물질들은 반도체라고 부릅니다.
- 물체에 고여있는 정전기와 달리 전류는 양전하에서 음전하로 흐르는 전기의 흐름이고 1800년 이탈리아의 과학자 알레산드로 볼타는 황산 수용액에 구리 막대와 아연 막대를 담은 후 두 막대를 금속선으로 이어 전지를 발명하였고 볼타 전지는 최초로 전류를 지속적으로 공급하는 장치였습니다.
- 전기에는 서로 다른 두 종류의 전하가 있어서 같은 것은 밀쳐내고 다른 것과는 끌어당긴다. 18세기 미국의 과학자이자 정치가였던 벤저민 프랭클린은 두 전하를 한쪽은 양 전하, 다른 쪽은 음 전하라고 이름 붙였습니다.
- 척력과 인력의 크기는 물체가 갖고 있는 전하의 양과 두 물체 사이의 거리에 관계되고 정전기로 대전된 두 물체 사이에 작용하는 힘은 쿨로의 법칙으로 계산될 수 있습니다.
- 물체 근처로 지나가는 다른 대전된 물체는 쿨롱의 법칙에 따라 서로의 거리가 가까워질수록 더 강한 힘을 받게 된고 반대로 일정 거리 이상 멀어지면 두 전하 사이의 힘은 무시될 수 있을 정도로 작아질 것입니다.
● 전자기 유도
- 전기와 자기는 아주 오래전부터 알려진 현상이었지만 이 둘이 사실은 같은 상호 작용이란 것은 19세기에 와서야 밝혀졌습니다.
- 앙페르는 전류가 오른손의 엄지손가락 방향으로 흐를 때 자기장은 나머지 네 손가락을 말아쥔 방향으로 형성된다는 것을 밝혔고 오른손 엄지를 위로 치켜든다면 나머지 말아 쥔 네 손가락은 반시계 방향을 나타내게 됩니다.
- 앙페르의 오른나사 법칙이라는 이름으로 널리 알려지게 되었고, 훗날 수리 모형이 만들어져 앙페르의 회로 법칙이 수립되었습니다.
- 전류가 자기장을 만든다는 사실이 알려지자, 자기장에서도 전류를 만들 수 있지 않을까 하는 의문을 갖는 것은 어찌 보면 당연한 것이었습니다.
- 자석을 도선 가까이에서 움직이면 전류가 생긴다는 것을 밝혀내었고 패러데이는 영구 자석이든, 전자석이든 자기장을 형성하는 것이기만 하면 도선 가까이에서 움직이면 전류가 생긴다는 것을 알아내고 이를 정리하여 패러데이 전자기 유도 법칙을 발표하였습니다.
● 자기장
- 자석에 철이 달라붙는다는 사실과 자석이 남북을 가리킨다는 사실을 알고 있었습니다.
- 자석은 전하와 같이 같은 극끼리는 밀치고 다른 극끼리는 잡아당기는 힘이 작용하고 관례적으로 자석에서 북극을 가리키는 쪽을 N극, 반대편을 S극이라고 하며 물질이 자기를 띄게 되는 것은 원자가 스스로 전류 고리를 갖기 때문입니다.
- 자석에 철과 같은 물질이 달라붙는 현상을 자기라고 하고, 자석에 달라붙는 물질을 자성체라고 합니다.
- 자성체로는 철 이외에 니켈과 같은 것이 있다. 자기에 반응하지 않는 물질은 비자성체라고 하며, 이 외에 자석에 아주 약하게 반응하는 알루미늄, 크롬과 같은 물질은 상자 성체, 구리, 금, 은과 같이 자석이 가까이 가면 약하게 반발하는 물질은 반자 성체라고 합니다.
- 전기장과 마찬가지로 자기가 미치는 공간을 자기장이라고 하고 위에 설명한 바와 같이 자기의 단위 자극인 자하는 전하와 달리 홀로 존재하지 않고 언제나 쌍극자로 존재하므로 N극에서 나와 S극까지 이어지는 하나의 자기 흐름을 생각할 수 있습니다.
- 물질은 원자 단위의 자기 쌍극자가 무질서하게 놓여 있기 때문에 서로 간의 자기가 상충되어 자성을 띄지 않지만, 철이나 니켈 같은 물질들은 원자의 배열이 자기가 한쪽 방향으로 정렬되기 쉽도록 되어 있어서 쉽게 자성을 띄게 되고 한 번 자석이 되면 계속하여 자성을 유지하게 됩니다.
- 전기의 기본 단위인 전하가 음전하 또는 양전하 홀로 존재할 수 있는 것과는 다르게 자기는 자기 쌍극자에 의해 발생하는 현상이기 때문에 기초 단위에서부터 N극과 S극이 동시에 존재합니다.
- 자기장의 경우에 자기 선속 밀도와 자기장의 세기가 다른 까닭은 자기장이 통과하는 매질마다 자기장을 전달하는 비율이 다르기 때문이고 어떤 물질이 자화 되어 자기장을 전달하는 비율을 투자율이라고 하고 그리스 문자 μ로 나타냅니다.
● 맥스웰 방정식
- 1864년 제임스 클러크 맥스웰은 기존의 전기와 자기에 대한 이론의 수리 모형들을 약 20개의 방정식으로 정리하였다. 맥스웰은 나중에 의미가 같은 방정식들은 과감히 생략하고 본질적인 네 개의 방정식으로 정리하였다. 이를 맥스웰 방정식이라고 합니다.
1) 앙페르 회로 법칙
- 앙페르는 전류 주변에 흐르는 자기장의 세기를 예측할 수 있는 수리 모형을 만들었습니다.
- 앙페르가 만든 방정식은 불완전한 면이 있었기 때문에 맥스웰은 이를 개선하여 새로운 방정식으로 대체하였고 이 때문에 수정된 앙페르 회로 법칙은 앙페르-맥스웰 회로 법칙이라고 불리기도 합니다.
2) 가우스 자기 법칙
- 자기는 언제나 N극과 S극이 동시에 존재하므로 닫힌 곡면을 지나는 자기 량은 곡면 안으로 들어가는 것과 통과하여 나오는 것이 언제나 같게 되고 자기력은 벡터이기 때문에 들어가는 자기 량과 나오는 자기력의 합은 언제나 0 이 됩니다.
3) 가우스 법칙
- 가우스의 법칙은 전하에 의해 만들어지는 전기장의 에너지를 나타냅니다.
- 이는 본질적으로 클로의 법칙과 같은 결과를 나타내게 되며 가우스의 법칙은 두 개의 전하에 작용하는 힘을 계산하는 쿨롱의 법칙과 달리 하나의 전하만을 고려할 때에도 그에 따른 전하량을 계산할 수 있습니다.
4) 페러데이 전자기 유도 법칙
- 도선 주변에서 자기장이 변화하면 전류가 생기는데, 이렇게 전류가 발생하도록 하는 힘을 기전력이라고 합니다.
- 패러데이의 전자기 유도 법칙은 자기 선속 밀도의 변화와 기전력의 관례를 수리적으로 정리한 법칙입니다.