전자기학

1.전기와 자기

전기와 자기는 사실 같은 현상이다. 

갈바니 전지

전기를 개구리 다리에 흐르게 하면 개구리 다리가 움직이는 것을 발견

전기라는 것이 생명과 관련된 것이 아닐까 생각

프랑켄슈타인 소설에 등장하는 것처럼 전기는 생명의 기운과 연결된 신비로운 것으로 생각했음

 

볼타 전지

과학적인 전기 관념 정립

이 전기라는 것은 생명과 관련이 있는 것이 아니라, 생명이 없어도 전기가 만들어 진다는 것을 알아냄.

수용액과 전해질을 담은 용액, 금속판들을 늘여놓으면 거기서 전기가 발생한다는 사실을 알아냄

그림과 같이 전지를 만들고 높은 전압의 전기를 얻기도, 전기를 저장해서 꺼내 쓸 수 도 있었다.

실험결과 전기는 신비로운 생명과 관련된 현상이 아니라, 어떤 화학현상이라는 것을 알아냈다.

 

에디슨

전기문명이 탄생하던 시점에 전기를 이용해서 수많은 우리 생활에 필요한 물품을 만들었다.

에디슨이 만든 수많은 제품은 우리 인류가 전기문명으로 들어가는데 중요한 역할을 하게 된다.

전기는 우리 인간의 문명의 모습 자체를 근본적으로 바꿔놓았다.

자기현상

자석과 자석이 있을 때 두 개의 자석이 서로 당기거나 밀어내는 현상

자석이 갖는 특수한 성질 중에 하나는 나침반을 만들 수 있다는 것이다. 

굉장히 가벼운 자석을 물위에 띄우면 시간이 지나면서 안정화되는데 안정화 되면 언제나 남쪽과 북쪽을 가리킨다. 

그 이유는 지구가 하나의 자석이기 때문이다.

여전히 우리가 왜 지구가 자석인지에 대해 완전히 이해하고 있지는 않지만, 지구 내부에 내핵이라는 부분이 무거운 자성을 띌 수 있는 물질들로 되어있고, 그물질들이 회전을 하고 있거나 그안에 있는 금속이온들이 움직이기 때문이라는 이론들이 있다. 

전류는 자기장을 만든다

전기를 도선에 따라 흘려주면 도선에 전류가 흐르고 이 도선주위에는 자기장이 생긴다. 

전류의 흐름을 이용해서 전선이 연결되어있는 곳이 아무리 먼곳이라도 그 쪽의 자석을 움직일 수 있다는 뜻이다.

즉 전기를 이용해서 원거리 신호를 전달 할 수 있다는 것이다. 이 덕분에 유선통신을 이용한 아주 빠른 정보의 전달이 가능해졌다.

모터의 원리

바깥쪽에 자석을 고정시키고 안쪽의 도선에 전류를 흐르게 하여 자기장의 방향을 잘 조절하면 원운동을 만들어 낼 수 있다. 바로 이것이 전기로 작동하는 모터의 원리이다.

이 외에도 주변에 수없이 많은 전기로 움직이는 모든 것들은 다 기본적으로 이와 같이 도선에 흐르는 전류가 만드는 자기장을 이용하는 것이다. 

가장 중요한 개념은 전기가 자기를 만들 수 있다는 뜻이다.

 

2. 패러데이와 장

마이클 패러데이

전기와 자기현상에 들어있는 가장 중요한 본질을 찾아낸 사람 

"장"이라는 개념의 창시자

자석을 이용한 실험을 통해 눈에 보이지 않지만 빈 공간에 장이라는 것이 형성되어 물체에 힘을 가하고 그것이 물체를 움직이게 하는 것을 자기장이라고 설명하였다.

자기장, 전기장이라는 개념은 우리눈에는 보이지 않지만 전자기현상이 주변의 공간을 변형시켰다는 의미이다.

장(Field)

눈 앞에 빈공간의 모든 지점에 하나씩 어떤 특별한 물리량을 주는 것이다.

장은 크기와 방향을 모두 가지고 있는 것으로, 한 점에 방향을 나타내줄 수 있도록 화살표를 붙이고 화살표의 길이를 가지고 자기장의 세기를 나타낸다.

실제 이런 화살표는 없지만 가상으로 생각하는 것이다. 

장이라는 표현을 쓰면 우리는 전 공간에 펼쳐진 화살표들의 집단을 떠올리면 된다.

전기장

전기장에서도 역시 서로 밀어내고 당기는 현상이다.

양전하(+)끼리, 음전하(-)끼리는 밀어내고 양전하 음전하는 서로 당긴다

양전하와 음전하 사이에는 눈에 보이지 않지만 공간을 변형시킨 어떤 화살표들의 나열이 있다. 

그것을 매끄러운 선으로 연결하면 빈공간상을 연결한 이런 선들이 보일 것인데 이런 선들은 실제 눈에 보이진 않지만 공간에 존재하기 때문에 전기장이라는 설명할 수 있다.

자기장

도선의 전류가 흐를 때 주변에는 자기장이 생긴다. 

도선에 흐르는 전류의 방향을 엄지로 했을 때 자기장의 방향은 나머지손가락의 방향으로 원형의 형태로 만들어 진다는 것을 알 수 있다.

장은 힘이 될 수 있기 때문에 중요하다

중력도 전기장과 자기장과 마찬가지로 주변의 공간을 변화시킬 수 있다. 

따라서 중력이 만든 장을 중력장이라고 부를 수 있다.

그 힘의 형태를 수식으로 적으면 위와 같다.

전기장이 가해졌을 때 거기 전하가 있으면 그 전하는 전기장에 의한 힘을 받게 된다. 즉 가속을하게된다. 

마찬가지로 자기장이 있을 때 전하가 움직이면 그 전하는 힘을 받은 것이다.

이와 같이 전기장과 자기장은 우리눈에 드러나도록 물체의 운동을 바꿀 수 있다

패러데이의 또다른 업적은 전기를 만드는 방법을 찾았다

페러데이의 법칙

자기장을 시간에 따라 변화시키면, 전기장을 만들 수 있다. (전자기유도) 

발전기의 발전 원리 

바깥쪽에 자석들이 둘러싸고 내부에 코일(전선)이 있다. 

전선이 코일 내부에서 돌아가면 전선입장에서는 시간에 따른 자기장의 변화가 생기고 패러데이의 법칙에 따라 전기가 만들어진다. 

화력발전은 화력으로 물을 끓여서 거기서 나오는 수증기로 터빈을 돌리는 것이다.  

원자력발전도 화력발전과 마찬가지이다.

방사능 물질이 원자핵 분열이 되면서 나오는 열로 물을 끓이고 끓인 물에서 나온 수증기가 터빈을 돌린 것이다.

 

3. 맥스웰 방정식

전자기학이라는 학문을 수학으로 기술할 수 있도록 법칙을 마련한 사람이 제임스 맥스웰이다.

패러데이가 제시했던 장의 개념을 사용해서 전자기현상을 장 그 자체를 기술하는 네 개의 방정식으로 정리를 했다.

이 네 개의 방정식을 맥스웰 방정식이라고 부른다.

E와 D는 모두 전기장으로 해석한다.(왼쪽 2개 식)

H와 B는 모두 자기장으로 해석한다.(오른쪽 2개 식)

, 공간에 대해서 어떤 미분 특성을 갖는지를 이야기해준다. 

은 한 점을 중심으로 사방으로 나가는 방향으로 공간의 변화에 대한 미분 (다이버젼스)

은 한 점을 중심으로 돌아가는 방향으로 공간의 변화에 대한 미분 (컬)

즉, 맥스웰 방정식은 공간상의 미분 방정식이고 공간상의 두 방향, 

한 점에 대해서 사방으로 나가는 것과 돌아가는 것 두 가지 방향에 대한 미분에 답을 이야기 한다.

식의 오른쪽을 원인, 왼쪽을 결과로 해석한다.

는 전하의 밀도를 의미한다.

전하의 밀도, 전하가 있으면 전기장이 사방으로 뻗어나가는 방향으로 만들어진다.

자기장을 사방으로 뻗어나가게 하는 것은 없다. 

자기장은 한점에서 사방으로 뻗어나가는 형태로 만들어질 수 없다는 것이다.

패러데이 법칙을 의미한다.

자기장이 시간에 따라 변하면, 돌아가는 방향으로 전기장을 만든다.

J는 전류를 의미한다.

전기장과 자기장은 서로가 서로를 만들어 낼 수 있다.

자기장을 만드는 방법에는 2가지가 있다는 의미이다.

1. 전기장이 시간에 따라 바뀌면 자기장이 만들어 진다. 

2. 전류가 있으면 돌아가는 방향의 자기장이 만들어진다. 

 

4. 빛의 정체는 무엇인가?

뉴턴

프리즘 실험을 통해 프리즘으로 분해된 색은 한번 분해가 된 다음 더 분해되지 않는 기본이라는 것을 알게되었다.

프리즘으로 분해된 빛을 렌즈를 이용해 다시 잘 모으면 하나로 합치면 처음형태의 색을 갖지않는 빛으로 돌아가는 것을 확인하였다.

이것을 통해 뉴턴은 우리가 눈으로 보는 모든 물체들의 색들은 물질내부에 있는 것이 아니라 빛이 가지고 있었던 것을 알아냈다.

빛의 입자설

뉴턴은 빛이 눈에 보이지 않는 작은 알갱이라고 생각했다.

그러나 뉴턴의 운동법칙 F=ma를 생각해볼 때, 이동하던 입자가 물의 표면에서 아랫방향으로 꺾였다는 것은 아랫방향으로 힘이 작용했다는 의미인데 힘이 작용하면 물체는 가속한다. 

따라서 물속에서 빛 입자의 속력은 더 빨라질 것이라고 예상할 수 있지만 물속에서 빛의 속도는 느려진다는 모순이 발생한다.

 

토마스 영의 이중 슬릿실험

두 개의 구멍을 뚫고 거기에 빛을 보냈을 때 여러개의 줄무늬가 나오는 것을 확인하였다.

이것은 파동이 보여주는 전형적인 현상이다. 

그래서 영은 빛이 입자가 아닌 파동이라는 결론을 내렸다. 

두 개의 파원에서 만들어진 파동은 서로 겹쳐서 굉장히 복잡한 무늬를 만들어 낸다. 

그래서 두 개의 구멍에 만약에 하나의 파동을 보내게 되면 두 개의 구멍을 지나면서 각 구멍을 중심으로 새로운 파동이 만들어 진다. 

이와 같이 파동은 두 개의 구멍을 통과했을 때 여러개의 줄무늬를 만들어 낼 수 있는 이것을 간섭현상이라고 한다. 

입자는 절대로 이런 현상을 보일 수 없기 때문에 빛은 입자가 아니라 파동이라는 것을 알게되었다.

 

빛은 어떻게 기술할 수 있을까?

위 두 개의 식은 전기장과 자기장의 각각의 파동에 대한 방정식이다.

이와 같이 전기장과 자기장이 서로 얽혀서 공간상을 진행하는 파동이 존재한다는 것을 맥스웰 방정식을 통해 예측할 수 있다.

맥스웰은 전기장과 자기장이 만들어내는 파동을 전자기파라고 불렀다.

맥스웰 방정식이 예측하는 파동의 속도와 빛의 속도는 같았다. 

따라서, 빛은 다름아닌 전자기파라고 정의할 수 있다.

전기장이 시간에 따라 바뀔 때 자기장도 시간에 따라 바뀌어서 서로가 서로를 만들어 내면서 진행하는 이런 파동이었다는 것이다.

빛은 사람의 눈에 보이는 전자기파의 일종이다.

우리가 볼 수 있는 전자기파는 아주 작은 영역에 속한다. 이를 가시광선이라고 한다.

파동이 한 번 오르락 내리락하는 패턴의 거리를 파장이라고 부른다.

파동이 한 번 오르락 내리락하는데 걸리는 시간을 주기라고 한다. 이것을 주파수라고한다. 

가시광선에서 빨간색으로 갈수록 파장이 길어지고, 주기가 길어진다(주파수가 낮아진다)

라디오에 사용되는 FM,AM TV에 사용되는 전파도 전자기파이다. 

Microwave는 전자렌지에서 음식을 데울 때 사용되는 전자기파이다. 

IR(적외선)은 빨강색 바깥에 존재하는 전자기파로 눈에 보이지 않지만 몸을 따뜻하게 만들어준다.

UV(자외선)은 보라색 바깥쪽의 빛이라는 뜻이다. 

X선은 정체를 알지못해서 X라고 한다. 사람몸에 투과하여 뼈의 모습을 직접볼수 있는 도구가 된다.

감마선은 방사선이다. 노출되면 목숨을 잃을수도 있다.

 

헤르츠의 실험

맥스웰이 이야기 한 대로 전기장 또는 자기장의 시간변화가 공간 층을 전자기파의 형태로 진행할 수 있다는 사실을 입증했다.

따라서 전자기파는 아무것도 없는 빈공간을 진행할 수 있다. 

그래서 태양에서 만들어진 전자기파, 빛이 태양과 지구사이에 있는 우주 공간을 뚫고 지구까지 날아오는 것. 

이는 무선으로 통신이 가능하다는 의미이다.

마르코니

연구 결과 무선통신을 처음으로 성공시켰다. 

 

요약

1. 전기와 자기

전기현상과 자기현상이 서로 다른 것이아니라, 밀접하게 연결되어 있다는 것을 알아낸 것이 중요하다.

전기현상 전류가 흐르는 현상. 전기는 모든 것을 구동시키는 현대의 가장 중요한 에너지원

전류라는 것은 전하가 움직여서 만들어내는 것인데 전하가 가만히 정지해 있을 때에는 거기에 전기장이 만들어지지만, 전하가 움직이기 시작하면 자기장이 만들어 진다는 것이다. 

즉 전기, 자기는 서로 한 가지 현상의 다른 측면일 수도 있다는 것이다. 자기는 전기장으로부터 만들어 질 수 있다는 것이다. 

이것을 이용해 유선통신이 가능했다.

2. 패러데이와 장

'장‘이야말로 전자기학에서 배워야 할 가장 중요한 개념이다.

패러데이가 제안. 전기와 자기현상을 설명하기 위해 우리 눈에 보이지 않지만 공간을 채우고 있는 가상의 무엇을 정의한다. 

그것이 바로 전기장과 자기장이다.  

장이란 것은 공간 전체를 가득 채우고 있는 무엇이다. 

모든 지점 하나하나에 있는 물리량들의 총체이다. 

언제나 전기장 자기장은 공간과 시간의 함수로 주어진다. 

마찬가지 개념으로 중력도 장 개념으로 이해가능. 

이 지구가 우주공간을 다 변형시킨 것, 우주공간에 눈에보이지 않는 장을 만든것이고 이 장이 이 물체에 작용해서 힘을 만들어 내고 그 힘 때문에 물체가 가속하게 된 것

이와같이 장개념을 알게되면 비어있는 공간이 비어있지 않다는 것을 알게된다.

3. 맥스웰방정식

장을 기술하는 방정식, 공간 전체에서 장의 변화를 기술한다.

어떠한 이유 때문에 공간상에서 장의변화는 한점에서 돌아가는 변화 또는 방사형 변화에 대한, 두 가지방향에 대한 미분을 알면 그 공간 내부의 장을 완전히 기술할 수 있다.

맥스웰 방정식은 전기장, 자기장 각각에 대한 관계식 오른쪽은 원인, 왼쪽이 결과

전기장과 자기장이 만들어지고 있는 원인들을 설명하고 있다.

맥스웰방정식은 모든 전자기 현상을 다 설명할 수 있다 .

4.빛의 정체는 무엇인가?

전기장과 자기장이 서로가 서로를 만들어내면서 공간을 진행하는 파동이 될 수 있다는 식

맥스웰 방정식이 맞다면 존재할 수 있는 파동의 형태

전자기파의 속도는 빛의 속도와 똑같고 바로 빛이 전자기파라는 의미를 지닌다.

이에대한 실험은 헤르츠가 수행했다. 

마르코니의 무선통신실험을 통해 무선통신을 가능하게 했다 .

빛은 전자기파, 파동이라는 것이 중요

빛은 전기장과 자기장의 파동이라는 사실을 알게되었다. 20세기의 물리학은 전자기학에서 시작된다.

전자기학은 우리의 일상생활을 지배하는 모든 기기, 도구를 설명하는 학문이다. 모두 다 전기장과 자기장을 이용하는 장치들에 불과하다. 

결국 전기장과 자기장을 기술한 맥스웰방정식의 지배를 받는다.

경희대학교 모두를 위한 물리학 - 김상욱