物理學
物理學이 다루는 여러 自然 現象
主要 槪念
物質 , 힘 , 에너지 , 運動 , 基本 相互作用
主要 分野
力學 古典力學 量子力學 統計力學 熱力學 動力學 流體動力學 靜力學 電磁氣學 光學 天體物理學 相對性 理論 特殊 相對性 理論 一般 相對性 理論 粒子物理學 標準模型 理論物理學 兩者章論 超끈理論 數理物理學

電磁氣學 (電磁氣學, 英語 : Electromagnetism )은 電氣 와 自己 現象 을 探究 하는 學問 이다. 電氣와 自己는 電磁氣場 을 이룬다. 磁氣 現象은 이미 紀元前 2000年 무렵 中國 文獻에 登場하며, 電氣 亦是 紀元前 700年 무렵 古代 그리스 世界에 알려져 있었다. 그러나, 電氣와 自己가 電磁氣力 이라는 同一한 基本 相互作用 에 依한 現象 이라는 點은 19世紀 에 와서야 밝혀졌다. ^{[1] :533}

電氣場 [ 編輯 ]

羊털로 만든 옷감에 플라스틱 빗을 여러 番 문지른 後 머리카락에 갖다 대면 머리카락이 빗에 달라 붙는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 物體가 電氣를 띄게 되는 것을 帶電되었다고 한다. 古代 그리스 時代의 哲學者 탈레스 는 호박 (琥珀)을 摩擦하면 호박에 작은 物體가 달라 붙는 것을 觀察하였다. ^[2] 電氣를 뜻하는 英語 : electricity 는 호박을 뜻하는 그리스어 : ?λεκτρον 에서 온 것으로 推定된다. ^[3]

위에 든 例와 같이 두 物體를 摩擦하여 帶電된 電氣를 靜電氣 라고 하는데, 靜電氣가 帶電되는 까닭은 物體를 이루는 原子 가 지니는 電子 가운데 一部가 적은 에너지로도 쉽게 原子에서 벗어날 수 있기 때문이다. 이렇게 原子로부터 벗어나 움직이는 電子를 自由 電子라고 한다. ^{[註解 1]} 金屬과 같이 自由 電子를 많이 지닌 物質은 언제나 電子들이 쉽게 移動하기 때문에 帶電되었더라도 다른 物體와 닿게 되면 電氣가 쉽게 傳達되어 버린다. 이런 物體를 導體라고 한다. 反面에 고무나 琉璃와 같은 物質은 自由電子가 매우 적어서 한 番 帶電되면 電荷를 比較的 오랫동안 維持하게 된다. 이런 物體를 不導體라고 한다. 物質 가운데에는 狀態에 따라 導體와 不導體의 性質을 모두 가질 수 있는 것도 있다. 이런 物質들은 半導體 라고 부른다. 半導體는 最近 여러 電子 製品에 널리 使用되고 있다. ^[4]

前期에는 서로 다른 두 種類의 殿下 가 있어서 같은 것은 밀쳐내고 다른 것과는 끌어당긴다. 18世紀 美國의 科學者이자 政治家였던 벤저민 프랭클린 銀 두 電荷를 한 쪽은 兩 殿下, 다른 쪽은 음 傳하라고 이름 붙였다. ^{[1] :536} 이런 斥力과 人力의 크기는 物體가 갖고 있는 電荷의 量과 두 物體 사이의 距離에 관계된다. 이렇게 靜電氣로 帶電된 두 物體 사이에 作用하는 힘은 쿨롱의 法則 으로 計算될 수 있다. ^{[5] :65-68}

어떤 空間에 帶電된 한 個의 物體가 있다고 할 때, 이 物體 近處로 지나가는 다른 帶電된 物體는 쿨롱의 法則에 따라 서로의 距離가 가까워 質 收錄 더 剛한 힘을 받게 된다. 反對로 一定 距離 以上 멀어지면 두 電荷 사이의 힘은 無視될 수 있을 程度로 작아질 것이다. 이렇게 하나의 電荷에서 만들어지는 電氣力이 影響을 미치는 範圍를 電氣場 이라고 한다. 電氣場의 세기는 어떤 位置에 있는 物體가 單位 殿下當 얼마만큼의 힘을 받는지로 計算한다. 國際單位系 로 나타내면 쿨롱 黨 뉴턴 , 卽 ${\displaystyle N/C}$로 나타낸다. ^[6]

物體에 고여있는 靜電氣와 달리 電流 는 陽電荷에서 陰電荷로 흐르는 電氣의 흐름이다. 1800年 이탈리아 의 科學者 알레산드로 볼타 는 黃酸 水溶液에 구리莫大와 亞鉛막대를 담은 後, 두 막대를 金屬線으로 이어 電池 를 發明하였다. 볼타 電池는 最初로 電流를 持續的으로 供給하는 裝置였다. ^{[7] :45?47}

磁氣場 [ 編輯 ]

古代 中國에서는 磁石 에 철 이달라붙는 다는 事實과 磁石이 南北을 가리킨다는 事實을 알고 있었다. 古代 中國人들은 이러한 性質을 利用하여 羅針盤 을 만들어 使用하였다. 羅針盤은 世界 여러 곳에 傳播되어 航海 에 必須的인 裝備가 되었다. ^{[5] :102}

자석은 電荷와 같이 같은 極끼리는 밀치고 다른 極끼리는 잡아당기는 힘이 作用한다. 慣例的으로 磁石에서 北極을 가리키는 쪽을 N劇, 反對便을 S劇이라고 한다. 物質이 自己를 띄게 되는 것은 原子 가 스스로 電流 고리를 갖기 때문이다. 原子核의 字典과 原子核 周邊을 돌고 있는 電子의 公田과 自轉때문에 原子에 電流 고리가 생기고 이 때문에 原子 自體에 N極과 S劇의 性質을 나타내는 磁氣雙極子가 形成된다. ^[8] 電氣의 基本 單位인 電荷가 陰電荷 또는 陽電荷 홀로 存在할 수 있는 것과는 다르게 自己는 磁氣雙極子에 依해 發生하는 現象이기 때문에, 基礎 單位에서부터 N極과 S極이 同時에 存在한다. ^{[1] :680}

磁石에 鐵과 같은 物質이 달라붙는 現象을 自己 라고 하고, 磁石에 달라붙는 物質을 磁性體라고 한다. 널리 알려진 磁性體로는 鐵 以外에 니켈 과 같은 것이 있다. 自己에 反應하지 않는 物質은 非磁性體라고 하며, 이 外에 磁石에 아주 弱하게 反應하는 알루미늄 , 크롬 과 같은 物質은 常磁性體, 九里 , 金 , 은 과 같이 磁石이 가까이 가면 弱하게 反撥하는 物質은 反磁性體라고 한다. ^{[5] :137}

大部分의 物質은 原子單位의 磁氣雙極子가 無秩序하게 놓여져 있기 때문에 서로間의 自己가 相衝되어 自省을 띄지 않지만, 鐵이나 니켈같은 物質들은 原子의 配列이 自己가 한 쪽 方向으로 整列되기 쉽도록 되어 있어서 쉽게 自省을 띄게 되고 한 番 磁石이 되면 繼續하여 自省을 維持하게 된다. 磁性을 잃지 않고 繼續 지니는 磁石을 永久 磁石이라고 한다. ^[9] 철 막대를 磁石의 한 極으로 내려 치면 鐵 原子의 磁氣雙極子가 한 쪽으로 整列되어 永久 磁石이 된다. 한便, 永久 磁石이 된 철이라고 하더라도 約 770℃ 가 되면 自省을 잃는데, 熱에 依해 原子가 無秩序하게 運動하기 때문이다. ^[10]

電氣場과 마찬가지로 自己가 미치는 空間을 磁氣場 이라고 한다. 위에 說明한 바와 같이 自己의 單位 刺戟人 子夏는 電荷와 달리 홀로 存在하지 않고 언제나 雙極子로 存在하므로 N劇에서 나와 S劇까지 이어지는 하나의 自己 흐름을 생각할 수 있다. 이렇게 하나의 閉曲線으로 連結되는 自己 흐름을 磁氣力線이라고 하는데, 磁氣場은 一定 空間에 磁氣力線이 얼마나 많이 모여있는지와 그렇게 모인 磁氣力線이 얼마나 센 지를 考慮하여야 한다. 磁氣力線이 一定 空間에 얼마나 많이 모여 있는지는 自己 船速 密度(磁氣線束密度)라고 하며, 慣例的으로 ${\displaystyle {\overrightarrow {B}}}$로 나타낸다. 한便, 特定 位置에서 磁氣場의 世紀는 ${\displaystyle {\overrightarrow {H}}}$로 나타내는데, 그곳에 놓인 自下가 받는 힘을 뜻한다. ^{[註解 2] [11]} 國際單位系에서는 磁氣場의 單位로 테슬라 (T)를 使用하지만 一般的으로는 가우스 (G)가 더 많이 쓰인다. ^{[1] :683}

磁氣場의 境遇에 自己 船速 密度와 磁氣場의 세기가 다른 까닭은 磁氣場이 通過하는 매질마다 磁氣場을 傳達하는 比率이 다르기 때문이다. 어떤 物質이 磁化되어 磁氣場을 傳達하는 比率을 透磁率 (透磁率)이라고 하고 그리스 文字 μ로 나타낸다. 透磁率은 物質마다 固有의 값이 있는데 透磁率이 數百에 近接하는 强磁性 物體를 除外하면 大部分의 物質은 1에 가까운 透磁率을 가지고 있다. ^{[12] :39 [註解 3]} 眞空 또는 自由空間의 透磁率은 特히 μ ₀ 로 나타내며, 그 값은 ${\displaystyle 4\pi \times 10^{-7}A/m}$이다. 磁氣場의 自己 船速 密度 ${\displaystyle {\overrightarrow {B}}}$는 磁氣場의 세기 ${\displaystyle {\overrightarrow {H}}}$에 透磁率 μ를 곱한 것과 같은 값을 갖는다. 卽, 다음과 같은 數式으로 나타낼 수 있다. ^{[12] :39}

${\displaystyle {\overrightarrow {B}}=\mu {\overrightarrow {H}}}$

電磁氣 誘導 [ 編輯 ]

電氣와 自己는 아주 오래前부터 알려진 現象이었지만, 이 둘이 事實은 같은 相互 作用이란 것은 19世紀에 와서야 밝혀졌다. 1820年 덴마크 의 科學者 한스 크리스티안 외르스테드 는 電流가 흐르는 導線 가까이 羅針盤을 두면 羅針盤의 바늘이 가리키는 方向이 變하는 것을 觀察하고 電流와 自己 사이에 聯關이 있음을 밝혀냈다. ^[13] 프랑스의 科學者 앙드레마리 앙페르 는 외르스테드의 論文을 읽고 自身도 같은 實驗을 하여 電流가 흐르는 導線에 생기는 磁氣場의 方向을 觀察하였다. 앙페르는 電流가 오른손의 엄지손가락 方向으로 흐를 때 磁氣場은 나머지 네 손가락을 말아쥔 方向으로 形成된다는 것을 밝혔는데, 오른손 엄지를 위로 치켜 든다면 나머지 말아 쥔 네손가락은 反時計方向을 나타내게 된다. 이러한 發見은 앙페르의 오른螺絲 法則이라는 이름으로 널리 알려지게 되었고, 後날 數理 模型이 만들어져 앙페르의 回로 法則 이 樹立되었다. ^[14] 1824年 英國 의 科學者 윌리엄 스터展 은 電流에서 發生하는 磁氣場을 利用하여 電磁石 을 만들었다. 스터前이 처음 만든 電磁石은 말굽 模樣의 鐵心을 磁氣 코어로 利用한 것이었다. 스터戰은 磁氣 코어에 굵은 구리 電線을 18 番 감아 電磁石을 만들었다. 當時에는 오늘날과 같은 絶緣體가 없었기 때문에 스터戰은 구리 道詵에 바니시 를 발라 絶緣體로 使用하였다. ^{[15] [16]}

電流가 磁氣場을 만든다는 事實이 알려지자, 磁氣場에서도 電流를 만들 수 있지 않을까 하는 疑問을 갖는 것은 어찌보면 當然한 것이었다. 1831年 마이클 패러데이 는 磁石을 導線 가까이에서 움직이면 電流가 생긴다는 것을 밝혀내었다. 패러데이는 永久 磁石이든, 電磁石이든 磁氣場을 形成하는 것이기만 하면 導線가까이에서 움직이면(즉, 磁氣場의 變化가 일어나면) 電流가 생긴다는 것을 알아내고 이를 整理하여 패러데이 電磁氣 誘導 法則 을 發表하였다. ^[17] 自己에서 電氣가 誘導될 수 있다는 것이 알려지자, 이것을 利用한 많은 技術 들이 發明되었다. 니콜라 테슬라 는 電磁氣 誘導를 利用하여 交流 發電機 를 發明하였다. ^[18]

맥스웰 方程式 [ 編輯 ]

1864年 제임스 클러크 맥스웰 은 旣存의 電氣와 自己에 對한 理論의 數理 模型들을 約 20個의 方程式으로 整理하였다. 맥스웰은 나중에 意味가 같은 方程式들은 果敢히 省略하고 本質的인 네 個의 方程式으로 整理하였다. 이를 맥스웰 方程式 이라고 한다. ^{[7] :112}

맥스웰 方程式이 다루는 電磁氣學의 法則은 다음과 같다. ^{[註解 4]}

• 가우스 法則 : 가우스의 法則은 電荷에 依해 만들어지는 電氣場의 에너지를 나타낸다. 이는 本質的으로 쿨롱의 法則 과 같은 結果를 나타내게 된다. 그러나, 가우스의 法則은 두 個의 電荷에 作用하는 힘을 計算하는 쿨롱의 法則과 달리 하나의 殿下만을 考慮할 때에도 그에 따른 電荷量을 計算할 수 있다.
• 가우스 自己 法則 : 自己는 언제나 N極과 S極이 同時에 存在하므로, 닫힌 曲面을 지나는 磁氣量은 曲面안으로 들어가는 것과 通過하여 나오는 것이 언제나 같게 된다. 磁氣力은 벡터이기 때문에 들어가는 自己量과 나오는 磁氣力의 合은 언제나 0 이 된다.
• 패러데이 電磁氣 誘導 法則  : 道詵 周邊에서 磁氣場이 變化하면 電流가 생기는데, 이렇게 電流가 發生하도록 하는 힘을 起電力 이라고 한다.패러데이의 電磁氣 誘導 法則은 自己 船速 密度의 變化와 起電力의 冠禮를 數理的으로 整理한 法則이다.
• 앙페르 回로 法則  : 앙페르는 電流 周邊에 흐르는 磁氣場의 世紀를 豫測할 수 있는 數理 模型을 만들었다. 하지만, 앙페르가 만든 方程式은 不完全한 面이 있었기 때문에 맥스웰은 이를 改善하여 새로운 方程式으로 代替하였다. 이 때문에 修正된 앙페르 回로 法則은 앙페르-맥스웰 回로 法則이라고 불리기도 한다.

맥스웰은 電磁氣學에 對한 法則들의 數理 模型을 整理하면서 로런츠 힘 은 다루지 않았다. 로렌츠 힘은 電荷를 띈 物體가 電氣場 안에서 받는 힘을 뜻한다. 오늘날 電磁氣學은 맥스웰 方程式과 로런츠 힘을 基盤으로 하고 있다. ^{[7] :114?115}

맥스웰은 맥스웰 方程式을 整理한 後, 自戒가 사인파와 같은 波動 을 보이며 變化한다면 田鷄 亦是 그에 따라 사인파 波動을 만들어 내게 될 것이고, 그 反對도 마찬가지 일 것이므로, 電氣와 自己의 性質을 모두 갖는 波動, 卽 電磁波 가 存在할 것이라고 豫測하였다. 맥스웰이 豫測한 電磁波는 1888年 하인리히 루돌프 헤르츠 의 實驗을 통해 證明되었다. 以後, 電氣 回路 에서 生成된 電磁波를 안테나 를 통해 放出하거나 受信할 수 있다는 것이 알려지게 되었고, 이를 利用하여 無線 通信 이나 放送 과 같은 電磁波를 利用한 技術들이 發明되었다. ^{[7] :175-182}

같이 보기 [ 編輯 ]

• 電氣
• 自己
• 電磁氣力學
• 古典 電磁氣學
• 量子 電氣力學
• 二重 슬릿 實驗
• 電磁石
• 엑스線
• 光學
• 物理學

參考 文獻 [ 編輯 ]

• Griffiths, David J. (2006). 《電磁氣學》 . 김진승 驛 3板. 眞샘미디어. ISBN   8995707011 .   CS1 管理 - 追加 文句 ( 링크 )
  • 原書: (英語) Griffiths, David J. (2012). 《Introduction to Electrodynamics》 4板. Addison-Wesley. ISBN   0321856562 .   CS1 管理 - 追加 文句 ( 링크 )
• (英語) Jackson, J. D. (1998). 《Classical Electrodynamics》 3板. New York: John Wiley & Sons. ISBN   978-0-471-30932-1 . OCLC   53599 . 2013年 8月 21日에 原本 文書 에서 保存된 文書 . 2012年 8月 17日에 確認함 .   CS1 管理 - 追加 文句 ( 링크 )

註解 [ 編輯 ]

各州 [ 編輯 ]