전자기학에 관하여
1. 전자기학이란
- 전자기학은 전기와 자기 현상에 대한 연구입니다. 전기와 자기는 전자기장을 형성합니다.
자기 현상은 이미 기원전 2000년경 중국 문헌에 등장하였고 전기는 기원전 700년경 고대 그리스 세계에서도 알려져 있습니다. 19세기에 이르러 전기와 자기는 같은 기본적인 전자력의 상호작용에 의하여 발생되는 현상이 되었습니다.
2. 전기장
- 모직 옷에 플라스틱 빗을 여러 번 문질러서 머리에 붙이면 빗에 머리카락이 끌어당겨지는 것을 알 수 있습니다. 이렇게 물체에 전기가 있으면 충전이 된다고 합니다. 고대 그리스의 철학자 탈레스는 호박을 문지르면 작은 물체가 호박을 문지른 물체에 붙는 것을 관찰하였습니다. 영어에서 전기라는 말은 호박을 뜻하는 그리스어에서 온 것으로 여겨집니다.
위에 든 예시와 같이 두 물체를 마찰하면서 대전된 전기를 정전기라고 합니다. 정전기가 옮겨지는 이유는 물체를 이루는 원자가 지니는 전자 가운데 일부가 적은 에너지로도 쉽게 원자에서 벗어나기 때문입니다. 이렇게 원자로부터 벗어나서 움직이는 전자를 [자유전자]라고 불립니다. 금속 등 자유 전자가 많은 재료는 항상 전자를 움직이기 때문에 대전되어도 다른 물체와 접촉하면 전기가 전달되기 쉽습니다. 이 물체들은 도체라고 합니다. 반면 고무나 유리 등의 재료는 자유전자가 매우 적기 때문에 한번 충전하면 비교적 전하가 오래 남습니다. 이 물체들은 비전도체라고 불립니다. 일부 재료는 상태에 따라 도체와 비도체의 특성을 모두 가질 수 있습니다. 이 물질들은 반도체라고 불립니다. 반도체는 우리 생활에 쓰이는 전자제품에 널리 사용되고 있습니다.
전기에는 두 가지 다른 종류의 전하가 있습니다. 같은 것을 밀어내고 다른 것에서 떼어냅니다. 18세기 미국의 과학자이자 정치가인 벤자민 플랭클린은 이 두 가지 전하를 하나는 플러스, 하나는 마이너스라고 이름을 붙혔습니다.
이 반발력과 인력의 크기는 물체가 가진 전하의 양과 두 물체 사이의 거리와 관련이 있습니다. 이 두 대전 물체 사이에 작용하는 힘은 쿨롱 법칙으로 계산할 수 있습니다. 쿨롱의 법칙에 따르면 어떤 하전 물체가 공간 내에 있을 때 그 근처를 지나는 또 다른 하전 물체는 거리가 가까워질수록 강한 힘을 받습니다. 반대로 거리가 일정 거리보다 클 경우 두 전하 사이의 힘은 무시하고 작아집니다. 이와 같이 하나의 전하에서 발생하는 전기력이 영향을 미치는 범위를 전계라고 합니다. 전계의 세기는 어떤 위치에 있는 물체에 단위 전하 당 힘이 얼마나 가해지는지에 따라 계산됩니다. 국제단위계에서는 뉴턴마다 쿨롱입니다.
3. 자기장
- 고대 중국에서는 자석에 철이 부착되어 자석이 남북을 가리키고 있었다는 것을 알고 있었습니다. 고대 중국인들은 이러한 특성을 이용하여 나침반을 만들었습니다. 나침반은 세계의 많은 지역으로 퍼져 항해에 필수적인 장비가 되었습니다.
전하와 같은 자석은 같은 극간에 밀어넣고 다른 극간으로 당겨집니다. 종래 자석에서 북극을 가리키는 쪽을 N극, 다른 쪽을 S극이라고 부릅니다. 물질이 자성체가 되는 것은 원자에 독자적인 전류 고리가 있기 때문입니다. 원자핵 회전과 핵 주위를 도는 전자의 회전과 회전은 원자 안에 전류환을 만들어 원자 자체의 N극과 S극 성질을 나타내는 자기 쌍극자를 형성합니다. 전기의 기본 단위인 전하와 달리 음전하나 양전하 구멍으로 존재할 수 있기 때문에 자기 쌍극자는 자기 쌍극자를 발생시키므로 기본 단위에서 N극과 S극이 동시에 존재합니다.
철 등의 물질이 자석에 부착되는 현상을 자기라고 하며 자석에 부착하는 물질을 자성물질이라고 합니다. 철 외에도 널리 알려진 자성 재료에는 니켈이 포함되어 있습니다. 자기에 반응하지 않는 물질을 비자성 물질이라고 하며 자석에 매우 약한 반응을 하는 알루미늄, 크롬 등의 다른 물질은 상자성 물질이고 구리, 금, 은 등 자석이 가까이 있으면 약한 반응을 하는 물질은 반자성 물질이다.
원자 수준에서 자기 쌍극자가 난잡하게 배열돼 있기 때문에 대부분의 물질은 자극이 충돌해 자성이 없지만 원자 배열이 한 방향으로 정렬되기 쉬워 철이나 니켈 등의 물질은 자성이 용이하다. 자기를 잃지 않고 계속 유지하는 자석을 영구자석이라고 합니다. 철봉을 자석의 한쪽 극에 내리치면 철 원자의 자기 쌍극자가 한쪽으로 정렬하여 영구 자석이 됩니다. 한편 영구자석이 된 철이라도 약 770℃가 되면 열에 의해 원자가 난잡하게 움직이기 때문에 자기가 상실됩니다.
전계처럼 자신이 일하는 공간을 자기장이라고 합니다. 이상과 같이 전하와 달리 자기 유닛 자극인 Zaha는 단독으로 존재하지 않고 항상 쌍극자로 존재하기 때문에 N극에서 S극으로의 하나의 자기 흐름을 고려할 수 있습니다. 단일 폐곡선에 연결된 자력선을 자력선이라고 하며 자기장은 일정 공간에 얼마나 많은 자력선이 모여 있는지, 자력선이 얼마나 강한지 고려해야 합니다. 어떤 공간에 얼마나 많은 자력선이 모여 있는지를 자속 밀도라고 부르는데, 이는 관습적인 것입니다