전자기학이란?
전자기학(電磁氣學, Electromagnetism)은 전기와 자기 현상을 탐구하는 학문입니다. 전기와 자기는 전자기장을 이룹니다. 놀랍게도 자기 현상은 이미 기원전 2000년 무렵 중국 문헌에 등장하며, 전기 역시 기원전 700년 무렵 고대 그리스 세계에 알려져 있었습니다. 그러나, 전기와 자기가 전자기력이라는 동일한 기본 상호작용에 의한 현상이라는 점은 19세기에 와서야 밝혀졌습니다.
전자기학의 전기장
플라스틱 미끄럼틀을 타고 노는 아이가 정전기에 대전되어 머리카락이 곤두서거나, 양털로 만든 옷감에 플라스틱 빗을 여러 번 문지른 후 머리카락에 갖다 대면 머리카락이 빗에 달라 붙는 것을 볼 수 있습니다. 이와 같이 물체가 전기를 띄게 되는 것을 대전되었다고 합니다. 고대 그리스 시대의 철학자 탈레스는 호박(琥珀)을 마찰하면 호박에 작은 물체가 달라 붙는 것을 관찰하였습니다. 전기를 뜻하는 영어: electricity는 호박을 뜻하는 그리스어: ἤλεκτρον에서 온 것으로 추정된다고 합니다.
위에 든 예와 같이 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. 이렇게 원자로부터 벗어나 움직이는 전자를 자유 전자라고 합니다. 금속과 같이 자유 전자를 많이 지닌 물질은 언제나 전자들이 쉽게 이동하기 때문에 대전되었더라도 다른 물체와 닿게 되면 전기가 쉽게 전달되어 버리는 속성이 있습니다. 이런 물체를 도체라고 합니다. 반면에 고무나 유리와 같은 물질은 자유전자가 매우 적어서 한 번 대전되면 전하를 비교적 오랫동안 유지하게 됩니다. 이런 물체를 부도체라고 합니다. 물질 가운데에는 상태에 따라 도체와 부도체의 성질을 모두 가질 수 있는 것도 있습니다. 이런 물질들은 반도체라고 부릅니다. 반도체는 최근 여러 전자 제품에 널리 사용되고 있습니다.
전기에는 서로 다른 두 종류의 전하가 있어서 같은 것은 밀쳐내고 다른 것과는 끌어당깁니다. 18세기 미국의 과학자이자 정치가였던 벤저민 프랭클린은 두 전하를 한 쪽은 양 전하, 다른 쪽은 음 전하라고 이름 붙였습니다. 이런 척력과 인력의 크기는 물체가 갖고 있는 전하의 양과 두 물체 사이의 거리에 관계됩니다. 이렇게 정전기로 대전된 두 물체 사이에 작용하는 힘은 쿨롱의 법칙으로 계산될 수 있습니다.
어떤 공간에 대전된 한 개의 물체가 있다고 할 때, 이 물체 근처로 지나가는 다른 대전된 물체는 쿨롱의 법칙에 따라 서로의 거리가 가까워 질수록 더 강한 힘을 받게 됩니다. 반대로 일정 거리 이상 멀어지면 두 전하 사이의 힘은 무시될 수 있을 정도로 작아질 것입니다. 이렇게 하나의 전하에서 만들어지는 전기력이 영향을 미치는 범위를 전기장이라고 합니다. 전기장의 세기는 어떤 위치에 있는 물체가 단위 전하당 얼마만큼의 힘을 받는지로 계산합니다. 국제단위계로 나타내면 쿨롱당 뉴턴, 즉 N / C로 나타냅니다.
물체에 고여 있는 정전기와 달리 전류는 양전하에서 음전하로 흐르는 전기의 흐름입니다. 1800년 이탈리아의 과학자 알레산드로 볼타는 황산 수용액에 구리막대와 아연막대를 담은 후, 두 막대를 금속선으로 이어 전지를 발명하였습니다. 볼타 전지는 최초로 전류를 지속적으로 공급하는 장치였습니다.
전자기학의 자기장
고대 중국에서는 자석에 철이 달라붙는다는 사실과 자석이 남북을 가리킨다는 사실을 알고 있었습니다. 고대 중국인들은 이러한 성질을 이용하여 나침반을 만들어 사용하였습니다. 나침반은 세계 여러 곳에 전파되어 항해에 필수적인 장비가 되었습니다.
자석은 전하와 같이 같은 극끼리는 밀치고 다른 극끼리는 잡아당기는 힘이 작용합니다. 경험적으로 자석에서 북극을 가리키는 쪽을 N극, 반대편을 S극이라고 합니다. 물질이 자기를 띄게 되는 것은 원자가 스스로 전류 고리를 갖기 때문입니다. 원자핵의 자전과 원자핵 주변을 돌고 있는 전자의 공전과 자전 때문에 원자에 전류 고리가 생기고 이 때문에 원자 자체에 N극과 S극의 성질을 나타내는 자기쌍극자가 형성되는 것입니다. 전기의 기본 단위인 전하가 음전하 또는 양전하 홀로 존재할 수 있는 것과는 다르게 자기는 자기쌍극자에 의해 발생하는 현상이기 때문에, 기초 단위에서부터 N극과 S극이 동시에 존재한다는 점이 전기장과 차이점 입니다.
자석에 철과 같은 물질이 달라붙는 현상을 자기라고 하고, 자석에 달라붙는 물질을 자성체라고 합니다. 널리 알려진 자성체로는 철 이외에 니켈과 같은 것이 있습니다. 자기에 반응하지 않는 물질은 비자성체라고 하며, 이 외에 자석에 아주 약하게 반응하는 알루미늄, 크롬과 같은 물질은 상자성체, 구리, 금, 은과 같이 자석이 가까이 가면 약하게 반발하는 물질은 반자성체라고 합니다.
대부분의 물질은 원자단위의 자기쌍극자가 무질서하게 놓여져 있기 때문에 서로간의 자기가 상충되어 자성을 띄지 않지만, 철이나 니켈 같은 물질들은 원자의 배열이 자기가 한 쪽 방향으로 정렬되기 쉽도록 되어 있어서 쉽게 자성을 띄게 되고 한 번 자석이 되면 계속하여 자성을 유지하게 된다는 특성이 있습니다. 자성을 잃지 않고 계속 지니는 자석을 영구 자석이라고 합니다. 철 막대를 자석의 한 극으로 내려치면 철 원자의 자기쌍극자가 한 쪽으로 정렬되어 영구 자석이 됩니다. 영구 자석이 된 철이라고 하더라도 약 770℃ 가 되면 자성을 잃는데, 열에 의해 원자가 무질서하게 운동하기 때문입니다.
전기장과 마찬가지로 자기가 미치는 공간을 자기장이라고 합니다. 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. 이렇게 하나의 폐곡선으로 연결되는 자기 흐름을 자기력선이라고 하는데, 자기장은 일정 공간에 자기력선이 얼마나 많이 모여 있는지와 그렇게 모인 자기력선이 얼마나 센 지를 고려하여야 합니다. 자기력선이 일정 공간에 얼마나 많이 모여 있는지는 자기 선속 밀도라고 하며, 관례적으로 B로 나타냅니다. 한편, 특정 위치에서 자기장의 세기는 H로 나타내는데, 그곳에 놓인 자하가 받는 힘을 뜻합니다. 국제단위계에서는 자기장의 단위로 테슬라(T)를 사용하지만 일반적으로는 가우스(G)가 더 많이 쓰이고 있습니다.
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