전자기학에 대하여 알아보자

전자기학은 전기와 자기 현상을 탐구하는 학문이다. 전기와 자기는 전자기장을 이룬다. 전기 역시 기원전 700년 무렵 고대 그리스 시대에 알려져 있다. 자기 현상은 더 이전인 기원전 2000년 무렵 중국 문헌에 등장한다. 전기와 자기가 전자기력이라는 동일한 기본 상호작용에 의한 현상이라는 점은 19세기에 와서 밝혀진다.

 

전기와 자기가 이루어진 전자기장 파동 모습

전기장

옷감에 플라스틱 물체를 여러 번 문지른 후 머리카락이나 털옷감에 갖다 대면 머리카락이나 털이 빗에 달라붙는 것을 볼 수 있다. 물체가 전기를 띄게 되는 것을 대전 되었다고 한다. 고대 그리스 시대의 철학자 탈레스는 호박을 마찰하면 호박에 작은 물체가 달라붙는 것을 관찰하였다. 이를 통해 전기를 뜻하는 영어 electricity는 호박을 뜻하는 그리스어 ἤλεκτρον에서 온 것으로 추정된다.

위와 같이 두 물체를 마찰하여 대전된 전기를 정전기라고 한다, 정전기가 대전 되는 이유는 물체를 이루는 원자가 지니는 전자 가운데 일부가 적은 에너지로도 쉽게 원자에서 벗어날 수 있기 때문이다. 원자로부터 벗어나 움직이는 전자를 자유 전자라고 한다. 자유 전자를 많이 지닌 물질은 전자들이 쉽게 이동한다. 따라서 금속과 같은 물질은 쉽게 대전 되어 다른 물체와 닿게 되면 전기가 쉽게 전달되어 버린다. 이를 도체라고 한다. 
반면에 고무나 유리와 같은 물질은 자유전자가 매우 적다. 한 번 대전 되면 전하를 비교적 오랫동안 유지하게 된다. 이를 부도체라고 한다. 
물질 가운데에는 상태에 따라 도체와 부도체의 성질을 모두 가지는 것도 있다. 이런 물질들은 반도체라고 부른다. 반도체는 여러 전자 제품에 널리 사용되고 있다.

전기에는 서로 다른 두 종류의 전하가 있다. 전하의 종류가 같은 것은 밀쳐내고 다른 것과는 끌어당긴다. 18세기 미국의 과학자이자 정치가였던 벤저민 프랭클린은 두 전하를 한 쪽은 양전하, 다른 쪽은 음전하라고 이름 붙였다. 척력(같은 종류의 전하를 밀어내는)과 인력(다른 종류의 전하를 끌어당기는)의 크기는 물체가 갖고 있는 전하의 양과 두 물체 사이의 거리에 관계된다. 정전기로 대전된 두 물체 사이에 작용하는 힘은 쿨롱의 법칙으로 계산된다.

쿨롱의 법칙

어떤 공간에 대전된 한 개의 물체가 있다. 대전된 물체 근처로 지나가는 다른 대전된 물체는 쿨롱의 법칙에 따라 서로의 거리가 가까워 질 수록 더 강한 힘을 받는다. 반대로 일정 거리 이상 멀어지면 두 전하 사이의 힘은 무시될 수 있을 정도로 작아진다. 하나의 전하에서 만들어지는 전기력이 영향을 미치는 범위를 전기장이라고 한다. 전기장의 세기는 어떤 위치에 있는 물체가 단위 전하당 얼마만큼의 힘을 받는지로 계산한다. 국제단위계로 나타내면 쿨롱당 뉴턴, 즉 N/C 로 나타낸다. [6]

양전하와 음전하로 대전된 물체가 만들어 내는 전기장의 모습

전지의 발명

전류는 양전하에서 음전하로 흐르는 전기의 흐름이다. 이는 물체에 고여있는 정전기와 다르다. 1800년 이탈리아의 과학자 알레산드로 볼타는 황산 수용액에 구리 막대와 아연 막대를 담은 후, 두 막대를 금속선으로 이어 전지를 발명하였다. 볼타 전지는 최초로 전류를 지속해서 공급하는 장치이다.

북극, 남극 전자기장

나침반의 발명

고대 중국에서 자석에 철이 달라붙는다는 사실을 알았다. 이를 이용해 자석이 남북을 가리킨다는 사실을 알았다. 고대 중국인들은 이러한 성질을 이용하여 나침반을 만들어 사용했다. 나침반은 세계 여러 곳에 전파되어 항해에 필수적인 장비가 되었다.

전하 : 전기의 기본단위, 자기쌍극자
전기의 기본 단위인 전하는 음전하 또는 양전하 홀로 존재할 수 있다. 자기는 자기쌍극자에 의해 발생하는 현상이기 때문에, 홀로 존재할 수 없고 N극과 S극이 동시에 존재한다. 물질이 자기를 띄게 되는 것은 원자가 자체적으로 전류 고리를 갖기 때문이다. 원자핵의 자전과 원자핵 주변을 돌고 있는 전자의 공전과 자전으로 인해 원자에 전류 고리가 생긴다. 이에 따라 원자 자체에 N극과 S극의 성질을 나타내는 자기쌍극자가 형성된다. 자석은 전하와 같이 같은 극끼리는 밀치는 힘(척력), 다른 극끼리는 잡아당기는 힘(인력)이 작용한다. 자석에서 북극을 가리키는 쪽을 N극, 반대편을 S극이라고 한다.

자성체

자석에 철과 같은 물질이 달라붙는 현상을 자기라고 한다. 자석에 달라붙는 물질을 자성체라고 한다. 널리 알려진 자성체로는 철 이외에 니켈 등이 있다. 자기에 반응하지 않는 물질은 비자성체라고 한다. 자석에 아주 약하게 반응하는 알루미늄, 크롬과 같은 물질은 상자성체라고 한다. 구리, 금, 은과 같이 자석이 가까이 가면 약하게 반발하는 물질은 반자성체라고 한다.

철이나 니켈 같은 물질들은 원자의 배열이 자기가 한 쪽 방향으로 정렬되기 쉽도록 되어 있어 쉽게 자성을 띄게 되고 한 번 자석이 되면 계속하여 자성을 유지하게 된다. 자성을 잃지 않고 계속 지니는 자석을 영구 자석이라고 한다. 철 막대를 자석의 한 극으로 내려 치면 철 원자의 자기쌍극자가 한 쪽으로 정렬되어 영구 자석이 된다. 한편, 영구 자석이 된 철이라고 하더라도 약 770℃ 가 되면 자성을 잃는다. 열에 의해 원자가 무질서하게 배열되기 때문이다. 대부분의 물질은 원자 단위의 자기쌍극자가 무질서하게 놓여 있다. 이로 인해 서로간의 자기가 상충하여 자성을 띄지 않는다. 

자기장

전기장과 마찬가지로 자기가 미치는 공간을 자기장이라고 한다. 위에 설명한 바와 같이 자기의 단위 자극인 자하는 전하와 달리 홀로 존재하지 않고 언제나 쌍극자로 존재한다. N극에서 나와 S극까지 이어지는 하나의 자기 흐름을 생각할 수 있다. 하나의 폐곡선으로 연결되는 자기 흐름을 자기력선이라고 하는데, 자기장은 일정 공간에 자기력선이 얼마나 많이 모여있는지와 그렇게 모인 자기력선이 얼마나 센 지를 고려하여야 한다. 자기력선이 일정 공간에 얼마나 많이 모여 있는지는 자기 선속 밀도라고 한다. 벡터B로 나타낸다. 특정 위치에서 자기장의 세기는 벡터H 로 나타낸다. 이는 그곳에 놓인 자하가 받는 힘을 뜻한다. 단위로는 국제단위계에서는 자기장의 단위로 테슬라(T)를 사용하지만 일반적으로 가우스(G)가 더 많이 쓰인다.

자기 선속 밀도와 자기장의 세기가 다른 까닭은 자기장이 통과하는 매질마다 자기장을 전달하는 비율이 다르기 때문이다. 어떤 물질이 자화되어 자기장을 전달하는 비율이 투자율이다. 그리스 문자 μ로 나타낸다. 투자율은 물질마다 고유의 값이 있다. 투자율이 수백에 근접하는 강자성 물체를 제외하면 대부분의 물질은 1에 가까운 투자율을 가진다. 진공 또는 자유공간의 투자율(μ)은 0로 나타낸다. 그 값은 4π × 10^−7A/m이다. 자기장의 자기 선속 밀도 
는 자기장의 세기에 투자율 μ를 곱한 것과 같은 값을 갖는다. 이는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.