전자기학은 전기와 자기의 현상을 연구하는 학문이며, 전기와 자기는 전자기장을 형성한다. 전기는 기원전 700년경 고대 그리스 세계에 등장하며, 자기는 기원전 2,000년 경 중국 문헌에 나온다. 하지만 동일한 상호작용에 의한 전자기력의 현상은 19세기에 이르러서야 알려졌다.
1.자기장
고대 중국에서는 철이 자석에 달라붙는 것과 자석이 남북을 가리키는 것을 알고 있었다. 중국인들은 이런 성질을 사용하여 나침반을 만들었고, 항해할 때 꼭 필요한 장비가 된다.
자석은 다른 극끼리는 잡아당기며, 전하와 같이 같은 극은 서로 밀어내는 힘이 작용한다. 그리고 북극을 가리키는 N극과 남극을 가리키는 S극으로 구분할 수 있다.
한편 물질이 자기를 띄는 이유는 원자가 전류 고리를 갖고 있기 때문이다. 핵의 자전과 전자의 공전과 자전으로 인해 원자에 전류 고리가 발생하고 N극과 S극의 성질을 띠는 자기 쌍극자가 발생한다.
전하가 음전하나 양전하로 존재하는 것과 다르게 자기는 N극과 S극이 동시에 존재하게 된다.
자석에 철이 달라붙는 현상을 자기라 하며, 자석에 달라붙는 물질을 자성체라 한다. 자성체의 종류로는 철, 니켈 같은 것이 있으며, 자기가 없는 물질은 비 자성체라 한다. 자석에 매우 약하게 반응하는 물질은 상자성체로 크롬, 알루미늄이 있고, 약하게 반발하는 물질을 반자성체라 하는데 금, 은, 구리 같은 것이 있다.
자성체는 원자 배열이 자기가 한쪽으로 정렬되기 쉽게 되어 있어 자성을 쉽게 띠고 한번 자석이 되면 계속하여 자성을 유지하며, 자성을 잃지 않는 자석을 영구 자석이라고 부른다. 철 막대를 자석의 한 극으로 내려치게 되면 자기 쌍극자가 한쪽으로 정렬되어 영구 자석이 된다. 그러나 영구자석인 철도 약 770°C가 되면 열에 의해 원자가 무질서하게 운동하므로 자성을 잃게 되는 것이다.
자기를 띄는 공간을 자기장이라 하는데, 자기의 단위 자극은 쌍극자로 존재하여 N극에서 나와 S극까지 이어지는 자기 흐름을 생각할 수 있다. 하나의 폐곡선으로 연결되는 자기 흐름을 자기력선이라 하는데, 일정 공간에 자기력선이 얼마나 센 지와 모여있는지를 고려해야 한다. 일정 공간에 자기력선의 모여있는 정도를 자기 선속 밀도라 한다. 자기장의 세기는 자하가 받는 힘을 나타낸다. 자기장의 단위는 T(테슬라)를 사용하나, 일반적으로 G(가우스)를 많이 사용한다.
자기장의 세기와 자기 선속 밀도가 다른 이유는 자기장을 전달하는 비율이 다르기 때문인데 이를 투자율이라고 한다. 물질마다 투자율의 고윳값이 있고 수백에 근접하는 강자성 물체를 제외한 대부분의 물질은 1에 가까운 투자율을 가진다.
2. 전기장
양 털옷에 플라스틱 빗을 여러 번 문지르고 머리카락을 대면 달라붙는 것이 보인다. 이처럼 물체가 전기를 띄는 것을 대전 되었다고 하는데, 고대에 그리스 철학자 탈레스는 마찰한 호박에 작은 물체가 달라붙는 것을 관찰했다. 바로 이 호박에서 전기를 뜻하는 단어가 나온 것으로 추정한다.
두 물체를 마찰하여 대전 된 것을 정전기라 하는데, 이는 원자가 지니는 전자 가운데 일부가 적은 에너지로도 원자에서 쉽게 벗어나기 때문이다. 이러한 전자를 자유 전자라 한다. 금속과 같은 물체는 전자가 쉽게 이동하기에 대전 되었어도 다른 물체와 닿으면 전기가 쉽게 전달된다. 이를 도체라고 부른다.
반면 고무나 유리 같은 물체는 자유 전자가 적어 한 번 대전 되면 전하를 오랫동안 유지하게 되는데 이를 부도체라고 부른다.
물질 중에는 도체와 부도체의 성질 모두 가지는 것이 있는데, 여러 전자 제품에 널리 쓰이는 반도체라고 한다.
전기는 두 종류의 전하가 있어 다른 것은 끌어당기고 같은 것은 밀어낸다. 18세기 미국의 벤저민 프랭클린은 이것을 양전하와 음전하라고 이름을 붙였다.
인력과 척력의 크기는 두 물체의 거리와 전하의 양에 관계되는데, 그사이에 작용하는 힘을 쿨롱의 법칙으로 계산한다.
대전 된 물체 근처로 지나가는 다른 대전 물체는 쿨롱 법칙에 따라 서로 가까워질수록 더 강한 힘을 받게 되고 멀어지면 두 전하 사이의 힘을 무시되도록 작아진다. 하나의 전하에서 만들어지는 전기력이 미치는 범위가 전기장이다. 전기장의 세기는 물체가 단위 전하당 얼마만큼 힘을 받는지를 계산하는데, N/C(쿨롱 당 뉴턴)으로 나타낸다.
정전기와는 달리 전류는 양전하에서 음전하로 흐르는 전기의 흐름이며 이탈리아 과학자인 볼타는 1800년에 구리 막대와 아연 막대를 황산 수용액에 담근 후 금속 선으로 이어서 전류를 지속해서 공급하는 전지를 발명하였다.
3. 전자기 유도
1820년 덴마크 과학자 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 흐르는 도선의 가까이에 나침반을 대면 바늘이 가리키는 방향이 변하는 것을 관찰하였으며 자기와 전류 사이에 관계가 있음을 밝혀낸다. 프랑스 과학자 앙드레 마리 앙페르는 자기장의 방향을 관찰하여 전류가 오른손의 엄지손가락 방향으로 흐를 경우 나머지 네 손가락의 방향으로 자기장이 형성됨을 밝히는데 이를 앙페르의 오른나사 법칙이라고 알려지게 되고, 앙페르의 회로 법칙이 수립된다.
영국의 과학자 윌리엄 스터전은 전자석을 만들었고 그것은 말굽 모양의 철심을 자기 코어로 이용한 것이다.
전류가 자기장을 만드는 사실이 알려져 역으로 자기장에서 전류를 만들 수 있을까에 대한 의문을 통해 1831년 마이클 패러데이는 자석을 도선 가까이에서 움직이면 전류가 생겨남을 밝힌다. 이를 연구하여 패러데이 전자기 유도 법칙이 수립된다. 이를 통해 니콜라 테슬라는 교류 발전기를 발명하게 된다.
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