전자기학
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1. 개요
전자기학은 전기와 자기 현상을 연구하는 물리학의 한 분야로, 고대부터 연구가 시작되어 19세기 제임스 클러크 맥스웰에 의해 이론이 통합되었다. 맥스웰은 전기와 자기의 상호작용을 설명하는 맥스웰 방정식을 제시했으며, 이는 전자기파의 존재를 예측하고 무선 통신 기술 발전에 기여했다. 전자기학은 전기 공학, 전자기 광학, 양자역학, 상대성 이론 등 다양한 분야와 연관되어 있으며, 현대에는 비선형 동역학 및 비선형 광학 분야에서 연구가 진행되고 있다.
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| 전자기학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 영어 | Electromagnetism |
| 한자 | 電磁気學 |
| 로마자 표기 | denjigihak |
| 설명 | 전하를 띤 입자 사이의 기본적인 상호작용 |
| 관련 분야 | 물리학 |
| 주요 개념 | |
| 주요 개념 | 물질 힘 에너지 운동 기본 상호작용 |
| 주요 분야 | |
| 주요 분야 | 역학 고전역학 양자역학 통계역학 열역학 동역학 유체동역학 정역학 전자기학 광학 천체물리학 상대성 이론 특수 상대성 이론 일반 상대성 이론 입자물리학 표준모형 이론물리학 양자장론 초끈이론 수리물리학 |
| 관련 힘 | 전자기력 |
| 관련 입자 | 광자 |
| 추가 정보 | |
| 참고 문헌 | 저자=Raymond A. Serway, John W. Jewett author=Nahin, P.J. 저자=Grant, I. S., & Phillips, W. R. 저자=Jones, D. S. 저자=Slater, J. C., & Frank, N. H. 저자=Lorrain, P., & Corson, D. R. |
2. 역사
전자기학의 역사는 고대부터 시작되어 19세기에 이르러 획기적인 발전을 이루었다.
고대에는 자철석의 끌어당기는 성질이나 호박을 문질렀을 때 발생하는 정전기 현상 등이 알려져 있었다. 그리스의 철학자 탈레스는 이러한 현상들을 관찰하고 기록했지만, 그 원리에 대한 과학적인 이해는 부족했다.[5]
19세기에는 한스 크리스티안 외르스테드가 전류가 흐르는 전선 주위에 자기장이 형성된다는 것을 발견했고[12], 앙드레마리 앙페르는 전류가 흐르는 도체 사이의 자기력을 수학적으로 표현했다. 마이클 패러데이는 전자기 유도 현상을 발견했고, 제임스 클러크 맥스웰은 이를 바탕으로 전자기 이론을 집대성하여 전자기파의 존재를 예측했다.[13] 이들의 발견은 빛의 본질을 이해하는 데 중요했으며, 전자기 방사의 다양한 형태를 설명하는 데 기여했다.
한편, 1802년 이탈리아의 법학자 지안 도메니코 로마뇨시는 볼타 전지를 이용하여 자기 바늘을 편향시키는 실험을 했지만, 당시 과학계에서는 크게 주목받지 못했다.[14] 1735년에는 쿠크슨(Cookson) 박사가 번개로 인해 칼과 포크가 자성을 띠게 된 현상을 보고하기도 했다.[15]
2. 1. 고대
전자기 현상에 대한 연구는 약 5,000년 전에 시작되었다. 고대 중국[1], 마야[2][3], 그리고 아마도 이집트 문명은 자연적으로 자성을 띠는 광물인 자철석이 끌어당기는 성질을 가지고 있다는 것을 알고 있었으며, 많은 문명에서 이를 예술과 건축에 활용했다는 증거가 있다.[4] 고대 사람들은 번개와 정전기도 알고 있었지만, 이러한 현상 뒤에 숨겨진 메커니즘에 대해서는 전혀 알지 못했다. 그리스 철학자 탈레스는 기원전 600년경에 호박을 천으로 문지르면 전하를 띠게 되어 짚과 같은 가벼운 물체를 끌어당길 수 있다는 것을 발견했다. 탈레스는 또한 자석이 서로를 끌어당기는 능력에 대해 실험을 했고, 이 현상이 호박의 끌어당기는 힘과 관련이 있을 것이라고 가정했는데, 이는 2,000년 이상이 지난 후에야 발견될 전기와 자기 사이의 깊은 연관성을 예고하는 것이었다. 이러한 모든 연구에도 불구하고, 고대 문명은 전자기의 수학적 기초에 대한 이해가 없었고, 종종 과학보다는 종교적 관점(예를 들어 번개는 많은 문화에서 신들의 창조물로 여겨졌다)을 통해 그 영향을 분석했다.[5]2. 2. 19세기
전기와 자기는 원래 별개의 힘으로 여겨졌다. 1873년 제임스 클러크 맥스웰이 출판한 《전기와 자기에 관한 논문》(A Treatise on Electricity and Magnetism)[6]에서 양전하와 음전하의 상호 작용이 하나의 힘으로 매개됨을 보이며 이러한 견해가 바뀌었다. 이 상호 작용으로 인한 주요 효과는 네 가지이며, 모두 실험으로 명확히 입증되었다.# 전하는 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로 서로 끌어당기거나 밀어낸다: 서로 다른 전하는 끌어당기고, 같은 전하는 밀어낸다.[7]
# 자극(또는 개별 지점의 편극 상태)은 양전하와 음전하와 유사한 방식으로 서로 끌어당기거나 밀어내며 항상 쌍으로 존재한다. 모든 북극은 남극에 연결되어 있다.[8]
# 전선 내부의 전류는 전선 외부에 해당하는 원형 자기장을 생성한다. 자기장의 방향(시계 방향 또는 반시계 방향)은 전선 내부의 전류 방향에 따라 달라진다.[9]
# 자기장을 향하거나 자기장에서 멀어지도록 전선 고리가 움직이거나 자석이 전선 고리에 가까워지거나 멀어질 때 고리에 전류가 유도된다. 전류의 방향은 움직임의 방향에 따라 달라진다.[9]
1820년 4월, 한스 크리스티안 외르스테드는 전선의 전류가 근처의 나침반 바늘을 움직이게 한다는 것을 관찰했다. 외르스테드는 발견 당시 이 현상에 대한 만족스러운 설명을 제시하지 않았고, 수학적 틀로 나타내려고 하지도 않았다. 그러나 석 달 후, 더욱 집중적인 조사를 시작했고[10][11], 곧 연구 결과를 발표하여 전류가 전선을 통해 흐를 때 자기장을 생성한다는 것을 증명했다. CGS 단위의 자기 유도(oersted)는 전자기학 분야에 대한 그의 공헌을 기리기 위해 그의 이름을 따서 명명되었다.[12]
외르스테드의 발견은 전자기역학 분야 전반에 걸쳐 집중적인 연구를 촉발했다. 그의 발견은 프랑스 물리학자 앙드레마리 앙페르가 전류를 운반하는 도체 사이의 자기력을 나타내는 단일 수학적 형태를 개발하는 데 영향을 미쳤다. 외르스테드의 발견은 통합된 에너지 개념으로 향하는 중요한 단계이기도 했다.
마이클 패러데이가 관찰하고 제임스 클러크 맥스웰이 확장했으며 올리버 헤비사이드와 하인리히 헤르츠가 부분적으로 재정립한 이 통합은 19세기 수리물리학의 주요 업적으로 꼽힌다.[13] 이는 빛의 본질에 대한 이해를 포함하여 광범위한 결과를 가져왔다. 당시 전자기 이론에서 제안된 것과 달리, 빛과 다른 전자기파는 현재 양자화된, 자기 전파되는 진동 전자기장의 교란인 광자의 형태로 인식되고 있다. 서로 다른 진동수는 전파의 가장 낮은 주파수부터 가시광선의 중간 주파수, 감마선의 가장 높은 주파수까지 다양한 형태의 전자기 방사를 생성한다.
외르스테드가 전기와 자기의 관계를 조사한 유일한 사람은 아니었다. 1802년, 이탈리아 법학자인 지안 도메니코 로마뇨시는 볼타 전지를 이용하여 자기 바늘을 편향시켰다. 실험의 실제 설정은 완전히 명확하지 않으며, 전류가 바늘을 가로질러 흘렀는지 여부도 불분명하다. 이 발견에 대한 설명은 1802년 이탈리아 신문에 발표되었지만, 로마뇨시가 당시 과학계에 속하지 않았던 것으로 보이기 때문에 당시 과학계에서는 크게 무시되었다.[14]
1735년에 보고되었고 종종 간과되는 전기와 자기 사이의 연관성은 쿠크슨(Cookson) 박사가 보고했다.[15] 이 설명은 다음과 같다.
> 요크셔주 웨이크필드의 한 상인이 많은 칼과 포크를 큰 상자에 넣고… 그 상자를 큰 방의 구석에 두었는데, 갑자기 천둥, 번개 등이 치는 폭풍이 쳤다… 상자의 주인이 어떤 못이 놓여 있는 카운터에 상자를 비우자, 못 위에 놓여 있던 칼을 집어든 사람들은 칼이 못을 집어든다는 것을 관찰했다. 그래서 모든 칼을 시험해 본 결과 모두 같은 현상을 보였고, 큰 못, 바늘 등 상당한 무게의 다른 철 물건까지 집어들 수 있을 정도였다…
E. T. 휘태커는 1910년에 이 사건이 번개가 "강철을 자화시키는 힘을 지녔다고 여겨지게 된 원인이며, 이는 틀림없이 1751년 프랭클린이 라이덴병의 방전을 이용하여 바늘을 자화하려고 시도한 이유일 것이다"라고 제안했다.[16]
3. 전기장
양털로 만든 옷감에 플라스틱 빗을 여러 번 문지른 후 머리카락에 갖다 대면 머리카락이 빗에 달라붙는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 물체가 전기를 띄게 되는 것을 대전되었다고 한다. 고대 그리스 시대의 철학자 탈레스는 호박(琥珀)을 마찰하면 호박에 작은 물체가 달라붙는 것을 관찰하였다.[63] 전기를 뜻하는 electricity영어는 호박을 뜻하는 ἤλεκτρονel에서 온 것으로 추정된다.[64]
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 때문이다. 이렇게 원자로부터 벗어나 움직이는 전자를 자유 전자라고 한다.[65] 금속과 같이 자유 전자를 많이 지닌 물질은 언제나 전자들이 쉽게 이동하기 때문에 대전되었더라도 다른 물체와 닿게 되면 전기가 쉽게 전달되어 버린다. 이런 물체를 도체라고 한다. 반면에 고무나 유리와 같은 물질은 자유전자가 매우 적어서 한 번 대전되면 전하를 비교적 오랫동안 유지하게 된다. 이런 물체를 부도체라고 한다. 상태에 따라 도체와 부도체의 성질을 모두 가질 수 있는 물질은 반도체라고 부르며, 최근 여러 전자 제품에 널리 사용되고 있다.[66]
전기에는 서로 다른 두 종류의 전하가 있어서 같은 것끼리는 밀쳐내고 다른 것끼리는 끌어당긴다. 18세기 미국의 과학자이자 정치가였던 벤저민 프랭클린은 두 전하를 한 쪽은 양(+) 전하, 다른 쪽은 음(-) 전하라고 이름 붙였다.[62] 이러한 척력과 인력은 쿨롱의 법칙으로 계산될 수 있다.[67]
3. 1. 전하와 쿨롱의 법칙
1600년, 윌리엄 길버트는 그의 저서 ''De Magnete''에서 전기와 자기는 물체의 인력과 척력을 모두 일으킬 수 있지만 서로 다른 현상이라고 주장했습니다.[21] 1752년 5월 10일에는 벤저민 프랭클린이 제안한 실험이 프랑스의 토마-프랑수아 달리바르에 의해 수행되어 구름에서 전기 스파크를 추출하면서 번개와 전기의 연관성이 확인되었습니다.[22][23]전자기학은 전자기 현상을 전하와 전자기장의 상호작용으로 설명하는 이론 체계입니다. 전하는 물질에 고유한 물리량이며, 물질과 전자기장의 결합 강도를 나타내는 양입니다. 전자기장은 시공간의 각 점이 가지고 있는 물리량이며, 물질 간의 전기적 작용과 자기적 작용을 매개합니다.
전자기장은 전하를 띤 물체에 힘을 작용하는데, 이 힘을 로렌츠 힘이라고 합니다. 대전 입자의 존재는 전자기장에 영향을 미칩니다. 전자기장의 거동 및 전하·전류가 전자기장에 미치는 영향은 맥스웰 방정식으로 기술됩니다. 로렌츠 힘과 맥스웰 방정식은 전자기학에서 가장 기본적인 법칙입니다.
3. 2. 전기장의 세기
어떤 공간에 대전된 한 개의 물체가 있다고 할 때, 이 물체 근처로 지나가는 다른 대전된 물체는 쿨롱의 법칙에 따라 서로의 거리가 가까워질수록 더 강한 힘을 받게 된다. 반대로 일정 거리 이상 멀어지면 두 전하 사이의 힘은 무시될 수 있을 정도로 작아질 것이다. 이렇게 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/C로 나타낸다.[68]3. 3. 전류
전류는 양전하에서 음전하로 흐르는 전기의 흐름이다. 1800년 이탈리아의 과학자 알레산드로 볼타는 황산 수용액에 구리막대와 아연막대를 담은 후, 두 막대를 금속선으로 이어 볼타 전지를 발명하였다. 볼타 전지는 최초로 전류를 지속적으로 공급하는 장치였다.[69]4. 자기장
1600년, 윌리엄 길버트는 저서 ''De Magnete''에서 전기와 자기는 물체의 인력과 척력을 모두 일으킬 수 있지만 서로 다른 현상이라고 주장했다.[21] 선원들은 낙뢰가 나침반 바늘을 움직일 수 있다는 것을 알고 있었다. 1752년 5월 10일 벤저민 프랭클린이 제안한 실험을 프랑스의 토마-프랑수아 달리바르가 약 12.19m 높이의 철제 막대기를 사용하여 수행하여 구름에서 전기 스파크를 추출하면서 낙뢰와 전기의 연관성이 확인되었다.[22][23]
인공 전류와 자기의 연관성을 처음 발견하고 발표한 사람 중 하나는 지안 로마뇨지였다. 그는 1802년에 전선을 볼타 전지에 연결하면 근처의 나침반 바늘이 움직이는 것을 발견했다. 그러나 이 효과는 1820년 외르스테드가 유사한 실험을 수행할 때까지 널리 알려지지 않았다.[24] 외르스테드의 연구는 앙페르에게 영향을 주어 전류 요소 간의 상호 작용에 대한 힘 법칙을 발견하게 하였고, 결국 전자기역학이라는 새로운 물리학 분야가 탄생했다.[25]
고전 전자기학으로 알려진 전자기 이론은 1820년부터 1873년까지 여러 물리학자들에 의해 개발되었는데, 제임스 클러크 맥스웰의 논고가 출판되어 이전의 발전들을 단일 이론으로 통합하고 빛이 ''광 에테르''를 통해 전파되는 전자기파임을 제안하면서 정점을 이루었다.[26] 고전 전자기학에서 전자기장의 거동은 맥스웰 방정식으로 알려진 방정식 집합으로 설명되며, 전자기력은 로렌츠 힘 법칙으로 주어진다.[27]
고전 전자기학은 고전 역학과는 조화시키기 어렵지만, 특수 상대성 이론과는 호환된다. 맥스웰 방정식에 따르면 진공에서의 빛의 속도는 보편적인 상수이며 전기 유전율과 자기 투자율에만 의존하는데, 이는 고전 역학의 기본 원칙인 갈릴레이 불변성을 위반한다. 두 이론을 조화시키는 한 가지 방법은 빛이 전파되는 광 에테르의 존재를 가정하는 것이었지만, 실험 결과 에테르의 존재를 감지하는 데 실패했다. 헨드릭 로렌츠와 앙리 푸앵카레의 공헌 이후, 1905년 알베르트 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 도입하여 고전 전자기학과 호환되는 새로운 운동역학 이론으로 고전 운동역학을 대체함으로써 이 문제를 해결했다.
상대성 이론은 움직이는 기준 좌표계에서 자기장이 0이 아닌 전기 성분을 가진 장으로 변환되고, 반대로 움직이는 전기장이 0이 아닌 자기 성분으로 변환된다는 것을 의미한다. 이는 전기 현상과 자기 현상이 동전의 양면과 같음을 보여준다.
오늘날 전자기학에서 해결되지 않은 문제는 자기 홀극의 부족, 아브라함-민코프스키 논쟁, 전자기장 에너지의 공간적 위치,[28] 그리고 일부 유기체가 전기 및 자기장을 감지할 수 있는 메커니즘 등이 있다.
4. 1. 자기와 자성체
고대 중국에서는 자석에 철이 달라붙는다는 사실과 자석이 남북을 가리킨다는 사실을 알고 있었다. 고대 중국인들은 이러한 성질을 이용하여 나침반을 만들어 사용하였다. 나침반은 세계 여러 곳에 전파되어 항해에 필수적인 장비가 되었다.[67]
자석은 전하와 같이 같은 극끼리는 밀치고 다른 극끼리는 잡아당기는 힘이 작용한다. 관례적으로 자석에서 북극을 가리키는 쪽을 N극, 반대편을 S극이라고 한다. 물질이 자기를 띄게 되는 것은 원자가 스스로 전류 고리를 갖기 때문이다. 원자핵의 자전과 원자핵 주변을 돌고 있는 전자의 공전과 자전 때문에 원자에 전류 고리가 생기고, 이 때문에 원자 자체에 N극과 S극의 성질을 나타내는 자기쌍극자가 형성된다.[70] 전기의 기본 단위인 전하는 음전하 또는 양전하 홀로 존재할 수 있지만, 자기는 자기쌍극자에 의해 발생하는 현상이므로 N극과 S극이 동시에 존재한다.[62]
자석에 철과 같은 물질이 달라붙는 현상을 자기라고 하고, 자석에 달라붙는 물질을 자성체라고 한다. 널리 알려진 자성체로는 철 외에 니켈 등이 있다. 자기에 반응하지 않는 물질은 비자성체라고 하며, 이 외에 자석에 아주 약하게 반응하는 알루미늄, 크롬 등은 상자성체, 구리, 금, 은과 같이 자석이 가까이 가면 약하게 반발하는 물질은 반자성체라고 한다.[67]
대부분의 물질은 원자 단위의 자기쌍극자가 무질서하게 놓여 있어 자성을 띄지 않지만, 철이나 니켈 같은 물질들은 원자의 배열이 자기가 한쪽 방향으로 정렬되기 쉬워 자성을 쉽게 띄게 되고, 한번 자석이 되면 자성을 계속 유지한다. 자성을 잃지 않고 계속 지니는 자석을 영구 자석이라고 한다.[71] 철 막대를 자석의 한 극으로 내려치면 철 원자의 자기쌍극자가 한쪽으로 정렬되어 영구 자석이 된다. 영구 자석이 된 철이라도 약 770℃가 되면 자성을 잃는데, 이는 열에 의해 원자가 무질서하게 운동하기 때문이다.[72]
전기장과 마찬가지로 자기가 미치는 공간을 자기장이라고 한다. 자기의 단위 자극인 자하는 전하와 달리 홀로 존재하지 않고 언제나 쌍극자로 존재하므로 N극에서 나와 S극까지 이어지는 자기 흐름을 생각할 수 있다. 이 자기 흐름을 자기력선이라고 하는데, 자기장은 일정 공간에 자기력선이 얼마나 많이 모여있는지와 그 세기를 고려해야 한다. 자기력선이 일정 공간에 얼마나 많이 모여 있는지는 자기 선속 밀도(磁氣線束密度)라고 하며, 관례적으로 로 나타낸다. 특정 위치에서 자기장의 세기는 로 나타내는데, 그곳에 놓인 자하가 받는 힘을 뜻한다.[73][74] 국제단위계에서 자기장의 단위로 테슬라(T)를 사용하지만, 일반적으로는 가우스(G)가 더 많이 쓰인다.[62]
자기 선속 밀도와 자기장의 세기가 다른 이유는 자기장이 통과하는 매질마다 자기장을 전달하는 비율, 즉 투자율(透磁率)이 다르기 때문이다. 투자율은 그리스 문자 μ로 나타내며, 물질마다 고유한 값을 가진다. 투자율이 수백에 근접하는 강자성체를 제외하면 대부분 물질의 투자율은 1에 가깝다.[75] 진공 또는 자유공간의 투자율은 μ 0로 나타내며, 그 값은 이다. 자기장의 자기 선속 밀도 는 자기장의 세기에 투자율 μ를 곱한 값이다.[75]
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4. 2. 자기장의 세기와 자기 선속 밀도
전기장과 마찬가지로 자기가 미치는 공간을 자기장이라고 한다. 자기의 단위 자극인 자하는 전하와 달리 홀로 존재하지 않고 언제나 쌍극자로 존재하므로 N극에서 나와 S극까지 이어지는 하나의 자기 흐름을 생각할 수 있다. 이렇게 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 밀도(磁氣線束密度)라고 하며, 관례적으로 로 나타낸다. 한편, 특정 위치에서 자기장의 세기는 로 나타내는데, 그곳에 놓인 자하가 받는 힘을 뜻한다.[73][74] 국제단위계에서는 자기장의 단위로 테슬라(T)를 사용하지만 일반적으로는 가우스(G)가 더 많이 쓰인다.[62]
자기 선속 밀도와 자기장의 세기가 다른 까닭은 자기장이 통과하는 매질마다 자기장을 전달하는 비율이 다르기 때문이다. 어떤 물질이 자화되어 자기장을 전달하는 비율을 투자율(透磁率)이라고 하고 그리스 문자 μ로 나타낸다. 투자율은 물질마다 고유의 값이 있는데 투자율이 수백에 근접하는 강자성 물체를 제외하면 대부분의 물질은 1에 가까운 투자율을 가지고 있다.[75][76] 진공 또는 자유공간의 투자율은 특히 μ 0로 나타내며, 그 값은 이다. 자기장의 자기 선속 밀도 는 자기장의 세기에 투자율 μ를 곱한 것과 같다.[75]
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4. 3. 투자율
어떤 물질이 자화되어 자기장을 전달하는 비율을 투자율이라고 하고 그리스 문자 μ로 나타낸다. 투자율은 물질마다 고유한 값이 있는데, 투자율이 수백에 근접하는 강자성 물체를 제외하면 대부분의 물질은 1에 가까운 투자율을 가지고 있다.[75][76] 진공 또는 자유 공간에서의 투자율은 특히 μ0로 나타내며, 그 값은 이다. 자기장의 자기 선속 밀도 는 자기장의 세기 에 투자율 μ를 곱한 값과 같다. 즉, 다음과 같이 나타낼 수 있다.[75]:
5. 전자기 유도
전기와 자기는 19세기 이전에는 서로 다른 별개의 현상으로 여겨졌다. 1820년 한스 크리스티안 외르스테드가 전류와 자기 사이의 연관성을 발견하고,[77] 앙드레마리 앙페르가 전류와 자기장의 관계를 밝혀 앙페르의 회로 법칙을 수립하였다.[78] 1824년 윌리엄 스터전은 전자석을 만들었다.[79][80]
이후 1831년 마이클 패러데이가 자기장의 변화가 전류를 유도한다는 패러데이 전자기 유도 법칙을 발견하면서,[81] 전자기 유도 현상이 알려지게 되었다. 니콜라 테슬라는 이 현상을 이용하여 교류 발전기를 발명하는 등 여러 기술이 개발되었다.[82]
5. 1. 패러데이 전자기 유도 법칙
전기와 자기는 아주 오래전부터 알려진 현상이었지만, 이 둘이 사실은 같은 상호 작용이란 것은 19세기에 와서야 밝혀졌다. 1820년 덴마크의 과학자 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 흐르는 도선 가까이 나침반을 두면 나침반의 바늘이 가리키는 방향이 변하는 것을 관찰하고 전류와 자기 사이에 연관이 있음을 밝혀냈다.[77] 프랑스의 과학자 앙드레마리 앙페르는 외르스테드의 논문을 읽고 자신도 같은 실험을 하여 전류가 흐르는 도선에 생기는 자기장의 방향을 관찰하였다. 앙페르는 전류가 오른손의 엄지손가락 방향으로 흐를 때 자기장은 나머지 네 손가락을 말아쥔 방향으로 형성된다는 것을 밝혔는데, 오른손 엄지를 위로 치켜 든다면 나머지 말아 쥔 네 손가락은 반시계방향을 나타내게 된다. 이러한 발견은 앙페르의 오른나사 법칙이라는 이름으로 널리 알려지게 되었고, 훗날 수리 모형이 만들어져 앙페르의 회로 법칙이 수립되었다.[78] 1824년 영국의 과학자 윌리엄 스터전은 전류에서 발생하는 자기장을 이용하여 전자석을 만들었다. 스터전이 처음 만든 전자석은 말굽 모양의 철심을 자기 코어로 이용한 것이었다. 스터전은 자기 코어에 굵은 구리 전선을 18번 감아 전자석을 만들었다. 당시에는 오늘날과 같은 절연체가 없었기 때문에 스터전은 구리 도선에 바니시를 발라 절연체로 사용하였다.[79][80]
전류가 자기장을 만든다는 사실이 알려지자, 자기장에서도 전류를 만들 수 있지 않을까 하는 의문을 갖는 것은 어찌 보면 당연한 것이었다. 1831년 마이클 패러데이는 자석을 도선 가까이에서 움직이면 전류가 생긴다는 것을 밝혀내었다. 패러데이는 영구 자석이든, 전자석이든 자기장을 형성하는 것이기만 하면 도선 가까이에서 움직이면(즉, 자기장의 변화가 일어나면) 전류가 생긴다는 것을 알아내고 이를 정리하여 패러데이 전자기 유도 법칙을 발표하였다.[81] 자기에서 전기가 유도될 수 있다는 것이 알려지자, 이것을 이용한 많은 기술들이 발명되었다. 니콜라 테슬라는 전자기 유도를 이용하여 교류 발전기를 발명하였다.[82]
5. 2. 렌츠의 법칙
주어진 원본 소스에는 '렌츠의 법칙'에 대한 내용이 없으므로, 해당 섹션을 작성할 수 없다.5. 3. 발전기와 변압기
1831년 마이클 패러데이는 자석을 도선 가까이에서 움직이면 전류가 생긴다는 것을 밝혀내었다. 패러데이는 영구 자석이든, 전자석이든 자기장을 형성하는 것이기만 하면 도선 가까이에서 움직일때(즉, 자기장의 변화가 일어나면) 전류가 생긴다는 것을 알아내고 이를 정리하여 패러데이 전자기 유도 법칙을 발표하였다.[81] 자기에서 전기가 유도될 수 있다는 것이 알려지자, 이것을 이용한 많은 기술들이 발명되었다. 니콜라 테슬라는 전자기 유도를 이용하여 교류 발전기를 발명하였다.[82]6. 맥스웰 방정식
1864년 제임스 클러크 맥스웰은 기존의 전기와 자기에 대한 이론들을 약 20개의 방정식으로 정리하였고, 이후 본질적인 네 개의 방정식으로 압축하였다. 이를 맥스웰 방정식이라고 한다.[69]
맥스웰 방정식은 가우스 법칙, 가우스 자기 법칙, 패러데이 전자기 유도 법칙, 앙페르 회로 법칙(앙페르-맥스웰 회로 법칙)을 포함한다. 맥스웰은 전자기학 법칙을 정리하면서 로런츠 힘은 다루지 않았다. 로렌츠 힘은 전하를 띤 물체가 전기장 안에서 받는 힘을 뜻한다. 오늘날 전자기학은 맥스웰 방정식과 로렌츠 힘을 기반으로 한다.[69]
맥스웰은 맥스웰 방정식을 정리한 후, 자기장이 사인파와 같은 파동을 보이며 변화하면 전기장 역시 그에 따라 사인파 파동을 만들어 낼 것이고, 그 반대도 마찬가지일 것이므로, 전기와 자기의 성질을 모두 갖는 파동, 즉 전자기파가 존재할 것이라고 예측하였다. 맥스웰이 예측한 전자기파는 1888년 하인리히 루돌프 헤르츠의 실험을 통해 증명되었다. 이후, 전기 회로에서 생성된 전자기파를 안테나를 통해 방출하거나 수신할 수 있다는 것이 알려지면서, 무선 통신이나 방송과 같은 전자기파를 이용한 기술들이 발명되었다.[69]
6. 1. 가우스 법칙
가우스 법칙은 전하에 의해 만들어지는 전기장의 에너지를 나타낸다. 이는 본질적으로 쿨롱의 법칙과 같은 결과를 나타내지만, 가우스의 법칙은 두 개의 전하에 작용하는 힘을 계산하는 쿨롱의 법칙과 달리 하나의 전하만을 고려할 때에도 그에 따른 전하량을 계산할 수 있다는 특징이 있다.[83]6. 2. 가우스 자기 법칙
자기는 언제나 N극과 S극이 동시에 존재하므로, 닫힌 곡면을 지나는 자기량은 곡면 안으로 들어가는 것과 통과하여 나오는 것이 언제나 같게 된다. 자기력은 벡터이기 때문에 들어가는 자기량과 나오는 자기력의 합은 언제나 0이 된다.[83]6. 3. 패러데이 전자기 유도 법칙
패러데이 전자기 유도 법칙은 도선 주변에서 자기장이 변화하면 전류가 생기는데, 이때 전류가 발생하도록 하는 힘을 기전력이라고 하며, 자기 선속 밀도의 변화와 기전력의 관계를 수리적으로 정리한 법칙이다.[83]6. 4. 앙페르 회로 법칙 (앙페르-맥스웰 회로 법칙)
앙페르 회로 법칙은 전류 주변에 흐르는 자기장의 세기를 예측할 수 있는 수리 모형이다. 하지만, 앙페르가 만든 방정식은 불완전한 면이 있었기 때문에 제임스 클러크 맥스웰이 이를 개선하여 새로운 방정식으로 대체하였다. 이 때문에 수정된 앙페르 회로 법칙은 앙페르-맥스웰 회로 법칙이라고 불리기도 한다.[83]7. 전자기파
전자기파는 맥스웰 방정식의 해 중 하나로, 전자기장의 파동이다.
7. 1. 전자기파의 종류
전자기파는 파장과 발생 기구에 따라 이름이 달라진다. 통신 등에 사용되는 파장이 긴 전자기파는 전파라고 불린다. 그보다 파장이 짧아지면 빛(적외선, 가시광선, 자외선)이 된다. 더욱 파장이 짧은 전자기파는 X선, 감마선 등으로 불린다.7. 2. 전자기파의 활용
제임스 클러크 맥스웰은 그의 논고에서 빛이 '광 에테르'를 통해 전파되는 전자기파임을 제안하면서 처음으로 그 존재를 예측했다.[26]8. 전자기학과 타 분야의 연관
전자기력은 알려진 네 가지 기본 상호작용 중 두 번째로 강한 힘이며, 작용 범위는 무한대이다.[17] 마찰이나 접촉력과 같은 다른 모든 힘들은 비기본적인 힘[18]으로 여겨지며, 네 가지 기본 상호작용에서 유도된다. 고에너지 상태에서는 약한 상호작용과 전자기력이 전약 상호작용이라는 단일 상호작용으로 통합된다.[19]
전자기력은 원자 간 상호작용 대부분과 모든 화학 현상을 설명한다.
전자기학은 물질이 운동량을 전달하는 방식을 설명하며, 물체를 밀거나 당길 때 느끼는 힘은 분자 사이의 분자간 힘에서 비롯된다. 전자의 움직임은 원자 및 분자간 상호작용을 이해하는 데 필수적이며, 전자가 이동하면서 운동량을 전달한다. 전자 집합이 제한될수록 파울리 배타 원리에 따라 최소 운동량이 증가한다. 분자 수준 물질의 거동은 전자기력과 전자의 운동량 교환에 의해 생성된 힘 사이의 균형으로 결정된다.[20]
8. 1. 전기 공학
전자기학 연구는 전기 회로, 자기 회로, 반도체 소자 구성에 대한 정보를 제공한다. 로렌츠 힘이 작용하는 도체 내부의 전자 운동을 옴의 법칙(전류는 전기에 비례한다는 법칙)으로 근사하고, 전장의 시간 변화에 의한 자기장 생성(맥스웰 방정식의 일부)을 무시하면, '''준정상 전류 이론'''이 얻어진다. 이 이론은 전기 공학의 기초 이론이며, 현대 전자공학의 기초를 이루고 있다. 전장의 세기(전계 강도)의 단위는 [V/m]이므로, 안테나의 유효 길이 [m] 또는 유효 높이 [m]를 곱하면 안테나의 유도 전압 [V]이 된다.8. 2. 전자기 광학
전자기광학은 빛이 전자기파라는 관점에서 빛의 성질을 다루는 학문이다.[48] 이 학문은 맥스웰 방정식을 기초로 한다.8. 3. 양자 역학
19세기 말, 많은 물리학자들은 모든 물리 현상이 뉴턴 역학, 로렌츠 힘, 맥스웰 방정식으로 설명될 수 있다고 믿었다.그러나 그 후, 뉴턴 역학과 전자기학으로는 설명할 수 없는 현상들이 발견되었다. 광전 효과, 흑체 복사의 에너지 밀도, 컴프턴 효과는 빛을 입자로 간주하면 설명이 가능했지만, 이는 전자기학에서 "빛은 전자기파"라는 설명과 모순되었다. 또한, 전자기학에 따르면 러더퍼드 원자 모형은 안정적으로 존재할 수 없다는 결론이 나왔지만, 실제 원자는 안정적이었다.
이러한 현상들을 설명하기 위한 노력의 결과로, 양자역학이 탄생했다.[49][50][51][52]
1940년대에는 전자기학의 양자론인 양자전기역학(QED)이 완성되었다.[53][54][55] 양자전기역학에서는 전자기장과 대전 입자의 장이 모두 양자화되고, 대전 입자 간의 상호 작용은 전자기장의 양자인 광자 교환으로 설명된다.
8. 4. 상대성 이론
고전 전자기학은 고전 역학과는 조화시키기 어렵지만, 특수 상대성 이론과는 호환된다. 맥스웰 방정식에 따르면 진공에서의 빛의 속도는 보편적인 상수이며 전기 유전율과 자기 투자율에만 의존하는데, 이는 고전 역학의 오랜 기본 원칙인 갈릴레이 불변성을 위반한다. 두 이론(전자기학과 고전 역학)을 조화시키는 한 가지 방법은 빛이 전파되는 광 에테르의 존재를 가정하는 것이었으나, 후속 실험에서 에테르의 존재는 감지되지 않았다. 헨드릭 로렌츠와 앙리 푸앵카레의 중요한 공헌 이후, 1905년 알베르트 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 도입하여 고전 전자기학과 호환되는 새로운 운동역학 이론으로 고전 운동역학을 대체하여 이 문제를 해결했다. (자세한 내용은 특수 상대성 이론의 역사 참조)상대성 이론은 움직이는 기준 좌표계에서 자기장이 0이 아닌 전기 성분을 가진 장으로 변환되고, 반대로 움직이는 전기장이 0이 아닌 자기 성분으로 변환된다는 것을 의미하며, 이는 전자기 현상이 동전의 양면과 같음을 보여준다. 따라서 "전자기학"이라는 용어가 사용된다. (자세한 내용은 고전 전자기학과 특수 상대성 이론 및 고전 전자기학의 공변 공식화 참조)
맥스웰 방정식에 따르면, 진공(自由空間) 중의 전자기파의 속도는 관성계에 관계없이 기본적인 물리 상수(전기 상수와 자기 상수)만으로 결정된다. 실제로 진공 중의 광속은 관성계에 관계없이 일정하다는 광속 불변의 원리[56]는 실험적으로 증명되었다.[57][58] 특수 상대성 이론은 이 광속 불변의 원리와 특수 상대성 원리를 지도 원리로 하여 아인슈타인이 구축한 이론이다.[59][60][61]
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