전자기학

전자기학은 전기장, 자기장, 그리고 이 둘 간의 상호작용을 연구하는 물리학의 한 분야이다. 전자기학은 고전 전자기학과 양자 전자기학으로 나눌 수 있으며, 일반적으로 다루는 내용은 고전 전자기학이다. 고전 전자기학은 전하, 전류, 그리고 이들이 만들어내는 전기장과 자기장을 다루며, 맥스웰 방정식으로 요약된다.

개요

전자기학은 현대 기술 문명의 근간을 이루는 학문이다. 전기 모터, 발전기, 라디오, 텔레비전, 컴퓨터, 광통신 등 수많은 장치들이 전자기학의 원리를 기반으로 작동한다. 또한, 전자기학은 물리학의 다른 분야, 예를 들어 광학, 재료과학, 응집물질물리학 등과도 밀접하게 관련되어 있다.

역사

전기와 자기에 대한 연구는 고대 그리스 시대부터 시작되었지만, 19세기에 들어서야 비로소 전자기학이라는 하나의 체계적인 학문으로 발전하기 시작했다. 앙드레마리 앙페르는 전류 사이의 힘을 정량적으로 연구했고, 마이클 패러데이는 전자기 유도 현상을 발견했다. 제임스 클러크 맥스웰은 앙페르의 법칙과 패러데이의 법칙을 통합하여 맥스웰 방정식을 제시했으며, 이를 통해 빛이 전자기파의 일종임을 밝혀냈다.

주요 개념

• 전하 (Electric charge): 전자기적 상호작용의 근원이 되는 물리량이다. 양전하와 음전하가 있으며, 같은 종류의 전하끼리는 서로 밀어내고, 다른 종류의 전하끼리는 서로 끌어당긴다.
• 전기장 (Electric field): 전하가 존재하는 공간에 다른 전하가 힘을 받는 영역이다. 전기력선을 이용하여 시각적으로 표현할 수 있다.
• 자기장 (Magnetic field): 움직이는 전하(전류) 또는 자기 모멘트를 가진 입자가 존재하는 공간에 다른 움직이는 전하가 힘을 받는 영역이다. 자기력선을 이용하여 시각적으로 표현할 수 있다.
• 전류 (Electric current): 전하의 흐름을 의미한다. 전류의 방향은 양전하의 흐름 방향으로 정의된다.
• 전압 (Voltage): 전기장 내에서 두 지점 사이의 전위차를 의미한다. 단위는 볼트(V)이다.
• 저항 (Resistance): 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물리량이다. 단위는 옴(Ω)이다.
• 맥스웰 방정식 (Maxwell's equations): 전기장과 자기장의 시간적 변화와 공간적 분포를 기술하는 네 개의 방정식이다. 전자기학의 기본 법칙으로, 전자기파의 존재를 예측하고, 전자기 현상을 설명하는 데 사용된다.

응용 분야

• 전기/전자 공학: 전기 회로, 전자기기 설계, 통신 시스템 등
• 물리학: 입자 물리학, 플라즈마 물리학, 광학 등
• 의학: 자기 공명 영상 (MRI), 전기 생리학 등
• 재료 과학: 전도성 재료, 유전체 재료 개발 등
• 천문학: 전파 천문학, 우주 플라즈마 연구 등