전자기학의 개요 및 역사

전자기학

전기 및 자기로 인한 상호작용 또는 전기 현상과 자기 현상 등 전자기 현상에 대해 연구하는 학문을 전자기학이라고 한다.

 

개요

전기력과 자기력은 사실상 같은 힘인데, 발전기로 전기를 만들 수도 있고 전자석으로 자기력을 만들 수 있는 것 처럼 전기와 자기는 서로 상호작용하여 만들어진다. 이러한 상호작용을 설명하기 위해 여러 실체 정보가 필요한데 전자기장이 있는 구역의 경계에서의 전위나 전기장 등에 대한 공간적 정보 그리고 전하밀도, 전류밀도 등 전자기장의 원천에 관한 정보가 필수적으로 필요하다. 경계 조건과 전하와 전류의 분포만 제공되면 이론적으로 맥스웰 방정식을 통하여 전체 공간의 전자기장을 풀어낼 수 있다.

 

전자기학의 역사

전자기학의 역사는 고대 그리스 시대까지 거슬러 올라간다. 고대 그리스에 마찰 전기에 대한 기록이 남아있고 아시아에서는 고대 중국의 기록에 단편적이긴 하지만 자석(지남석)에 대한 기록이 남아있다. 

본격적인 전자기 현상의 연구가 시작된 것은 17세기부터였다. 1785년에 전자기 현상의 수학적 연구 기초가 되는 쿨롱의 법칙이 발견되었다. 이후 1792년에 갈바니가 갈바니 전지를 발명했고 1799년에는 볼타 전지가 발명되어 연속적인 전류 생성이 가능하게 되었다. 1827년에는 그 유명한 옴의 법칙이 발견되고 페러데이에 의해 1831년에 전자기 유도 작용이 발견되면서 점차 전기력과 자기력 사이의 학문적 체계가 정립되게 되었다.

1873년에 이르러 맥스웰이 전자기장의 개념을 수학적으로 완전히 풀어내면서 전자기파의 존재를 밝혔고 헤르츠가 실험을 통해 이를 증명하면서 오늘날의 전자기학에 이르게 되었다.

 

상대론적 전자기학

최신 과학에서는 방사광을 통한 여러가지 실험이 많이 행해진다. 전하를 띤 입자가 빛의 속도에 가깝게 매우 빠르게 원운동을 하는 경우 그 원의 접선 방향으로 빛이 나오게 되는데 이것이 바로 방사광이다. 이 방사광을 활용하기 위한 설비가 방사광 가속기(Accelator)인데 이를 통해 충돌 실험 등을 통하여 여러 결과들을 도출한다. 쿼크의 발견 등은 이러한 방사광 가속기를 사용한 실험에서 얻어진 결과이다. 이런 빠른 입자의 운동과 전자기장을 정확히 측정하기 위해서는 로렌츠 변환을 사용한 특수 상대성 이론을 적용해야 한다. 로렌츠 변환은 시간과 위치가 독립적이지 않고 관찰하는 관성 좌표계의 속도에 따라서 연계하여 상호 변경된다. 이는 한 좌표계에서 전기장으로 나타나던 것이 다른 좌표계에서는 자기장으로 나타날 수 있다는 의미이다.

예를 들어 전하가 가만히 있을 경우, 점전하에 의해 전기장이 등방으로 퍼지고 전류가 없기 때문에 자기장도 없게 된다. 그러나 전하가 점점 빠르게 움직이기 시작하면 전기장은 예전 그대로 등방으로 퍼져 나가지만 그 크기가 전하 진행 방향의 수직 쪽으로 집중되면서 비등방이 된다. 여기서 전하와 동일한 속도로 움직이는 관성계가 있다면 그곳에서는 전기장은 등방이 되므로 관측계에 따라 전기장이 다르게 측정되는 것이다.