전자기학(전기와 자계)의 이해 1-1 전자기학의 필요성 1-2 전자기학의 어원 1-3 전기의 근원: 전하 1-4 전기력과 전계 1-1 전자기학의 필요성 1-2 전자기학의 어원 1-3 전기의 근원: 전하 1-4 전기력과 전계 1-5 자석과 전자스핀 1-6 전류와 자계 1-7 전계와 자계의 독립성 1-8 매질변수: 유전율, 도전율, 투자율 1-9 전자기파: 시간에 따라 변하는 전계와 자계의 상호관계 1-10 전자기파의 범위와 응용

1-1 전자기학의 기본 전자기학(電磁氣學, Electromagnetics) 전자기적인 에너지 또는 신호의 발생, 전송, 수신, 처리, 변환, 저장 등의 기본원리를 제공하는 학문 전자회로, 전기기기, 발전·송전·배전, 제어, 통신, 반도체, 컴퓨터 등의 모든 전기 및 전자공학분야에 응용 예) 회로이론 : 전압 및 전류의 시간변화가 매우 작은 제한된 경우에 한하여 전자기학으로부터 근사화 된 이론

간단한 사례 그림1-2. 가정에 공급되는 교류전원을 이용한 전구의 발광 그림1-3. 두 도선이 각각 분리되어 금속관을 통과할 때의 전력전달 가능성

두 도선을 통한 전력전달의 실체 ⇒ 전자기학이 필요 대부분의 전력은 두 도선 외부인 공기 중으로 전달 전자기파 = 전계(단위:V/m)+자계(단위:A/m) 전계와 자계를 곱한 양 = 단위면적당 전력밀도(V/m × A/m = VA/m2 = W/ m2) 두 도선의 역할 : 단지 전력분포를 두 도선 사이에 집중시켜 두 도선이 진행하는 방향으로 전력 유도 그림 1.4 두 도선으로 전파되는 전기적인 물리량의 단면 분포

1-2 전자기학의 어원  서양 : electromagnetics = electro + magnet + ics electro ⇒ 나무액이 암석화된 호박(amber)의 그리스어인 elektrum에서 유래 magnet ⇒ 고대에 자석이 많이 나는 지방인 마그네시아(Magnesia)에서 유래 ics ⇒ 학문을 나타내는 어미 electromagnetics : 호박이 깃털이나 지푸라기를 잡아당기는 현상과 자석이 철조각을 끌어당기는 현상에 관한 학문 동양 : 電磁氣學 電 ⇒ ‘번개 전’, ‘전기 전’, ‘번쩍할 전’ 磁 ⇒ ‘자석 자’, ‘사기그릇 자’ 氣 ⇒ ‘날씨 또는 기후 기’, ‘숨 기’, ‘힘 기’, ‘공기 기’, ‘생기 기’ 學 ⇒ ‘배울 학’, ‘글방 학’, ‘공부 학’  電磁氣學 : 번개와 자석에 관련된 氣를 다루는 학문  번개가 치거나 지남철이 철을 잡아당기는 데에 작용하는 힘과 에너지의 변환에 관한 학문

전자기에 의한 여러 현상들에 공통되는 작동원리 맥스웰 방정식(Maxwell Equations) 전자기 현상 : 전기· 전자공학의 모든 현상 (각각의 전자기 현상에 대한 개별적인 원리들은 해당분야에서 다룸) 예)  겨울철에 쇠 손잡이를 잡을 때 느끼는 정전기 쇼크  발전소에서 만든 전력을 전선으로 가정에 공급하여 각종 가전기기 등을 구동  무선전화기를 통해 친구와 대화  눈에 들어는 빛으로 물체를 보는 것 본 책에서 다루는 핵심내용 : 전자기에 의한 여러 현상들에 공통되는 작동원리 ∥ 전자기학을 지배하는 “理” 맥스웰 방정식(Maxwell Equations) 예)  가정에 공급되는 60 Hz의 전류는 금속에서는 잘 통하고, 공기 중으로는 통하지 않음  빛은 공기 중으로 잘 전달되며, 도리어 금속은 전혀 통과하지 못함  그럼에도 불구하고 60 Hz의 전류나 빛 모두 동일한 Maxwell 방정식을 만족함

1-3 전기의 근원: 전하 전하(electric charge) : 물체들이 갖는 전기량 <공리 1> 전하는 양전하와 음전하의 두 종류가 존재 <공리 2> 원자는 모든 물질의 최소 구성 단위이므로 모든 물질의 전하량은 하나의 전자가 갖는 전하량의 정수배로서만 존재

대전 : 원자에 외부로부터 마찰이나 빛과 같은 형태로 에너지가 가해지면 최외각의 전자가 궤도를 이탈 이탈된 전자 : 자유전자(free electron)라고 부르며 음전하를 가짐 전자가 이탈한 원자 : 양전하를 띠게 됨 그림 1.8 원자모델에서 전자궤도를 이탈한 자유전자에 의한 대전

1-4 전기력과 전계 두 전하간의 거리의 자승에 반비례 1-4 전기력과 전계 <공리 3> 일정한 거리만큼 떨어진 두 개의 전하 사이에 발생하는 전기력 두 전하간의 거리의 자승에 반비례 두 전하량의 곱에 비례 두 전하의 극성이 같으면 척력으로, 두 전하의 극성이 다르면 인력으로 작용 (a) 서로 동일한 극성의 경우 : 척력 (b) 서로 반대의 극성의 경우 : 인력 그림 1.9 두 전하간의 전기력

전계(electric field): 단위전하만 추가되면 즉각 전기력을 발생시킬 수 있는 잠재능력 전계의 크기 : 전하의 크기에 비례하고 거리의 자승에 반비례 전계의 방향 : 양전하에서는 나가는 방향, 음전하로는 들어오는 방향 (a)시간 t<0 일 때 전하 Q 존재 (전기력=0) (b)시간 t=0 에 단위 음전하를 거리 R 지점에 추가 (t>0 부터 전기력≠0) 그림 1.13 전하에 가해지는 전기력의 반응시간

- 공간상에 전계 분포시 : 해당 공간상에 전기 에너지가 분포하여 저장됨 (이러한 전계를 만드는 전하를 생성시킬 때 소모하는 에너지와 동일한 양을 가짐) (a) 점전하가 무한히 먼 지점 P∞ 에 있을 경우 (b) P∞ 에 있는 점전하를 임의의 지점 P1으로 이동시킨 경우 그림 1.14 공간상의 전계분포

1-5 자석과 전자스핀 <공리 4> 자석은 N 극과 S 극이 항상 같이 존재 1-5 자석과 전자스핀 <공리 4> 자석은 N 극과 S 극이 항상 같이 존재 <공리 5> 같은 극끼리는 척력이, 서로 다른 극끼리는 인력이 작용 그림 1.17 자석에 의한 자기력 그림 1.18 자계의 방향 자계의 방향 : 자석의 N극에서 나와 S극으로 들어감 자석의 특성을 갖기 위한 조건 - (+)스핀만 있는 불완전한 궤도의 존재 - 원자 내에 있는 (+)스핀들이 같은 방향으로 정렬 - 인접한 원자 내에 있는 (+)스핀들도 모두 동일한 방향으로 정렬

1-6 전류와 자계 <공리 6> 직류전류가 흐르면 주위에 오른손 나사 법칙에 따라 자계가 분포 그림 1.22 Oersted 가 1820년에 수행한 실험 그림 1.24 Ampere 의 오른손 나사 법칙

원형 도선을 흐르는 전류와 막대 자석간의 등가 그림 1.25 직류전류와 영구자석의 등가성 (a) 원형 도선을 따라 흐르는 직류전류에 의한 자계 (b) 막대 영구자석에 의한 자계 그림 1.25 직류전류와 영구자석의 등가성

:전자스핀 = 원형루프를 따라 흐르는 직류전류 = 영구 막대 자석 자계의 원천 :전자스핀 = 원형루프를 따라 흐르는 직류전류 = 영구 막대 자석 그림 1-27 전자스핀과 자석의 등가

<공리 7> 평행한 두 도선간에는 같은 방향의 전류가 흐르면 서로 잡아당기고 반대방향의 전류가 흐르면 서로 밀치는 자기력이 작용 (b) 인접한 두 자석간의 자기력 (a) 직류전류가 흐르는 두 원형도선간의 자기력 그림 1.32 전류와 자기력

1-7 전계와 자계의 독립성 표 1-5 전기와 자기의 기본적인 차이점 표 1-5 전기와 자기의 기본적인 차이점 <공리 8> 자연계에는 항상 에너지 보존법칙이 성립 * 전자기적 상태 변화가 없는 경우 - 전하가 정지된 경우 - (전하의 등속운동) 전류 직류인 경우

그림 1.34 직류전류에 의해 주변에 분포하는 전계와 자계 전계와 자계의 독립성: 전하의 관점에서 보면 전류 = 전하의 움직임 (전류에 의한 자기 현상은 전계 만으로는 해석되지 않됨 : 자계 도입 필요) 전계와 자계는 별개의 물리량 : 전기력과 자기력 또한 서로 다른 힘  전자들이 정지할 경우 : 주변에는 전계 만이 분포 전자들이 움직일 경우 : 직류전류가 흐름 = 주변에는 전계 및 자계도 분포 (a) 균일한 음전하 분포가 정지한 경우 (b) 균일한 음전하 분포가 일정한 속도로 이동할 경우 그림 1.34 직류전류에 의해 주변에 분포하는 전계와 자계

1-8 매질변수: 유전율, 도전율, 투자율 유전율(permittivity): e - 그리스 문자인 e 으로 나타내며, 엡실론(epsilon)이라고 읽음 전속밀도(electric flux density) : D = e E - 자유공간에 비해 유전체 내의 전계는 크기 감소 - 매질내의 전속밀도 D는 매질과는 무관(단지 전하분포에 의해서만 정해짐) 그림 1-38 유전체 내의 총전계

전도전류밀도(conduction current density) : J = s E 도전율(conductivity): s - 그리스 문자인 s 로 나타내며, 시그마(sigma)라고 읽음 전도전류밀도(conduction current density) : J = s E - 도체 내에 있는 자유전자는 전계에 비례하여 이동속도 증가 - 도전율이 높으면 전기가 잘 통하는 매질 - 매질이 없는 경우, 즉 진공에서는 당연히 도전율이 0

자속밀도(magnetic flux density) : B=m H 투자율(permeability) : m - 그리스 문자인 m 로 나타내며, 뮤(mu)라고 읽음 (a) 외부로부터 자계가 가해지지 않은 경우 (b) 외부로부터 자계가 가해진 경우 그림 1.40 자계에 대한 자성체의 반응 자속밀도(magnetic flux density) : B=m H - 자계는 매질에 상관없고, 다만 전류분포에 의해 결정 - 자성체 내에서 자속밀도 증가

1-9 전자기파 시변 전자기학(時變 電磁氣學, time-varying electromagnetics)  전계와 자계가 시간에 따라 변하는 경우 <전자기파의 특성 1> 모든 전자기파는 공기 중에서 3 ×108 m/s 의 속도로 이동 <전자기파의 특성 2> 모든 전자기파는 서로 직교하는 시변 전계와 시변 자계로 구성되며, 전파방향은 전계와 자계 모두에 수직 그림 1-42 파의 종류: (b) 횡파

<전자기파의 특성 3> 한 점에서 전계의 시간 변화량 = 그 점을 중심으로 회전하는 자계 성분 (오른손 나사 법칙) 한 점에서 자계의 시간 변화량 = 그 점을 중심으로 회전하는 전계 성분 (왼손 나사 법칙) (a)시변 전계에 의해 발생하는 시변 자계 (b) 시변 자계에 의해 발생하는 시변 전계 그림 1.43 시변 전계와 시변 자계간의 상호작용

전자기파의 공간 전파 : <전자기파의 특성 3>을 순차적으로 반복 적용 (a) 시간 t = 2t0 까지 +z 축 방향으로의 전파 (b) 시간 t=3t0 까지 +z축 방향으로의 전파 그림 1.44 시간 t = 0 일 때 원점에 있는 +x 방향의 시변 전계에 의한 전자기파의 전파

: 전하 또는 전류를 움직이거나 시간에 따라 변하게 만드는데 소모되는 에너지 전자기파의 에너지원 : 전하 또는 전류를 움직이거나 시간에 따라 변하게 만드는데 소모되는 에너지 (a) 자석을 실에 매달아 돌리는 경우 (b) 건전지와 도선 사이 스위치의 on/off를 반복하는 경우 그림 1.46 간단한 전자기파의 발생방법

1-10 전자기파의 범위와 응용 : 동일한 위상을 갖는 파의 공간적 분포에 따라 분류 전자기파의 분류 1 (a) 평면파가 가늘고 긴 틈 사이를 통과하면 원통면파로 변환 (b) 평면파가 작은 구명을 통과하면 구면파로 변환 그림 1.48 평면파, 원통면파 및 구면파

: 시간 t 에 따라 속도 c 로 +x 방향으로 움직이는 정현파(sinusoidal wave) 가장 간단한 평면파 : 시간 t 에 따라 속도 c 로 +x 방향으로 움직이는 정현파(sinusoidal wave) (a) 주기와 주파수 (b) 파장과 주파수 그림 1.49 속도 c 로 +x 방향으로 움직이는 정현파

전자기파의 분류 2 : 시간상의 변화정도를 나타내는 주파수f 에 따라 분류 - 시간함수 v(t) 에서 주파수 f 를 갖는 성분의 크기 = 스펙트럼 V(f)