전자기장, 전기장의 원리, 전자기유도란?

일반적으로 목장에서 키우는 양에게 다가가서 양을 귀여워하며 양털을 문지르면 머리카락이 붙는 것을 관찰 할 수 있습니다. 이것은 물체가 대전되었다고 볼 수 있는데 그리스 고대학자는 호박을 마찰 하였을 때 다른 물체가 호박에 달라붙는 것을 보고 이것을 발견하였다고 합니다. 위와 같은 것은 것을 정전기라고 부르며 원자가 지니는 전자가 적은 힘으로도 원자에서 탈출 할 수 있기 때문입니다. 전기장은 전하가 주는 전기력이 영향을 미치는 범위를 의미합니다. 다른 말로 하면, 어떤 공간에 존재하는 한 개의 전하에서 만들어진 가상적인 힘의 영역이라고 볼 수 있습니다. 전하가 있을 때 이 전하 주변의 공간에는 전기장이 형성됩니다. 전기장의 세기, 즉 강도는 단위 전하가 받는 힘의 크기로 계산됩니다. 만약 한 전하 근처에 다른 전하가 있다면, 그 전하는 전기장의 영향으로 인해 힘을 받게 됩니다. 이 힘의 크기는 전기장의 세기와 그 전하의 양에 비례합니다.

전기장의 세기는 위치에 따라 달라질 수 있으며, 일반적으로 전하로부터 거리가 멀어질수록 전기장의 세기는 약해집니다. 이는 쿨롱의 법칙에서도 볼 수 있습니다. 전기장의 방향은 양전하에서는 외부로 향하고, 음전하에서는 내부로 향합니다. 이는 전하의 특성, 즉 양전하는 다른 양전하를 밀어내고 음전하를 끌어당기며, 음전하는 다른 음전하를 밀어내고 양전하를 끌어당기는 특성 때문입니다. 전기장의 단위는 국제단위계(SI)에서는 뉴턴/쿨롱(N/C) 또는 볼트/미터(V/m)로 나타냅니다. 이 단위는 전하 당 받는 힘, 또는 단위 거리 당 전위차를 나타냅니다. 이처럼 전기장은 전기력과 거리에 따른 전기의 변화를 설명하는 데 중요한 개념입니다. 자기장은 자석이나 전류가 주변에 미치는 영향을 나타내는 물리적 개념입니다. 우리는 종종 나침반의 바늘이 북쪽을 가리키는 것과 같이 자기장의 영향을 간접적으로 경험하게 됩니다. 자기장은 벡터 필드의 형태로 표현되며, 그 의미는 공간의 각 점에서 특정한 방향과 세기를 가지고 있습니다. 자기장의 세기는 특정 위치에서 표준 자극체(예: 자석)가 받는 힘의 크기로 측정됩니다. 이탈리아의 과학자는 황산용액을 구리막대와 아연 막대를 이용하여 두 막대를 금속선으로 이어 전지를 발견하였습니다. 볼타 전지는 최초로 전류를 끊기지 않고 흘러내는 장치였습니다.

중국에서는 옛날부터 자석이라는 물질이 철에 달라붙는다는 사실을 알고 있었으며 남쪽과 북쪽을 가리킨다는 것 또한 알고 있었습니다. 중국인들은 이러한 성질을 이용해서 나침반을 제작하여 바닷길을 여는데 사용했고 일찍이 항해술이 발달 할 수 있었던 동력이 되었습니다. 중국의 4대 발명품 중에 나침반이 있는 것을 예사가 아닙니다.
자기장의 존재는 자석의 극(N과 S)에서 가장 직관적으로 확인할 수 있습니다. 같은 극의 자석은 서로를 밀어내고, 반대 극의 자석은 서로를 끌어당깁니다. 이런 현상은 자기장 라인, 즉 자기 힘이 흐르는 경로를 생각하면 이해하기 더 쉽습니다. 자기장 라인은 항상 N극에서 시작해 S극으로 향하며, 이는 전체적으로 폐곡선을 이룹니다. 자기장은 또한 전기를 이용해 인공적으로 만들 수 있습니다. 전기가 흐르는 전선 주변에는 자기장이 생성되며, 이를 이용해 전자기장을 만들거나 강력한 자석을 제작할 수 있습니다. 자기장의 단위로는 테슬라(T)를 사용하며, 일반적으로 자기장의 세기는 가우스(G)로도 표현됩니다. 테슬라는 국제단위계(SI)에서 사용되는 자기장의 단위이며, 가우스는 CGS 단위계에서 사용되는 단위입니다. 마지막으로, 모든 물질은 자기장에 반응하지 않습니다. 자성체라고 부르는 물질들만이 자기장에 반응하며, 철과 니켈이 대표적인 자성체입니다. 반면에, 알루미늄과 크롬 같은 약자성체는 자기장에 아주 약하게 반응하고, 구리와 금, 은 같은 반자성체는 자기장을 약하게 반발합니다.

 

전자기 유도는 전기장 또는 자기장이 변화할 때 그 변화를 촉발시키는 유도 전류를 생성하는 현상입니다. 이 현상은 마이클 패러데이가 1831년에 발견하였으며, 그의 이름을 딴 패러데이의 전자기 유도 법칙으로 알려져 있습니다. 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따르면, 전류를 생성하기 위해 필요한 것은 자기장의 변화, 즉 시간에 따른 자기 플럭스의 변화입니다. 자기 플럭스란 자기장과 그 자기장이 관통하는 면적의 곱을 의미합니다. 이 변화는 코일의 전선 개수, 코일을 관통하는 자기장의 강도, 코일을 관통하는 자기장의 방향, 그리고 코일의 면적이 변할 때 모두 발생할 수 있습니다. 자기장의 변화가 있을 때 전류가 유도되는 이 현상은 많은 전기 장치의 작동 원리를 설명하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 발전기는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 발전기 내부에서는 자기장 내에 전도체를 움직이게 함으로써 전류를 유도합니다. 또한, 트랜스포머는 두 개의 코일 사이에 자기장의 변화를 이용하여 전압을 증가시키거나 감소시키는 장치입니다. 전력 공급에 사용되는 대부분의 전압 변환기는 이 원리를 이용합니다. 전자기 유도는 또한 전자 제품의 무선 충전에도 사용됩니다. 무선 충전기는 변동하는 전류를 사용하여 코일에서 자기장을 생성하고, 이 자기장은 또 다른 코일에서 전류를 유도하여 배터리를 충전합니다. 결국, 전자기 유도는 현대 전기 및 전자공학의 핵심 원리 중 하나이며, 우리 일상생활에서 많은 전기 장치의 작동 원리를 설명하는데 사용됩니다.