Ch. 5-4 전기와 자기

보이지 않는 힘,그러나 강한 힘!

전기와 자기

• 자기 (magnetism)의 어원은 Magnesia : 고대 그리스 도시, 자철

석의 산지 (마그네슘 함유)

• 전기 (electricity)의 어원은 electrum (= amber (호박))

• 유사성이 많으므로 이 둘을 합하여 연구하는 학문이 ‘전자기학

(electrodynamics)’이다.

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• 자기 (magnetism)의 어원은 Magnesia : 고대 그리스 도시, 자철

석의 산지 (마그네슘 함유)

• 전기 (electricity)의 어원은 electrum (= amber (호박))

• 유사성이 많으므로 이 둘을 합하여 연구하는 학문이 ‘전자기학

(electrodynamics)’이다.

초기의 자기력 탐구

3[“과학의 탄생” 야마모토 요시타카 저, 이영기 역, 동아시아 (2005)]

“자연마술”Giambattista della

Porta (1535?-1615)

“de Magnete”William Gilbert (1544 –1603)

전기(정전기)의 발견

• Benjamin Franklin (1706-1790): 미국 최초의 과학자, 독립선언

- 유리를 비단으로 문지르면 전기를 띈다 (charged).à 정전기

- 이는 전하(charge)를 만드는 것이 아니라 ‘분리’하는 것이다. (전하보존법칙 1747)

- 전기를 띈 물체들: 서로 밀기도 하고, 당기기도 한다. à 전하의양과 음 à 자석의 N, S와 같은 성질

• 전기와 자기의 다른 점: 자석은 분리되지 않음. (쌍극자로만 존재)

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• Benjamin Franklin (1706-1790): 미국 최초의 과학자, 독립선언

- 유리를 비단으로 문지르면 전기를 띈다 (charged).à 정전기

- 이는 전하(charge)를 만드는 것이 아니라 ‘분리’하는 것이다. (전하보존법칙 1747)

- 전기를 띈 물체들: 서로 밀기도 하고, 당기기도 한다. à 전하의양과 음 à 자석의 N, S와 같은 성질

• 전기와 자기의 다른 점: 자석은 분리되지 않음. (쌍극자로만 존재)

쿨롱 법칙

• Charles Coulomb (1736-1806)이 Benjamin Franklin의 관측을 정량화함. (1785)

• 두 전하 사이의 힘은 두 전하의 곱과 그 거리의 제곱에 반비례한다.

• 같은 종류의 전하는 서로 밀고, 다른 종류의 전하는 서로 당긴다.

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* 이 정전기 힘의 법칙은 1772년 Cavendish가 먼저 발견했으나 발표하지 않았다. 쿨롱은 독립적으로 이를 발견하였고, ‘쿨롱법칙’으로 명명됨. à 그 업적을 기려 전하(q)의 단위를 쿨롱 (C)

Cavendish perished, not published. (“Publish or Perish.”)

전자력과 중력의 비교

r = distance between proton and electron (doesn’t matter)M = mass of a proton = 1.67252 × 10–27 kg.m = mass of an electron = 9.1091 × 10–31 kg.G = gravitation constant = 6.673 × 10–11 N m2/kg2

e = charge of proton (+) or electron (–) = 1.60217646 × 10–19 C

041ep

= electrostatic constant = 8.98755 × 10+9 N m2/C2

=ep

=ep

=mMG4

e

rmMG

re

41

FF

0

2

2

2

2

0

grav

elec - 전자와 양성자 사이

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041ep

Considering only the ratio of the magnitudes:

=ep

=ep

=mMG4

e

rmMG

re

41

FF

0

2

2

2

2

0

grav

elec 2.269 × 10+39

That number is dimensionless –the same everywhere in the universe (as far as we know).A deep mystery: Why is it so large?

즉, 정전기의 힘이 매우 크다. ß 총 전하가 중성이어야 하는 이유.

정전기력은 핵과 전자, 분자를 이루는 원자들, 그리고 분자들을 고체나 액체로 묶어 주는 힘이다.

장과 역선

• 패러데이: 장과 역선의 개념 발전

• 장(field): 모든 공간에서 정의되는 벡터량(각 점에서 단위전하를 놓았을 때 받는 힘으로 결정)

• 역선(force line): 화살표로 장의 방향을, 선밀도로 크기를 표시

• 쿨롱 힘 à 전기장

E = F/q = k Q/r2

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• 패러데이: 장과 역선의 개념 발전

• 장(field): 모든 공간에서 정의되는 벡터량(각 점에서 단위전하를 놓았을 때 받는 힘으로 결정)

• 역선(force line): 화살표로 장의 방향을, 선밀도로 크기를 표시

• 쿨롱 힘 à 전기장

E = F/q = k Q/r2

전기장

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여러 전하로 인한 역선

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전류의 발견

• 볼로냐 대학의 해부학 교수 Luigi Galvani가 개구리 다리의 근육수축으로부터 발견 (1791) - 생체 전류

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볼타 전지

• Alessandro Volta (파비아대교수): 최초의 화학전지(배터리)발명 (1799)

• 서로 다른 한쌍의 금속을 전해질에 담그면 전기화학 반응으로 전하 분리

• 전기의 흐름(전류)을 제어함으로써 1800년 이후 과학의 발전을 가속시킴.

• 전류 I = dQ/dt

(단위: 암페어, A = C/s)

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• Alessandro Volta (파비아대교수): 최초의 화학전지(배터리)발명 (1799)

• 서로 다른 한쌍의 금속을 전해질에 담그면 전기화학 반응으로 전하 분리

• 전기의 흐름(전류)을 제어함으로써 1800년 이후 과학의 발전을 가속시킴.

• 전류 I = dQ/dt

(단위: 암페어, A = C/s)

전기 위치에너지

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전기 퍼텐셜(potential; 전위)

• 전기 퍼텐셜 = 위치에너지/전하

• 스칼라이므로 벡터인 전기장보다 다루기 편리

• 전위차 DV = D 위치에너지/q (단위 volt, V)

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전류와 저항, 그리고 일

• 옴의 법칙: 전류는 전기장(전위)에 비례함. V = RI (R은 저항)

• 저항의 단위는 W (Ohm) = V/A

• 전기가 하는 일률 P = VI = I2R = V2/R

- 전기 사용량: W = Pt (일, 단위: KWh)

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• 옴의 법칙: 전류는 전기장(전위)에 비례함. V = RI (R은 저항)

• 저항의 단위는 W (Ohm) = V/A

• 전기가 하는 일률 P = VI = I2R = V2/R

- 전기 사용량: W = Pt (일, 단위: KWh)

전기장과 자기장의 관계

전기장: 전하가 있음 자기장: 자하는 존재하지 않음

(쌍극자로만 존재)

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당기고 미는 유사성 외에는 관계가 없을까?

전기가 자기를 일으킴

• 외르스테드(Hans Christian Oersted, 1777-1851) 가 우연히 전류가 나침반 바늘을 움직이는 것을 발견한 후 1820년 실험으로 자기장의 존재 확인.

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I=0 I

전류 à 자기장 유도

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전류가 만든 자기장

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오른손 법칙

앙페르 법칙

• 외르스테드의 관측을 André-Marie Ampère(1775-1836)가 정량화

자기장 B = kB I / r• 자기장은 전류의 세기에 비례한다. 방향은 오른손 법칙

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You cannot separate a magnet … even down to atoms.

à There is no magnetic monopole!

자석을 끝까지 자르면…

à There is no magnetic monopole!

원자 모형 : 전자의 궤도운동+ Spin à 자성

자성체의 종류 :강자성체, 상자성체, 반자성체(초전도체)

로렌츠 힘 (Lorentz force)

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로렌츠 힘

자기력: 자기장에 수직인 방향으로속도 v로 날아가는 전하 q가 받는힘 Fm = qvB (오른손 법칙)

로렌쯔 힘: 전기장+자기장을속도 v로 지나는 전하가받는 힘

)( qvBFBvqF

=´=rrr

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이로부터 자기장의 단위‘테슬라’ 정의: T=N s/C/m

)( qvBFBvqF

=´=rrr

Michael Faraday (1791-1867)

• 영국의 화학자, 실험물리학자

• 불우한 환경으로 정규교육을 받지 못하고 제본소에서 일하며 화학을 접함.

• 1813 왕립연구소 화학교수 Davy의조교로 연구 시작

• 쉬운 강연으로 과학의 대중화에 기여

• 1825 벤젠 발견

• 1831 전자기유도 법칙 발견

• 1833 전기분해 법칙

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• 영국의 화학자, 실험물리학자

• 불우한 환경으로 정규교육을 받지 못하고 제본소에서 일하며 화학을 접함.

• 1813 왕립연구소 화학교수 Davy의조교로 연구 시작

• 쉬운 강연으로 과학의 대중화에 기여

• 1825 벤젠 발견

• 1831 전자기유도 법칙 발견

• 1833 전기분해 법칙

I = k dB / dt* 미국의 Joseph Henry가 먼저? (1829?)

Faraday 법칙 I = k dB / dt

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전자기 유도의 예

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전자기유도의 예: 소용돌이 전류

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James Clerk Maxwell (1831-1879)

• 영국의 이론물리학자

• 에딘버러, 케임브리지대학에서 수학

• 1857 기체분자속도 분포함수

• 1864 전자기장의 동역학적 이론 – Faraday의 실험결과로부터 4개의 Maxwell 방정식 수립.

à 파동방정식à 전자기파 예측• 초대 Cavendish 연구소장

• 통계 역학 기초

“전자기학과 광학의 융합”

• 영국의 이론물리학자

• 에딘버러, 케임브리지대학에서 수학

• 1857 기체분자속도 분포함수

• 1864 전자기장의 동역학적 이론 – Faraday의 실험결과로부터 4개의 Maxwell 방정식 수립.

à 파동방정식à 전자기파 예측• 초대 Cavendish 연구소장

• 통계 역학 기초

“전자기학과 광학의 융합” /

0

BE EtEB Bt

¶r e¶¶me¶

Ñ × = Ñ´ = -

Ñ × = Ñ´ =

rr r r r

rr r r r

맥스웰 방정식

• 쿨롱 법칙: 양전하 à 음전하로 전기력선 생김. Ñ·D = r

• 자기장을 만드는 자하(홀극)는 존재하지 않는다. Ñ·B = 0

• 변하는 자기장은 전기장을 만든다. (Faraday 법칙) Ñ´E = -¶B/¶t

• 전류나 변화하는 전기장은 자기장을 만든다. (앙페르-맥스웰 법칙) Ñ´H = J + ¶D/¶t

à 이들로부터 전자기파의 파동방정식 유도.

- 매질에 대한 가정: 모든 공간은 빛을 내는 에테르 (luminiferous aether) 로 채워져 있다.

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• 쿨롱 법칙: 양전하 à 음전하로 전기력선 생김. Ñ·D = r

• 자기장을 만드는 자하(홀극)는 존재하지 않는다. Ñ·B = 0

• 변하는 자기장은 전기장을 만든다. (Faraday 법칙) Ñ´E = -¶B/¶t

• 전류나 변화하는 전기장은 자기장을 만든다. (앙페르-맥스웰 법칙) Ñ´H = J + ¶D/¶t

à 이들로부터 전자기파의 파동방정식 유도.

- 매질에 대한 가정: 모든 공간은 빛을 내는 에테르 (luminiferous aether) 로 채워져 있다.

맥스웰 방정식의 결과

• 가속 운동을 하는 전하는 전자기파를 복사한다.

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• 전자기파의 속도는 측정된 빛의속도와 같다.

00

1me

=c

전자기학 – Ampere, Faraday

전자기학 à 빛 (광파)

전자기파의 실증

• 전자기파는 에너지와 운동량을 전달한다.

• 전자기파는 전기장과 자기장이 항상수직인 횡파다.

• Heinrich Hertz가 라디오파 발생 실험(1887): 전자기파는 빛처럼 반사, 굴절, 흡수 등을 함.

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• 전자기파는 에너지와 운동량을 전달한다.

• 전자기파는 전기장과 자기장이 항상수직인 횡파다.

• Heinrich Hertz가 라디오파 발생 실험(1887): 전자기파는 빛처럼 반사, 굴절, 흡수 등을 함.

전자기파 spectrum

• 라디오파, TV파, 레이더 전파, 휴대전화, 적외선, 빛, 자외선, X-선, 감마선 등은 모두 전자기파이다.

• à 양자역학: 광자(photon) 의 개념

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Edison (DC) 과 Tesla (AC)

에디슨: 직류발전기를 만들고 약 40년 후1878년 영국의 스완이 백열전등을발명하고 1년 안에 에디슨도 발명1882년 뉴욕 밤거리를 밝힘(직류)

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테슬라: 발명가/사업가인 웨스팅하우스와 테슬라가 교류발생기를개발

교류는 변압기를 써서 고전압으로 멀리 전달할 수 있다.

(Naiagara Fall 박물관, 영화‘The Prestige’에서 신비주의 과학자로 나옴.)

전자기학의 응용 - 통신

주로 산업혁명 이후의 철도와 전기통신

• 1831 Faraday 전자기 유도법칙 발견

• 1837 Wheatstone 전신기 개발

• 1844 Morse 부호

• 1854 London - Paris 전신

• 1858 대서양 횡단 케이블 부설

• 1861 New York - San Francisco 전신

• 1879 Edison 뉴욕 밤거리를 밝힘.

• 1897 Marconi 무선통신 개발 (영국) (1909 노벨상 수상)

• 1901 대서양 횡단 전파 송수신

• 현대의 광섬유 통신 – 1970년대 연구, 1980년대부터 실용화

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주로 산업혁명 이후의 철도와 전기통신

• 1831 Faraday 전자기 유도법칙 발견

• 1837 Wheatstone 전신기 개발

• 1844 Morse 부호

• 1854 London - Paris 전신

• 1858 대서양 횡단 케이블 부설

• 1861 New York - San Francisco 전신

• 1879 Edison 뉴욕 밤거리를 밝힘.

• 1897 Marconi 무선통신 개발 (영국) (1909 노벨상 수상)

• 1901 대서양 횡단 전파 송수신

• 현대의 광섬유 통신 – 1970년대 연구, 1980년대부터 실용화

세계를 하나로 연결하는해저 광케이블

광섬유

19 c 물리학이 현대 기술에 준 영향

• 화학과 원자론: 원자와 전자의 실체 규명에 대한 노력 à 미립자의 세계. 양자역학 탄생. 무기, 유기 화학, 고분자, 재료공학, 반도체 공학 등의 근간 이룸.

• 열역학: 미시적 입자 운동과 연결되어 통계역학으로발전. 물리학 전반에서 다체문제를 취급할 때 쓰이며, 열기관, 화학공학 등에 분석 도구로 사용.

• 전자기학: 전기의 보급, 전파의 사용으로 현대 통신의 혁명을 가져옴. 상대성이론의 발판을 제공.

• 광학: 망원경, 카메라, 레이저, …

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• 화학과 원자론: 원자와 전자의 실체 규명에 대한 노력 à 미립자의 세계. 양자역학 탄생. 무기, 유기 화학, 고분자, 재료공학, 반도체 공학 등의 근간 이룸.

• 열역학: 미시적 입자 운동과 연결되어 통계역학으로발전. 물리학 전반에서 다체문제를 취급할 때 쓰이며, 열기관, 화학공학 등에 분석 도구로 사용.

• 전자기학: 전기의 보급, 전파의 사용으로 현대 통신의 혁명을 가져옴. 상대성이론의 발판을 제공.

• 광학: 망원경, 카메라, 레이저, …