전자기장

기사내용
전자기학
전기 자성 광학 역사 교재 현상
정전기 전하 쿨롱의 법칙 지휘자 전하밀도 유전율 전기 쌍극자 모멘트 전기장 전위 전기 플럭스/퍼텐셜 에너지 정전 방전 가우스의 법칙 인덕션 절연체 분극밀도 정전기 마찰전기
자기정역학 앙페르의 법칙 비오-사바트 법칙 가우스의 자기 법칙 자기장 자속 자기쌍극자 모멘트 자기투과율 자기 스칼라 퍼텐셜 자화 자기 벡터 퍼텐셜 오른손 규칙
전기역학 로렌츠 힘 법칙 전자기 유도 패러데이 법칙 렌츠 법칙 변위전류 맥스웰 방정식 전자기장 전자기 펄스. 전자기복사 라모르 공식 브렘슈트랄룽 사이클로트론 복사 싱크로트론 복사 맥스웰 텐서 포인팅 벡터 리아나드-비허트 퍼텐셜 제피멘코의 방정식 와전류 런던 방정식
전기망 교류 정전용량 직류 전류 전기분해 전류밀도 줄 가열 기전력 임피던스 인덕턴스 키르히호프의 회로 법칙 옴의 법칙 병렬회로 레지스탕스 공명 공동 직렬 회로 전압 웨이브가이드 네트워크 분석
자기회로 자이레이터-캐패시터 모델 자기복합저항 자기저항 자력 투과율
공변 공식 전자기학과 특수상대성이론 전자기 텐서 응력-에너지 텐서 사류 포텐셜 수학적 기술 곡선 시공간에서의 맥스웰 방정식
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전자기장(Electromagnetic field)은 전하에 대한 영향과 전하로 인한 영향을 나타내는 물리적 장, 위치 및 시간의 수학적 함수입니다.^[1] 시공간의 어느 지점에서든 자기장은 전기장과 자기장의 결합으로 간주될 수 있습니다. 자기장 사이의 상호 관계 때문에 전기장의 교란은 자기장에 교란을 일으키고, 이는 다시 전기장에 영향을 미쳐 공간을 전파하는 진동으로 이어질 수 있으며, 이를 전자기파라고 합니다.^[2][3]

전하와 전류(즉, 전하의 흐름)가 전자기장과 상호 작용하는 방식은 맥스웰 방정식과^[4] 로렌츠 힘 법칙에 의해 설명됩니다.^[5] 맥스웰 방정식은 전기장이 전하를 향해 어떻게 수렴하는지, 그리고 전기장이 전류를 따라 어떻게 휘는지, 그리고 전기장과 자기장의 변화가 어떻게 서로 영향을 미치는지를 자세히 설명합니다. 로렌츠 힘 법칙에 따르면 전기장을 받는 전하는 자기장의 방향을 따라 힘을 느끼고 자기장을 통해 움직이는 전하는 자기장과 운동 방향 모두에 수직인 힘을 느낀다고 합니다.

전자기장은 고전적인 장 이론의 한 예인 고전적인 전기 역학에 의해 설명됩니다. 이 이론은 많은 거시적인 물리 현상을 정확하게 설명합니다.^[6] 그러나 광전 효과와 원자 흡수 분광법, 즉 원자 규모의 실험을 설명할 수 없었습니다. 이를 위해서는 양자역학, 특히 전자기장의 양자화와 양자전기역학의 발전이 필요했습니다.

역사

전자기학에 대한 경험적 연구는 적어도 기원전 600년경 밀레투스의 고대 그리스 철학자, 수학자, 과학자 탈레스만큼 오래된 것으로, 그는 정전기를 만드는 호박과 같은 다양한 물질에 동물의 털을 문지르는 실험을 설명했습니다.^[7] 18세기에 이르러 물체는 양전하 또는 음전하를 운반할 수 있고, 같은 부호의 전하를 운반하는 두 물체는 서로 밀어내고, 반대 부호의 전하를 운반하는 두 물체는 서로 끌어당기고, 이 힘의 세기는 그들 사이의 거리의 제곱으로 떨어지는 것으로 이해되었습니다. 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 전기장을 통해 상호작용하는 전하의 관점에서 이를 시각화했습니다. 전하가 전하의 성질을 측정하는 관측자에 대해 정지해 있을 때 전기장이 생성되고, 전하가 움직일 때 전기장뿐만 아니라 자기장이 생성되어 이 관측자에 대해 전류가 생성됩니다. 시간이 지나면서, 전기장과 자기장은 더 큰 전체의 두 부분, 즉 전자기장으로 더 잘 생각된다는 것을 깨달았습니다. 1820년, 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 근처의 나침반 바늘을 비껴가게 할 수 있다는 것을 보여주었고, 전기와 자기가 밀접하게 관련된 현상이라는 것을 확립했습니다.^[8] 그 후 패러데이는 1831년에 시간에 따라 변하는 자기장이 전류를 유도할 수 있다는 중요한 관찰을 했습니다.

1861년, 제임스 클러크 맥스웰은 전기 및 자기 현상에 관한 지금까지의 모든 연구를 하나의 수학 이론으로 종합하여 빛이 전자기파라는 사실을 추론했습니다. 맥스웰의 연속장이론은 물질의 원자모형을 뒷받침하는 증거가 나오기 전까지 매우 성공적이었습니다. 1877년부터 헨드릭 로렌츠는 전자기학의 원자모형을 개발했고 1897년 J. J. 톰슨은 전자를 정의하는 실험을 마쳤습니다. 로렌츠 이론은 전자기장의 자유 전하에는 작용하지만 원자와 분자의 결합 전하에 대한 에너지 스펙트럼을 예측하지 못합니다. 그 문제를 위해서는 양자역학이 필요하고, 궁극적으로는 양자전기역학 이론으로 이어집니다.

전자기장에 대한 새로운 이해의 실용적인 응용은 1800년대 후반에 나타났습니다. 전기 발전기와 모터는 패러데이와 암페어의 법칙과 같은 경험적 발견과 실제 경험을 결합하여 발명되었습니다.

수학적 기술

전자기장을 표현하는 수학적 방법은 다양합니다. 첫 번째는 전기장과 자기장을 3차원 벡터장으로 봅니다. 이러한 벡터 필드는 각각 공간과 시간의 모든 지점에서 정의된 값을 가지므로 종종 공간과 시간 좌표의 함수로 간주됩니다. 이와 같이 E(x, y, z, t)(전기장)와 B(x, y, z, t)(자기장)로 표기하는 경우가 많습니다.

전기장(E)만 0이 아니고 시간적으로 일정한 경우, 전기장은 정전기장이라고 합니다. 마찬가지로 자기장(B)만 0이 아니고 시간에 따라 일정하다면 자기장은 자기정전장이라고 합니다. 그러나 전기장과 자기장 중 하나에 시간 의존성이 있는 경우 맥스웰 방정식을 사용하여 두 필드를 결합된 전자기장으로 함께 고려해야 합니다.^[9]

특수 상대성 이론의 등장으로 물리 법칙은 텐서의 형식주의에 순응하게 되었습니다. 맥스웰 방정식은 텐서 형태로 작성될 수 있으며, 일반적으로 물리학자들은 물리 법칙을 표현하는 보다 우아한 수단으로 간주합니다.

전기장과 자기장의 거동은 정전기, 자기역학 또는 전기역학의 경우에도 맥스웰 방정식에 의해 지배됩니다. 벡터장 형식주의에서 다음과 같습니다.

가우스의 법칙

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}}$

가우스의 자기 법칙

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0}$

패러데이 법칙

${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$

암페어-맥스웰 법칙

${\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} +\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}$

여기서$$ρ ${\displaystyle \$rho}는 시간과$$의 함수인 전하 밀도이고, ε 0 {\$displaystyle$\varepsilon _{0}는 $진공$이고, μ$0 {\displaystyle$ \mu _{0}는 진공 투과율이며, J는 시간과 위치의 함수인 전류 밀도 벡터입니다. 선형 물질 안에서 맥스웰 방정식은 자유 공간의 투과율과 유전율을 문제의 선형 물질의 투과율과 유전율로 바꿈으로써 바뀝니다. 전자기장에 대한 더 복잡한 반응을 갖는 다른 물질들 안에서, 이러한 용어들은 종종 복소수 또는 텐서로 표현됩니다.

로렌츠 힘 법칙은 전자기장과 전하를 띤 물질의 상호작용을 지배합니다.

필드가 다른 미디어로 이동할 때, 필드의 동작은 미디어의 속성에 따라 바뀝니다.^[10]

필드의 속성

정전기 및 자기정역학

맥스웰 방정식은 공간의 각 점에서 전하 밀도가 시간에 따라 변하지 않고 모든 전류가 일정하게 유지될 때 단순화됩니다. 모든 시간 도함수는 방정식에서 사라지고 전기장과 관련된 두 개의 표현을 남깁니다.

그리고. 자기장을 포함하는 두 가지 공식과 함께: 그리고. 이러한 표현은 전하가 움직이지 않는 상황에 초점을 맞춘 정전기의 기본 방정식과 자기 현상의 해당 영역인 자기 정적입니다.^[11]

전자기장의 변화

물리적 효과가 전기장에 의한 것인지 자기장에 의한 것인지는 특수 상대성 이론이 수학적으로 정확하게 만드는 방식으로 관찰자에게 달려 있습니다. 예를 들어, 실험실에 전류를 전달하는 긴 직선 와이어가 있다고 가정해 보겠습니다. 실험실이 정지한 기준틀에서 전선은 움직이지 않고 전기적으로 중성입니다. 음전하를 띤 전자로 구성된 전류는 양전하를 띤 이온을 배경으로 움직이고 양전하와 음전하의 밀도는 서로 상쇄됩니다. 전선 근처의 시험 전하는 전선으로부터 전기적 힘을 느끼지 못합니다. 그러나 시험 전하가 전류와 평행하게 운동하면 상황이 달라집니다. 테스트 전하의 나머지 프레임에서는 와이어의 양전하와 음전하가 서로 다른 속도로 움직이고 있으므로 양전하와 음전하 분포는 서로 다른 양에 의해 로렌츠 수축됩니다. 결과적으로, 와이어는 0이 아닌 순전하 밀도를 가지며, 시험 전하는 0이 아닌 전기장을 경험해야 하며, 따라서 0이 아닌 힘을 경험해야 합니다. 실험실의 나머지 프레임에는 시험 전하가 전선 쪽으로 당겨지거나 전선에서 밀려나는 것을 설명할 수 있는 전기장이 없습니다. 그래서 실험실 정지 프레임의 관찰자는 자기장이 존재해야 한다고 결론짓습니다.^[12][13]

일반적으로 한 관찰자가 전기장만을 사용하여 설명하는 상황은 전기장과 자기장의 조합을 사용하여 다른 관성 프레임의 관찰자가 설명할 것입니다. 이와 유사하게, 한 관찰자가 자기장만을 사용하여 설명하는 현상은 상대적으로 움직이는 기준틀에서 자기장들의 조합으로 설명될 것입니다. 서로 다른 참조 프레임에서 필요한 필드를 연관시키는 규칙은 필드의 로렌츠 변환입니다.^[14]

따라서 정전기와 자기역학은 특정 프레임이 다른 유형의 필드를 억제하도록 선택되었을 때 정적 전자파 필드에 대한 연구로 간주되며, 전기와 자기를 모두 가진 전자파 필드는 다른 프레임에 나타나기 때문에 이러한 "단순한" 효과는 측정 프레임이 다르기 때문에 단순한 결과에 불과합니다. 관찰자의 움직임을 바꾸는 것만으로도 두 장의 장 변화를 재현할 수 있다는 사실은 단순히 다르게 관찰되고 있는 실제 장이 하나밖에 없다는 추가적인 증거입니다.

전기장과 자기장의 상호거동

두 개의 맥스웰 방정식, 패러데이의 법칙과 암페어-맥스웰 법칙은 전자기장의 매우 실용적인 특징을 보여줍니다. 패러데이의 법칙은 대략 "고리 안에서 변하는 자기장이 고리 주변에 전기 전압을 만든다"고 말할 수 있습니다. 이것이 발전기의 원리입니다.

앙페르의 법칙은 대략 "고리 주위의 전류가 고리를 통해 자기장을 만든다"고 말합니다. 따라서 이 법칙은 자기장을 생성하고 전기 모터를 구동하는 데 적용될 수 있습니다.

전하 또는 전류가 없는 경우의 현장 거동

맥스웰 방정식을 결합하여 파동 방정식을 유도할 수 있습니다. 이 방정식의 해는 전자기파의 형태를 취합니다. 전하 또는 전류를 포함하지 않는 공간의 부피(자유 공간)에서, 즉$$ρ${\displaystyle \$rho} 및 J가 0인 경우, 전기장과 자기장은 다음과 같은 전자기파 방정식을 만족합니다.

${\displaystyle \left(\n)abla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}\right)\mathbf {E} \ =\ \ 0}$

${\displaystyle \left(\n)abla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}\right)\mathbf {B} \ =\ \ 0}$

제임스 클러크 맥스웰은 암페어의 회로 법칙에 변위 전류 항을 추가하여 맥스웰 방정식을 완성함으로써 이 관계를 처음으로 얻었습니다. 이것은 전기, 자기 및 빛에 대한 물리적 이해를 통합했습니다. 가시광선은 전자기파의 전체 범위인 전자기 스펙트럼의 한 부분에 불과합니다.

맥스웰 방정식의 시변 전자파장

전류와 전하(소스)로부터 매우 멀리 떨어진 전자기장은 소스의 전하와 전류로부터 방사되기 때문에 전자기 복사(EMR)라고 불립니다. 이러한 방사선은 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스선, 감마선 등 전자기 스펙트럼이라고 불리는 광범위한 주파수에서 발생할 수 있습니다. 이러한 방사선의 많은 상업적 적용은 명명된 기사와 연결된 기사에서 논의됩니다.

눈에 보이는 빛의 주목할 만한 응용은 태양의 이런 종류의 에너지가 산소를 만들거나 사용하는 지구상의 모든 생명체에 동력을 공급한다는 것입니다.

전류와 전하에 물리적으로 가까운 변화하는 전자기장은 변화하는 전기 쌍극자 또는 변화하는 자기 쌍극자에 의해 지배되는 쌍극자 특성을 갖습니다. 소스 근처의 이러한 유형의 쌍극자장을 전자기 근거리장이라고 합니다.

이와 같이 변화하는 전기 쌍극자 필드는 주로 유전체 가열의 공급원으로 근거리 필드로 상업적으로 사용됩니다. 그렇지 않으면 EMR을 흡수하는 도체 주변과 더 먼 거리에서 EMR을 생성하는 목적을 가진 안테나 주변에 기생적으로 나타납니다.

변화하는 자기 쌍극자 필드(즉, 자기 근거리 필드)는 많은 유형의 자기 유도 장치에 상업적으로 사용됩니다. 저주파의 모터와 전기변압기, 고주파의 RFID 태그, 금속탐지기, MRI 스캐너 코일과 같은 장치가 여기에 해당합니다.

건강 및 안전

전자기장이 인간의 건강에 미치는 잠재적인 영향은 주파수, 자기장의 강도 및 노출 기간에 따라 매우 다릅니다. 전자파 방사선에 대한 저주파, 낮은 강도 및 짧은 지속 시간 노출은 일반적으로 안전한 것으로 간주됩니다.^[17] 한편,^[19] 자외선이나^[18] 감마선과 같은 전자기 스펙트럼의 다른 부분에서 오는 방사선은 어떤 상황에서는 심각한 해를 끼치는 것으로 알려져 있습니다.

참고 항목

참고문헌

인용문

원천

추가읽기

외부 링크

• 위키미디어 커먼즈의 전자기장 관련 매체