전자기학 역사와 정의
전자기학의 경우 전기와 자기현상을 연구하는 학문이다. 전기와 자기는 전자기장을 만든다. 자기 현상의 경우 이미 기원전 2000년 중국에 등장을 했으며 전기 역시 기원전 700년 고대 그리스 세계에 등장했다. 하지만 전기와 자기가 전자기력이라는 상호작용에 의한 현상은 19세기에 와서 등장을 하게되었다.
전기장의 경우 양털로 만든 옷감에 플라스틱 빗을 몇번 문지른 후 머리카락에 갖다대면 머리카락이 빗에 붙는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 물체가 전기장을 띄게 되는것을 대전이라고 부른다. 고대 그리스 시대 탈레스는 호박을 마찰하여 호박에 조그만 물체가 달라붙는것을 발견했다. 전기를 뜻하는 영어 electricity의 경우 호박을 뜻하는 그리스에서 따온 것으로 추정이 된다. 위에서 든 예시와 같이 두 물체를 마찰하여 대전된 경우의 전기를 정전기라고 한다. 정전기가 대전이 되는 이유는 물체를 이루는 원자가 지니는 전자의 일부가 적은 에너지로 쉽게 원자를 벗어날 수 있기 때문이다. 이렇게 원자로 부터 벗어난 전자를 자유전자라고 부른다. 금속과 같이 자유 전자를 많이 가지고 있는 물체는 언제나 전자들이 쉽게 이동하기 때문에 대전이 된 상태여도 다른 물체와 닿게되면 전기가 쉽게 전달이 된다. 이런 물체를 우리는 도체라고 부른다. 하지만 고무와 유리 같은 물질의 경우 자유전자가 적어서 한번 대전이 되게되면 비교적 오랫동안 전하를 유지한다. 이런 물체를 우리는 부도체라 부른다. 물질들 가운데 상태에 따라서 도체와 부도체의 성질을 모두 갖는 경우도 있다. 이런 물질을 우리는 반도체라 부르고 반도체의 경우 최근 여러 전자제품에 사용이 된다.
전기에는 서로 다른 두 종류의 전하가 있어 같은 것인 인력(끌어당기고)과 척력(밀어내는)을 지닌다. 18세기 미국의 벤저민 프랭크린은 두전하 중 하나는 양전하, 다른하나는 음전하라고 불렀다. 이런 척력과 인력의 크기는 물체가 지닌 전하의 양과 두 물체 사이의 거리에 의해 좌우된다. 이렇게 정전기로 대전된 물체 사이에서 작용되는 힘은 쿨롱의 법칙에 의해 계산이 된다. 어떤 공간에 대전된 물체가 있다고 하면 이 물체 근처로 지나가는 다른 대전된 물체의 경우 쿨롱의 법칙에 따라서 서로 거리가 가까워질수록 더 강한 힘을 받게 된다. 하지만 반대로 거리가 일정거리 이상 멀어지면 두 전하 사이의 힘은 무시가 될수 있을 정도로 작아진다. 이렇게 하나의 전하에서 만들어낸 전기력이 미치는 영향 범위를 전기장이라고 부른다. 전기장 세기의 경우 어떤 위치에 있는 물체가 단위 전하당 받는 힘으로 계산을 할 수 있다. 국제 단위계로 표현하면 쿨롱 당 뉴턴 즉 N/C로 표현된다.
물체에 고여있는 정전기와 달리 전류의 경우 양전하에서 음전하로 흐르게 되는 전기의 흐름이라고 정의된다. 1800년 이탈리아의 알레산드로 볼타는 황산 수용액에 구리막대와 아연 막대를 담은 뒤 두 막대를 금속선으로 이어 건전지를 발명했다. 볼타 건전지는 최초로 전류를 지속적으로 공급하는 장치가 되었다.
자기장의 경우 고대 중국에서는 자석에 철이 달라붙는 사실과 자석이 남북을 가리킨다는 사실을 밝혀냈다. 고대 중국인들의 경우 이런 성질을 사용해서 나침반을 만들었다. 나침반은 세계 여러곳으로 전파가 되어서 항해에 아주 필수적인 장비가 됐다. 자석은 전하와 같이 같은 극끼리는 밀어내고 다른 극끼리는 잡아당기는 인력이 작용된다. 관례적으로 자석에서 북극을 가리키는 쪽이 N극이고 남극을 가리키는쪽을 S극이라고 부른다. 물질이 자기를 띄는 것은 원자가 스스로 전류 고리를 갖게되기 때문이다. 원자핵의 경우 자전과 원자핵 주변을 돌고 있는 전자가 공전과 자전을 하고 있기 때문에 전류 고리가 생기게 되고 이때문에 원자 자체에 N극과 S극의 갖는 자기쌍극자를 갖게된다. 전기의 기본 단위 전하는 음전화, 양전하가 홀로 존재할 있는 것과는 다르게 자기의 경우엔 자기쌍극자로 인해 발생되는 현상이라 기초 단위부터 N, S극이 존재한다. 자석에 철과 같은 물질이 달라붙게되는 현상을 우리는 자기라 부르고 자석에 달라붙는 물질을 자성체라고 부른다. 일반적으로 알려진 자성체로는 철 이외에 니켈 등이 있다. 자기에 반응하지 않는 것을 비자성체라 부르고 자석에 약하게 반응하는 알루미늄과 크롬 같은 물질들을 상자성체, 구리와 은, 금 같이 자석을 가까이 대면 약하게 반발하는 것을 반자성체라고 부른다. 일반적으로 물질은 원자단위의 자기쌍극자가 무질서하게 놓여있다. 이 때문에 서로간의 자기가 상충되어 자성을 띄지 않지만 철, 니켈과 같은 물질은 원자들의 배열이 자기가 한쪽 방향으로 정렬되기 쉽도록 되었다. 따라서 쉽게 자성을 띄고 한번 자성을 갖게 되면 계속해서 유지를 한다. 자성을 잃지 않고 영구적으로 자석을 갖는 영구 자석이 된다.철 막대를 자석의 한 극으로 내려칠 경우 철 원자들의 자기쌍극자가 한쪽으로 정렬이 되며 영구자석이 될수 있다. 하지만 영구자석이 된 철이라도 770도 정도가 되면 열에 의해 원자가 무질서하게 운동을 하기 때문에 자성을 잃게 된다. 전기장과 같이 자기가 미치는 공간을 우리는 자기장이라 부르며 자기의 단위 자극인 자하는 전하와 달리 홀로 존재하지 못하고 쌍극자로 존재되므로 N극에서 나와 S극으로 이어진 자기 흐름을 생각할 수 있다. 이렇게 하나의 폐곡선으로 연결된 자기 흐름을 우리는 자기력선이라 부르며 자기장의 경우 일정 공간에 얼마나 많은 자기력선이 모여있는지 그렇게 모여진 자기력선의 세기를 생각해야한다. 자기력선이 특정 공간에 많이 모여있는지를 자기 선속밀도라 부른다.
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