전자기력의 의미와 발생 원리

전자기력의 의미와 발생 원리

전력과 자력은 처음에는 오랫동안 별개의 힘으로 여겨져 왔으나 19세기부터 이 두 가지는 서로 상호 연관된 현상으로 인식되기 시작했습니다. 이를 전자기력(Electromagnetic)이라고 합쳐 부르며 1905년 알버트 아인슈타인이 발표한 특수 상대성 이론(theory of special relativity)에 의하면 전력과 자력은 모두 하나의 공통된 현상의 측면입니다. 그러나 실제로 보는 전력과 자력은 상당히 다르게 작용하고 방정식 또한 다릅니다. 전력은 정지 상태 또는 이동 중인 전하에 의해 생성되는 반면에 자력은 움직이는 전하에 의해서만 생성되며 작용합니다. 힘이 각각의 개별 전하의 구성 요소들에 작용하기 때문에 중성 물질에서도 전기 현상이 발생할 수 있습니다. 그리고 특히 전력은 원자와 분자의 물리적, 화학적 성질의 대부분을 담당합니다. 이는 중력에 비해 엄청나게 강합니다. 그리고 전력과 자력은 각각 전기장과 자기장이라고 불리는 영역에서 감지될 수 있습니다. 이러한 영역은 이 영역을 생성한 전하 또는 전류로부터 멀리 떨어진 공간에서도 존재할 수 있을 뿐만 아니라 전기장은 외부 전하와 무관하게 자기장을 생성할 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 즉 변화하는 자기장은 전기장을 생성하며 반대로 변화하는 전기장은 자기장을 생성합니다. 이는 각각 영국의 물리학자인 마이클 패러데이와 스코틀랜드의 물리학자인 제임스 클러크 맥스웰이 추론하고 발견해냈는데, 맥스웰이 공식화한 방정식에서는 빛과 파동을 전자기력 현상에 통합시켰습니다. 맥스웰은 전기장과 자기장이 전자기파의 파장으로 우주를 함께 이동하며 변화하는 영역들이 서로를 지탱한다는 것을 보여주었습니다. 예를 든다면 라디오나 적외선, 가시광선, 자외선 등이 있는데 이 모든 파동은 모두 동일하게 빛의 속도로 이동하며 단지 전기장과 자기장이 진동하는 주파수의 차이가 있을 뿐입니다. 이렇게 맥스웰 방정식이 전자기장이 어떻게 생성되고 동작하는지를 설명해주는 반면에 로런츠 힘은 전하를 띤 물체가 전자기장 안에서 받는 힘인데 이를 이용하면 영역과 전하 입자가 서로 어떻게 상호작용하는지를 설명할 수 있습니다. 이 힘은 전기장이 대전된 입자에 전방 또는 후방의 힘을 가하고 자기장은 움직이는 대전된 입자에 측면의 힘을 가한다고 합니다. 전하 물체와 전류, 자석은 맥스웰 방정식과 로런츠 힘의 원리에 의하면 전자기장을 통해 서로에게 힘을 가하며, 이것이 바로 스피커와 전기 모터의 작동 원리입니다. 다만 맥스웰의 방정식이 여러 가지 전자력에 대한 다양한 설명을 제공해주는 것은 맞지만 아원자 스케일은 포함하지 않습니다. 그리고 이 방정식에 대한 해석은 20세기에 들어와 더 확장되었는데, 바로 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 영향입니다. 특수 상대성 이론은 전기장과 자기장을 하나의 공통된 영역으로 병합하고 모든 물질의 속도를 전자기 복사 속도로 제한했습니다. 그리고 1960년대 후반 물리학자들이 자연의 다른 힘들이 전자기장과 유사한 수학적 구조를 가진 장을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 다른 힘은 바로 핵융합에서 방출되는 에너지의 원인이 되는 강력과 불안정한 원자핵의 방사능 붕괴에서 관찰되는 약력입니다. 특히 약력과 전자기력이 합쳐져 전자 약력이라는 공통의 힘이 되었습니다. 전자기학은 특히 전기 과학에서 중요한데 이는 물질 내 전하 분포와 장소 간 전하 운동을 포함한 전하 집합체의 흐름과 연관되어있습니다. 전하가 구성 물질을 통해 자유롭게 이동할 수 있는지에 따라 다양한 유형의 재료가 도체 또는 절연체로 분류되는데 이렇게 물질의 전류에 관련된 기술은 특히나 에너지의 생산 및 제어에서 중요한 부분을 담당합니다. 전압의 개념은 전하 및 전류와 마찬가지로 전기의 과학에 기초합니다. 전압은 전하 성향이 한 곳에서 다른 곳으로 흐르는지 측정합니다. 일반적으로 양전하는 고전압 영역에서 낮은 전압 영역으로 이동하는 경향이 있습니다. 전기의 일반적인 문제는 주어진 물리적 상황에서 전압과 전류 또는 전하 사이의 관계를 결정하는 것입니다. 이러한 많은 이론과 현상들이 존재하지만 이 중에서 가장 중요한 것 중 하나는 18세기 프랑스 물리학자 샤를 오귀스틴 드 쿨롱에 의해 공식화된 쿨롱의 법칙입니다. 이는 전하 물체 사이의 전력을 설명하며, 뉴턴의 중력 법칙과 유사한 편입니다. 중력과 전기는 물체들 사이의 거리의 제곱에 따라 감소하고 두 힘 모두 그들 사이의 선을 따라 작용하게 됩니다. 그러나 쿨롱의 법칙에 따르면, 전하의 크기와 부호는 물체의 질량이 아니라 전하로 결정됩니다. 따라서, 전하는 전자기력이 전하된 물체의 운동에 어떻게 영향을 미치는지 결정한다는 것입니다. 그리고 쿨롱의 법칙에 따르면 정지 상태의 전하에 대한 전력은 몇 가지의 특성을 가지는데, 첫 번째 특성은 비슷한 전하가 서로를 밀어내고 다른 전하는 끌어당긴다는 것입니다. 따라서, 양전하는 음전하를 끌어당기는 반면, 두 음전하는 서로를 밀어내게 됩니다. 그리고 다음으로 두 번째 특성은 힘의 크기가 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례하여 변한다는 것입니다. 따라서 두 전하 사이의 거리가 2배가 되면 인력이나 반발력이 약해져서 원래 값의 4분의 1로 줄어들며 전하가 10배 가까이 가까워지면 힘의 크기는 100배 정도 증가하게 됩니다. 세 번째 특성은 끌림과 반발이 두 전하 사이의 선을 따라 작용한다는 점이며, 네 번째는 힘의 크기가 각 전하 값에 비례한다는 특성입니다. 쿨롱의 법칙은 전자기학을 배우게 되면 가장 첫 번째 만나게 된다고 말해도 과언이 아닌 법칙으로, 내용 속에서 그 중요성 또한 잘 확인할 수 있습니다.