Ch. 5-4 전기와자기 보이지않는힘, 그러나강한힘!
전기와자기 자기 (magnetism) 의어원은 Magnesia : 고대그리스도시, 자철석의산지 ( 마그네슘함유 ) 전기 (electricity) 의어원은 electrum (= amber ( 호박 )) 유사성이많으므로이둘을합하여연구하는학문이 전자기학 (electrodynamics) 이다. 2
초기의자기력탐구 자연마술 Giambattista della Porta (1535?-1615) de Magnete William Gilbert (1544 1603) [ 과학의탄생 야마모토요시타카저, 이영기역, 동아시아 (2005)] 3
전기 ( 정전기 ) 의발견 Benjamin Franklin (1706-1790): 미국최초의과학자, 독립선언 - 유리를비단으로문지르면전기를띈다 (charged).à 정전기 - 이는전하 (charge) 를만드는것이아니라 분리 하는것이다. ( 전하보존법칙 1747) - 전기를띈물체들 : 서로밀기도하고, 당기기도한다. à 전하의양과음 à 자석의 N, S와같은성질 전기와자기의다른점 : 자석은분리되지않음. ( 쌍극자로만존재 ) 4
쿨롱법칙 Charles Coulomb (1736-1806) 이 Benjamin Franklin 의관측을정량화함. (1785) 두전하사이의힘은두전하의곱과그거리의제곱에반비례한다. 같은종류의전하는서로밀고, 다른종류의전하는서로당긴다. * 이정전기힘의법칙은 1772 년 Cavendish 가먼저발견했으나발표하지않았다. 쿨롱은독립적으로이를발견하였고, 쿨롱법칙 으로명명됨. à 그업적을기려전하 (q) 의단위를쿨롱 (C) Cavendish perished, not published. ( Publish or Perish. ) 5
전자력과중력의비교 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 m 2 /kg 2 e = charge of proton (+) or electron ( ) = 1.60217646 10 19 C 1 4pe 0 = electrostatic constant = 8.98755 10 +9 N m 2 /C 2 dimensionless where in the universe (as far as we know). : Why is it so large?
장과역선 패러데이 : 장과역선의개념발전 장 (field): 모든공간에서정의되는벡터량 ( 각점에서단위전하를놓았을때받는힘으로결정 ) 역선 (force line): 화살표로장의방향을, 선밀도로크기를표시 쿨롱힘 à 전기장 E = F/q = k Q/r 2 7
전기장 8
여러전하로인한역선 9
전류의발견 볼로냐대학의해부학교수 Luigi Galvani 가개구리다리의근육수축으로부터발견 (1791) - 생체전류 10
볼타전지 Alessandro Volta ( 파비아대교수 ): 최초의화학전지 ( 배터리 ) 발명 (1799) 서로다른한쌍의금속을전해질에담그면전기화학반응으로전하분리 전기의흐름 ( 전류 ) 을제어함으로써 1800 년이후과학의발전을가속시킴. 전류 I = dq/dt ( 단위 : 암페어, A = C/s) 11
전기위치에너지 12
전기퍼텐셜 (potential; 전위 ) 전기퍼텐셜 = 위치에너지 / 전하 스칼라이므로벡터인전기장보다다루기편리 전위차 DV = D 위치에너지 /q ( 단위 volt, V) 13
전류와저항, 그리고일 옴의법칙 : 전류는전기장 ( 전위 ) 에비례함. V = RI (R은저항 ) 저항의단위는 W (Ohm) = V/A 전기가하는일률 P = VI = I 2 R = V 2 /R - 전기사용량 : W = Pt ( 일, 단위 : KWh) 14
전기장과자기장의관계 전기장 : 전하가있음 자기장 : 자하는존재하지않음 ( 쌍극자로만존재 ) 당기고미는유사성외에는관계가없을까? 15
전기가자기를일으킴 외르스테드 (Hans Christian Oersted, 1777-1851) 가우연히전류가나침반바늘을움직이는것을발견한후 1820 년실험으로자기장의존재확인. I=0 I 16
전류 à 자기장유도 17
전류가만든자기장 오른손법칙 18
앙페르법칙 외르스테드의관측을 André-Marie Ampère(1775-1836) 가정량화 자기장 B = k B I / r 자기장은전류의세기에비례한다. 방향은오른손법칙 19
자석을끝까지자르면 You cannot separate a magnet even down to atoms. à There is no magnetic monopole! 원자모형 : 전자의궤도운동 + Spin à 자성 자성체의종류 : 강자성체, 상자성체, 반자성체 ( 초전도체 )
로렌츠힘 (Lorentz force) 22
로렌츠힘 자기력 : 자기장에수직인방향으로속도 v 로날아가는전하 q 가받는힘 F m = qvb ( 오른손법칙 ) 이로부터자기장의단위 테슬라 정의 : T=N s/c/m 로렌쯔힘 : 전기장 + 자기장을속도 v 로지나는전하가받는힘 r r r F = qv B
Michael Faraday (1791-1867) 영국의화학자, 실험물리학자 불우한환경으로정규교육을받지못하고제본소에서일하며화학을접함. 1813 왕립연구소화학교수 Davy 의조교로연구시작 쉬운강연으로과학의대중화에기여 1825 벤젠발견 1831 전자기유도법칙발견 1833 전기분해법칙 I = k db / dt * 미국의 Joseph Henry 가먼저? (1829?) 24
Faraday 법칙 I = k db / dt 25
전자기유도의예 26
전자기유도의예 : 소용돌이전류 27
James Clerk Maxwell (1831-1879) 영국의이론물리학자 에딘버러, 케임브리지대학에서수학 1857 기체분자속도분포함수 1864 전자기장의동역학적이론 Faraday의실험결과로부터 4 개의 Maxwell 방정식수립. à 파동방정식à 전자기파예측 초대 Cavendish 연구소장 통계역학기초 r 전자기학과광학의융합 r r r r B Ñ E = r / e Ñ E = - t r r r r r E Ñ B = 0 Ñ B = me t
맥스웰방정식 쿨롱법칙 : 양전하 à 음전하로전기력선생김. Ñ D = r 자기장을만드는자하 ( 홀극 ) 는존재하지않는다. Ñ B = 0 변하는자기장은전기장을만든다. (Faraday 법칙 ) Ñ E = - B/ t 전류나변화하는전기장은자기장을만든다. ( 앙페르 - 맥스웰법칙 ) Ñ H = J + D/ t à 이들로부터전자기파의파동방정식유도. - 매질에대한가정 : 모든공간은빛을내는에테르 (luminiferous aether) 로채워져있다. 29
맥스웰방정식의결과 가속운동을하는전하는전자기파를복사한다. 전자기파의속도는측정된빛의속도와같다. c = e 1 0 m 0 30
전자기학 Ampere, Faraday
전자기학 à 빛 ( 광파 )
전자기파의실증 전자기파는에너지와운동량을전달한다. 전자기파는전기장과자기장이항상수직인횡파다. Heinrich Hertz가라디오파발생실험 (1887): 전자기파는빛처럼반사, 굴절, 흡수등을함. 33
전자기파 spectrum 라디오파, TV 파, 레이더전파, 휴대전화, 적외선, 빛, 자외선, X- 선, 감마선등은모두전자기파이다. à 양자역학 : 광자 (photon) 의개념 34
Edison (DC) 과 Tesla (AC) 에디슨 : 직류발전기를만들고약 40 년후 1878 년영국의스완이백열전등을발명하고 1 년안에에디슨도발명 1882 년뉴욕밤거리를밝힘 ( 직류 ) 테슬라 : 발명가 / 사업가인웨스팅하우스와테슬라가교류발생기를개발 교류는변압기를써서고전압으로멀리전달할수있다. (Naiagara Fall 박물관, 영화 The Prestige 에서신비주의과학자로나옴.) 35
전자기학의응용 - 통신 주로산업혁명이후의철도와전기통신 1831 Faraday 전자기유도법칙발견 1837 Wheatstone 전신기개발 1844 Morse 부호 1854 London - Paris 전신 1858 대서양횡단케이블부설 1861 New York - San Francisco 전신 1879 Edison 뉴욕밤거리를밝힘. 1897 Marconi 무선통신개발 ( 영국 ) (1909 노벨상수상 ) 1901 대서양횡단전파송수신 현대의광섬유통신 1970 년대연구, 1980 년대부터실용화 36
세계를하나로연결하는해저광케이블 광섬유
19 c 물리학이현대기술에준영향 화학과원자론 : 원자와전자의실체규명에대한노력 à 미립자의세계. 양자역학탄생. 무기, 유기화학, 고분자, 재료공학, 반도체공학등의근간이룸. 열역학 : 미시적입자운동과연결되어통계역학으로발전. 물리학전반에서다체문제를취급할때쓰이며, 열기관, 화학공학등에분석도구로사용. 전자기학 : 전기의보급, 전파의사용으로현대통신의혁명을가져옴. 상대성이론의발판을제공. 광학 : 망원경, 카메라, 레이저, 38