[공학] 생활 속에서의 전자기장

안녕하세요?? 여러분!! @smartcucum 입니다. 대문 귀엽죠? 접니다. 오이(cucumber) ㅎㅎ
서서히 반등하고 woo7739님께서 올려주신 포스팅을 보니 블록체인과 가상화폐는 서로 뗄 수 없는 관계라고 하더군요. 가상화폐가 국내에 잘 정착하길 기도해 봅니다.

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들어가며

오늘은 재미있는 인테리어 소품을 준비해왔어요.
천공의 섬 라퓨타를 연상하게 하는 화분이에요.

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오늘은 위의 보여드린 제품의 원리에 대해서 설명드리려해요.
그래서 오늘의 주제는 바로바로 전자기장입니다.
전자기장은 생활 속에서 정말 다양하게 쓰여요.

어휴 어려워~~ 어휴 어려워~~

여러분 어렵지않습니다!! 이번엔 진짜에요!!

사실 이공계열에 진학하지 않는 이상 전자기장라는 단어를 듣기 힘들죠.
하지만 전자기장은 실생활에 너무 유용하답니다.

이야기 보따리를 풀기전에 전자기장이 무엇인지 알아야하겠죠??
그럼 전자기장에 대한 정의부터 출바아알!!

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전자기장란?

전기장과 자기장

전자기장을 설명 하기 앞서
전기장과 자기장에 대해서 알아야합니다. 쉽게 말해서!

전기가 미치는 공간을 전기장!
자기가 미치는 공간을 자기장!

이라고합니다. 참 쉽죠?
그러면 전기와 자기에 대해서 알아야겠네요?
네이버 지식 백과의 정의에 따르면

전기란 양, 음의 부호를 가진 두 종류의 전하가 나타내는 여러 가지 자연현상. 일상생활에서 자주 사용하는 TV, 냉장고, 세탁기와 같은 가전제품을 사용할 수 있는 것은 바로 전기가 있기 때문이다.

자기란 자석이 갖는 특유한 물리적인 성질이다. 대표적인 예로 철조각이 막대자석에 달라붙는 현상을 들 수 있는데, 이는 자기에 의한 것이다.

아!! 전기는 우리가 일상생활에서 정말 자주 쓰는 에너지를 의미하고,
자기는 자석과 밀접한 관련이 있구나~

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그렇다면 뒤에 붙어있는 "장" 은 뭔데?

공간에서 어떤 지점에서의 물리량을 말하는 것이에요.

무슨 말이냐구요? 밑에 그림을 보시죠!

제가 만든 그래프인데요. 아궁이 앞의 1m x 1m의 바닥입니다.
각 지점(공간)에서 온도가 모두 다릅니다. 당연하겠죠?
즉, 공간(1m x 1m)에서 어떤 지점에서의 물리량(온도)가 다르네요!
이것을 온도장(온도 필드, 온도 장판, whatever!!)이라고 합니다.
그러면 바로 응용해보죠.

전자기장

온도장으로부터 우리는 전기장과 자기장이 무엇을 의미하는지 예측할 수 있습니다.
자세한 건 몰라도

온도장에서는 공간에 온도가 있다.
전기장에서는 공간에 전기가 있다.
자기장에서는 공간에 자기가 있다.

왜 전기장과 자기장으로 각각 안부르고 전자기장 붙여서 말하느냐!!?
이것은 과학사를 파헤치면 쉽게 알 수 있습니다.
그래서 제가 준비해봤습니다!!
한 눈에 보는 과학사 이야기 뚜둔! 통시적 카톡방입니다.

요고 어때요? 앞으로 과학사는 다 이렇게 풀껀데...물론 더 개선해올께요 :)

1. 덴마크의 과학자 뢰르스테드는 전기를 흘려보내니 자석의 성질(자기)이 도선 주위에 생긴다는 사실을 발견해요.
2. 페러데이라는 영국의 과학자는 반대로 자석을 이용하면 전기를 만들 수 있지 않을까 생각합니다. 그리고 실제로 실험을 통해서 성공하죠.
3. 그리고 마지막으로 아인슈타인이 특수 상대성 이론으로 종지부를 찍습니다.

그래서 맨날 나오는 그림이 아래 그림이에요. E는 전기장 B는 자기장을 의미합니다.
항상 전기장과 자기장은 짝궁이에요. 붙어다니죠?

과학자 또는 공학자들은 이러한 성질들을 이용하여 다양한 실험을 진행하고 제품을 만든답니다.

그래서 이게 어디 쓰이는 건데?

굉장히 여러곳에 쓰입니다. 산업 전반에 걸쳐서 쓰인다고 해도 과언이 아니에요.
왜냐하면,
자석을 만들고 싶으면 전기를 이용하면 되고,
전기를 만들고 싶으면 자석을 이용하면 되니까요!

제어(Control)할 수 있다는 특성은 항상 엔지니어의 관심사를 걸 잊지 말아주세요!!

전자기 유도현상

사례들을 몇가지 보기 앞서 이제 구체적으로 어떤 이론을 이용해야하는가를 살펴야합니다.
전기장과 자기장이 관계가 있다는 것을 알았으니 "전자기 유도 현상" 을 알아봅시다.

하나도 안어려워요.

동영상 한방이면 됩니다.

전류가 생기면 위의 몸무게처럼 생긴게 왓다리 갓다리 거립니다.
코일사이로 자석이 왔다리 갔다리 하니까 전류가 흐르죠?

자석이 가지고 있는 자기장이 전류를 만들어 냈군요.

발전기

혹시 발전기가 전자기 유도 법칙의 핵심이란 사실을 아시나요?
사실은 석탄, 우라늄, 낙수차를 이용해서
코일(혹은 자석)을 계속 움직이게 하는 거에요.
그러면 전류가 흐를 것이고 그 에너지를 저장하는 것이랍니다.
물론 자석의 크기, 코일의 크기는 어마 어마 하겠죠?

좋은 영문 자료가 있어서 첨부합니다.
1분 55초부터 2분 30초까지 보시면 되겠습니다. 하핫

무선 충전기술

우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 제품이죠?
이것도 전자기 유도현상을 이용한 것이에요.
충전패드에는 코일이 감겨져 있습니다. 그리고 콘센트가 있지요.
이것이 무얼 의미하나요?

전기를 이용해서 코일을 지나면 자기장이 만들어진다.

그렇죠? 그러면 이 만들어진 자기장이 핸드폰에 어떤 영향을 줘야겠네요?

만들어진 자기장이 휴대폰 내 코일을 지나면서 전기를 생산한다.

도식화하면 아래와 같습니다.

자기 부상열차

기존의 열차의 경우
너무 속도가 빨라지면 바퀴가 헛도는 경우도 있고
마찰 때문에 에너지 소모가 너무 심합니다.

그에 대한 대안으로 자기부상 열차라고 들어보셨나요?
철로에 바퀴가 닿지 않아 마찰도 별로 없고
헛도는 바퀴가 없기 때문에
속도가 역시 굉장히 빠르죠.

이 열차의 대표적인 원리는 전자석을 이용한 것입니다.
전자석이란 코일을 돌돌돌 감아주고 전류를 가하면 자석이 되는 것이에요.
(전류를 주니 자기의 성질을 가져버리네요??)
따라서

전류를 가할때는 자석으로 만들어주고
전류가 없을 땐 그냥 돌덩어리죠.
전기와 자기가 서로 연관이 있다는게 보이시나요?

자기부상열차를 운행할 때는 전류를 가해서 공중에 떠있게 하고
운행하지 않을 때는 전류를 가하지 않으면 되겠죠?
그 원리는 아래와 같습니다.

마치며

전자기장!
말은 어려웠는데 생각해보면 참 별거 아니죠??
사실 쭉 공부하다보면(특수상대성이론에서) 결국 둘은 하나라는 것을 배우게 됩니다.
처음에 보여드렸던 화분도 이 원리를 이용했다는 것을 이해하셨으리라 생각해요.

전기장과 자기장은 서로 관련이 있다.
따라서 많은 전기전자제품들이 이러한 원리를 이용하고 있다.

라는 요것이 핵심입니닷!

@radiologist 님의 글을 보고 무선 충전기술에 대한 글을 자세히 작성하였으나.. 대부분의 독자분들께서 기존의 글들이 어렵다고하셔서 삭제했습니다. ㅎㅎ 저는 전공자니까 이정도면 쉬운줄 알았는데 어려웠다니 솔직히 조금 놀랐어요. 아무래도 이제 캐릭터도 생겼으니까 대화형식으로 쉽게 쉽게 풀어야겠습니다.
< 그나저나... 수식 없이 쉽게 풀어내는 것이 이렇게 어려운 건줄 몰랐네요...>

항상 피드백 해주시는 분들께 감사드립니다. 읽어주신분들께 감사의 말씀 전하면서 저는 다음에 뵙겠습니다!!

참고문헌
아인슈타인
외르스테드
페러데이