전기장과 자기장이란 무엇인가
전기장, Electric Field
빛을 시작시키는 그 첫 번째 여정, 과연 전기장이란 무엇인가?
지금부터 2600년전, 그리스 사람들은 호박(그리스어 elektron, 노란빛의 보석)을 천으로 문지르면 깃털이나 실오라기 등을 잡아 당기는 것을 알았다!
전기장이다! 호박과 천 사이에 + 와 – 전기가 서로 잡아당기는 힘, 전기장이다!
전기장에 대한 것이 밝혀지기 전까지 사람들은, 외부에서 전혀, 힘을 가하지 않았는데도 저절로 서로 잡아 당기며 움직이는 것들을 보며 놀라워 했다.
당대의 유명한 철학자 탈레스는, 호박에도 어떤 영혼 같은 것이 있다고도 보았다.
이와 함께 어떤 특정한 돌, 곧 자철광, 천연 영구 자석이 쇠붙이를 끌어 잡아 당기는 것을 보며 역시, 놀랍고 신기해 했다.
자기장이다! 천연 영구 자석 내 원자 안에 있는 전자의 스핀이 만들어 내는 N과 S극이 정렬하며 영구 자석이 되어 쇠붙이를 잡아 당기는 힘, 자기장이다!
오랜 시간동안 사람들은 몰랐다!
왜, 호박이 깃털이나 실오라기를 잡아 당기는지, 왜 어떤 돌들이 쇠붙이를 잡아 당기는지!!!
2천년이 지난 1600년, 영국의 의사 길버트가 자철광이나 호박에 대한 여러 가지 실험 끝에 자기와 전기에 대해 본격적으로 연구가 시작되었고, 1822년 파라데이는 ‘자기장은 전기장으로 변한다’ 노트를 기록하며 인간은 드디어 구체적으로 전기장, 자기장에 대해 알아가기 시작한다!!!
와~~~ 1822년이면 불과 200년 전!!!
인간이 전기와 자기에 대해 제대로 알기 시작한 것이 불과 200년!!!
패러데이는 전기와 자기 현상을 설명하기 위해 호박과 깃털 사이, 혹은 자철광과 쇠붙이 사이 그 ‘텅 빈 공간’이 갖고 있는 성질에 장(field)의 개념을 처음으로 도입했다.
곧 공간을 아주 촘촘한 그물 망, 아주 빽빽한 거미줄이 쳐져 있는 것으로 보고 그 망의 한 점 한 점마다 주어진 힘의 크기를 숫자로 표현한 것, 이것이 장이다.
이 모든 것은 전기를 띤 입자부터 시작된다.
+ 전기를 띤 양성자, - 전기를 띤 전자와 같이 전하를 띤 입자 근처에 생겨나는 전기적 힘의 크기가 각 공간 공간 점 점 마다 틀리며
당연히 입자와 가장 가까운 곳에 힘의 세기가 가장 크고 거리가 멀어져 가며 거리의 제곱에 비례해 약해지는, 곧 1m 떨어질때를 1이라 하면 2m 떨어진 곳은 1/4이 되는 힘의 크기, 이것을 표현하는 것이 아래 그림과 같은 전기장이다.
여기서는 아주 듬성 듬성 그렸지만, 실제 10억분의 1m 의 또 다시 10억분의 1, 그것의 또 다시 10억분의 1보다 더, 촘촘한, 위의 그림은 2차원 평면으로 그렸지만 고슴도치 같이 3차원으로 온, 공간으로 퍼져나가는 것, 전기장이다.
+ 전기 근처는 모두 편의상, 나가는 전기장이라 약속하고, - 전기 근처 역시 편의상, 들어오는 전기장이라 약속해서 + +는 나가는 장끼리 서로 밀쳐 반발하며, + - 는 나가고 들어오는 전기장이 힘을 합해 서로 잡아 당기는 것이라 설명한다.
그렇다면, 자기장이란?
이 전기를 띤 물체, 예를들면 전자가 도선 속으로 흐르면 전류가 흐른다고 하고, 흐르는 전류 주변 공간에 오른손으로 감싸는 방향으로 자기장이 형성된다.
이 과정을 프레임 바이 프레임으로 보자.
전자가 오른쪽에 있다가 왼쪽 끝에 + 전압이 걸리면 왼쪽으로 이동하기 시작한다.
전자가 왼쪽으로 흘러가고 있는 중간 모습이다.
전자가 왼쪽으로 최대로 몰려간 모습이다.
이때 전기장의 변화를 보자!
전자들이 왼쪽에 몰려있을 때 위와 같이 전기장의 크기가 분포된다.
전자들이 완전히 평형을 이룬 중간 상태에서는 모든 전기장이 서로 서로 1:1로 대응 상호 힘의 크기가 상쇄되어 전기장이 나타나지 않는다.
자, 최종 모습을 보자! 극성이 완전히 반대가 되며 전기장의 방향도 바뀌었다!
전자들이 이동하며 전기장이 변화되는 수직의 방향으로 자기장이 생겨난다!
즉, 움직이는 전기장이 자기장을 만들어 낸다.
이것을 정리한 그림이 아래 그림이다.
전기장이 움직이지 않으면 자기장은 없다!
(참고) 영구 자석안에는 전기장의 움직임이 없다! 다만 원자 속 전자, 최외곽 전자의 스핀(팽이처럼 도는 것)이 오른쪽이냐 왼쪽이냐에 따라 전자 하나가 완전한 자석이 되며 이 수없이 많은 전자 자석들이 한 방향으로 정렬해 거대 자석의 힘을 만들어 낸다. 그러나 사실상 스핀이란 양자적 설명이지 실제로 도는 지 안도는 지는 모른다, 왜냐하면 전자의 크기가 아직도 공식적으로 ‘0’ 아무 부피가 없는 전자가 팽이처럼 돈다는 것은 의미가 없다. 따라서 아직 모르지만, 한가지 아주 분명한 것은 전자 하나 하나는 분명히 스핀을 갖고 있으며 세상에 있는 모든 전자는 오른쪽으로 도느냐, 왼쪽으로 도느냐 둘 중의 한가지 스핀만을 갖고 있다! 이것이 움직이는 전기장이냐, 아니냐? 모른다! 다만, 전자가 초소형 자석인 것만 실험적으로 이론적으로 확증된 상태이다!
즉, 전기가 자기를 만들어 내기에 비록 전기장과 자기장의 현상들은 완전히 다른 성격을 갖고 있으나 그 근원적인 힘은 같은 곳에서 나온다고 보는 것이다.
그렇다면, 과연 전기장은 어떻게 자기장을 만들어 내는 것일까?
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