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1. 개요
전자기학(電磁氣學, Electromagnetism)은 전하(electric charge)가 정지해 있거나 움직일 때(at rest and in motion)[1] 주변 공간에 미치는 힘을 연구하는 물리학의 하위 학문이다.2. 역사
전자기력은 강력, 약력, 중력과 함께 세상을 구성하는 네 가지 기본 힘 중 하나다. 보통 전자기력을 설명하기 위해서 전기장이나 자기장과 같은 개념을 사용한다. 그전까지는 서로 상관이 없는 것으로 생각되었던 전기력과 자기력을 마이클 패러데이의 실험 결과를 토대로 하여 제임스 클러크 맥스웰이 수학적으로 엄밀한 정의를 내려 통일해내어 전자기력을 정립하게되면서 만들어진 학문이다.맥스웰은 물리학 역사상 최고의 천재 과학자 중 하나임에는 이견이 없지만, 뉴턴이나 아인슈타인과 같은 과학자들과 비교하면 일반인들에게는 인지도가 훨씬 떨어지는 것이 사실이다.[2] 사실 맥스웰이 유명하지 않은 가장 큰 이유는 맥스웰의 방정식이 깔끔하고 거의 완벽하여[3][4] 이견의 여지가 (거의) 없기 때문에 언급될 일이 별로 없어서이다. 하지만 물리학을 좀 더 배우기 시작하고 슬슬 장 이론이나 상대성 이론에 다다랐을 때는 뉴턴의 역학보다 오히려 자연계의 현상을 더 잘 설명하는 학문이라는 것을 알게 된다. 그리고 그 심오함과 깔끔함에 감탄하게 된다.
3. 필요성
물리학 전공자라면 사실상 마스터를 요구한다. 전기공학, 전자공학 전공자들 역시 전기전자공학의 근간을 이루는 중요한 과목인 관계로 대다수의 학교에서 선택과목이 아닌 필수과목으로 지정을 해놓는다.[5] 아무튼 전자기학을 마스터 했다고 말하기 위해선 맥스웰 방정식을 이용하여 주어진 조건하에서 고차원적으로 응용할 수 있어야 한다. 다만 물리학과 전기전자공학은 쓰는 교재도 다르고 가르치는 스타일도 다르다. 물리학에서는 수식에 대한 해석을 바탕으로 한 의미 파악 및 공식 유도 혹은 소립자의 움직임에 대한 수식 표현법 등이 학문의 주된 목적이라면, 공학에서의 전자기학은 실생활에서의 활용을 위해 주어진 방정식을 바탕으로 한 응용문제에 대한 해법을 찾는 것을 주 목적으로 두고 가르친다. 전기전자공학은 공학적인 응용이 목표라서 공식을 죽어라 외우면 어느 정도 해결이 가능한 측면이 있다. 물리학과는 물리학적인 직관을 많이 요구하기 때문에 연습 문제 스타일도 다르고, 공식을 외우는 방식으로는 한계가 아주 뚜렷한 편이다.전기전자공학과 학생들의 최대의 위기[6]이며, 부동의 재수강률 1위로 손꼽힌다. 다만 일반물리에서 전자기학을 열심히 공부해 두었다면 너무 겁먹을 필요는 없다. 또한 높은 재수강률답게 전반적으로 하향평준화가 많이 이루어지는 과목이라 다소 낮은 점수대를 받았음에도 불구하고 생각보다 높은 학점이 나오는 경우도 많다.[7][8] 그리고 교수의 성향에 따라 상당히 많이 갈리는 과목이기도 하니, 교수를 잘 선택하는것도 좋은 방법. 심지어 매우 드물긴 하지만 전기기사 스타일로 가르치는 교수도 존재한다. 이 경우 학점은 충분히 보장받을 수 있으나 상대적으로 학문의 깊이라는 측면에서 다소 아쉽다. 자신의 진로 등을 감안해 잘 선택하자.
전기자기학은 공학용계산기가 없으면 사실상 손으로 풀기가 굉장히 힘들다. 전기자기학 안에서도 공학용계산기로도 못푸는 문제들이 있기도 하다. 전기자기학이나 회로이론을 할 때에는 공학용계산기가 필수이니 꼭 구매하길 바란다. 즉 전기전자공학과에 왔다면 공학용계산기를 2학년 들어가기 전에 장만해야 한다.
선수과목으로는 보통 미적분학을 요구한다. 참고로 미분방정식, 선형대수학, 벡터해석학을 공부해두면 이해하는 데 도움이 된다.
4. 배우는 내용
물리학과와 전기전자공학과에서 배우는 내용이 갈리는데, 기본 베이스인 맥스웰 방정식과 전자기파까지는 똑같지만 그 뒤의 내용은 물리학과 공학의 지향점이 다르기 때문에 매우 판이하다.어느 과에서나 공통적으로 배우는 내용들.
- 벡터미적분학(Vector Calculus) 등 전자기학을 배우는 데 필요한 기본 수학 지식[9]
- 정전기학(정전장, electrostatic field)[10]
- 정자기학(정자장, magnetostatic field)[11]
- 물질 속에서의 전기장과 자기장
-
맥스웰 방정식
전자기학의 알파이자 오메가. 전하와 전류, 전기장과 자기장에 관한 4개의 방정식이다. 전자기학을 배운다고 하면 일차적인 목표는 바로 이 맥스웰 방정식의 이해에 있을 정도로 매우 중요하다고 할 수 있다. 자세한 내용은 항목 참조. -
전자기파[12]
전자기학의 또 다른 비기. 위의 맥스웰 방정식을 배우고 나면 바로 적용되는 예시로, 곧바로 광학과도 직결되는 테마이자 공학에서도 빠지면 섭섭한 필수요소이다. - 포인팅 벡터
-
전자기파 방사
전하가 가속하면 전자기파를 만들게 되므로 그 생성원리와 응용에 대해 배운다.
공대에서 배우는 것들. 공학답게 위에서 배운 내용들을 직접 활용하게 되는 물건들을 배운다. 공대에서는 전자기학 과목만으로 그치지 않고 초고주파공학 같은 더 응용된 전공과목들이 개설되어 있다. 즉, 주야장천 만나게 된다는 소리. 특히 전기전자공학과에서는 졸업할 때까지 계속 전자기학을 사용하게 된다.
물리학과에서 전자기학 이론 자체를 파고들 때 배우는 내용.
-
보존 법칙 (에너지, 운동량, 각운동량 등)
맥스웰 변형 텐서 등을 비롯하여 전자기장 자체가 가지는 운동량과 각운동량에 대해 배우고, 자기장에 대해 뉴턴의 작용-반작용이 성립하지 않는 것처럼 보이는 현상을 해결할 수 있다. -
포텐셜
전자기장의 게이지 변환, Liénard-Wiechert 포텐셜[13] -
상대성 이론
로렌츠 변환, 상대론적 역학, 상대론적 전자기학
단, 교재에 따라서 일부 내용을 서로 맛보기 식으로 소개되어 있을 수도 있다.
5. 전공서적
6. 각종 자격증 시험에서의 출제
전기산업기사, 전기기사, 전자기사나 변리사 등 여러 자격증 시험에 포함된 과목이다. 대학교에서 보여주는 그 악몽이 어디 가질 않아 비교적 쉽지 않은 편이다. 특히 대학교에서 미리 공부한 학부생과 현장에서 실무만 하다가 자격증 습득을 위해 생판 처음 전자기학이라는 것을 접하게 된 어르신들의 갭이 가장 큰 과목으로 꼽힌다. 하지만 자격증 시험에서 취급하는 전자기학은 이론의 유도과정의 이해가 쉽지 않다 뿐이지 정작 문제 패턴은 비교적 정형화된 편이라, 공식과 문제만 달달 외워도 과락은 면할 수 있는 편이고 실제로도 전기기기나 KEC 등에서 과락이 많이 나오지 여기선 과락이 거의 뜨지 않는다. 더구나 학부와 다르게 문제풀이에 있어 높은 수학 실력을 요구하는 것도 아니다. 따라서 전기전자공학 전공자 출신은 전자기학 과목에서 80~90점 가량의 고득점을 많이 받는다. 과목의 특성상 처음 강의를 수강하거나 독학할 때의 진입장벽이 크게 느껴지지만(특히 비전공자의 경우) 시간과 노력만 들이면 누구나 할 수 있다. 유도과정에서는 미적분이 쏟아져 절망스럽지만 실제 문제에서는 단순 공식을 물어보는 보기나 공식만 외워서 대입하는 식의 문제가 많다. 그리고 전기파트와 자기파트가 용어의 차이만 있을 뿐 중복되는 내용이라 실제로 외워야하는 양은 반으로 줄어든다는 점도 있다. 전기기사, 전자기사의 경우 실기 시험에는 전혀 나오지 않는다 봐도 무방하다. 변리사 2차 선택과목에서도 나오는데, 전기전자공학 전공자들은 대부분 비교적 점수 얻기 쉬운 회로이론을 선택하기 때문에 선택 비율은 높지 않은 편.6.1. 국가기술자격시험
- 전기기사, 전자기사, 전기철도기사, 전기산업기사, 전기철도산업기사 - 과목명이 전기자기학이다.
- 전자산업기사 - 단독과목이 아니고, 회로이론과 한 과목으로 묶여 있어서, 과목명이 전자기학 및 회로이론이다.
- 소방설비기사, 소방설비산업기사(전기분야) - 단독 과목이 아니고, 소방전기일반이라는 과목의 내용으로서 출제된다.[14]
[1]
크게 세 경우로 구분된다. 1.
정지해 있는 전하(정전장) / 2.
등속직선운동하는 전하(정자장) / 3.
가속도운동하는 전하(전자기장)
[2]
물론 물리학이나 전기전자공학을 전공하는 사람들에게는 맥스웰이 뉴턴, 아인슈타인 못지않은 높은 인지도를 갖고 있으며 이들 중에는 맥스웰을 모르는 사람이 거의 없다.
[3]
최소한
눈에 보이는 스케일의 현상은 거의 완벽하게 설명할 수 있다. 하지만 원자 스케일까지 가면 이것조차 먹히지 않아서
양자역학을 사용해야 한다. 눈에 보이는 스케일에서도 몇 가지 예외가 있기는 한데, 가장 대표적인 것이
영구 자석. 고전 전자기학으로는 강자성을 설명할 수 없기 때문이다.
[4]
고전물리학이라는 것은 고전역학+전자기학이다. 이 범위를 넘어서는 게 현대물리학에서 대두되는
상대성 이론과
양자역학이다.
[5]
전자기학 1, 2로 나뉘는데 전기에 대해 다루는 1은 무조건 필수과목이지만 2의 경우 전기가 아닌 자기와 전자기파에 대해 다룬다는 이유로 선택과목으로 지정하는 학교도 있다. 그러나 애초에 전기와 자기가 분리된 개념이 아니기 때문에 전기를 알기 위해선 자기와 전자기파도 알아야 하고 따라서 2도 웬만해선 듣는 게 좋다. 물론 응용수학에 가까운 (RF를 제외한) 통신, 신호처리나 컴퓨터 쪽으로 간다면 굳이 필요없는 건 사실이기 때문에 2는 안 듣는 사람들도 종종 있다.
[6]
물리학과도 마찬가지지만, 거기는 이보다 더 어려운
양자역학이 기다리고 있다.
[7]
중간고사를 그럭저럭 보고 기말고사에서 폭망했는데 A0가 나왔다던가...
[8]
이는 대부분의 대학에서 평점을 상대평가로 매겨서 그렇다. 물론 상대평가라도 등급별 최대상한선까지 주지 않을 수 있으나, 취업난 등을 이유로 이런 경우는 드물다.
[9]
벡터의
내적과
외적, 스칼라 삼중곱과 벡터 삼중곱, 직교
좌표계(데카르트 좌표계, 원통좌표계, 구좌표계), 선적분, 면적분, 부피적분, 벡터의 선형변환, metric coefficient,
델(나블라) 연산자(그레이디언트, 다이버전스, 컬, 라플라시안),
발산 정리,
스토크스 정리, two null identities(퍼텐셜 함수를 갖는 보존장일 조건, 회전 운동의 원동력이 되는 조건), 헬름홀츠 정리
[10]
전하가 정지해 있는 경우
[11]
전하가 등속직선운동하는 경우, 즉 직류 전류가 흐르는 경우
[12]
전하가 가속도운동하는 경우, 즉 교류 전류가 흐르는 경우
[13]
전자기파가 즉시 전달되지 않고 광속이라는 유한한 속도로 전달되므로 이를 고려해서 기술한 전하의 포텐셜.
[14]
소방전기일반은 전기기사의 세 과목인 회로이론 및 제어공학, 전기자기학,
전기기기를 총집약한 과목이다.