물리학과, 전기전자공학과 학생들의 최대 위기의 근원이자 부동의 재수강률 1위 학점 브레이커
흔히들 하는 말로 인간이 풀 수 있는 가장 어려운 학문. 유체이탈이나 난류, 양자역학은 어려운 게 아니라 안 되는 것. 카오스 이론은 신도 포기했다
컴퓨터, TV, mp3, 핸드폰까지 전자기학이 들어가지 않은 전자기기는 없다.
1 개요
이전에 분리되어 있던 전기력과 자기력을 패러데이의 실험 걸과를 토대로 제임스 클러크 맥스웰이 통일해 전자기력을 정립하면서 같이 정립한 학문. 식 4개의 결과를 몇백 페이지에 걸쳐 죽도록 배워야 되는 학문. 방금 너희가 본 연습문제는 간단해 보이지만 자그마치 3개의 치환 적분이 합쳐진 컴비네이션
물리학, 전기공학이나 전자공학 정보통신공학도 배웁니다!도라면 무조건 마스터해야 하며 맥스웰 방정식을 이용하여 주어진 조건 하에서 고차원적으로 응용을 할 수 있어야 한다.
맥스웰은 물리학 역사상 최고의 천재 과학자 중 하나임에는 이견이 없지만 뉴턴이나 아인슈타인과 같은 과학자들과 비교하면 사실 인지도가 일반인에겐 떨어지는 것이 사실이다. 오히려 어떻게 보면 맥스웰이 유명하지 않은 이유는 맥스웰의 방정식이 깔끔하고 거의 완벽하여[1][2] 이견의 여지가 (거의)없기 때문에 언급될 일이 별로 없어서이다. 하지만 물리학을 좀더 배우기 시작하고 슬슬 장 이론이나 상대성 이론에 다다랐을때는 뉴턴의 역학보다 오히려 자연계의 현상을 더 잘 설명하는 학문이라는 것을 이전 전자기학 내용을 이해한다는 가정하에 알게된다. 그리고 그 심오함과 깔끔함에 감탄하게 된다. 하지만 대부분은 깨닫기전에 정신이 갈려나가는 느낌을 받을 것이다
선수과목으로는 당연히 미적분학 및 공학수학을 요하며 회로이론까지 넣기도 한다.
2 배우는 내용
물리학과와 전기/전자공학과에서 배우는 내용이 갈리는데, 기본 베이스인 맥스웰 방정식과 전자기파까지는 똑같지만, 그 뒤에 내용은 물리학과 공학의 지향점이 다르기 때문에 매우 판이하다.
어느 과에서나 공통적으로 배우는 내용들.
- 벡터 미적분학 등 전자기학을 배우는데 필요한 수학.
- 정전기학
- 정자기학
- 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 : 전자기학의 또다른 비기. 위의 맥스웰 방정식을 배우고 나면 바로 적용되는 예시로, 곧바로 광학과도 직결되는 테마이며 공학에서도 빠지면 섭섭한 필수요소이다.
- 포인팅 벡터
- 전자기파 방사 : 전하가 가속하면 전자기파를 만들게 되므로 생성원리와 응용에 대해 배운다.
공대에서 배우는 것들. 공학답게 위에서 배운 내용들을 직접 활용하게 되는 물건들을 배운다.
공대에서는 전자기학 과목만으로 그치지 않고 초고주파공학 같은 더 심화 및 응용된 전공과목들이 개설되어 있다. 즉 주구장창 만나게 된다는 소리(...)
물리학과에서 전자기학 이론 자체를 파고들 때 배우는 내용.
- 보존법칙(에너지,운동량,각운동량 등) : 맥스웰 변형 텐서 등을 비롯하여 전자기장 자체가 가지는 운동량과 각운동량에 대해 배우고, 자기장에 대해 뉴턴의 작용-반작용이 성립하지 않는 것 '처럼' 보이는 현상을 해결할 수 있다.
- 포텐셜 : 전자기장의 게이지 변환, Liénard-Wiechert 포텐셜[3]
- 상대성 이론 : 로렌츠 변환, 상대론적 역학, 상대론적 전자기학
단, 교재에 따라서 일부 내용을 서로 맛보기 식으로 소개되어 있을 수도 있다.
3 참고할 만한 도서
일렉트릭 유니버스 (전기는 세상을 어떻게 바꾸었는가) 책 보기
David K. Cheng, 이택경 옮김, <<Cheng의 전자기학>>, 성진미디어, 2013.책 보기
원서 : David K. Cheng, <<Field and Wave Electromagnetics>>, 2nd edition, Pearson Education, 1989.책 보기
주로 공대에서 많이 보는 책이다. 뒷부분이 바로 위의 도파관, 안테나 등의 예시를 다루고 있다.
David J. Griffiths, 2012, Introduction to Electrodynamics, ISBN-10: 0-32-185656-2
수학적 기반인 vector analysis부터 시작하여 전개를 이룬다. 공업수학과 일반물리학을 이수하였다면 독학도 가능할 만큼 친절한 책이다.[4] 그리고 그 유명세만큼 물리학과의 전자기학 강의를 책임지는 교재이며, 보통 책 한 권을 2학기에 나눠서 배우게 된다.
John R. Reitz et al, Foundations of Electromagnetic Theory
학부교재 중에서는 수식전개와 문제가 어려운 축에 속한다. Griffiths에서 안다루는 회로이론과 플라즈마 등도 간단히 다룬다. 요즈음은 거의 Griffiths를 사용해서 사장되는 추세이다.
John David Jackson, Classical Electrodynamics
물리학과 커리큘럼 교재들 중 최악의 난이도를 자랑한다. 딱히 대안이 몇 없어서[5] 거의 모든 대학원 교재로 사용중이라 물리학과 대학원 진학 예정자들을 공포에 몰아넣는 책이다.
해외에서도 굉장히 악명 높은 모양인지, 다운폴 패러디까지 등장했다.# ??? : 정확한 해는 sperical Bessel functions를 써야 합니다
Zangwill, A. (2013). Modern Electrodynamics
대학원 전자기학 과목에서, 잭슨 말고 새로운 교재를 쓰시고 싶어하는 교수님들이 자주 택하는 교재다. 출판된 지 얼마 안 된 신간이니 만큼 호불호가 매우갈린다. 미국 대학원에서는 이 책을 많이 활용하는 추세이다.
Balanis C.A. (2012) Advanced Engineering Electromagnetics
전기전자공학 대학원용 전자기학으로 많이 쓰는 교재로, 전자기학 문제를 풀기 위한 다양한 정리(Theorem)를 배우고 레이더 반사 면적이나 도파관, 안테나에 대한 문제를 자세히 다룬다.
4 관련 항목
- ↑ 최소한 눈에 보이는 스케일의 현상은 완벽하게 설명할 수 있다. 하지만 원자 스케일까지 가면 이것조차 먹히지 않게 되고, 양자역학을 사용해야 한다.
- ↑ 고전물리학이라는 게 뉴턴역학+전자기학이다. 이 범위를 넘어서는 게 현대물리학에서 대두되는 상대성 이론과 양자역학이다. 물리학참조.
- ↑ 전자기파가 즉지 전달되지 않고 광속이라는 유한한 속도로 전달되므로 이를 고려해서 기술한 전하의 포텐셜
- ↑ 한국어 번역본도 존재한다.
- ↑ 양자역학/통계역학(정확히 말하면...고체물리) 중심의 분야들은 이정도로 극악스러운 난이도의 전자기 공부가 필요한 랩이 많지 않지만, 입자/플라즈마 분야의 경우 이 책 이외의 대안이 몇 없다.