전자기학(Electromagnetics)은 전기장과 자기장의 상호작용을 연구하는 학문으로, 전기전자공학, 물리학, 통신공학, 반도체 공학 등 다양한 공학 분야에서 필수적인 개념입니다. 공학도를 위한 전자기학의 핵심 개념을 정리하면, 실무와 연구에서 더욱 효과적으로 활용할 수 있습니다. 본 글에서는 공학도가 반드시 알아야 할 전자기학의 필수 개념 10가지를 소개합니다.
1. 전기장(Electric Field)
전기장은 전하(Charge) 주변에서 발생하는 공간상의 힘의 장(Field)으로, 전하 간의 인력을 설명하는 중요한 개념입니다.
전기장 공식: E = F / q
전기장은 정전기학(Statics)뿐만 아니라 반도체 소자, 센서, 무선 통신 등 다양한 기술에서 활용됩니다.
시험 전하가 느끼는 전기력을 시험 전하의 전하량으로 나눈 값이 전기장을 의미한다. 어느 전하가 다른 전하에 전기력을 가할 때 전기력을 매개해 줄 공간이 필요하여 만든 개념입니다.
2. 전위 전압(Electric Potential and Voltage)
전위(Potential)는 전기장이 특정 지점에서 하는 일을 나타내며, 전압(Voltage)은 두 지점 간 전위 차이를 의미합니다.
전위차 공식: V = W / q
전압은 전자 회로 설계와 배터리 기술, 전력 시스템 등에 필수적인 개념입니다.
3. 자기장(Magnetic Field)
자기장은 전류가 흐를 때 생성되는 장으로, 모터, 발전기, 트랜스포머 등의 작동 원리를 이해하는 데 중요합니다.
자기장 공식: B = μ₀(I / 2πr)
4. 패러데이의 전자기 유도 법칙(Faraday's Law of Electromagnetic Induction)
전자기 유도는 자기장의 변화가 전압을 유도하는 현상으로, 발전기와 무선 충전 기술의 핵심 원리입니다.
패러데이 법칙: ε = -dΦ/dt
5. 맥스웰 방정식(Maxwell’s Equations)
전자기학의 기본 원리를 수학적으로 정리한 4가지 방정식으로, 모든 전자기 현상을 설명하는 데 사용됩니다.
- 가우스 법칙 (Gauss's Law)
- 가우스 자기 법칙 (Gauss's Law for Magnetism)
- 패러데이 법칙 (Faraday’s Law)
- 암페어-맥스웰 법칙 (Ampère-Maxwell Law)
6. 전자기파(Electromagnetic Waves)
전자기파는 전기장과 자기장이 수직으로 진동하며 전파되는 파동으로, 무선 통신, 광학, 의료 영상 기술 등에 활용됩니다.
전자기파의 속도 공식: c = 1 / sqrt(ε₀μ₀)
7. 전자기파 스펙트럼(Electromagnetic Spectrum)
전자기파는 주파수에 따라 다양한 용도로 활용됩니다.
- 라디오파(Radio Waves) – 방송, Wi-Fi, 통신
- 마이크로파(Microwaves) – 5G, 레이더
- 적외선(Infrared) – 적외선 센서, 원격 제어
- X선(X-rays) – 의료 영상, 공항 보안
8. 안테나 및 전파 이론(Antenna and Wave Propagation)
안테나는 전자기파를 송수신하는 장치이며, 전파 이론은 신호의 전파 특성을 연구하는 분야입니다.
5G·6G 통신, 위성 네트워크, 레이더 시스템 등에 필수적인 개념입니다.
9. 공진 및 공진 회로(Resonance and Resonant Circuits)
공진(Resonance)은 특정 주파수에서 시스템이 최대 에너지를 전달하는 현상입니다.
무선 충전, 필터 설계, RF(Radio Frequency) 회로에서 중요한 개념입니다.
10. 자기부상 및 무선 전력 전송(Magnetic Levitation & Wireless Power Transfer)
자기 부상 열차, 전기차 무선 충전 기술은 전자기학의 응용 중 하나로, 전자기 유도와 공진 현상을 이용합니다.
결론
공학도를 위한 전자기학 필수 개념 10가지는 전기전자 공학뿐만 아니라 통신, 반도체, 의료, 에너지 산업에서 널리 활용됩니다. 이 개념을 확실히 이해하면 실무와 연구에서 더욱 효과적으로 응용할 수 있습니다.