세상을 지배하는 힘 전자기력

힘의 4대 천왕 중 가장 우리와 밀접한 전자기력

전기 전기.. 일상에서 너무 쉽게 접하는 말들이지만 막상 그게 머냐고 물어보면

그냥 어렴풋이 어떤 전기적 힘... 이 정도로 떠올려지는데 힘의 근원은 다음과 같다.

일단 전하에 대해서 알아야 하는데

전하는 전기적 성질을 말하며 + 와 -로 나뉜다.

다음과 같이 양성자가 5개이고 전자가 5개인 원자가 있다고 치면

+와 -가 균형을 이루니 전하는 0이고 전기적으로 중성을 뛴다.

만약 이때 전자를 잃어버리면 +쪽이 많이지니 +전하가 되고

전자를 하나 더 가지게 되면 -전하가 된다. 즉 전체적인 전기적 성질이 전하가 된다.

그리고 이렇게 중성을 띠던 원자가 +,-가 되는 것을 이온화라고 한다.

그리고 이런 양전하와 음전하가 만나면 힘이 작용하게 되는데 이게 전기력이다.

위와 같은 공식으로 전기력을 계산한다. 그리고 여기서 힘의 장이 만들어지는데 그것이 전기장이다.

장이란 힘이 미치는 영역이라고 생각하면 쉽다.

전기장의 예를 보자

+전하만 있을때에 전기력선은 바깥쪽으로 향하게 된다. 화살표의 방향은 힘이 미치는 방향이다.

-전하만 있을때에는 힘이 안쪽으로 작용한다.

+,- 전하가 같이 있으면 가까이 있는 전기력선은 상호 작용하게 된다. 즉 인력이 작용한다.

같은 전하끼리 만나면 서로 싫어하기 때문에 척력이 발생한다.

그리고 위의 + 전하의 근처에 또다른 + 전하가 있을때 미는 힘이 작용하는데 위의  A 지점과 B의 지점에다가 오른쪽 q를

옮길려고 한다면 당연하게 A지점쪽에 가져다 놓기가 힘들다. 이것이 전위이고 A,B의 전위차가 곧 전압이 된다.

A에 있는게 불편하니 B로 자연스럽게 전하가 이동하는 것이다. 이런 원리를 뒤죽박죽 잘 이용한게

전기력이고 아래 처럼 일을 할 수 있는 것이다.

도선에는 양전하와 자유전자가 존재하게 되는데 이것이 가만히 있을때는 정렬히 되어 있지 않다가

전지의 -극에서 전자를 공급해주면 미는힘이 발생하고 도선의 전자들이 +극을 향하여 신나게 달려간다.

+극은 양전하가 있으니 밀려오는 전자들을 신나게 당겨준다. 이것이 일을 하게끔 하는 것이다.

즉 전류란 전자의 이동. 즉 전하가 흐르게 된다. 이 전하의 양을 가지고 몇 암페어니 머니 전류의 세기를 말하는 것이다.

그리고 애초에 전자를 이동하게 만든 힘을 위에서도 말했지만 전압이라고 한다.

그리고 전선을 구리와 은으로 만들면 전류가 매우 잘 통한다는 것을 알고 있을텐데 얘네들이 이 모양으로 생겨서

자유 전자가 쉽게 발생하기 때문이다.

젤 바깥쪽 껍질 전자가 딱 봐도 잘 떨어지게 생겼고 이놈이 자유전자가 되어서 전자를 잘 이동 시킬 수 있는것

그리고 위의 전선 주위에다가 철가루를 뿌리면 이렇게 원형으로 철가루가 배열되게 되는데 이것을 자기장이라고 한다.

자기력은  젤 먼저 떠올라지는게 자석인데. 왜 전류를 흘렸는데 자기장이 생길까??

일단 자기력선이 바깥쪽을 향하는 것이 N극이고 안쪽으로 들어오는 것이 S극이다.

근데 이놈들의 자기력선 모양이 전기장에서 봤던 전기력선이랑 비슷하지 않은가??

그리고 희안하게 자석은 아무리 잘게 잘라도 N극과 S극은 끝까지 유지가 된다..

심지어 원자가 될때까지 잘라도 말이다. 그래서 과학자들이 다 잘라보다가 재밌는 실험을 하나하게 되는데

자석과 자석 사이에 작은 자석을 통과 시키면 양쪽에 인력 척력 때문에 영향을 받는것이 당연한데

이 작은 자석을 방향을 이래 저래 바꿔서 통과 시키면

이렇게 제각각 붙게 된다.

근데 전자를 가지고 이짓을 해보니까 ( 빨간놈이 전자 )

이렇게 두개의 극성만 뛰는 것이었다. 그래서 이놈을 전자의 스핀때문에 일어난거라고 치자라고 해서

스핀 양자수라는게 도입되었다. 즉 에라이 모르겠다 현상이 그러니까 대충 그럴듯한 말로 때우자는 것

즉 원자 자체가 N극과 S극을 가지는 작은 자석이다.

어릴때 자석을 가지고 놀다보면 잘 붙는 물질이 있고 안 붙는 물질이 있는 애들이 있는건 다들 알고 있지 않은가?

그것이 물질에 따라 강자성, 상자성, 반자성이라고 하는데 쉽게 풀어쓰면

잘 붙는것, 잘 안 붙는것, 싫어하는 것 정도인데 아래 그림을 보면

N과 S극이 어떻게 정렬 되어 있는지에 따라 그렇게 반응하는 것이다.

즉 원자하나가 작은 자석이라 했으니 외부 N극 S극과 짝을 잘 맞춰서 S극 N극으로 정렬이 되어 있으면

그놈은 강력하게 끌려가고. 심지어 자기 조차도 자석이 되어 버린다. 왜냐하면 스핀이 정렬되어 버렸기 때문

자 이제쯤 되면 눈치까게 되었을텐데 전류의 흐름은 바로 이 원자의 자석의 스핀을 정렬 해버려서 전선 주의에

자기장을 형성하게 된다. 반대로 자석을 전선 근처에 왔다리 갔다리 하면 전자들이 왔다리 갔다리 할 것이고

전류가 흐르게 된다. 이것을 전자기 유도라고 한다.

즉 애초에 전기력과 자기력은 서로 친구 사이였던 것이다.