[전자기학 정리] 1.1 Introduction to Electromagnetics

1. 전자기학이란?

David K. Cheng의 "Field and Wave Electromagnetics"에서는 전자기학이라는 학문을 아래와 같이 이야기합니다.

"Study of the effects of electric charges at rest and in motion"

 

즉, 전하(electric charges)의 정지상태와 운동상태에 따른 효과를 공부하는 학문이라는 뜻이죠! 이후에 더 구체화하여 배우겠지만 미리 정리를 해보자면 전하가 정지상태에 있을 경우에는 전기장을 형성하고, 전하가 움직일 경우에 전류를 만들어 자기장을 형성합니다. 지금 단계에서는 매우 러프하게 설명한 것이니 일단은 그렇구나 하고 넘어가시면 됩니다.

 

 

2. 회로이론과 전자기학의 관계

회로이론은 전자기학의 특수한 케이스입니다. 이 책의 7단원에서 자세한 설명이 나오지만 미리 간단하게 언급하자면 전자기학의 "quasi-static"한 case를 회로이론이라고 말합니다. 우리말로 번역하면 "준정적 상태"라고 번역이 되는데요. 위키피디아의 설명에 따르면 quasi-static이란 동적인 영향을 무시하고 물체가 정적인 상태에 있다고 가정하여 정해석으로 단순화 시키는 것을 quasi-static approximation이라고 합니다.

 

그러면 자연스럽게 이런 궁금증을 가질 수 있습니다. "도대체 뭐가 동적이었는데 정적이라고 가정을 한거지??" 정답은 바로 공간에 따른 신호의 변화입니다! 이렇게 말하면 어려울 수 있으니 예를 들며 풀어서 이야기를 해보겠습니다.

 

아래 그림과 같은 회로 보드가 있다고 생각을 해볼까요? 이러한 보드의 경우 우리가 사용하는 전자기기 내부에서 동작을 해야 하기 때문에 최대한 작게 만들어야 합니다. 이때 예를 들어 1 GHz (파장 = 29.98 cm)의 주파수를 갖는 정현파(사인파)로 동작하는 회로를 생각해 보겠습니다. 이 경우 신호가 소자 하나 또는 논리 게이트 하나를 지났다고 해서 크게 변화하지 않습니다. 5 V였던 신호가 4.999999 V가 되었을 수는 있겠지만 이를 큰 차이라고 볼 수는 없겠죠. 그러니 이런 작은 차이를 무시하고 계산을 하자라는 것이 quasi-static approximation이고 우리가 회로이론을 배우면서 맨 처음부터 가정했던 원리인 것입니다.

사진: Unsplash 의 Kilian Seiler

 

반면 전자기학에서는 이런 quasi-static을 가정할 수 없습니다. 이것도 마찬가지로 그림을 보면서 생각을 해보겠습니다. 아래 그림은 전자기학의 대표적인 응용 분야인 안테나입니다. 이런 안테나의 경우에는 무선 통신에서 사용되는데 전파를 멀리멀리 보내야할뿐만 아니라 멀리서 오는 신호들을 받는 역할을 하죠. 이 경우에 mmWave 대역의 주파수(30~300GHz)를 사용한다고 가정해 보면 신호가 공간을 따라 전파(propagation)되면서 크게 변화할 것이라는 것을 쉽게 상상할 수 있습니다. 그렇기 때문에 우리는 전자기학을 회로이론 때처럼 단순히 스칼라 계산으로 풀 수 없습니다.

사진: Unsplash 의 Lamna The Shark

 

정리를 하면 회로이론의 경우에는 회로를 지나도 신호가 크게 변화하지 않아 공간에 대해 신경 쓸 필요가 없지만, 전자기학의 경우 공간에 대해 고려를 해줘야한다는 것입니다. 이에 따라 앞으로는 벡터를 이용해서 공간에 따라 장이 어떻게 형성되고 어떻게 파동이 진행이 되는지에 대해 전자기학을 공부해나갈 것입니다.