전기자기학 핵심 개념 정리 – 정전계부터 전자계까지
진공 중의 정전계와 도체계, 유전체, 자계와 자성체, 전자유도 및 인덕턴스, 변위전류를 포함한 전자계까지 전기자기학의 출제 범위와 학습 요점을 단원 순서에 따라 정리한다.
전기자기학은 전기 현상과 자기 현상을 장(場)의 관점에서 다루는 과목으로, 진공 중의 정전계에서 출발하여 도체계, 유전체, 자계, 자성체와 자기회로, 전자유도 및 인덕턴스를 거쳐 전자계까지 폭넓은 범위를 다룬다. 전하와 전위, 전계와 자계의 기본 개념이 뒤의 모든 단원을 지탱하므로 처음부터 차근차근 다져 두는 것이 중요하다.
정전기 및 정전유도 단원에서는 점전하가 만드는 전계와 전위, 정전유도 현상이 기본이 된다. 도체계의 전하 및 전위분포에서는 전위계수, 용량계수 및 유도계수의 성질과 관계를 이해해야 하며, 접지된 도체 주위의 전하 분포를 다루는 문항도 자주 등장한다. 이때 전기영상법이 강력한 해법이 된다. 점전하와 접지된 도체 구의 문제는 영상전하의 위치와 크기를 어떻게 정하는지가 핵심이다.
유전체 단원에서는 분극도와 전계의 관계가 중심이다. 유전체가 전계 속에 놓이면 분극이 일어나고, 이로 인해 내부 전계가 어떻게 변하는지를 전속밀도와 전계 세기의 관계로 정리한다. 자계 쪽에서는 자석 및 자기유도, 자화의 세기가 기본이며, 자성체와 자기회로 단원에서는 히스테리시스곡선의 성질, 자기 감자력과 평등 자화된 자성체의 관계, 자기회로의 계산이 요점이다. 히스테리시스곡선의 기울기가 어떤 물리량에 해당하는지 묻는 유형도 있으므로 곡선의 각 부분을 정확히 읽을 수 있어야 한다.
전자유도 현상 단원은 패러데이의 유도 법칙과 인덕턴스 계산이 축이다. 자계의 변화가 기전력을 유도하는 원리를 파악하고, 자기 회로와 전기 회로의 대응 관계를 이용하면 인덕턴스 문제를 효율적으로 풀 수 있다. 마지막으로 전자계 단원에서는 멕스웰의 방정식이 전체를 관통한다. 변위전류 개념이 앙페르 법칙을 어떻게 보완하는지, 그리고 각 방정식이 전기와 자기의 어떤 법칙에 대응하는지 구분하는 능력이 필요하다. 평면 전자파의 실효값과 수직 단면적을 통과하는 전력처럼 전자파의 에너지 계산 문항도 눈여겨볼 부분이다.
시험 대비는 단원을 두 축으로 나누어 진행하는 것이 좋다. 정전계 계열은 전위계수, 용량계수 및 유도계수의 관계와 전기영상법, 유전체의 분극도와 전계를, 자기 계열은 자기회로 계산, 히스테리시스곡선, 전자유도 및 인덕턴스를 집중적으로 다진다. 마지막으로 멕스웰의 방정식과 변위전류를 정리하며 각 개념이 전자계로 how 연결되는지 흐름을 확인하면 방어 가능한 답안을 만들 수 있다.