전자기학 전계강도/전속밀도 자계강도/자속밀도.. 내공

 정말 자세히 쓰기는 어렵구요. 간략히 요점만 짚어보죠.

 

일반적으로 전기장이라고 하면 전화에 의해 공간에 만들어지는 역장인데 만약 그 공간을 물질이 채우고 있다면 물질을 구성하는 많은 입자들(원자핵, 전자 등등) 역시 전하를 가지고 있어서 전기장에 따라 반응하면서 그 자체로 전기장에 영향을 줍니다.

 

물론 대부분 물질은 중성이므로 (+전하와 -전하의 양이 상쇄) 전기적 효과가 어떻게 가능한가 의문을 갖을 수 있지만 전하량이 0 이라 해도 전하의 분포에 따라 전기적 역할을 합니다.

 

그 대표적인 것이 쌍극자 전하이죠. +전하와 -전하가 약간의 간격을 두고 쌍으로 분포할 때 나타납니다. 이 쌍극자에 의해 외부에서 만든 전기장에 부가적으로 전기장을 추가합니다. 그런데 이 효과를 일일히 따진다는 것은 이론적으로 매우 불편하기 때문에 D 벡터를 도입하여 물질의 영향을 간략하게 만듭니다.

 

D = (epsilon0) E + P = (epsilon) E

 

로 정의하는데 보면 외부 전기장 E 에 쌍극자모멘트 P를 더하고 있습니다. (epsilon은 상수로 편의상 추가된 값입니다) 따라서 공간을 채우고 있는 물질의 효과를 간단하게 수식화한 것이죠. 이제 D를 계산할 때는 물질의 영향은 이미 고려된 것이므로 자유 전하만 고려하여 계산하면 됩니다.

 

일반적으로 P는 외부 전기장 E에 비례하기 때문에 (선형 물질) 물질의 특성이 반영된 epsilon값으로 간단하게 D와E의 간계를 쓸 수 있습니다.

 

(div) E = (charge-density) / (epsilon0)  (in vacuum)

(div) D = (free charge density)   (물질로 공간이 채워진 경우)

 

전기장에 epsilon값이 곱해진 관계로 D는 E와 단위가 다르긴 합니다만 결국 같은 역할을 합니다.

 

H와 B 역시 같은 맥락입니다. 공간만 있다면 B만이 의미있습니다. 그러나 물질이 공간을 채우고 있으면 물질 내부의 미세 전류 고리들이 외부 자기장에 추가됩니다, 이 효과를 일률적으로 고려하여 H를 정의 합니다.

 

H = (B + M) / (mu0)

 

M은 자화밀도라 하는 값으로 물질 내부의 미세 전류 고리의 효과로 나타나는 자기장 같은 것입니다. 역시 물질의 효과는 이미 고려된 상태로 H만 자유 전류만을 이용하여 계산할 수 있습니다. 위의 식은 확인해 보세요. 제 기억이 분명치 않네요.

 

결론은 물질이 공간을 채우고 있는 경우 물질의 효과가 반영된 물리량이 D, H 란 것이죠. 그러므로 진공 중에서 전기장, 자기장 문제를 푸는 것이라면 D, H는 사용되지 않습니다. 마찬가지로 물질 내부에서 전기장, 자기장의 문제를 푼다면 D, H를 이용합니다. 그러면 물질의 존재는 무시하고 계산할 수 있기 때문에 진공 중에서 E, B 구하는 방법을 그대로 사용할 수 있습니다.

 

충분히 자세했는 지 모르겠네요. 한 번에 이해되는 내용은 아니니 찬찬히 생각해 보세요^^