(통합과학) 유도전류의 방향이 코일을 통과하는 자기장의 변화를 방해하는 방향인 근본적인 이유,,,

[뉴쌤스]

안녕하세요 저는 생물전공입니다. 통합과학의 전기 에너지 생산 부분을 가르치고 있는데 공부하면서 이해가 가지 않는 것이 있어서요 ㅠㅠ
검색해서 찾아보았는데 아래 사진처럼 설명이 있지만, 비전공자가 이해할 수 없는 내용이라서 좀 더 풀어서 설명해 주실 수 있으실까요?

저 사진의 설명 외에 방법이 없으면 그냥 지식형으로 외우라고 하려고 하는데
일단 선생인 제가 이해가 안되니까 여기에서라도 물어봅니당…!

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[물리공부중이에요]

안녕하세요 비사범대인 물리학과 졸업생입니다. 윗분들이 정말 설명을 잘 해주셨는데, 본문에 있는 설명 조금 첨언하고자 댓글 남깁니다.

전하는 전기장을 만들고 자석은 자기장을 만듭니다.

여기서 재미있는 점은, 전하를 기준으로 껍데기를 감싸면 나가는 전기장만 있고 들어오는 전기장은 없을 수도 있습니다. 헌데 자석을 기준으로 껍데기를 감싸면 나가는 자기장과 들어오는 자기장의 양이 항상 같습니다.

그럼 자석의 N극과 S극을 분리하면 나가는 자기장과 들어오는 자기장을 분리할 수 있지 않을까? 싶었지만 결국 전자 하나 단위까지 분리해도 N극과 S극이 공존하게 됩니다.(spin 때문입니다.) 그래서 전기 홀극은 전하가 있지만, 자기 홀극은 존재하지 않고 항상 쌍극(dipole)의 형태로 존재한다고 하는 거구요. (홀극은 장을 만드는 source이고, 쌍극은 source와 sink가 같이 있는 것입니다.)

[물리공부중이에요]

본문에서는 이를 이용해서
자기장은 폐곡면을 기준으로 들어오는 양과 나가는 양이 같아야 한다.
=> 자기장이 증가하면 그만큼 감소하는 자기장이 필요하다. => 그러면 감소하는 만큼의 자기장을 만드는 전류가 발생한다.

로 설명하고 있는 것입니다.

조금 더 익숙한 용어로 설명하면, 발산양을 이용해서 홀극이 있는지 알아보는 법칙인 가우스 법칙으로 자기장의 변화를 저항하도록 전류가 생긴다는 패러데이 법칙을 설명했다고 보시면 될 것 같습니다.

[물리공부중이에요]

물리공부중이에요 근데 사실 이것도 한 법칙으로 다른 법칙을 부연 설명한 것 뿐이고.. 다른분들 말씀처럼 애초에 법칙이 왜 성립해야 하냐? 라고 하면 아무도 모릅니다. 그냥 자연이 그렇게 생겼습니다.

교수님 말마따나 자기 홀극을 밝히려는 노력은 계속되어 왔지만, 전기 홀극은 있는데 자기 홀극은 없다는게 지금까지 물리학의 결론입니다.

하지만 그런 법칙도 위와 같이 수식으로 기술하면서 수십개였던 전자기 법칙들을 맥스웰이 4개로 줄여서 아름다운 대칭성을 보이게 되고... 그러면서 파동 방정식과의 연관성을 통해 빛이 매질없이 전파되는 전자기파라는 것도 수식으로 보일 수 있었습니다.

개인적으로는 학생 때 법칙이자 그냥 외워야하는 기본 개념으로 치부하는 것이 굉장히 무책임하게 느껴졌는데, 대학교와서 공부하다보니 법칙이나 원리를 수식으로 기술하면서 법칙과 원리로 구성된 자연 세계를 더 잘 이해할 수 있더라구요. 이 부분을 위의 예시를 설명하면서 아이들에게 이야기해주면 좋지 않을까 싶어서 길게 남겨보았습니다.

긴 댓글 읽어주셔서 감사합니다!

[물리공부중이에요]

앗 그리고 마지막으로, 전류가 자기장을 생성할 수 있는 이유는 뭐냐? 라고 하면 맥스웰 방정식이 그렇게 생겨서 그렇습니다.

전자기 현상의 모든 수식들을 정리해서 4개로 만든 방정식이 맥스웰 방정식입니다. 그러니까, 전기 및 자기적 현상은 맥스웰 방정식을 따라야 하는거죠. (마치 고전역학에서 F=ma의 뉴턴법칙 처럼요.)

헌데 맥스웰 방정식에 따르면
자기장이 시간에 따라 감소하면서 전기장의 회전이 발생하고,
전류와 전기장에 의해서 자기장의 회전이 발생합니다.
그러면 또 그렇게 발생한 자기장으로 전기장이 생기고.. 또 그 전기장에 의해 자기장이 생기고.. 하겠죠?

이게 빛입니다.

모든 파동은 매질을 통해서 전파되어야 하는데,
빛이 매질이 없이 전파될 수 있는 이유는 전기장과 자기장이 서로를 유도하면서 전파되기 때문입니다.

즉 전기랑 자기는 별개의 현상이 아니라
사실 하나의 대상이 가지는 두 개의 다른 측면이었던거죠.

[물리공부중이에요]

물리공부중이에요 실제로 전기적 현상의 세기보다 자기적 현상들의 세기들이 실험실에서는 수백배 작기 때문에 자기는 전기의 그림자일 뿐이라고 하는 사람들도 있습니다ㅋㅋ 그래서 전기랑 자기가 별개의 것이 아니라 사실 하나의 현상의 두 가지 측면이라고 보면 왜 전기가 자기를 만들고 혹은 그 역이 가능한지 받아들이기 더 쉬울 것 같습니다 :)