전자기학이란?

전자기학은 전기적으로 대전된 입자와 관련된 자기장 간의 상호작용을 연구하는 물리학의 한 분야입니다. 이러한 상호 작용은 전기장과 자기장의 관점에서 설명되며, 전기장과 자기장은 자연의 4가지 기본 힘 중 하나인 전자기력을 함께 형성합니다. 

전자기 엔지니어링에서 엔지니어는 주로 구성 요소의 전자기적 특성 및 해당 속성이 전자기장과 어떻게 관련되는지에 관심이 있습니다. 본질적으로 엔지니어는 다음과 같은 사항에 관심을 둡니다.

• 전기 시스템 및 장치 이면의 물리학 연구
• 이러한 현상을 안정적으로 특성화하기 위한 엔지니어링 분석 툴 구축

따라서 전자기학을 통해 전기 회로, 자기 회로, 집적 회로, 반도체 소자와 같은 응용 분야의 중요한 설계 고려 사항을 알 수 있습니다.

Maxwell은 1873년에 전기와 자기에 관한 논문을 발표하여 전하를 띤 입자들 간의 상호작용이 전자기력이라는 단일 힘에 의해 매개된다는 점을 보여주었습니다.

거시적 규모에서 이 힘의 다음과 같은 효과를 관찰할 수 있습니다.

• 전하가 끌어당기는 것과 달리 전하(양전하 또는 음전하)가 서로 밀어내는 것처럼 각 상황에서 전자기력의 크기는 전하 사이 거리의 제곱에 반비례합니다.
• 마찬가지로, 자극(n 또는 s)은 서로 끌어당기거나 밀어내며 항상 쌍으로 존재합니다.
• 전선을 통해 전파되는 전류는 전선 주위에 원형 자기장을 생성합니다. 위 이미지에서 볼 수 있듯이 전류의 방향에 따라 자기장의 방향이 결정됩니다.
• 자기장을 통과하여 움직이는 도선은 전선을 따라 전파되는 전류를 생성합니다. 자기장을 통과하는 이동 방향에 따라 이 전류의 이동 방향이 결정됩니다.

전자기 상호작용의 특성화

전자기력은 자연의 4가지 기본 힘 중 두 번째로 강한 힘을 구성합니다. 이는 주로 원자, 분자 및 거시적 물체 간의 상호작용을 담당합니다. 

전자기력은 직각으로 진행하며 특정 주파수로 진동하는 전기파와 자기파의 전파를 통해 영향을 미칩니다. 진공 상태에서 이러한 파동은 일정한 속도, 즉 진공에서 빛의 속도로 전파되며, 이는 대략 3 x 10 8m/s와 같습니다.

진공 상태에서 빛의 속도 c는 다음과 같은 간단한 관계를 통해 주파수 v미터 및 파장 λHz와 관련됩니다.

$$c=v\lambda$$

많은 응용 분야에서 전기 엔지니어는 전자기학 연구를 깊이 탐구할 필요가 없습니다. 대부분의 경우 정전기학(정전하에 대한 연구) 만으로 충분합니다. 마찬가지로, 다른 경우에는 정자기학(영구 자석을 다루는 원리)으로도 충분합니다.

따라서 순수 전기 또는 자기 네트워크에서는 Maxwell의 방정식조차 생략할 수 있으므로 네트워크를 더 간단하게 처리할 수 있습니다. 그러나 고주파수에서 장치의 전기화가 증가하고 전자기장을 생성하는 장치의 패키징이 더욱 엄격해짐에 따라 제품 설계에서 전기역학적 고려 사항이 점점 더 중요해지고 있습니다.

앙페르, 쿨롱, 에르스테드와 같은 물리학자들의 연구를 기반으로 Maxwell은 네 가지 방정식을 공식화함으로써 많은 과학자들이 아이작 뉴턴의 중력의 “대통일”과 관련하여 “물리학의 두 번째 대통일”이라고 일컬었던 전자기학의 통합 이론을 자세히 설명했습니다.

자유 공간(전하가 없는)에서 Maxwell 방정식의 해법은 빛의 속도로 이동하는 전자기파를 설명하는 파동 방정식으로 이어집니다. 이에 따라 Maxwell은 빛이 실제로 전자기파이며 주파수(또는 파장)만 다른 다양한 전자기파가 존재한다고 제안하게 되었습니다.

전자기 스펙트럼은 저주파(전파)부터 고주파(감마선)에 이르기까지 모든 유형의 전자기파를 포함망라합니다. 각 유형의 방사선은 반비례 관계에 있는 주파수와 파장으로 특성화됩니다. 스펙트럼에는 다음이 포함됩니다.

Maxwell의 방정식은 독일의 물리학자 Heinrich Hertz가 1880년대 후반 전파를 발견하여 전자기 복사의 존재를 증명하면서 검증되었습니다.

전기장 및 자기장에 대한 설명

물리학에서 장은 공간과 시간의 특정 지점에서 에너지와 물질 간의 상호작용을 설명합니다. 특히 벡터장은 이러한 각 지점에 진폭과 방향을 할당합니다. 정전하를 둘러싼 전기장은 벡터장에 의해 설명됩니다.

각 지점에서 벡터의 진폭은 전기장의 강도를 나타내고, 방향은 전기장의 방향을 나타냅니다. 관례적으로 장은 양전하에 작용하는 힘과 동일한 방향을 가리키고 음전하에 작용하는 힘과 반대 방향을 가리킵니다.

따라서 전기장은 항상 양전하에서 음전하로 흐릅니다. 소스 전하에 의해 가해지는 힘 F(뉴턴), 시험 전하 q(쿨롱) 및 전기장 강도 E(미터당 볼트) 사이의 관계는 다음과 같이 계산됩니다.

$$\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{E}$$

자기장은 움직이는 전하를 둘러싸고 있습니다. 이 필드는 다른 전하와 자석에 영향을 미칩니다. 자기장에서 움직이는 전하에 작용하는 힘의 방향은 운동 방향과 자기장선 모두에 수직입니다.

전하를 띤 입자에 작용하는 전기력과 자기력을 결합하면, Lorentz 힘, 즉 전기장 E 방향의 전하 및 전기장 크기에 비례하는 힘과 입자 속도 v 및 자기장 B에 직각인 방향의 자기장 크기, 전하 및 속도에 비례하는 힘을 더한 힘이 발생합니다. Lorentz 힘 법칙과 함께 Maxwell 방정식은 전자기 상호작용에 대한 완전한 고전적 설명을 제공합니다.

Maxwell의 방정식은 고전 전자기학의 기초를 형성합니다. 미분 형식으로 표현된 이 네 가지 방정식은 전기장 및 자기장의 거동과 전하 및 전류와의 상호작용을 설명합니다.

Maxwell의 첫 번째 방정식: Gauss 법칙

Gauss 법칙(Gauss의 플럭스 정리라고도 함)은 전하의 분포를 전기장과 연관시킵니다. 이는 어떤 닫힌 표면(가우시안 표면)을 통과하는 순 전류는 해당 표면 내에 둘러싸인 순 전하에 비례한다고 명시되어 있습니다.

따라서 표면이 전하를 둘러싸지 않는 곳에서는 전기 플럭스가 존재하지 않습니다. 결과적으로 이러한 표면 가까이에 전하가 배치되는 경우 표면 안팎으로 들어오고 나가는 전기 플럭스는 상쇄됩니다. 

Maxwell의 두 번째 방정식: 자기에 대한 Gauss 법칙

첫 번째 방정식과 비슷하게 자기에 대한 Gauss 법칙은 닫힌 표면을 통과하는 자기 플럭스의 거동을 설명합니다. 이 플럭스의 합계는 항상 0이 되어야 한다고 말합니다. 따라서 근처에 자기장이 있는 경우 표면으로 유입되는 자기 플럭스는 표면 밖으로 나가는 플럭스를 상쇄해야 합니다.

다르게 말하면, 자기 단극은 전기 단극(전하)이 존재하는 것과 같은 방식으로 존재할 수 없습니다. 따라서 양극과 음극의 자기극은 항상 쌍극자(북극과 남극)로 존재해야 합니다.

Maxwell의 세 번째 방정식: 앙페르-Maxwell 법칙

Ampère 법칙에 따르면 전선을 통해 흐르는 전류는 자기장을 생성합니다. 직선형 전선에서는 자기장이 전선 주위를 감싸며 흐르는 방향은 오른손 법칙에 따라 네 손가락으로 흐르는 방향이 표시됩니다. 코일형 전선에서 자기장은 오른손 법칙의 엄지손가락으로 표시된 직선을 가리킵니다.

Maxwell의 Ampère 법칙확장은 시간에 따라 변하는 전기장이 변화하는 자기장을 생성할 수 있다고 말합니다.

Maxwell의 네 번째 방정식: Maxwell-Faraday 방정식

Maxwell-Faraday 방정식은 시간에 따라 변하는 자기장이 전기장을 생성하는 방식을 설명합니다. 이는 Faraday 법칙과 Lorentz 힘 법칙에서도 도출할 수 있습니다.

전기력의 영향으로 정전하를 띤 입자는 서로 끌어당기거나 밀어냅니다. 이러한 입자는 이동하는 동안 자기력도 경험합니다. 전자기력은 이러한 전기적 상호작용과 자기적 상호작용의 합으로부터 발생하며 전자기장을 통해 영향을 미칩니다.

이런 일이 발생하면 전자기력은 다양한 상호작용을 조절합니다. 예를 들어, 음전하를 띤 전자가 원자의 양전하를 띤 원자핵에 결합된 상태를 유지하여 분자를 형성할 수 있습니다.

전기 회로 이론과의 관계

전기 회로 이론에서 회로 설계자는 기본 원리를 고려할 필요가 없도록 장치 및 시스템의 동작을 추상화합니다. 예를 들어 저항기는 단순히 다음과 같은 옴의 법칙에 따라 전압 V와 전류 I에 반응하여 저항 R을 구하는 장치입니다.

$$R=\frac{V}{I}$$

이 "집중 요소" 표현에서는 전류(전도 전류) 또는 전압(전위)의 특성을 이해할 필요가 없습니다. 전기 공학의 많은 응용 분야는 이 집중 요소 모델에 적합합니다.

그러나 마찬가지로 신호 무결성 및 전자기 호환성과 같이 전자기 효과를 이해해야 하는 경우가 많이 있습니다. 따라서 저항기의 경우 다음과 같은 질문에 답해야 할 수도 있습니다.

• 특정 전력 처리 기능을 충족하도록 저항기를 설계하려면 어떻게 해야 합니까?
• 리액턴스를 나타내는 실제 저항기를 어떻게 설계할 수 있습니까?
• 저항을 나타내는 커패시터, 인덕터, 변압기 및 기타 회로 구성 요소는 어떻게 설계할 수 있습니까?

저주파에서는 전자기 파장이 설계 중인 회로에 미미한 영향을 미칠 정도로 매우 크므로 이러한 회로를 거의 완벽한 DC 회로로 줄입니다.

그러나 주파수가 수백 메가헤르츠 이상에 도달하면 전자기 상호작용이 중요한 고려 사항이 됩니다. 예를 들어 안테나는 사실상 전자기파 탐지기입니다.

따라서 전자기 원리는 모터, 발전기, 안테나, 도파관, 변압기, 자기 데이터 저장 장치, 자기 공명 영상 장치, 인쇄 회로 기판을 포함한 다수의 현대 장치에 대한 설계뿐만 아니라 레이더, 광섬유, 포토닉스, 원격 센서와 같은 기술을 좌우합니다.

고대부터 문명은 철광석 조각 사이에서 관찰된 인력과 물질을 마찰할 때 발생하는 정전기부터 번개에 이르기까지 자연 현상을 설명하려고 시도했습니다.

그러나 18세기와 19세기에 이르러서야 Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday, Charles-Augustin de Coulomb과 같은 과학자들이 이러한 현상을 설명하기 위해 수학적 표현을 공식화하기 시작했습니다.

전기와 자기는 오랫동안 별개의 현상으로 여겨져 왔습니다. 그러나 1820년 4월 덴마크의 물리학자 Hans Christian Ørsted는 전선을 통해 흐르는 전류가 근처에 있는 나침반 바늘의 편향을 유도한다는 것을 관찰했습니다. 그는 같은 해 말에 전류가 전선을 통해 흐를 때 원형 자기장을 생성한다는 것을 보여주는 연구 결과를 발표했습니다.

Ørsted의 발견은 전자기의 특성에 대한 집중적인 연구를 촉발했으며, 예를 들어 André-Marie Ampère의 연구에 영감을 주었습니다. 통합 전자기 이론을 향한 이 초기 단계는 1831년 Faraday가 자기장이 전류를 유도할 수 있다는 것(전자기 유도라고 알려진 과정)을 발견했을 때 더욱 확장되었습니다. 그는 전자기장의 개념도 확립했습니다.

이러한 통합 과정은 1860년대에 스코틀랜드의 물리학자 James Clerk Maxwell과 함께 정점에 이르렀습니다. 그는 유명한 4가지 편미분 방정식 세트를 공식화하여 전자기파에 대한 완전한 수학적 설명을 제공했습니다.

또한 Maxwell은 자립적인 전자기파의 존재를 가정했으며, 빛이 그러한 파동 중 하나를 나타낸다고 제안했습니다.

현대에 Albert Einstein은 특수 상대성 이론(1905)을 통해 전하를 띤 입자가 움직일 때 전기에서 자기가 어떻게 발생하는지 입증했습니다. 나중에 양자역학이 출현하면서 물질의 양자화된 특성을 설명하기 위해 Maxwell 방정식에 추가 수정이 적용되었습니다. 따라서 양자 전기역학(QED)에서 전자기장은 빛의 양자화된 빛 입자인 광자의 불연속 여기에서 발생합니다.

기본 전기 회로 이론은 엔지니어가 기본 전자기 이론을 고려할 필요가 없는 방식으로 장치 및 시스템의 동작을 추상화합니다. 그러나 많은 경우에 전기 엔지니어는 전기 회로 이론과 더 일반적인 엔지니어링 응용 분야 사이에 존재하는 격차를 좁힐 필요가 있습니다.

이런 이유로 전자기 연구는 전도체, 커패시터, 인덕터, 반도체와 같은 장치의 설계 뿐만 아니라 전기 자동차, 원격 감지 장치, 일반 계측 장치, 전자 부품, 전력 장비 등의 구성을 가능하게 하는 더욱 복잡한 집적 회로의 설계에 대한 정보를 제공합니다.

전도체

전도성 재료는 전자의 자유로운 흐름을 가능하게 하는 재료입니다. 금, 은, 구리, 알루미늄과 같은 금속은 원자핵에서 전자의 분리를 촉진하기 때문에 효과적인 전도체입니다.

일부 재료에서는 전자가 핵에 계속 결합되어 있지만, 분리하는 데 소량의 에너지만 필요합니다. 이러한 재료를 반도체라고 하며, 이 거동은 현대 전자공학을 가능하게 하는 트랜지스터의 근본적인 물리학적 원리입니다.

초전도체는 임계 온도 이하로 냉각되면 전기 저항이 0이 되고 자기장을 방출하는(Meissner 효과) 재료입니다. 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO) 화합물과 같은 고온 초전도체는 -140°C 이상의 온도에서 초전도성을 달성할 수 있으므로 MRI 기계 및 자기부상열차와 같은 응용 분야에서 더 실용적입니다.

절연체

반대로, 절연체는 전자의 자유로운 흐름을 방해하는 재료입니다. 절연 재료에서 전자는 원자핵에 단단히 결합되어 있으며 전기장이 가해질 때 쉽게 분리되지 않습니다. 결과적으로 절연체는 도선을 위한 완벽한 덮개를 만들어 안전성을 향상합니다.

특히, 일부 절연체는 전기장이 가해지면 분극될 수 있습니다. 전기장이 가해질 때 전하 사이에 작은 변위가 발생하여 양극자 및 음극자가 형성됩니다. 이러한 유형의 재료(유전체라고 함)는 에너지 저장 용량을 늘리기 위해 커패시터에 사용됩니다.

콘덴서

커패시터는 두 판 사이에 생성된 전기장에 전기 에너지를 저장하는 전자 장치입니다. 정전 용량 C는 커패시터의 에너지 저장 능력을 측정합니다. 이는 자유 공간의 전기 유전율에 비례하며, 판 영역 A의 경우 다음과 같습니다.

$$C=\frac{{\epsilon }_{0}A}{d}$$

유전체 재료는 유전율을 크게 증가시켜 정전 용량을 증가시킵니다.

인덕터

마찬가지로 인덕터는 코일형 전선 내부에서 생성된 자기장 내에 에너지를 저장하는 전자 장치입니다. Ampère 법칙에 따라 코일형 전선을 통해 흐르는 전류는 선형 자기장을 생성합니다. 저장된 에너지는 전류 I에 정비례하며, 이는 인덕턴스 L에 반비례합니다. 인덕턴스는 변화에 대한 회로의 저항을 측정합니다. 따라서 높은 인덕턴스 장치를 사용하여 교류 회로를 감쇠시킬 수 있습니다.

반도체

반도체는 전도체와 절연체 사이에 전기 전도도를 갖는 재료입니다. 불순물을 첨가(도핑)하거나 외부 장을 가하여 해당 전도도를 제어할 수 있습니다. 이 거동은 트랜지스터 및 기타 전자 부품의 기초를 형성합니다.

반도체 엔지니어는 전기장 또는 자기장을 가하거나 열 또는 빛에 대한 노출을 다양하게 하거나 도핑된 단결정 실리콘 그리드를 변형하여 반도체의 전도도를 변경할 수 있습니다.

반도체 소자는 독립형 소자로 생산되거나 단일 웨이퍼에 상호 연결된 2개에서 수억 개의 소자를 포함하는 회로에 집적됩니다.

반도체 소자의 두 가지 주요 유형은 다음과 같습니다.

• 다이오드: 다이오드는 전류에 대한 단방향 스위치로 동작하는 2단자 소자로, 전류가 한 방향으로만 쉽게 흐르도록 하며, 이 경우 순방향으로 바이어스됩니다. 역방향으로 바이어스되면 절연체로 동작합니다. 포토다이오드에서는 빛에 노출되면 자유 전자 수가 증가하여 전도도가 증가합니다. 2단자 소자로는 발광 다이오드(LED), 건 다이오드, IMPATT 다이오드, 레이저 다이오드, 터널 다이오드, 광전지, 태양전지가 있습니다.
• 트랜지스터: 트랜지스터는 전력을 증폭하거나 전환하는 3단자 소자로, 논리 게이트의 빌딩 블록을 구성하며, 디지털 회로에서 온-오프 스위치 역할을 합니다. 이에 반해서 아날로그 회로(예: 증폭기, 발진기)에서는 연속 입력에 반응하고 연속 출력도 제공합니다. 전력 집적 회로(고전류 및 전압 응용 분야)에서는 전력 분배를 조절합니다. MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)는 압도적으로 현존하는 가장 일반적인 유형의 트랜지스터입니다. 이 트랜지스터는 전기장을 가함으로써 전도도를 높입니다. 다른 트랜지스터 유형으로는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET), 절연 게이트 바이폴라양극 트랜지스터(IGBT)가 있습니다.

무선 전력 전환

무선 전력 전송(WPT)의 기원은 Nikola Tesla가 자기 공명 결합이라는 현상에서 각각 “전송기”와 “수신기”라고 불리는 두 코일 사이에 자기장을 생성함으로써 공기를 통해 전력을 전달할 수 있음을 보여준 19세기 후반으로 거슬러 올라갑니다.

송신기는 전원에 연결되면 자기장을 생성하고, 이는 결과적으로 수신기에 전류를 생성합니다.

WPT를 사용하면 개인용, 휴대용 및 산업용 장치의 무선 충전이 가능하므로 케이블이 필요하지 않으며 배터리 수명이 늘어나고 편의성이 증대되며 안전성이 향상됩니다. 세 가지 일반적인 무선 충전 유형은 다음과 같습니다.

• 유도 충전: 전자기 유도 원리에 따라 충전할 장치는 충전 스테이션 근처에 두면 됩니다. 하지만 정밀하게 정렬할 필요는 없습니다.
• 공진 유도 결합: 유도 충전보다 더 발전된 기술로, 송신 코일과 수신 코일을 동일한 주파수에서 공진하도록 조정함으로써 전력 전송 효율이 향상됩니다.
• 무선 주파수(RF) 충전: 무선 주파수 충전의 경우 전력을 전송하는 고주파 전파를 수신하도록 조정된 수신 안테나가 장치에 장착되어 있습니다. 이 기술은 실험적이지만 이 기술을 사용하면 더 먼 거리에 걸쳐 전력을 전달할 수 있습니다.

현재 소비자 가전제품은 스마트폰, 태블릿, 웨어러블 기기의 확산으로 인해 대표적으로 무선 기술을 채택하는 가장 큰 시장입니다. 가전제품은 일반적으로 저전력 장치(100W 미만)입니다. 따라서 유도 충전 기술을 채택합니다.

일반적인 스마트폰 무선 충전 설정은 다음과 같이 작동합니다.

• 충전 베이스(자체적으로 교류 전원에 연결됨) 내의 송신 코일이 신호를 전송합니다.
• 이 신호가 수신기 코일(호환되는 스마트폰에 장착됨)을 인식하면 송신기 내에서 전자 흐름을 유발하여 시간에 따라 변하는 전류를 생성합니다.
• 시간에 따라 변하는 이 전류는 시간에 따라 변하는 자기장을 생성하여 전자가 수신기 코일에 흐르도록 합니다(유도 교류 생성).
• 스마트폰 장치 내에서 정류기는 교류를 직류로 변환하여 배터리에 저장합니다.

따라서 전력 전송은 송신기와 수신기 코일 사이에서 시간에 따라 변하는 전자기장에 의해 촉진됩니다. 유도 충전은 일반적으로 110~205KHz 범위의 주파수에서 발생합니다.

기술이 계속해서 발전함에 따라 전자기에 대한 연구와 응용 분야는 여전히 중요합니다. 양자 컴퓨팅 개발부터 차세대 무선 네트워크 설계에 이르기까지 전자기 원리는 계속해서 우리의 기술 환경을 형성합니다. 이러한 원리를 이해하는 것은 통신, 에너지 시스템, 의료 기술과 같은 분야에서 혁신의 최전선 분야에서 근무하는 엔지니어와 과학자에게 필수적입니다.

Ansys SimAI 소프트웨어는 전자기장 훈련 및 예측에 이러한 발전을 활용하는 최첨단 다중물리 시뮬레이션 소프트웨어입니다. 이 소프트웨어는 Ansys Maxwell 소프트웨어 및 Ansys HFSS 소프트웨어와 함께 전자기 부품의 설계 및 분석을 변환하여 현장 예측 시간을 수십 배에서 수백 배까지 단축합니다.

SimAI 소프트웨어에 관해 자세히 알아보려면 “전자기를 위한 SimAI: 전자 부품 설계 가속화” 프레젠테이션을 확인해보시기 바랍니다.

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