12-1 · 필기 1과목 · 🔴 전문가

전기자기학 🧲

눈에 보이지 않는 전계와 자계를 수식으로 다루는 과목. 공식이 많지만 "전기 ↔ 자기" 짝(쌍대성)을 알면 절반만 외워도 돼요.

한 줄 비유자석과 전기는 쌍둥이예요. 전기가 움직이면 자석 힘이 생기고, 자석이 움직이면 전기가 생겨요!

① 핵심 개념

1. 쿨롱의 법칙

비유같은 전기끼리는 밀어내고 다른 전기끼리는 끌어당겨요. 멀어지면 힘이 확 약해져요(거리 2배 → 힘 1/4).

두 점전하 사이의 힘은 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례해요.

F = Q₁Q₂ / (4πε₀r²) = 9×10⁹ · Q₁Q₂ / r² [N]ε₀ = 8.855×10⁻¹² F/m (진공 유전율), 1/(4πε₀) ≈ 9×10⁹

2. 전계와 전위

비유전계는 "전기 바람의 세기와 방향", 전위는 "전기 언덕의 높이"예요. 공(전하)은 높은 곳에서 낮은 곳으로 굴러요.
E = Q / (4πε₀r²) [V/m] , V = Q / (4πε₀r) [V]F = QE , E = −grad V (전계는 전위가 가장 빨리 낮아지는 방향)

3. 가우스 법칙

비유풍선으로 전하를 감싸면, 풍선 모양과 상관없이 밖으로 나가는 전기력선 개수는 속에 든 전하량으로 정해져요.
∮ E·dS = Q / ε₀ , div D = ρ대칭 모양(구·원통·평면)에서 전계를 쉽게 구하는 도구
전하 분포전계 E
점전하 · 구도체 외부Q / (4πε₀r²)
무한 직선 (선전하밀도 λ)λ / (2πε₀r)
무한 평면 (면전하밀도 σ)σ / (2ε₀) — 거리와 무관
도체 표면 바로 밖σ / ε₀
균일하게 대전된 구 내부 (r < a)Qr / (4πε₀a³) — 중심에서 0

4. 유전체와 정전용량

비유콘덴서는 전기를 담는 양동이, 정전용량 C는 양동이 크기예요. 판이 넓고 가까울수록 많이 담겨요.
C = Q / V , 평행판 C = εS / d , 구도체 C = 4πεaε = ε₀εₛ (εₛ: 비유전율) · 직렬: 1/C = 1/C₁ + 1/C₂ · 병렬: C = C₁ + C₂
W = ½CV² = Q² / (2C) = ½QV [J]단위 체적당 에너지 w = ½εE² = D² / (2ε) [J/m³]

5. 전류와 자계 — 비오-사바르, 앙페르

비유전류가 흐르는 전선 주위에는 보이지 않는 소용돌이(자계)가 생겨요. 오른손 엄지를 전류 방향으로 하면 나머지 손가락이 도는 방향!
dH = I·dl·sinθ / (4πr²) (비오-사바르) , ∮ H·dl = ΣI (앙페르)자계 방향: 앙페르의 오른나사 법칙
도체 모양자계 H [AT/m]
무한장 직선 도체I / (2πr)
원형 코일 중심 (반지름 a, 권수 N)NI / (2a)
무한장 솔레노이드 내부 (단위 길이당 권수 n)nI (외부 0)
환상 솔레노이드 내부NI / (2πr)
유한 직선 도체I / (4πr) · (sinβ₁ + sinβ₂) 형태

6. 전자유도 — 패러데이, 렌츠

비유코일은 "변화 싫어쟁이"예요. 자석이 다가오면 밀어내고, 멀어지면 붙잡으려고 전기를 만들어요.
e = −N · dΦ/dt [V] , e = Blv sinθ [V](−) 부호 = 렌츠의 법칙: 자속 변화를 방해하는 방향 · 도체 운동은 플레밍 오른손 법칙

7. 인덕턴스

비유코일은 무거운 물레방아처럼 "관성"이 있어서 전류가 갑자기 변하는 걸 싫어해요.
L = NΦ / I , e = −L · di/dt , W = ½LI² [J]환상 솔레노이드 L = μSN² / l · 상호 인덕턴스 M = k√(L₁L₂) (0 ≤ k ≤ 1)

직렬 합성: 가동 결합 L = L₁ + L₂ + 2M, 차동 결합 L = L₁ + L₂ − 2M. 자계 에너지 밀도 w = ½μH² = B² / (2μ) [J/m³].

8. 전자파 기초

비유전기 파도와 자석 파도가 서로를 밀어주며 빛의 속도로 달려가는 게 전자파(전파·빛)예요.
v = 1 / √(με) , 진공에서 c ≈ 3×10⁸ m/s고유(파동) 임피던스 η = E/H = √(μ/ε) , 진공 η₀ = 120π ≈ 377 Ω

🔁 전기 ↔ 자기 쌍대 표 (외울 양 절반으로!)

정전계정자계
전하 Q [C]자하(자극) m [Wb]
유전율 ε, ε₀ = 8.855×10⁻¹²투자율 μ, μ₀ = 4π×10⁻⁷
1/(4πε₀) ≈ 9×10⁹1/(4πμ₀) ≈ 6.33×10⁴
전계 E, 전속밀도 D = εE자계 H, 자속밀도 B = μH
에너지 밀도 ½εE²에너지 밀도 ½μH²
정전용량 C인덕턴스 L

② 공식 카드 (눌러서 뒤집기)

쿨롱의 법칙F눌러서 뒤집기
F = 9×10⁹ Q₁Q₂/r²

힘은 전하의 곱에 비례, 거리 제곱에 반비례 [N]

점전하의 전계·전위E, V눌러서 뒤집기
E = Q/(4πε₀r²)
V = Q/(4πε₀r)

E는 r², V는 r에 반비례. V = E·r

가우스 법칙∮E·dS눌러서 뒤집기
∮E·dS = Q/ε₀
div D = ρ

폐곡면을 나가는 전기력선 수 = 내부 전하/ε₀

무한 직선·평면 전계λ, σ눌러서 뒤집기
직선 E = λ/(2πε₀r)
평면 E = σ/(2ε₀)

무한 평면 전계는 거리와 무관!

평행판 콘덴서C눌러서 뒤집기
C = εS/d
W = ½CV²

면적 S에 비례, 간격 d에 반비례

분극의 세기P눌러서 뒤집기
P = D − ε₀E
= ε₀(εₛ−1)E

유전체 표면에 나타나는 분극 전하 밀도 [C/m²]

무한 직선 전류의 자계H눌러서 뒤집기
H = I/(2πr)

앙페르 주회적분에서 바로 유도 [AT/m]

원형 코일 중심 자계H눌러서 뒤집기
H = NI/(2a)

a: 반지름. 비오-사바르 적분 결과

평행 도선의 힘F/l눌러서 뒤집기
F = 2I₁I₂/r ×10⁻⁷

[N/m]. 같은 방향 흡인, 반대 방향 반발

패러데이 법칙e눌러서 뒤집기
e = −N dΦ/dt
e = Blv sinθ

(−): 렌츠의 법칙, 변화를 방해

자기·상호 인덕턴스L, M눌러서 뒤집기
L = μSN²/l
M = k√(L₁L₂)

L은 권수 제곱에 비례. 합성 L₁+L₂±2M

고유 임피던스η눌러서 뒤집기
η = √(μ/ε)
η₀ ≈ 377 Ω

E/H 비. 진공 전파속도 3×10⁸ m/s

③ 시뮬레이터

두 점전하 — 쿨롱 힘과 전기력선

원(전하)을 끌어 옮겨 보세요. 화살표 = 각 전하가 받는 힘, 가는 선 = 대략적인 전기력선. 격자 1칸 = 10 cm.

-거리 r
-힘의 크기 |F|
-힘의 종류

계산: F = 9×10⁹ · |Q₁Q₂| / r², 전하 단위 μC. 전기력선은 수치적분으로 그린 근사 그림이에요(선 개수 ∝ |Q|).

패러데이 전자유도 — 자석과 코일

자석을 끌어서(또는 슬라이더로) 코일에 넣었다 빼 보세요. 검류계 바늘은 자속의 변화 속도 dΦ/dt에 비례해 움직여요. 멈추면 0!

N S 0 − + G
-
100회
0쇄교 자속 Φ (mWb)
0dΦ/dt (Wb/s)
0유도기전력 e (V)

자석을 빨리 움직일수록, 권수 N이 클수록 바늘이 크게 움직여요: e = −N·dΦ/dt. 코일 앞에서 멈추면 자속이 커도 e = 0이에요.

④ 대표 문제

문제 1. 진공 중에 2 μC과 5 μC의 점전하가 30 cm 떨어져 있다. 작용하는 힘은?

F = 9×10⁹ × (2×10⁻⁶)(5×10⁻⁶) / 0.3² = 9×10⁹ × 10⁻¹¹ / 0.09 = 0.09 / 0.09 = 1 N (같은 부호 → 반발력)

문제 2. 평행판 콘덴서의 간격을 1/2로 줄이고, 비유전율 3인 유전체를 채우면 정전용량은 몇 배?

C = ε₀εₛS/d 에서 d → d/2 (2배), εₛ → 3 (3배) ⇒ 6배

문제 3. 10 A가 흐르는 무한장 직선 도체에서 0.5 m 떨어진 점의 자계의 세기는?

H = I / (2πr) = 10 / (2π × 0.5) = 10 / 3.1416 ≈ 3.18 AT/m

문제 4. 권수 100회 코일의 쇄교 자속이 0.1초 동안 0.02 Wb에서 0으로 감소했다. 유도기전력의 크기는?

|e| = N · ΔΦ/Δt = 100 × 0.02 / 0.1 = 20 V. 방향은 감소하는 자속을 보충하는 쪽(렌츠).

문제 5. L₁ = 4 mH, L₂ = 9 mH, 결합계수 k = 0.5인 두 코일을 가동 직렬 접속했을 때 합성 인덕턴스는?

M = k√(L₁L₂) = 0.5 × √36 = 3 mH → L = L₁ + L₂ + 2M = 4 + 9 + 6 = 19 mH (차동이면 7 mH)

⑤ 자주 틀리는 포인트 (오답 노트)

전기자기학은 과락(8문항)만 넘겨도 전략적으로 성공이에요. 쌍대 표로 정전계 ↔ 정자계를 한 번에 묶어 외우고, 기출에서 반복되는 공식 유형부터 잡아요! 🧲