전기모터의기초(1)[뉴턴의 운동법칙과 전자기력]

 

특전기모터의 작동 원리를 이해하기 위해서는 단순하게 접근했었지만 전자기학과 역학 소재공학까지 이해해야 할 범주가 무척이나 넓다, 특히 전자기학은 전자와 전자 사이에 작용하는 힘에 대해 다루는 물리학의 한 분야로, 전자기력이라는 자연계의 근본적인 힘을 논하는 학문으로.  전기모터는 전자기력에 기반하여 작동하기 때문에, 이를 깊이 있게 이해하기 위해서는 다양한 물리적 법칙과 개념을 이해해야 한다.

뉴턴의 운동법칙

 전기모터의 원리를 이해하려면 뉴턴의 운동법칙을 기본으로 해야 한다. 뉴턴의 운동법칙은 물체의 운동을 설명하는 세 가지 법칙으로 구성되어 있는데 아마 한 번쯤은 들어봤을 3가지 법칙이다.

1. 관성의 법칙: 외부에서 힘이 작용하지 않으면 물체는 정지 상태를 유지하거나 등속 직선 운동을 계속한다.
2. 작용과 반작용의 법칙: 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 존재한다.
3. 가속도의 법칙: 물체의 가속도는 물체에 작용하는 힘에 비례하고, 물체의 질량에 반비례한다.

이 법칙들은 물체에 작용하는 힘의 기본적인 성질을 설명하지만, 전기모터와 같은 복잡한 시스템을 이해하기에는 부족하다. 아주 기초적인 물리법칙을 이해했으니 전기모터에서 발생하는 힘을 정확히 이해하려면 전자기학을 포함한 다른 물리 이론에 대해 추가적으로 논해보자

자연계의 4가지 근본적인 힘

다음으로 이해해야 하는 것은 자연계에 작용하는 힘으로, 자연계에서 존재하는 힘은 크게 네 가지로 구분된다

 

 중력, 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력

 

이들 중 전기모터와 직접적으로 관련된 것은 전자기력이지만 세세한 분야로 들어가면 전부 관련이 있다. 우선은 더 이야기를 해보자면 중력은 뉴턴이 만유인력의 법칙을 통해 설명했으며, 거시 세계에서 중요한 역할을 하지만, 전기모터를 이해하는 데는 제한적이므로 우리는 여기서 전자기력에 대해서 분석해야 한다. 사실 중력을 활용하려면 매우 큰 크기와 질량이 필요하기 때문에 현실적으로 불가능하니 노선을 갈아탄 것으로, 전자기력은 상대적으로 작은 크기에서 활용할 수 있으며, 이를 활용한 기기가 대세화 되었다 정도로 이해면 된다.

전자기력의 이해: 쿨롱의 법칙과 전하

 전자기력은 18세기 후반에 발견되었으며, 인류사 전체로 보자면 역사가 비교적 짧다. 전자기력의 이해는 데모크리토스의 원자설에서 출발하는데, 기존 철학에서 데모크리토스의 주장은 물질을 쪼개다 보면 일정이하로 쪼개지 못하는다는 가설을 내세웠고, 이러한 가설은 기술의 발전과 함께 최소단위를 원자가 질량과 전하에 대하여 논할 수 있게 되었다. 물론 정확하게 주장했던 가설은 아니지만 당시에 이런 생각을 해낸 것만 해도 정말 대단한 것이 맞다.

 

 그이후 쿨롱이라는 과학자의 등장으로 비틀림 저울을 활용해 전기력을 관측하고, 이를 수식으로 정리하여 전기력의 법칙을 학림다. 전기력은 전하와 전하 사이에 발생하는 힘으로, 전하 간에는 중성화하려는 성질이 존재한다는 이론으로, 이러한 성질에서  모든 전자기학의 연구의 토대를 세웠다 이해하면 된다.

자기력과 전기력의 관계

 전하가 움직이기 시작하면, 전하 사이에 추가적으로 발생하는 힘이 자기력이다. 자기력과 전기력은 하나의 연결된 힘으로, 전자기력을 분석하는 데 있어 굉장히 복잡한 양상을 띤다. 이러한 현상을 이해하기 위해 전자기학이 발전해 왔으며, 이를 통해 우리는 전기모터의 작동 원리를 설명할 수 있다.

힘의 전달 이론: 근접작용설에서 장(field) 이론까지

물론 이와 동시에 힘에 대한 분석도 진행되었는데, 힘 전달에 대한 이론은 초기 철학적 논의에서 출발했다. 초기에는 물체 간의 직접적인 접촉을 통한 힘의 전달을 설명하는 근접작용설이 주를 이루었다.(물론 간접작용설이 앞에 있었던 시기도 있었지만 우선은 넘어가자) 그러나 뉴턴은 중간 매개체가 없는 원격작용설을 다시 주장하였고, 이후 장(field)이라는 개념이 도입되면서, 힘의 전달은 장을 통한 방식으로 이해되기 시작했다.