전자기학I

국민대학교
김동명

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주제분류

공학 >컴퓨터ㆍ통신 >정보통신공학
강의학기

2021년 1학기

조회수

28,340
평점

5/5.0 (6)

강의계획서

전하 상호간의 작용에 관한 시불변 정전기장을 학습함. 이를 위해 3차원 공간의 상호작용 이해에 필요한 좌표계(직각좌표계, 원통좌표계, 및 구좌표계), 정전기적 상호작용을 나타내는 벡터의 표시와 벡터 연산에 관해 우선 학습함.

이를 바탕으로 정전기적 힘을 나타내는 쿨롱의 법칙, 근원전하에 의한 전기장을 나타내는 벡터 물리량인 전계강도, 등가전하밀도에 대헤 학습함.

또한 정전기장의 가우스 법칙, 포아송 방정식에 관해 학습함. 이후 전기장의 스칼라 물리량인 정전기적 일과 에너지, 전위에 대해 학습하고, 벡터 물리량인 전계강도와 전위의 관계를 학습함.

전기장 내의 이동전하의 이동 특성과 전기전도도, 연속방정식에 관해 학습하며, 전자재료 내에 존재하는 전하쌍극자의 전계에 의한 영향과 전기장 전달특성을 나타내는 분극현상과 유전상수에 대해 학습함. 전기장을 형성하고 영향을 받는 구조가 고정된 경우, 정전용량에 대해 학습함.

특히 이론적 유도와 설명, 이해, 그리고 공학적 응용이 가능하도록 그림과 그래프를 활용하여 강의함.

차시별 강의

1.	강의 소개 및 효과적인 전자기학 학습법	- 강의 진행 소개 - 벡터를 다루는 전자기학을 위한 좌표계 기초 - 효과적인 전자기학 학습법
2.	직각좌표계_좌표_위치벡터_물리량 벡터	- 직각좌표계: 좌표 표시와 의미 - 직각좌표계의 벡터(위치 벡터와 물리량 벡터) . 기본 구성 벡터{a1, a2, a3} . 위치 벡터(r) . 물리량 벡터 또는 벡터 물리량(F(r))
	직각좌표계_위치_물리량 벡터_벡터 연산	- 직각좌표계의 위치 벡터와 물리량 벡터 . 위치 벡터(r)의 크기와 방향 . 물리량 벡터(F(r))의 크기와 방향 직각좌표계의 벡터 연산 . A+B . A-B
3.	벡터 연산_A·B_AxB_계산_의미_응용	직각좌표계의 벡터 연산 - A·B: 계산법, 형상화, 의미, 전자기학 및 공학 응용 - AxB: 계산법, 형상화, 의미, 전자기학 및 공학 응용
	벡터의 스칼라 곱과 벡터 곱의 응용 & 원통좌표계	직각좌표계의 벡터 연산 응용 - A·B & AxB의 응용: A,B,C 세 벡터를 변으로 하는 육면체의 체적 원통좌표계 기초
4.	원통좌표계_기본구성벡터_구좌표계	원통좌표계 - 원통좌표계의 기본구성 벡터(basis vectors) - 원통좌표계 기본구성 벡터의 직각좌표계 변환 구좌표계 기초 - 위치 표시 - 기본구성 벡터
	구좌표계_기본구성벡터_작은 조각의 선,면,체적(입체)	구좌표계 - 구좌표계의 기본구성 벡터(basis vectors) - 구좌표계 기본구성 벡터의 직각좌표계 변환 직각/원통/구좌표계의 작은 조각의 선, 면, 체적(입체) 표현 - dl(r) [m] =dlat(r)=dl1a1(r)+dl2a2(r)+dl3a3(r) - dS(r) [m2]=dSan(r) )=dS1a1(r)+dS2a2(r)+dS3a3(r) - du(r) [m3] =(dl1a1(r)×dl2a2(r))·dl3a3(r)=dl1dl2dl3
5.	원통/구좌표계_작은 조각의 선,면,체적	직교좌표계의 기본구성벡터의 관계 원통좌표계의 작은 조각의 선, 면, 체적 표현 - dl(r) [m] =dlat(r)=dl1a1(r)+dl2a2(r)+dl3a3(r) - dS(r) [m2]=dSan(r) )=dS1a1(r)+dS2a2(r)+dS3a3(r) - du(r) [m3] =(dl1a1(r)×dl2a2(r))·dl3a3(r)=dl1dl2dl3 구좌표계의 작은 조각의 선, 면, 체적 표현
	구좌표계_작은조각의 선,면,체적_전기장 요약	구좌표계의 작은 조각의 선, 면, 체적 표현 - dl(r) [m] =dlat(r)=dl1a1(r)+dl2a2(r)+dl3a3(r) - dS(r) [m2]=dSan(r) )=dS1a1(r)+dS2a2(r)+dS3a3(r) - du(r) [m3] =(dl1a1(r)×dl2a2(r))·dl3a3(r)=dl1dl2dl3 2장: 정전기장 전제 개괄 및 요약 (Vector 전기장, 스칼라 전기장, 변환)
6.	쿨롱의 법칙_단일&다수 근원 점전하_단일 시험전하	2장: 정전기장 : 점전하들간의 정전기적 상호작용 Coulomb’s Law(Experimental) - 단일 근원 점전하(QS [C])에 의해 형성된 전기장에 의해 시험전하(Qt [C])에 작용하는 정전기적 힘 - 다수의 근원 점전하(,QS1,QS2,QS3,…..QSn [C])에 의해 형성된 전기장에 의해 시험전하(Qt [C])에 작용하는 정전기적 힘: 중첩의 원리
	분산 근원전하(선,면,체적)에 의한 정전기적 힘	정전기장 : 점전하들간의 정전기적 상호작용 Coulomb’s Law(Experimental) - 분산된 근원전하(dQs [C])에 의해 시험전하(Qt [C])에 작용하는 정전기적 힘: 중첩(적분)의 원리 - 선전하,면전하, 입체/체적전하 - 분포전하에 의해 형성된 전기장 내에서 시험전하에 작용하는 정전기적 힘을 구하는 문제를 푸는 효율적 방법
7.	쿨롱의 법칙_정전기적 힘과 전계강도	전하들 간의 정전기적 상호작용(힘: F(r) [N])과 근원전하에 의해 형성된 전기장의 방사방향 전계강도(E(r) [N/C]) 점전하 형태의 근원전하에 의해 형성된 전기장의 전계강도 분산된 근원전하(dQS [C])에 의해 형성된 전기장의 전계강도(dE(r)) : 중첩(적분)의 원리 . 선전하:rldl’, . 면전하: rSdS’, . 입체/체적전하: rudu’
	전계강도_분산전하_무한 선전하에 의해 형성된 전기장의 전계강도	전하들 간의 정전기적 상호작용(힘: F(r) [N])과 근원전하에 의해 형성된 전기장의 방사방향 전계강도(E(r) [N/C]) - 분산된 근원전하(dQS [C])에 의해 형성된 전기장의 전계강도(dE(r)) : 중첩(적분)의 원리 . 분산 분포된 근원에 의해 형성된 전기장의 전계강도를 구하는 방법 예1) z-축의 무한 선전하:rldl’,에 의해 형성된 전기장의 전계강도
8.	xy-평면의 무한 면전하에 의한 전기장의 전계강도	전하들 간의 정전기적 상호작용(힘: F(r) [N])과 근원전하에 의해 형성된 전기장의 방사방향 전계강도(E(r) [N/C]) . 분산된 근원전하(dQS [C])에 의해 형성된 전기장의 전계강도(dE(r)) : 중첩(적분)의 원리 . 분산 분포된 근원에 의해 형성된 전기장의 전계강도를 구하는 방법 예2) xy-평면의 무한 면전하:rSdS’,에 의해 형성된 전기장의 전계강도 . 근원전하 조각에 의한 방사방향 전계강도의 성분과 대칭성 . 근원전하밀도와 전계강도 변화 . z-축 위치와 전계당도 변화 . 무한 면전하에 의한 전계강도(위치에 무관하게 일정한 전계강도 형성) . 무한 면전하에 의한 전계형성의 응용
	전속_등가전하밀도_가우스 법칙과 전기장 해석	근원전하량과 등가전하량(전속), 등가전하밀도(전속밀도) - 근원전하에 의해 형성된 전기장의 등가전하량(ye [C]) - 근원전하에 의해 형성된 전기장의 등가전하밀도(D(r) [C/m2]) - 등가전하밀도(D(r) [C/m2])와 전계강도 (E(r) [V/m]) 의 관계 - 전기장의 가우스 법칙(Gauss’s law) . 등가전하밀도와 근원전하량의 관계 . 용도: 대칭구조 전기장의 해석에 편리하게 사용: D(r)E(r)F(r)V(r) & Ep(r) - 가우스 법칙을 적용하여 전기장을 해석하는 방법 - 전기장의 가우스 법칙의 응용 예: 원점의 근원 점전하에 의한 전기장 해석
9.	가우스 법칙 응용 예2_무한 선전하_3)무한 면전하에 의한 전기장	대칭구조 전기장 해석을 위한 가우스 법칙(Gauss’s law)과 응용 . 등가전하밀도와 근원전하량의 관계 . D(r); E(r), F(r), V(r) , Ep(r) - 전기장의 가우스 법칙의 응용 예: . z-축의 무한 선전하에 의한 전기장의 등가전하밀도, 전계강도, 정전기적 힘 . xy-평면의 무한 면전하에 의한 전기장의 등가전하밀도, 전계강도, 정전기적 힘
10.	벡터 물리량의 발산량, 발산량 정리, 등가전하밀도의 발산량과 포아송 방정식	벡터 물리량의 발산량, 발산량 정리, 포아송 방정식 - 벡터 물리량의 발산량(Divergence of D(r)) . 발산량의 정의 . 직각좌표계의 벡터 물리량에 대한 발산량 계산 식 . 발산량의 정리(Divergence theorem) . 전기장의 등가전하밀도와 발산량: 의미와 응용 - 전기장의 등가전하밀도와 발산량: 포아송 방정식(Poisson Equation) . 전기장의 등가전하밀도에 대한 가우스 법칙과 발산량의 정리 . 전기장의 적분형 가우스 법칙과 미분형 포아송 방정식 . 포아송 방정식: 의미와 전기장 응용
	포아송방정식의 응용 예_3장 스칼라 전기장(1)	벡터 전기장_포아송 방정식과 응용 - 전기장의 등가전하밀도와 발산량 : 포아송 방정식 - 포아송 방정식의 전기장 해석 응용 : pn diode 해석 응용 3장: 스칼라 전기장_정전기적 에너지/일과 전위 - 벡터 전기장과 스칼라 전기장의 비교 - 스칼라 전기장: 정전기적 에너지/일과 전위(1)
11.	스칼라 전기장(2)_일과 전위_전위차_절대전위	스칼라 전기장_정전기적 에너지/일과 전위 - 벡터 전기장과 스칼라 전기장의 비교 - 스칼라 전기장: 정전기적 에너지/일과 전위 - 전기장 내에서 시험전하를 옮기는 데 필요한 에너지(WE,BA [J]) - 정전기적 일(WE,BA [J])과 전위차(VBA [V]) - 전위차(VBA [V])와 절대 전위(V(r) [V]) - 근원전하에 의해 형성된 전기장의 절대 전위 . 점전하에 의해 형성된 전기장의 전위 . 다수 점전하에 의해 형성된 전기장의 전위 . 분산 분포 전하에 의해 형성된 전기장의 전위
	스칼라 전기장(3)_전위와 전계강도 상호 변환_전위 계산 예	스칼라 전기장_정전기적 에너지/일과 전위 - 근원전하에 의해 형성된 동일한 전기장을 나타내는 벡터 전계강도(E(r))와 스칼라 전위(V(r))의 관계 - 변화율(기울기) 연산자: 직각/원통/구좌표계 - 근원전하에 의해 형성된 동일한 전기장을 나타내는 벡터 전계강도(E(r))와 스칼라 전위(V(r))의 상호 변환 - 근원전하에 의한 전기장의 스칼라 전위 분포(V(r)) 계산 예 예1) 원점의 점전하에 의해 형성된 전기장의 전위와 정전기적 에너지 예2) z-축의 무한 선전하에 의해 형성된 전기장의 전위와 정전기적 에너지
12.	무한 면전하에 의한 전위_정전기적 에너지_에너지밀도	스칼라 전기장_정전기적 에너지/일과 전위 - 근원전하에 의해 형성된 동일한 전기장을 나타내는 - 근원전하에 의해 형성된 전기장의 스칼라 전위 분포(V(r)) 계산 예 예3) xy-평면의 무한 면전하에 의해 형성된 전기장의 전위 - 근원전하에 의해 형성된 전기장의 정전기적 에너지와 에너지밀도 . 3개의 점전하에 의해 형성된 전기장의 정전기적 에너지 WE,123 & WE,321, WE=(WE,123+WE,321)/2 . 다수 점전하에 의해 형성된 전기장의 정전기적 에너지 : WE [J] WE,123 & WE,321, WE=(WE,123+WE,321)/2 . 분산되어 분포하는 전하에 의해 형성된 전기장의 정전기적 에너지: WE [J]? 에너지 밀도: dWE [J/m3]?
	전기적 에너지_에너지밀도_전기장 내의 이동전하와 전류 형성	스칼라 전기장_정전기적 에너지/일과 전위 - 근원전하에 의해 형성된 전기장의 정전기적 에너지와 에너지밀도 . 분산되어 분포하는 전하에 의해 형성된 전기장의 . 정전기적 에너지: WE [J], 관측점의 부분적 정전기적 에너지: dWE [J] ? . 에너지 밀도: dWE [J/m3]와 전계강도의 관계? 4장: 전기장 내의 이동전하와 전류 형성 - 전기장 내의 이동전하와 이동 . 전계에 의한 이동: 드리프트 . 이동속도 vs. 전계강도 & 이동도 . 전도전류(드리프트 전류) vs. 전계강도 : 전기전도도와 microscopic Ohm’s law
	전기전도도와 전자재료 구분_연속방정식과 응용_도체 특성	전기장 내의 이동전하와 전류 형성 & 연속방정식 - 전기전도도에 의한 전자재료의 구분 . 도체, 부도체, 반도체 - 전자재료에 주입된 이동전하와 연속방정식 . 전하밀도의 시간에 따른 변화 . 전하밀도의 공간적 분포 - 연속방정식의 응용: 전자재료에 주입된 전하밀도의 시간에 따른 변화 . 전하이완시간과 전기전도도 . 전기전도도가 우수한 도체에 주입된 이동전하 . 주입된 전하는 도체 표면으로 이동하여 균일한 농도로 분포 . 도체의 특성: 등전위면 형성, 내부 전계=0
13.	도체와 유전체 경계면의 전기장에 대한 경계조건_유전체와 전자재료 개요	전기장 내의 이동전하와 전류 형성 & 연속방정식 - 도체의 특성을 이용한 도체/유전체(전자재료) 경계면의 전기장 경계조건 . 도체 내의 전계강도와 등가전하밀도: E\|도체=0 [V/m], D\|도체=0 [C/m2], 도체 표면: 균일한 전하밀도 & 등전위면 . 도체/유전체 경계면(계면전하밀도=rs [C/m2])의 경계조건 . 접선방향 성분에 대한 전기장 경계조건: Et, Dt ? 폐경로의 전위차=0 ; 접선방향 성분의 전계강도: Et=0 [V/m], 등가전하밀도: Dt=0 [C/m2] . 법선방향 성분에 대한 전기장 경계조건: Dn, En ? 폐곡면의 등가전하밀도에 대한 가우스 법칙: ; 법선방향 성분의 등가전하밀도: Dn=rs [C/m2] 5장: 전기장의 영향을 받도 전달하며 전자부품을 구성하는 전자재료 : 전하쌍극자, 유전체, 정전용량 - 전하쌍극자(Electric Dipole)와 유전체(Dielectric Material)의 개요
	전기장 내의 전하쌍극자_힘_회전력_쌍극자 모멘트_전하쌍극자	1. 개요: 전하쌍극자(Electric Dipole)와 유전체(Dielectric Material) 2. 전기장 내의 전하쌍극자 . 전하쌍극자의 특성을 나타내는 지표: 전하쌍극자 모멘트 : p=Qd [Cm] . 전하쌍극자에 작용하는 정전기적 힘 : Fedp(r) [N] . 전하쌍극자에 작용하는 정전기적 회전력 : Tedp [Nm] 3. 전하쌍극자에 의해 형성되는 전기장 . 전하쌍극자에 의해 형성된 전기장의 스칼라 전위분포: Vedp(r) [V] . 전하쌍극자에 의해 형성된 전기장의 벡터 전계강도 분포: Eedp(r) [V/m]
14.	전계에 의한 유전체의 분극과 유전상수_강유전체의 분극이력 특성	4. 전기장에 의한 유전체의 분극과 유전상수 . 유전체=전하쌍극자들의 집합체 . 전계에 의한 유전체의 분극과 분극 벡터, 전계감응도 . 유전체 내의 전계강도 . 유전체의 분극을 고려한 상대적 유전률과 유전상수 5. 강유전체의 분극 이력 특성(Hysteresis Curve) 6. 유전체 경계면의 전기장에 대한 경계조건_개요
	유전체 경계면의 경계조건_Capacitor_Capacitance	6. 유전체 경계면의 전기장에 대한 경계조건 . 접선방향 전계강도 E1t=E2t [V/m] . 법선(수직)방향 등가전하밀도: D1n-D2n=rs [C/m2] 7. 캐패시터(Capacitor:축전기)와 정전용량(Capacitance) . Capacitor ? . What and Why Capacitance ? . Capacitor의 Capacitance 문제를 푸는 두가지 접근법 - Set Vo [V] ; E [V/m] ; D [C/m2] ; Qo [C] ; C=Qo/Vo [F] - Set Qo [C] ; D [C/m2] ; E [V/m] ; Vo [V] ; C=Qo/Vo [F]
15.	Capacitor_Parallel Plate Capacitor_Stacked Capacitor	7. 캐패시터(Capacitor:축전기)와 정전용량(Capacitance) . Capacitor ? . What and Why Capacitance ? . Capacitor의 Capacitance 문제를 푸는 두가지 접근법 - Set Vo [V] ; E [V/m] ; D [C/m2] ; Qo [C] ; C=Qo/Vo [F] - Set Qo [C] ; D [C/m2] ; E [V/m] ; Vo [V] ; C=Qo/Vo [F] 예1: Parallel plate capacitor . Parallel plate capacitor의 응용 분야 . Parallel plate capacitor의 정전용량 . Parallel plate capacitor의 정전용량 결정요소 예2: Stacked(layered) parallel plate capacitor의 정전용량과 결정요소 . Stacked parallel plate capacitor의 응용 분야 . Stacked parallel plate capacitor의 정전용량 . Stacked parallel plate capacitor의 정전용량 결정요소
	Capacitor_동축 전송선 구조의 정전용량	7. 캐패시터(Capacitor:축전기)와 정전용량(Capacitance) . Capacitor ? . What and Why Capacitance ? . Capacitor의 Capacitance 문제를 푸는 두가지 접근법 - Set Vo [V] ; E [V/m] ; D [C/m2] ; Qo [C] ; C=Qo/Vo [F] - Set Qo [C] ; D [C/m2] ; E [V/m] ; Vo [V] ; C=Qo/Vo [F] 예1: 동축 전송선(coaxial cable)구조의 정전용량 . 동축 전송선 구조의 응용 분야 . 동축 전송선 구조의 정전용량 . 동축 전송선 구조의 정전용량 결정요소 ** 평판 전송선 구조와 동축 전송선 구조의 특성 임피던스를 결정하는 요소