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전자기 현상의 원리를 이해하면 수식이 쉬워진다

전자기학은 전기ㆍ자기적 현상을 설명하는 여러 가지 법칙과 이론을 이해하고 활용하는 학문으로, 전기ㆍ전자ㆍ정보통신ㆍ메카트로닉스 공학 등의 분야에서 매우 중요한 기초이다. 이 과목은 전기와 자기가 서로 대칭적이고, 물리량의 원인이 되는 전하의 분포도 복잡하기 때문에 학생들에게 반복적인 사고와 많은 학습량을 요구한다.

이 책에서는 'Q&A(학습 주제와 목표) → 현상(원인) 관찰 → 결과를 구하는 과정 → 결과의 의미' 순서로 학습한다. 원리와 개념을 먼저 이해하면 수식 역시 쉽게 익힐 수 있다. 또한 단순히 분량을 늘이기보다는 학생들이 꼭 풀어보아야 하는 예제와 연습문제를 담는 데 더 중점을 두었으므로, 이 책의 문제를 다 풀겠다는 의지를 가지고 전자기학 분야에 대해 차근차근 알아가도록 하자.

이 책은 전자기 현상을 이해하기 위한 여러 법칙과 이론을 비교적 간결하게 설명하면서 연습문제 풀이를 통하여 이론 습득의 효율성을 추구하였다.

1장 : 벡터의 간단한 연산과 좌표계
전자기적 물리량의 공간적 이해와 정확한 표현을 위한 벡터의 연산 및 좌표계를 공부한다.

2~3장 : 쿨롱의 법칙과 가우스의 법칙을 이용한 정전계 해석
각종 전하분포에 의한 전계, 전속밀도, 전위, 정전에너지, 정전용량 등을 쿨롱의 법칙과 가우스의 법칙을 통해 공부하며, 이들 물리량의 정확한 공학적 의미를 배운다. 또한 자유공간과 물질에서의 전기적 현상에 대한 차이점을 이해한다.

4~5장 : 정자계의 여러 현상과 인덕턴스
비오 사바르의 법칙과 앙페르의 주회법칙을 이용하여 전류원에 의한 자기 현상을 설명하고, 특히 많이 사용되고 있는 동축케이블, 솔레노이드, 토로이드 등의 도체계에서 정자계의 여러 현상을 다룬다. 또한 자기력을 비롯하여 자화 현상, 자성체, 자기회로를 배우며, 특히 자계에 축적되는 정자기에너지를 정의하여, 이를 바탕으로 각종 도체계에 대한 인덕턴스를 다룬다

6~8장 : 시변전자계와 균일 평면파 및 전송선로
패러데이 법칙과 앙페르 법칙으로 설명되는 시가변 전자계에서의 맥스웰 방정식과 전자파에너지의 전파 현상을 이해하기 위한 포인팅의 정리 및 파동방정식 등을 페이저를 이용하여 고찰한다. 또한 균일평면파의 파동방정식을 유도하고, 각종 매질에서 균일평면파의 전파 특성과 경계면에서 반사 특성을 배운다. 응용 예로는 전송선로 방정식의 유도 및 선로에서의 전압과 전류 및 입력임피던스를 구하는 방법에 대하여 공부한다.

저자 소개 · 02 
저자 머리말 · 04 
강의 계획 및 강의 보조 자료 · 06 

제 1 장 벡터 해석
1.1｜ 개요 · 014
1.2｜ 벡터의 덧셈 · 017
1.3｜ 직각좌표계 · 024
1.4｜ 단위벡터 · 024
1.5｜ 벡터계 · 026
1.6｜ 벡터의 곱셈 · 028
1.6.1 내적 · 028 
1.6.2 외적 · 031
1.7｜ 좌표계 · 034
1.7.1 원통좌표계 · 034
1.7.2 구좌표계 · 039
핵심요약 · 043
연습문제 · 048 

제 2 장 정전계
2.1｜ 개요 · 049
2.2｜ 전계의 세기 · 052
2.2.1 쿨롱의 법칙 · 052
2.2.2 전계의 세기 · 056
2.3｜ 연속적인 전하분포에 의한 전계 · 059
2.3.1 선전하분포에 의한 전계 · 060
2.3.2 면전하분포에 의한 전계 · 065
2.3.3 체적전하분포에 의한 전계 · 068
2.4｜ 전기력선 · 070
2.5｜ 전속과 전속밀도 · 072
2.5.1 패러데이의 실험 · 072
2.5.2 가우스의 법칙 · 076
2.5.3 가우스 법칙의 응용 · 078
2.6｜ 벡터의 발산 · 085
2.6.1 전속밀도의 발산 · 085
2.6.2 발산의 정리 및 맥스웰 방정식 · 090
2.7｜ 전위 · 095
2.7.1 전하를 움직이는 데 소요되는 에너지 · 095
2.7.2 전위 및 전위차 · 097
2.7.3 선적분과 전계의 보존적 성질 · 100
2.7.4 각종 전하계에 의한 전위 · 103
2.7.5 전위계수 및 중첩의 원리 · 107
2.8｜ 전위경도 · 111
2.9｜ 정전에너지 · 117 
핵심요약 · 122
연습문제 · 124 

제 3 장 도체, 반도체, 유전체 및 정전용량 
3.1｜ 개요 · 129
3.2｜ 정상전류 · 131
3.2.1 전류와 전류밀도 · 131
3.2.2 전류의 연속방정식 · 135
3.3｜ 도체와 옴의 법칙 · 138
3.4｜ 반도체 · 145
3.5｜ 유전체 · 147
3.5.1 분극 · 147
3.5.2 전기쌍극자 · 151
3.6｜ 경계조건 · 154
3.6.1 도체와 자유공간의 경계조건 · 154
3.6.2 도체와 유전체의 경계조건 · 157
3.6.3 유전체와 유전체의 경계조건 · 157
3.7｜ 정전용량 · 162
3.8｜ 푸아송 및 라플라스 방정식 · 169
3.8.1 라플라스 방정식의 해법 예 · 171
3.8.2 푸아송 방정식의 해법 예 · 180
3.9｜ 영상법 · 183
핵심요약 · 186
연습문제 · 188

제 4 장 정자계
4.1｜ 개요 · 193
4.2｜ 벡터의 회전과 스토크스의 정리 · 194
4.2.1 벡터의 회전 · 194
4.2.2 스토크스의 정리 · 197
4.3｜ 비오 사바르의 법칙에 의한 자계의 정의 · 200
4.4｜ 앙페르 주회법칙과 응용 · 209
4.5｜ 자속밀도와 정전자계에서의 맥스웰 방정식 · 220
4.6｜ 스칼라 자위와 벡터 자위 · 223
핵심요약 · 227
연습문제 · 228

제 5 장 자기력, 자성재료, 인덕턴스
5.1｜ 개요 · 231
5.2｜ 자기력의 정의 · 233 
5.2.1 하전입자에 작용하는 힘 · 233 
5.2.2 전류가 흐르는 도체에 작용하는 힘 · 237
5.3｜ 자기쌍극자와 자기쌍극자모멘트 · 243
5.4｜ 물질의 자화와 자성재료 · 249
5.5｜ 경계조건 · 259
5.6｜ 인덕턴스와 자기에너지, 자기회로와 전자석 · 263
5.6.1 인덕턴스와 자기에너지 · 263
5.6.2 자기회로와 전자석 · 268
핵심요약 · 278
연습문제 · 279

제 6 장 시변 전자계에서의 맥스웰 방정식 
6.1｜ 개요 · 283
6.2｜ 패러데이 법칙 · 285
6.3｜ 전하보존의 법칙, 변위전류, 그리고 시변계에서의 앙페르 법칙 · 291
6.4｜ 시변계에서의 맥스웰 방정식 · 296 
6.5｜ 전력의 이동과 포인팅벡터 · 300
6.6｜ 정현 정상상태와 페이저 · 304
핵심요약 · 308
연습문제 · 309

제 7 장 균일평면파 
7.1｜ 개요 · 313
7.2｜ 파동방정식 · 314 
7.3｜ 균일평면파의 전파 · 319
7.4｜ 손실 탄젠트와 표피효과 · 325
7.5｜ 전자파의 반사와 투과 · 330
핵심요약 · 334
연습문제 · 335

제 8 장 전송선로 
8.1｜ 개요 · 339
8.2｜ 무손실 전송선로의 등가회로 · 340 
8.3｜ 무손실 전송선로의 주파수 영역 해석 · 348
8.4｜ 무손실 전송선로에서의 반사 · 351
8.5｜ 무손실 전송선로 상에서의 전압과 전류 · 355 
8.6｜ 전송선로의 단락과 개방 · 359 
8.7｜ 정재파비와 정합 · 363 
핵심요약 · 366
연습문제 · 367

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