전자기학의 발전과정과 과학자들의 핵심역량 (2025)

1방정식

전기장의 가우스법칙(쿨롱의 법칙)

==> 양전하와 음전하는 분리할 수 있다

2방정식

자기장의 가우스 법칙

==> N극과 S극은 쪼갤 수 없다

3방정식

전자기 유도 법칙(패러데이 법칙)

==> 변화하는 자기장이 전기를 유도한다

4방정식

맥스웰이 수정한 앙페르 법칙

==> 변화하는 전류가 자기장을 만든다

1. 가우스법칙은 전하에 의한 전기장을 기술하며, 쿨롱의 법칙을 유도하는데 사용할 수 있다.

2. 자기에 대한 가우스법칙은 자기력선은 연속이며, 자기 홀극(magnetic monopole)은 존재하지 않는다. 자기 홀극이 없다는 것은 자석을 아주 작게 잘라도 N극과 S극으로 나누어진다는 말이다.

3. 패러데이 법칙은 시간에 따라 변하는 자기장은 전기장을 생성할 수 있다.

4. 맥스웰이 수정한 앙페르 법칙은 시간에 따라 변하는 전기장은 자기장을 생성할 수 있다는 앙페르 법칙에 맥스웰이 다른 항을 하나 더 추가하여 만들었다. 이 부가적인 항을 변위 전류라 하며, 전기선속의 시간 변화율에 의존한다.

맥스웰 방정식은 전자기 현상의 모든 면을 통일적으로 기술하고 있는, 전자기학의 기초가 되는 방정식입니다. 이 방정식을 기본으로 하여 맥스웰이 전자기장이론을 확립하였습니다.

이 식이 물리적으로 중요한 의의를 가지는 것은 전자기현상의 모든 면을 통일적으로 기술할 뿐만 아니라 그 속에 변위전류(displacement current)라 하는 기존의 여러 법칙에 대응되지 않는 요소도 포함하기 때문입니다.

즉, 맥스웰은 그 물리적 의미의 연구에서 이 방정식으로 표현되는 매질의 전기적인 변위가 자기적인 상호작용을 매개로 하여 공간을 전파하는 과정(전자기파)으로 존재하고, 그 전파속도의 계산값이 광속과 일치하는 사실로부터 빛의 전자기파설을 주장하였습니다. 그의 주장은 8년후 헤르츠에 의해 증명되었습니다.

이 방정식이 갈릴레이-뉴턴의 상대성원리를 만족하지 않는 상황이 주목되어 이 모순을 해결하려고 하는 가운데서 1905년 A.아인슈타인에 의해 특수상대성이론이 탄생하였습니다.

즉, 이 방정식을 기본으로 하는 맥스웰의 전자기장이론 확립은 물리학의 역사상 뉴턴역학의 형성과 비교될 만한 의의를 가지는 것으로, L.볼츠만에 의한 통계역학의 확립과 더불어 19세기 물리학이 이룩한 큰 성과로 높이 평가되고 있습니다.

BBC는, Physics World magazine이 2000년도를 맞아 100명의 지도급 물리학자들을 대상으로 투표를 하여 역사상 가장 큰 업적을 남긴 물리학자를 선정하였는데 아인슈타인과 뉴튼에 이어 맥스웰이 3위로 뽑혔다고 보도한 바 있습니다.

맥스웰은 시골의 지주집안에서 태어나 비교적 유복하게 자랐습니다. 어릴때부터 수학에 뛰어난 재능을 보였고 8세에 성경의 119개의 시를 암송할 정도로 암기력도 뛰어났다고 합니다.

대학에 입학하여 처음엔 철학을 전공하였고 이후에 아버지의 권유로 법학을 전공하려다가 지도교수의 설득으로 수학을 전공하였습니다. 졸업후 교수 생활을 줄곧 했으며 33세에 맥스웰 방정식을 발표하였는데 아쉽게도 위암으로 48세의 젊은 나이에 사망하였습니다.

맥스웰의 주요 연표는 다음과 같습니다.

1831년 스코틀랜드 에든버러에서 출생

1839년 8세, 성경의 시 119편 암송, 어머니 사망

1845년 14세, 난형곡선에 관한 논문 발표

1847년 16세, 에든버러 대학교 철학과 입학

1850년 19세, 에든버러 대학 중퇴, 케임브리지 대학교 트리니티 칼리지 수학과 입학

1854년 23세, 케임브리지 대학 졸업(트라이퍼스 시험 차석, 스미스상 수상)

1855년 24세, 케임브리지 대학교 트리니티 칼리지 특별연구원으로 선발

1856년 25세, 에버딘 마셜 대학 자연철학 교수로 취임

1858년 27세, 결혼(마셜 대학의 학장 딸)

1860년 29세, 킹스 칼리지 런던의 자연철학 및 천문학 교수로 취임

1864년 33세, 맥스웰 방정식 정리(1864년 10월 - 1865년 1월)

1865년 34세, 케임브리지 대학 교수로 취임

1871년 40세, 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소에서 연구에 전념

1879년 48세, 사망(위암)

맥스웰이나 아인슈타인 등등 인류사에 빛을 남긴 위대한 과학자중 몇몇은 20대 혹은 30대초반에 위대한 발견을 하거나 새로운 이론을 만들어 냅니다. 이런 것을 두고 사람들은 막연히 천재라고 부릅니다.

그런데 그들의 삶을 자세히 들여다 보면 어떻게 그런 일이 가능했는지를 이해할 수 있습니다. 이들은 어린 시절부터 수학, 물리학, 기하학, 대수학과 같은 분야에 몰입하여 당대의 수학, 물리학 지식을 빠르게 흡수했다는 것입니다. 다만, 수학, 물리학 분야에만 몰두하여 종종 다른 분야는 형편없는 경우가 많습니다.

어떤 분야에서 탁월한 성과를 만들어 내기 위해서는 10년 이상의 몰입이 필요한데 수학, 물리학은 특히 몰입을 한다면 그 성과가 빠르게 나타나는 편입니다. 실제 행동보다는 주로 머리로만 학습이 진행되고 성과를 만들어낼 수 있기때문입니다.

공간시각화지능, 논리수학지능, 추상화지능이 결합한 상태에서 10년이상의 몰입이 진행되면 인류가 남긴 수학, 물리학의 분야 지식을 충분히 흡수할 수 있으며 기존의 것을 넘어서는 새로운 것을 만들어 내는 일이 확률적으로 발생하는 것입니다.

대체로 나이가 30대가 넘으면 결혼도 하고, 자녀도 생기고, 사회적 관계도 많아지고, 사회적 지위도 생겨서 이것 저것 해야 할 일들이 많아져서 일상의 생활을 위해 많은 시간을 쪼개 써야 합니다. 그러다보면 집중몰입의 시간은 크게 줄어들게 되어 새로운 정보를 받아들이고 소화하여 새로운 무엇을 만드는데 필요한 절대적 시간이 부족하게 됩니다. 그야말로 현상유지밖에 하지 못하는 것이죠.

그래서 특히, 수학, 물리학과 같은 분야는 조기교육이 매우 중요한 것입니다. 매우 강도높은 몰입이 필요하고, 공간시각화지능, 논리수학지능, 추상화지능을 완성시켜야 하고, 주변 여건이 이런 것을 가능하도록 조성되어야 합니다.

위와 같은 사실은 노벨과학상(물리, 화학, 생리의학) 수상자들의 핵심 논문은 20~30대에 31%가 생산되는 등 30대 이하 시기에서 가장 활발하게 생산된다고 분석된 점과도 관련이 있습니다.

그러나 이와같은 비록 젊은 시절 핵심논문을 발표했다 하더라도 그것이 성과를 내어 널리 인정받기까지는 오래 걸리기때문에 최근 11년(2008-2018)간 수상자들의 노벨과학상 수상 패턴을 조사한 결과, 핵심 논문 생산에는 평균 16.9년, 핵심논문 생산 후 수상까지 평균 14.5년이 소요되어 노벨상 수상까지는 총 31.4년이 소요되는 것으로 나타나고 있습니다.

1800년대의 학문의 복잡성 수준과 지금의 수준이 많이 달라졌기때문에 이제는 20~30대에 노벨상을 받는 것은 거의 불가능한 일이 되고 있는 것이죠.

여하튼 맥스웰의 경우는 어릴때부터 부모의 세심한 교육으로 수학이나 기하학에 관심이 많았고 14살에 난형곡선에 관한 논문을 쓸 정도로 수준급에 도달했습니다. 또한 케임브리지 대학 수학과에 진학하여 수학과 물리학 분야의 학습을 조기에 섭렵하였습니다. 대략 10여년의 집중적인 학습과 연구를 통해 33세에 맥스웰 방정식을 정리하게 된 것입니다.

맥스웰에게서 확인할 수 있는 역량은 몰입과 종합입니다. 시기적으로 맥스웰이 집중적 몰입을 하여 학업과 연구를 할 시기에 가우스, 쿨롱, 패러데이, 앙페르와 같은 사람들의 연구성과가 영역별로 진행이 되어 때마침 이것을 통합할 수 있는 여건이 되었는데 그때 맥스웰이 수학과 물리학으로 탄탄하게 무장한 상태에서 이를 종합한 것이죠.

맥스웰의 타고난 재능도 있었겠지만 그의 가정환경, 성장환경, 학습환경이 수학과 물리학에 정통할 수 있는 여건을 제공하였고, 시대적 환경이 전자기학을 통합할 선행 연구가 완성이 되었던 것입니다. 맥스웰은 이것을 포착하고 10여년 이상 몰입한 결과 위대한 성과를 만들어 낸 것이죠.

어떤 분야를 종합하기 위해서는 기본적인 지능이 높은 수준으로 완성된 상태에서도 강도 높은 몰입 상태에서 긴 시간을 지속해야만 가능한 일입니다. 뉴턴, 데카르트, 칸트 이런 사람들이 전부 탁월한 종합력이 있었던 사람들이죠.

종합력은 역량 중에서도 가장 높은 수준의 능력인 것입니다. 자신의 분야에서 종합할 수 있는 사람은 당연히 압도적인 성과를 만들어 낼 수 밖에 없습니다.

성문종합영어의 저자 송성문이라는 사람이 있었죠. 1961년 동아대 영문과를 졸업하고 부산고, 마산고 영어교사로 재직하다가 1970년에 서울로 와서 학원강사를 했었습니다. 그 과정에서 1967년에 처음 성문종합영어를 발간하였는데 무려 1000만부 이상이 판매되었습니다. 40년 정도 영어과목에서는 부동의 베스트셀러였죠. 그렇게 번 돈으로 성문출판사를 설립하여 준 재벌이 되었죠. 하다못해 영어교재 분야에서도 종합을 잘 하면 이런 성과가 나는 것이죠.

여력이 되는 사람은 자신의 분야에서 종합을 시도하세요. 종합을 시도하는 과정이 역량개발 그 자체이며, 종합을 시도하는 일 만으로도 지능과 시야가 확대됩니다. 그리고 만일 어느정도 제대로 된 종합이 일어날 경우 압도적인 성과가 출현하게 됩니다.

그러나 보통 사람의 몰입, 집중력으로는 결코 종합을 이루어 낼 수 없습니다. 자신의 분야에서 종합을 하기 위해서는 끊어내야 할 것이 너무나 많습니다. 남들이 하는 것 다 하면서 그런 업적을 달성할 수는 없으니까요. 사람의 능력도 문제지만 시공간의 제약이 있기때문에 모든 것을 다 할 수가 없는 것입니다.

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Author: Kareem Mueller DO

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