머리말 전자기학ㆍ전자장 이론은 약 130년 전에 확립되기 시작하여 물리와 수학적인 개념과 원리를 바탕으로 공간에서 발생하고 있는 전기 현상과 자기 현상을 다루고 있다. 이러한 현상이 시간에 따라 변동하지 않는 경우를 전자기학(Electromagnetics, Electromagnetism:EM, EMT), 변동하는 경우를 전자장(Electromagnetic Fields:EMF)이라는 과목으로 편의상 구별하여 다루고 있다. 전자기학에서는 벡터 해석을 우선 다룬 다음, 전기 현상을 정전계(electrostatics)에서 자기 현상을 정자계(magnetostatics)에서 다룬다. 전자장에서는 맥스웰 방정식을 우선 다룬 다음, 전송선 이론, 도파관 이론 및 안테나 이론을 다루고 있다. 전자ㆍ전기ㆍ컴퓨터ㆍ통신계열의 교과목들 중에서, 전자기학은 반도체 이론ㆍ회로이론과 더불어 핵심 과목이며, 이들 세 과목은 서로 밀접하게 연계되어 있어서 공통부분이 비교적 많은 편이다. 전자기학의 수강 트리(tree)를 따라 깊이 있게 학습하기 위해서, 학부 3·4학년 또는 대학원에서 마이크로파 이론, 전송선 이론, 도파관 이론, 레이다 및 안테나 이론 등을 따로 독립된 교과목으로 세분하고 있다. 이런 과목에서는 유한 공간 또는 무한 공간 속에서 전자파(electromagnetic waves)를 효율적으로 전파(propagation)시키기 위한 기술을 다루고 있다. 전자파의 일종으로서 주로 빛의 현상을 이용하기 위한 기술을 독립적으로 다루기 위해 개설하는 과목이 광학ㆍ광전자 공학ㆍ레이저 이론 등이며, 전자파를 이용하여 정보를 전달하기 위한 기술은 통신 분야 과목 중에서 이동 통신, 광통신, 위성 통신 등의 교과목에서 다루고 있다. 전자기학(전자장)은 위에 열거한 과목들을 수강하기 위한 필수 기본이 된다. 많은 경우, 학생들이 이 과목을 별로 좋아 하지 않는 이유 중의 하나로써, 개념과 원리를 체계적으로 이해하지 않고, 공식만을 무리하게 암기하려고 애쓰기 때문이다. 이 과목을 충실히 파악하기 위해서는, 물리·수학적인 기본 개념과 원리를 이해하는 것이 대단히 중요하다. 더 나아가서, 공과 대학에서는 이러한 원리를 응용하여 시스템을 실제 구현함으로써 우리들의 현대 생활을 보다 편리하게 하는 데 이바지 할 것을 요구하고 있다. 지금의 산업 현장에서는 이 과목과 관련된 시스템을 구현하는 데, 시뮬레이션 툴(simulation tool)을 널리 사용하고 있다. 막강한 기능을 갖고 있는 이러한 툴(tool)들은 전자기학의 이론을 필수 기본으로 포함하고 있다. 우리는 이러한 상황을 늘 주시하고 있었던 바, 전자기학(전자장)을 필요로 하는 독자들을 위하여 선택의 폭을 다소 넓혀주고, 새로운 시대의 요구와 기대에 부응하기 위한 교육적 효과를 거둠으로써, 과학·기술의 발전에 조금이라도 도움을 주기 위한 바람으로 이 책을 만들게 된 것이다. 전자기학(또는 전자장) 교과목을 이해하는데 필수적인 수학과 물리의 개념을 충분하고도 자세히 다루기 위하여 2장의 벡터와 3장의 정전계에서 많은 지면을 할애하였다. 이 내용을 이해한다면 그 이후의 주제를 학습하기에 매우 수월하게 될 것이다. 이 책은 기초부터 중급, 고급 정도 수준까지의 다양하고 알찬 내용을 현대 감각과 시대의 흐름에 맞춰서 체계적으로 소개하면서, 독자 스스로 개념과 원리를 이해하고 응용할 수 있도록 하였다. 학생들에게 강조하고 싶은 것을 몇 가지 나열해 보면 다음과 같다. 첫째, 수학과 물리가 필수적으로 쓰이긴 하지만, 교양 학부에서 익힌 정도만 알고 있으면 학부 과정의 전자기학(전자장)을 학습하는 데 전혀 어려움이 없으므로, 다른 과목에 투자하는 만큼의 시간과 노력을 이 과목에 활용한다면, 겉보기와 다르게 전혀 어려운 과목이 아님을 염두에 두기 바란다. 둘째, 공식을 맹목적으로 암기하려고 애쓰지 말고 기본이 되는 것들만 물리적 개념과 더불어 이해하여, 필요한 경우 유도할 수 있도록 하라. 셋째, 문제에서 주어진 내용을 1, 2 또는 3차원의 좌표 공간에서 알기 쉽게 그림으로 표시한 후 적절한 수식이나 공식을 선택하여 물리적 개념으로 해석하라. 이때 반드시 대칭 특성을 최대한 활용하라. 넷째, 문제를 반복해서 풀어 보고, 비슷한 문제를 비교하여 이해하고, 새로운 문제에 도전하라. 이 교재를 펴냄에 있어서, 학습이 능동적이고 효율적으로 이루어질 수 있도록 많은 노력을 기울였으므로 체계적으로 학습 활동을 해 나간다면 전자기학(전자장) 이론을 습득할 수 있는 만족스러운 성과를 반드시 거두리라 믿는다. 책을 만드는 과정에서 여러 방면의 배려를 해주신 복두출판사 담당자들과 원고 검토 및 자료 수집을 도와 준 한양대학교 반도체 연구실 대학원생들에게 깊은 감사의 뜻을 전한다. 다음 문장을 다시 한 번 생각해 보자!! Your Attitude Determines Your Altitude!! (태도가 고도를 결정한다) 2016.3.5. 지은이 씀

1장 서론(Introduction) 1.1 개요 1.2 전자장 이론의 역사 1.3 단위(units) 1.3.1 SI 기본 단위 1.3.2 SI 보충 단위 1.3.3 SI 유도 단위 1.4 차원(dimension) 1.5 SI 단위에서 사용하는 접두어 1.6 단위 사이의 등가 변환 ■ 1장 연습문제 2장 벡터 해석(Vector Analysis) 2.1 벡터와 스칼라 2.1.1 벡터의 합과 차 2.1.2 벡터의 스칼라 곱 2.2 직교 좌표계 2.2.1 직각 좌표계 2.2.2 원통 좌표계 2.2.3 구좌표계 2.3 좌표 변환 2.3.1 직각 좌표 와 원통 좌표 2.3.2 직각 좌표 와 구좌표 2.3.3 원통 좌표 와 구좌표 2.4 벡터의 곱 2.4.1 두 벡터의 도트 곱(dot product) 2.4.2 두 벡터의 크로스 곱 2.4.3 세 벡터의 곱 2.5 필드(Fields) 2.5.1 스칼라 필드 2.5.2 벡터 필드 2.6 스칼라 필드의 경사도(gradient: 경도, 기울기) 2.7 벡터 필드의 선적분 2.8 벡터 필드의 발산 2.9 발산 정리 2.10 벡터 필드의 회전 2.11 Stokes의 정리 2.12 두 가지 중요한 벡터 항등식 2.13 필드의 종류와 Helmholtz의 정리 2.13.1 필드의 종류 2.13.2 Helmholtz의 정리 2.14 필드의 라플라시안 2.14.1 스칼라 라플라시안(scalar Laplacian) 2.14.2 벡터 라플라시안(vector Laplacian) ■ 2장 연습문제 A ■ 2장 연습문제 B 3장 정전계(Electrostatic Fields) 3.1 전하(Electric Charge) 3.2 전속과 전속 밀도 3.3 쿨롱의 법칙(Coulomb’s Law) 3.4 점전하를 운반하는데 필요한 일 3.5 Coulomb 법칙에 의한 전계의 세기 3.5.1 면전하에 의한 전계 3.5.2 전력선의 방정식 3.5.3 정전계의 보존 성질 3.6 Gauss 법칙과 전속밀도 3.6.1 Gauss 법칙 3.6.2 Gauss 법칙을 이용하여 전계를 구하는 예 3.7 정전위 3.8 도체와 유전체 3.8.1 도체 3.8.2 전기 쌍극자(Electric Dipole) 3.8.3 구속 전하와 유전체 3.9 경계 조건 3.10 정전계에 저장되는 에너지 3.11 커패시턴스(Capacitance, 정전 용량) 3.12 커패시터(Capacitor, 정전 용량기)의 연결 3.13 경계값 문제: Poisson 방정식과 Laplace 방정식 3.13.1 Poisson 방정식과 Laplace 방정식의 예 3.14 해의 유일성(Uniqueness of Solutions) 3.15 영상법 3.15.1 무한 도체 평면과 점전하 3.15.2 무한 도체 평면과 선전하 3.16 정전계에서 작용하는 힘 ■ 3장 연습문제 A ■ 3장 연습문제 B 참고자료 부 록 부록 A. 벡터 연산 부록 B. 벡터 항등식 부록 C. 물리 상수 및 매질 특성 1장 연습문제 풀이 2장 본문문제 풀이 2장 연습문제 A 풀이 2장 연습문제 B 풀이 3장 본문문제 풀이 3장 연습문제 A 풀이 3장 연습문제 B 풀이 찾아보기