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| === 도착질문 === | | === 도착질문 === |
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| # 자기력이 발생하는 이유는 뭘까?[상대 이론과 연관 있음] | | # 자기력이 발생하는 이유는 뭘까? [특수 상대성 이론과 연관 있음] |
| # 움직이는 양전하가 균일한 자기장 속에서 자기력을 받아 휘어지고 있다. 자기력은 그 입자의 속력을 증가시키거나 감소시킬 수 있을까? 왜 그렇게 생각하는가? | | # 움직이는 양전하가 균일한 자기장 속에서 자기력을 받아 휘어지고 있다. 자기력은 그 입자의 속력을 증가시키거나 감소시킬 수 있을까? 왜 그렇게 생각하는가? |
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| 시간이 남을 때에만 보세요~ | | 시간이 남을 때에만 보세요~ |
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| === 자기력이 발생하는 이유는 뭘까? [상대 이론과 연관 있음] === | | === 자기력이 발생하는 이유는 뭘까? [특수 상대성 이론과 연관 있음] === |
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| !선생님코멘트 | | !선생님코멘트 |
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| | * 정지한 관찰자 시점에서는 전하가 자기장에 의해 힘을 받는 것이고 전하의 관점에서는 길이 수축으로 인해 발생한 밀도 차이에 의해 발생한 전기력을 받는 것이다. |
| * 자기력은 독립적인 힘이 아니라 움직이는 관찰자의 시선으로 본 전기력이라고 할 수 있다. 전류가 흐르는 도선은 원래 전기적으로 중성이지만 그 옆에서 움직이는 전하의 기준틀에서는 도선 속 양전하와 전자의 속도가 서로 달라 길이 수축 정도가 달라지고, 전하 밀도가 어긋나서 도선이 알짜 전하를 띤 것처럼 보인다. 그래서 그 기준틀에서 생기는 전기력이 정지한 관찰자에게는 자기력으로 보인다 | |
| * 자기력은 상대성 이론으로 보면 전기력이 관성계에 따라 다르게 보이는 현상이다. 전류가 흐르는 도선은 정지한 관찰자가 보면 전기적으로 중성이다. 하지만 도선 옆을 같이 움직이는 전하의 입장에서는 길이 수축 때문에 양이온과 전자의 간격이 서로 다르게 줄어들어 도선이 전하를 띤 것처럼 보인다. 그래서 그 전하는 전기력을 받고, 정지한 관찰자는 이를 자기력이라고 부르게 된다. 결국 전기와 자기는 별개가 아니라 같은 현상의 다른 모습이라고 이해했다. | | * 자기력은 상대성 이론으로 보면 전기력이 관성계에 따라 다르게 보이는 현상이다. 전류가 흐르는 도선은 정지한 관찰자가 보면 전기적으로 중성이다. 하지만 도선 옆을 같이 움직이는 전하의 입장에서는 길이 수축 때문에 양이온과 전자의 간격이 서로 다르게 줄어들어 도선이 전하를 띤 것처럼 보인다. 그래서 그 전하는 전기력을 받고, 정지한 관찰자는 이를 자기력이라고 부르게 된다. 결국 전기와 자기는 별개가 아니라 같은 현상의 다른 모습이라고 이해했다. |
| |오, 이 질문에서 기대한 핵심을 정확히 설명했습니다. 같은 힘을 정지한 관찰자는 자기력으로, 전하와 함께 움직이는 관찰자는 전하밀도 차이에서 생긴 전기력으로 설명할 수 있죠. 단, 어느 기준계에서도 실제 힘의 결과는 서로 모순되지 않아야 합니다! | | |오, 훌륭. 실제 힘의 결과는 서로 모순되지 않아야 합니다! |
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| * 전류가 흐르는 도선은 원래 중성이지만, 도선 옆을 움직이는 전하의 입장에서 보면 길이 수축 때문에 양전하와 전자의 밀도가 달라져 도선이 전하를 띤 것처럼 보인다. 그래서 그 전하는 전기력을 받는다. 땅에서 보면 이 힘을 자기력이라고 부르는 것이다. 즉 자기력은 상대론적 효과로 나타나는 전기력이다
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| * 전류가 흐르는 도선은 관찰자 입장에서는 중성이지만, 움직이는 전하의 입장에서 봤을 때는 길이 수축이 발생하여 양이온과 전자의 밀도가 달라보이고 이로 인해 도선이 대전된다. 그래서 정지한 관찰자 입장에서 자기력이라고 하는 것이 움직이는 관찰자 입장에서는 전기력으로 생각할 수 있다.
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| * 전하와 함께 움직이는 관찰자가 보면 길이 수축 때문에 도선 속 양전하와 음전하의 밀도가 달라지고, 그 결과 생긴 전기장이 전하에 힘을 주는 것으로, 같은 현상이 관찰자의 운동 상태에 따라 자기력이나 전기력으로 다르게 보이는 것이다.
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| |길이 수축 → 전하밀도 변화 → 알짜 전기장 → 전기력이라는 흐름을 간결하고 정확하게 정리했습니다. 나이스!
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| * 자기력은 전기력과 완전히 별개의 힘이라기보다, 관찰자의 운동 상태에 따라 전기장과 자기장이 다르게 나타나는 전자기력의 한 모습이라고 볼 수 있다. 즉 상대성이론의 관점에서는 한 관찰자에게 자기력으로 보이는 현상이 다른 관찰자에게는 전기력으로 설명될 수 있다.
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| * 정지한 전하가 만드는 전기장이 관찰자의 운동 상태에 따라 자기장으로도 나타날 수 있다. E와 B는 특수상대성이론에서 서로 독립적인 것이 아니라 하나의 전자기장의 서로 다른 성분으로 볼 수 있다.
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| * 자기력은 특수상대성이론의 길이 수축 현상으로 인해 관찰자의 운동 상태에 따라 전하 밀도 균형이 깨지며 나타나는 '상대론적 전기력'이다. 즉, 전기장과 자기장은 관찰자의 상대 속도에 따라 모습이 달라지는 동일한 전자기력의 두 단면이다.
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| |도선의 구체적인 사례를 넘어, 전기장과 자기장이 하나의 전자기장을 이루는 서로 다른 성분이라는 데까지 일반화했네요. 보다 근본적인 설명입니다!
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| * 전하가 움직이면 외부 관찰자의 입장에서는 전기력과 자기력이 있다고 생각한다. 하지만 전하와 함께 움직이는 관찰자 입장에서는 전하가 정지해 있으므로 자기력이 없고, 전기력만 있다. 자기력은 상대적인 운동에 따라 전기력이 다른 방식으로 보이는 것이다.
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| * 정지한 관찰자 시점에서는 전하가 자기장에 의해 힘을 받는 것이고 전하의 관점에서는 길이 수축으로 인해 발생한 밀도 차이에 의해 발생한 전기력을 받는 것이다.
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| * 자기력은 전기력을 다른 관성계에서 볼 때 나타나는 모습
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| |관찰자의 운동 상태를 바꿔 같은 현상을 비교한 점이 좋습니다. 자기력은 전하의 속도에 의존하므로, 전하와 함께 움직이는 기준계에서는 동일한 현상을 전기력으로 설명할 수 있죠.
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| * 도선 옆을 나란히 움직이는 양전하를 생각해볼 때, 외부 입장에서는 도선이 전기적으로 중성이고, 입자가 자기력을 받는다고 설명할 수 있지만, 움직이는 전하의 관점에서는 전하 자신은 정지해 있고, 도선 안의 양성자들이 뒤로 이동하는 것으로 보일 것이다. 이때 상대성 이론에 의해 움직이는 양성자들의 간격이 길이 수축 현상으로 좁아져 보일 것이다. 결과적으로 양전하의 관점에서 도선은 더 이상 전기적 중성이 아니므로, 이때 발생하는 순수한 정전기력 인력 또는 척력(전기력)이 우리가 외부에서 관찰할 때 자기력이라는 현상으로 나타나는 것이다.
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| * 전기력과 자기력은 하나의 전자기적 상호작용의 두 측면으로, 관찰자의 운동 상태에 따라 전기장과 자기장이 다르게 관측된다. 예를 들어 전류가 흐르는 중성 도선 옆에서 움직이는 전하는 자기력을 받는다. 그런데 이 전하와 함께 움직이는 관찰자의 관점에서는 상대론적 길이 수축으로 도선의 양전하와 음전하의 밀도가 서로 달라져 전기장이 나타나고, 전하가 받는 힘을 전기력으로 설명할 수 있다. 이처럼 자기력은 전기 현상과 특수 상대성 이론이 밀접하게 연결되어 나타나는 현상이다.
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| |상황 설정부터 결론까지 논리적으로 잘 이어졌습니다. 특히 외부 관찰자와 움직이는 전하의 관점을 명확하게 구분한 것이 훌륭합니다.
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| * 상대성 이론에 따라 전하가 움직이면 길이 수축 때문에 전하 밀도가 관찰자마다 다르게 보이기 때문이다. 그래서 정지한 관찰자에게는 중성인 도선도 움직이는 전하에게는 대전된 것처럼 보여 전기력을 받는데 모든 기준계에서 같은 결과가 나와야 하므로 정지한 관찰자 쪽에서는 이 힘이 '자기력'이라는 형태로 나타나야만 하는 것이다. | | * 상대성 이론에 따라 전하가 움직이면 길이 수축 때문에 전하 밀도가 관찰자마다 다르게 보이기 때문이다. 그래서 정지한 관찰자에게는 중성인 도선도 움직이는 전하에게는 대전된 것처럼 보여 전기력을 받는데 모든 기준계에서 같은 결과가 나와야 하므로 정지한 관찰자 쪽에서는 이 힘이 '자기력'이라는 형태로 나타나야만 하는 것이다. |
| * 전하가 운동할 때 특수 상대성 이론에 따른 길이 수축 현상이 일어나 전하 밀도가 변하기 때문입니다. 이로 인해 관찰자의 기준틀에서 전기적 힘이 자기력의 형태로 나타나게 됩니다. | | * 전하가 운동할 때 특수 상대성 이론에 따른 길이 수축 현상이 일어나 전하 밀도가 변하기 때문입니다. 이로 인해 관찰자의 기준틀에서 전기적 힘이 자기력의 형태로 나타나게 됩니다. |
| |왜 자기력이라는 설명이 필요한지를 '모든 관성계에서 물리적 결과가 일관되어야 한다'는 관점으로 접근했네요. 매우 좋은 상대론적 사고입니다. | | |왜 자기력이라는 설명이 필요한지를 '모든 관성계에서 물리적 결과가 일관되어야 한다'는 관점으로 접근했네요. 좋은 상대론적 사고. |
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| * 자기력은 움직이는 전하가 자기장 속에서 받는 힘으로 로렌츠 힘에 의해 발생한다. 전기장과 자기장은 서로 독립적인 것이 아니라 하나의 전자기장이 관찰자의 운동 상태에 따라 다르게 나타난 것이다.
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| * 전하가 움직이면 자기장이 생기고, 이 자기장이 다른 움직이는 전하와 상호작용하면서 자기력이 발생한다. 상대성 이론의 관점에서는 관찰자의 운동 상태에 따라 전기장과 자기장이 서로 다르게 보일 수 있으며, 자기력은 전기적 상호작용을 상대론적으로 해석한 결과로 볼 수 있다.
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| * 자기력은 움직이는 전하가 만들어내는 자기장에 의해 발생한다. 상대성이론의 관점에서는 자기력을 전기력의 상대론적 효과로 이해할 수 있다.
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| |전자기학에서의 설명과 상대론적 해석을 모두 담았습니다. 다만 "움직이는 전하가 자기장을 만들기 때문에"는 현상을 기술한 설명이고, 이번 질문에서 요구한 더 근본적인 설명은 그 전기장과 자기장이 기준계에 따라 서로 섞여 나타난다는 점입니다.
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| * 물체 안에서 전자의 스핀에 의해 자기력이 발생한다. 만약 두 스핀 방향이 같으면 자기력이 강해지고 스핀 방향이 반대면 자기력이 약해진다(상쇄)
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| * 움직이는 전하와 원자 수준에서 전자의 운동 및 회전하는 성질 때문에 생긴다.
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| |영구자석의 자성이 어디에서 오는지를 설명하는 데에는 전자의 스핀과 궤도운동이 중요합니다. 다만 이번 질문은 움직이는 전하가 받는 자기력을 상대성이론으로 설명하는 것이 핵심이므로, 서로 관련은 있지만 구별할 필요가 있습니다.
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| * 길이수축으로 인해 전하 밀도 변화가 생겨서 | | * 길이수축으로 인해 전하 밀도 변화가 생겨서 |
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| * 전하의 입장에서 도선의 길이 수축으로 인해 중성이 아니게 되어서 생긴 전기력이 원인이다. | | * 전하의 입장에서 도선의 길이 수축으로 인해 중성이 아니게 되어서 생긴 전기력이 원인이다. |
| * 자기력은 다른 기준계에서 전기력이 나타나는 현상으로 볼 수 있다. | | * 자기력은 다른 기준계에서 전기력이 나타나는 현상으로 볼 수 있다. |
| |짧지만 핵심어는 정확합니다. 여기에 "누구의 기준계에서 어떤 전하의 밀도가 달라지는지"를 덧붙이면 완전한 설명이 됩니다. | | |간결해서 좋음..! 여기에 "누구의 기준계에서 어떤 전하의 밀도가 달라지는지" 덧붙이면 완벽할 듯? 상대론은 시점을 다루는 게 어려워서;; |
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| | * 물체 안에서 전자의 스핀에 의해 자기력이 발생한다. 만약 두 스핀 방향이 같으면 자기력이 강해지고 스핀 방향이 반대면 자기력이 약해진다(상쇄) |
| | * 움직이는 전하와 원자 수준에서 전자의 운동 및 회전하는 성질 때문에 생긴다. |
| | |어;;;; 물어본 게 아닌데; |
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| * 모르겠어요 전류에서 상대론적인 시간 차이로 힘이 신기해지는건가 | | * 모르겠어요 전류에서 상대론적인 시간 차이로 힘이 신기해지는건가 |
| * 찾아보니 길이수축때문이라고 하네요 이해가 잘 안 돼요ㅜ | | * 찾아보니 길이수축때문이라고 하네요 이해가 잘 안 돼요ㅜ |
| * 상대성과 어떻게 연결하지 | | * 상대성과 어떻게 연결하지 |
| |상대론과 자기력을 처음 연결하면 당연히 혼란스럽습니다. 핵심은 시간 차이보다는 우선 길이 수축에 따른 전하밀도 차이입니다. 정지한 관찰자에게 중성인 도선이 움직이는 전하에게는 대전된 것처럼 보인다고 생각해봅시다! | | |ㅎㅎㅎㅎ |
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| * 만유인력은 '질량'이라는 특징을 가진 모든 물체에 작용하고, 전기력은 '전하'를 띠는 입자라는 조건이 있을 때 존재하므로 자기력도 같은 이유로 '자성'과 같은 조건이 있을 때 발생하는 것 아닐까? | | * 만유인력은 '질량'이라는 특징을 가진 모든 물체에 작용하고, 전기력은 '전하'를 띠는 입자라는 조건이 있을 때 존재하므로 자기력도 같은 이유로 '자성'과 같은 조건이 있을 때 발생하는 것 아닐까? |
| * 전기장과 자기장은 하나의 전자기장이니 전기력과 비슷하게? | | * 전기장과 자기장은 하나의 전자기장이니 전기력과 비슷하게? |
| |좋은 추론입니다. 다만 자기력을 받기 위해 별도의 '자성 전하'가 필요한 것은 아닙니다. 전하가 다른 관찰자에 대해 운동하면 전기장과 자기장이 함께 나타날 수 있습니다. | | |단일 자하..가 없기 때문에 그런 방식으로 다뤄선 안될 듯. |
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| * 자기력은 F = qv × B로 항상 속도 방향과 수직이므로, 속도 방향만 바꾸고 속력은 바꾸지 못한다. 수직인 힘은 일(W = F·s)을 하지 않아 운동에너지가 변하지 않으므로, 입자는 속력이 일정한 등속 원운동 or 나선 운동을 한다. | | * 자기력은 F = qv × B로 항상 속도 방향과 수직이므로, 속도 방향만 바꾸고 속력은 바꾸지 못한다. 수직인 힘은 일(W = F·s)을 하지 않아 운동에너지가 변하지 않으므로, 입자는 속력이 일정한 등속 원운동 or 나선 운동을 한다. |
| |자기력이 운동에 미치는 영향은 정확하게 설명했습니다. 다만 이것은 자기력이 "어떻게 작용하는가"에 대한 답이고, "왜 발생하는가"에 대한 상대론적 설명은 아닙니다. | | |그 근본 이유에 대해 묻는 질문이었음. |
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| * 전기장의 변화가 자기력을 일으킨다. | | * 전기장의 변화가 자기력을 일으킨다. |
| |변화하는 전기장이 자기장을 만든다는 맥스웰 방정식의 내용과 관련된 답변입니다. 하지만 움직이는 전하가 받는 자기력을 설명할 때는 전기장과 자기장이 관찰자의 기준계에 따라 다르게 나타난다는 점이 더 직접적입니다. | | |??? |
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| * 전자가 빛의 속도에 가깝게 이동하기 때문에 발생할 것 같다 | | * 전자가 빛의 속도에 가깝게 이동하기 때문에 발생할 것 같다 |
| |오, 상대론을 떠올린 방향은 좋습니다. 하지만 도선 속 전자의 평균 이동 속도는 일반적으로 빛의 속도에 가깝지 않습니다. 상대론적 효과는 속도가 느리면 아주 작아질 뿐, 전기와 자기의 관계 자체에는 여전히 들어 있습니다. | | |??? |
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| = 생기부 기록 예시 = | | = 생기부 기록 예시 = |
이 틀은 틀:현재 교육과정:고급물리에서 관리한다.
틀:15개정 고급물리
배우는 이유
| 흥미적
이유
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출발질문(마지막까지 학습한 후에 대답해보세요~)
- 간단하게 던질 만한 질문이 없네... 오늘은 철학적 논의를 해 봅시다.
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| 직업적
이유
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- 전기기사, 전자기사 등 기사가 되기 위해. 기사는 간지나니까.
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| 학문적
이유
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| 너희들은?
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| 배워야 할 것
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도입
학습
영상
수업요약
핵심개념
전개질문
도착질문
- 자기력이 발생하는 이유는 뭘까? [특수 상대성 이론과 연관 있음]
- 움직이는 양전하가 균일한 자기장 속에서 자기력을 받아 휘어지고 있다. 자기력은 그 입자의 속력을 증가시키거나 감소시킬 수 있을까? 왜 그렇게 생각하는가?
학생들의 질문
자성
더 나아가기
교과 내용이 너무 쉬워서 더 공부하고 싶은 사람들은 보세요~
수업 후, 흥미로운 것
시간이 남을 때에만 보세요~
자기력이 발생하는 이유는 뭘까? [특수 상대성 이론과 연관 있음]
| 답변
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선생님코멘트
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- 정지한 관찰자 시점에서는 전하가 자기장에 의해 힘을 받는 것이고 전하의 관점에서는 길이 수축으로 인해 발생한 밀도 차이에 의해 발생한 전기력을 받는 것이다.
- 자기력은 상대성 이론으로 보면 전기력이 관성계에 따라 다르게 보이는 현상이다. 전류가 흐르는 도선은 정지한 관찰자가 보면 전기적으로 중성이다. 하지만 도선 옆을 같이 움직이는 전하의 입장에서는 길이 수축 때문에 양이온과 전자의 간격이 서로 다르게 줄어들어 도선이 전하를 띤 것처럼 보인다. 그래서 그 전하는 전기력을 받고, 정지한 관찰자는 이를 자기력이라고 부르게 된다. 결국 전기와 자기는 별개가 아니라 같은 현상의 다른 모습이라고 이해했다.
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오, 훌륭. 실제 힘의 결과는 서로 모순되지 않아야 합니다!
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- 상대성 이론에 따라 전하가 움직이면 길이 수축 때문에 전하 밀도가 관찰자마다 다르게 보이기 때문이다. 그래서 정지한 관찰자에게는 중성인 도선도 움직이는 전하에게는 대전된 것처럼 보여 전기력을 받는데 모든 기준계에서 같은 결과가 나와야 하므로 정지한 관찰자 쪽에서는 이 힘이 '자기력'이라는 형태로 나타나야만 하는 것이다.
- 전하가 운동할 때 특수 상대성 이론에 따른 길이 수축 현상이 일어나 전하 밀도가 변하기 때문입니다. 이로 인해 관찰자의 기준틀에서 전기적 힘이 자기력의 형태로 나타나게 됩니다.
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왜 자기력이라는 설명이 필요한지를 '모든 관성계에서 물리적 결과가 일관되어야 한다'는 관점으로 접근했네요. 좋은 상대론적 사고.
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- 길이수축으로 인해 전하 밀도 변화가 생겨서
- 상대 이론의 길이수축으로 인한 정전기력의 변화로 인해 자기력이 발생함
- 전하의 입장에서 도선의 길이 수축으로 인해 중성이 아니게 되어서 생긴 전기력이 원인이다.
- 자기력은 다른 기준계에서 전기력이 나타나는 현상으로 볼 수 있다.
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간결해서 좋음..! 여기에 "누구의 기준계에서 어떤 전하의 밀도가 달라지는지" 덧붙이면 완벽할 듯? 상대론은 시점을 다루는 게 어려워서;;
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- 물체 안에서 전자의 스핀에 의해 자기력이 발생한다. 만약 두 스핀 방향이 같으면 자기력이 강해지고 스핀 방향이 반대면 자기력이 약해진다(상쇄)
- 움직이는 전하와 원자 수준에서 전자의 운동 및 회전하는 성질 때문에 생긴다.
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어;;;; 물어본 게 아닌데;
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- 모르겠어요 전류에서 상대론적인 시간 차이로 힘이 신기해지는건가
- 찾아보니 길이수축때문이라고 하네요 이해가 잘 안 돼요ㅜ
- 상대성과 어떻게 연결하지
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ㅎㅎㅎㅎ
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- 만유인력은 '질량'이라는 특징을 가진 모든 물체에 작용하고, 전기력은 '전하'를 띠는 입자라는 조건이 있을 때 존재하므로 자기력도 같은 이유로 '자성'과 같은 조건이 있을 때 발생하는 것 아닐까?
- 전기장과 자기장은 하나의 전자기장이니 전기력과 비슷하게?
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단일 자하..가 없기 때문에 그런 방식으로 다뤄선 안될 듯.
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- 자기력은 F = qv × B로 항상 속도 방향과 수직이므로, 속도 방향만 바꾸고 속력은 바꾸지 못한다. 수직인 힘은 일(W = F·s)을 하지 않아 운동에너지가 변하지 않으므로, 입자는 속력이 일정한 등속 원운동 or 나선 운동을 한다.
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그 근본 이유에 대해 묻는 질문이었음.
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- 전자가 빛의 속도에 가깝게 이동하기 때문에 발생할 것 같다
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???
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ㅁㄴㅇㄻㄴㅇㄹ
생기부 기록 예시
각주
