청소년을 위한 교양 물리학: 정전기학

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 21일 출간

작품소개

책소개

정전기학은 물리학의 핵심 분야 중 하나로서 우리 일상생활부터 첨단 기술까지 광범위하게 영향을 미치는 학문이다. 고대 그리스 탈레스가 호박을 문질러 얻은 신비한 힘부터 현대의 반도체 공정과 터치스크린 기술에 이르기까지, 정전기 현상은 인류 문명 발전의 중요한 동력이 되어왔다. 이 책은 중학생도 이해할 수 있는 쉬운 설명과 풍부한 사례를 통해 정전기학의 모든 개념을 체계적으로 다룬다. 벤자민 프랭클린의 연 실험, 마이클 패러데이의 장 이론, 가우스의 수학적 통찰력 등 위대한 과학자들의 발견 과정을 따라가며 독자는 자연스럽게 물리학적 사고력을 기를 수 있다.

이 책은 전하의 발견과 성질부터 시작하여 쿨롱의 법칙, 전기장과 전위의 개념을 차근차근 설명한다. 각 장은 역사적 배경과 함께 물리 법칙이 어떻게 발견되었는지를 보여주며, 복잡한 수식 대신 직관적인 이해를 돕는 비유와 실험 사례를 풍부하게 제시한다. 도체의 정전기적 성질과 정전차폐 현상에서는 패러데이 새장 실험을 통해 번개로부터 안전한 자동차와 비행기의 원리를 설명하고, 축전기와 유전체에서는 카메라 플래시와 제세동기의 작동 메커니즘을 다룬다. 전기쌍극자와 분극 현상에서는 물 분자의 극성이 용해도에 미치는 영향과 마이크로파 오븐의 가열 원리까지 연결하여 설명한다.

고급 단계에서는 경계면에서의 조건과 라플라스 방정식, 다중극 전개 등 대학 물리학 수준의 개념들을 다룬다. 이러한 수학적으로 정교한 이론들도 물리적 직관을 바탕으로 설명하여 독자가 수식의 의미를 이해할 수 있도록 구성했다. 가상일의 원리를 이용한 힘 계산, 맥스웰 응력 텐서를 통한 정전기 응력 해석, 이미지 전하법과 분리변수법 등의 해법들은 구체적인 예제와 함께 제시되어 추상적인 개념을 구체적으로 이해할 수 있게 한다. 또한 구면조화함수와 다중극 모멘트를 통해 복잡한 전하분포의 원거리 효과를 분석하는 방법도 소개하여 현대 물리학의 고급 기법을 맛볼 수 있다.

마지막 부분에서는 정전기학의 실용적 응용을 광범위하게 다룬다. 정전기 집진기를 통한 대기오염 방지, 복사기와 레이저 프린터의 정교한 작동 원리, 반도체 공정에서의 정전기 방지 기술, 정전기 분무 도장과 농약 살포의 효율성 증대 방법 등을 설명한다. 또한 번개의 발생 메커니즘, 세인트 엘모의 불과 코로나 방전, 일상생활에서 경험하는 의복 정전기 현상까지 다양한 자연 현상을 과학적으로 해석한다. 이를 통해 독자는 정전기학이 단순한 이론이 아니라 우리 생활과 밀접하게 연관된 살아있는 학문임을 깨닫게 될 것이다. 우주 공간에서의 정전기 문제와 대책까지 포함하여 정전기학의 미래 전망도 제시한다.

목차

1. 전하의 발견과 성질
2. 쿨롱의 법칙과 전기력
3. 전기장의 개념과 정의
4. 전기장선과 시각화
5. 가우스 법칙의 이해
6. 전위와 전위차의 개념
7. 전기장과 전위의 관계
8. 등전위면과 전기장
9. 도체의 정전기적 성질
10. 정전차폐 현상
11. 정전용량과 축전기
12. 축전기의 에너지 저장
13. 축전기의 직렬병렬 연결
14. 유전체와 분극현상
15. 유전상수와 전기적 성질
16. 전기쌍극자와 모멘트
17. 외부장 속 쌍극자 거동
18. 경계면에서의 조건
19. 정전기 에너지와 힘
20. 라플라스 방정식
21. 다중극 전개
22. 정전기학의 실용응용
23. 정전기 현상의 이해

작가정보

저자(글) 루미너리북스 교육출판 에디팅 팀

루미너리북스 교육 출판 에디팅 팀은 전문 교육 콘텐츠 기획자와 편집자들로 구성되어, 학생들의 눈높이에 맞춘 양질의 교육 도서를 제작하는 데 전념하고 있다. 각 분야별 전문가들과의 긴밀한 협업을 통해 정확하고 이해하기 쉬운 교육 콘텐츠를 개발하며, 특히 고등학생을 위한 대학 과목 선행학습 시리즈와 같은 혁신적인 교육 도서를 기획하고 있다.