변위전류 (Displacement Current)

한 줄 정의: 전기장이 시간에 따라 변할 때 전류처럼 자기장을 만들어 내는 효과를 가리키는 개념입니다.

쉽게 풀면

축전기를 충전할 때 두 금속판 사이에는 전하가 실제로 건너가지 않는데도, 회로에는 분명히 전류가 흐르고 주변에는 자기장이 생깁니다. 맥스웰은 이 틈 사이에서 전기장이 점점 세지고 있다는 점에 주목해, '전기장의 변화'가 전류와 똑같은 자격으로 자기장을 만든다고 보았습니다. 이렇게 도입한 가상의 전류가 변위전류입니다. 실제로 전하가 이동하는 것은 아니지만, 자기장을 만드는 효과만 놓고 보면 진짜 전류와 구별되지 않습니다.

왜 중요한가

변위전류를 추가한 덕분에 전자기 법칙이 서로 모순 없이 맞물리게 되었고, 그 결과 전기장과 자기장이 서로를 만들어 내며 스스로 퍼져 나가는 전자기파의 존재가 예측되었습니다. 빛이 전자기파라는 결론도 여기서 나왔으므로, 물리학사에서 가장 생산적인 한 항의 추가로 평가됩니다. 오늘날 고주파 회로 해석이나 유전체 안의 전류 계산에서도 실제로 쓰이는 개념입니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"고주파 영역에서는 변위전류 성분이 전도전류와 비슷한 크기가 되어 회로 해석에 반드시 포함되어야 했다."

"축전기 극판 사이의 변위전류를 고려함으로써 앙페르 법칙의 적용에서 발생하는 모순이 해소되었다."

조금 더 깊게 보면

원래의 앙페르 법칙은 축전기를 감싸는 면을 어떻게 잡느냐에 따라 자기장 계산 결과가 달라지는 모순을 안고 있었는데, 전기선속의 시간 변화율에 비례하는 항을 더하면 어떤 면을 잡아도 같은 결과가 나옵니다. 이 항을 포함한 식이 맥스웰 방정식의 앙페르-맥스웰 법칙이며, 전하 보존과도 정합적입니다. 유전체 내부에서는 변위전류가 진공 성분과 분극 전하의 이동 성분으로 나뉘는데, 뒤쪽은 실제 전하의 미세한 움직임에 해당합니다. 전기장 변화가 느린 저주파 회로에서는 이 항이 거의 무시될 만큼 작습니다.

주의할 점

이름에 '전류'가 붙어 있지만 자유전하가 실제로 이동하는 것이 아니므로, 도선 속 전도전류와 같은 것으로 생각하면 안 됩니다. 저항에서 열을 내는 것도 전도전류이지 변위전류가 아닙니다. 다만 유전체 안의 분극 성분처럼 실제 전하 이동이 관여하는 부분도 포함될 수 있어, 상황에 따라 용어의 범위를 확인할 필요가 있습니다.