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전기 마당/전기자기학

전기자기학 2장 - 유전율 + 투자율 + 빛의 속도 이해하기

by 『★√★』 2021. 1. 1.

안녕하세요, 오늘 다룰 내용은 전자기학에서 나오는 유전율, 투자율 그리고 빛의 속도에 대해서 다룰 예정입니다. 저도 공부를 하면서 배운 내용을 출력한다는 의미로 포스팅을 하는 것이기에, 같이 공부하신다는 느낌으로 봐주시면 감사드리겠습니다.

 

유전율-투자율
유전율-투자율

 

1. 유전율(Permittivity)

 

: 유전율이란 전기장에서 유전분극을 발생시키게 하는 정도를 의미합니다. 유전분극을 발생시키는 사항은 아래 그림을 보시면 더 이해가 잘 되실 겁니다. 아래와 같이 축전지의 두 개의 극판 사이에 아무 유전체가 없을 때는 양극판에 보통적으로 전하가 저장이 됩니다.

 

유전율
유전율

 

- 그런데, 만약 이 두 극판 사이에 유전체를 삽입하게 되면, 유전체내에서 유전분극이 일어나 양극판에 전하가 보통보다 더 많이 저장되는 현상이 발생하게 됩니다. 아래와 같이 유전체에 유전분극이 일어나는 걸 보실 수 있습니다. 이건 두 극판에 흐르는 전하(전류)를 차단하여 흐르지 않고 저장시키게 만드는 원리이기도 합니다.

 

▼ 결과적으로 유전율이 높으면 전류의 흐름을 차단시키게 되므로 전기장의 세기는 줄어들고, 상대적으로 두 극판의 전하량은 증가하게 됩니다. 즉, 축전기의 전기용량이 커집니다.

 

유전율
유전율

 

- 축전기와 유전체가 조합된 것을 콘덴서라고 하는데, 콘덴서는 직류 전류가 이동하며 축전기에 전하가 저장됩니다. 그리고 충전이 다 되면 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 전하를 계속 사용하게 되면 전류가 흐르며 충전과 동시에 전류가 흐릅니다. 한편 콘덴서는 직류전류를 차단하는 효과가 있어 직류와 교류가 섞여있는 전류에서 교류를 분리하는 데 사용되기도 합니다.

 

- 배터리 중청과 같은 상황일 때는, 직류를 사용하게 되는데, 그 이유는, 교류를 사용하면 전류의 이동이 주기적으로 바뀌며 충전과 방전이 교대로 일어나기 때문입니다.

 

- 유전율의 단위를 보시면 더 이해가 빠르실 겁니다. ​"F" 은 콘덴서의 단위로서, 전하 축적 능력입니다. 즉 "m" 당 전하를 얼마나 축적할 수 있는 비율이라고 이해하시면 될 거 같습니다. 참고로, 진공상태의 유전율 ε0​은 8.855 × 10−12 [F/m]입니다.

- 비유 전율(relative permittivity)란 축전기 사이에 있는 유전체 물질의 유전율(ε)과 축전기가 진공상태의 유전율(ε0)의 비입니다. 즉, ε/ε0입니다. ​비유 전율을 다른 말로 "유전상수"라고도 합니다. 공기는 진공상태처럼 유전율이 낮아 유전상수는​ 1.0005입니다. 다른 금속체가 아닌 종이는 3, 고무는 7, 물은 80, 반도체 20,000 이상입니다. 하지만, 금속과 같은 도체는 전류가 잘 흐르므로 유전체의 기능과는 거리가 멀어 비유 전율이 없습니다.

 

▼ 일반적으로 유전체의 유전율은 진공보다 크므로 항상 1보다 크다라고 생각하시면 됩니다.

 

 

2. 투자율(Magnetic permeability)

 

​: ​유전율이 전기장의 개념이라면, 투자율은 자기장의 개념입니다. 자기력선의 간격이 촘촘할수록 자기장은 강합니다. 따라서 자기력 선속의 밀도는 자기장의 세기와 비례합니다.

 

- 투자율은 어떤 물질이 가지는 자기력선속의 밀도와 진공이 가지는 자기장 세기의 비를 의미합니다. 즉, 물질의 자기적 성질을 나타내는 양으로, 자기력이 약한 보통 물질이나 반자 성체는 투자율이 1에 가깝고, 강한 자기장을 가지게 되는 강자성체는 큰 값을 갖습니다. 참고적으로 진공이 가질 수 있는 투자율 μ0​은 4π× 10−7H/m입니다.

- 비투 자율(relative magnetic permeability) 은 어떤 물질의 투자율 μ과 진공의 투자율 μ0의 비입니다. 즉, μ/μ0입니다. 다른 단어로는, ​상대 투자율이라고도 말합니다.

 

 

3. 전자파의 속도 (빛의 속도)

 

: 1초에 지구를 7바퀴 반 도는 속도, 광속이라고 아시는 분들도 많으실 겁니다. 빛의 속도를 구하는 공식은 아래와 같습니다. 진공상태(공기 중의) 빛의 속도 기준입니다. 즉, 빛의 속도는 진공 중의 유전율 ε0과 진공 중의 투자율 μ0의 곱의 제곱근의 역수와 같습니다.

 

▼ 유전율 ​ε0​ = 8.855 × 10−12 [F/m] (진공상태) 2) 투자율 ​μ0 = 4π× 10−7 [H/m] (진공상태)

 

전자파-속도
전자파-속도

전자파-속도
전자파-속도
전자파-속도
전자파-속도
전자파-속도

 

​- 빛의 속도 즉, 광자는 전기장과 자기장을 곱하여 근으로 반을 나누면서 전기장과 자기장을 균등화하여 통합시켰고, 또한 빛의 속도는 균등화된 전기장과 자기장의 즉, 유전율과 투자율에 반비례함을 의미하게 되었습니다. 따라서 진공에서 빛은 최고 속도를 냅니다.

 

 추가적으로 설명드리면, 맥스웰 방정식에는 유전율과 투자율이 나오고, 실제 실험한 진공의 유전율과 투자율을 곱하여 제곱에 역수를 취하면 그 값이 빛의 속도와 동일하다는 결과가 나옵니다. 

 

▼ 맥스웰방정식에 유전율과 투자율을 도입한 것은 실험이 아닌 순전히 이론적인 예측이었을 뿐이었는데, 그 이후 실제 결과와 일치함으로써 자연스럽게, 맥스웰의 방정식은 증명되는 상황이 발생을 하였습니다.

 

이상입니다. 평소에 쉽게 접하는 배터리가 충전되는 과정에서 이런 유전율이 적용이 되며, 빛의 속도르 그냥 1초에 지구 7바퀴 반을 돈다라는 간단한 설명으로만 알다가, 이렇게 하나하나 파면서 공부를 하니, 새롭기도 하고, 더 어렵게 느껴지는 거 같기도 합니다. 

 

 제 Posting이 조금이나마 정보 전달에 도움이 되셨길 빌며, 되셨다면, 구독, 댓글, 공감 3종 세트 부탁드립니다. 감사합니다. 

 

[참고자료 1 출처 : 유전율과 투자율 그리고 빛의 속도 ]

[참조자료 2 출처 :  https://gongkachu12.tistory.com]


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