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전기 마당/전기자기학

전기자기학 2장 - 전하 + 전위

by 『★√★』 2021. 1. 3.

 안녕하세요, 오늘 다룰 내용은 지난번에 다룬 쿨롱의 법칙 그리고 이 이론을 기반으로 설명할 수 있는 전기 에너지, 전기력 (전계의 세기)에 이어, 전하와 전위에 대해서 나름대로 정리해서 설명드리도록 하겠습니다.

 

 

1. 전하

 

: 일단 처음에는 전하는 전기적으로 중성상태로 태어납니다. 이 전하가 전기력을 가지기 위해서는 (+) 전하 or (-) 전하 형태가 되어야 합니다. 즉 외부적인 영향이 있어야 전기적인 성질을 띄게 된다고 생각하시면 됩니다.

 

 

전하-설명-사진1
전하

 

 

▼ 아무런 외부의 영향이 없으면, 어떠한 변화도 없기 때문에 외부 에너지가 개입이 있어야 하는데, 이런 개입의 행위를 '대전'이라고 합니다.

 

  즉, 어떤 충격 또는 마찰에 의해 전자들이 이동하여 (+)전하와 (-) 전하의 균형이 깨지면 다수의 전하가 겉으로 드러나게 되는데, 이로 인해, 이렇게 전자의 이동에 따라  (+) 전하와 (-) 전하 둘 중에 하나의 성질을 띄게 되면서, 중성 상태를 벗어나게 됩니다.

 

쉬운 이해를 돕기 위해서 아래 그림을 참조하시면 도움이 되실 겁니다. 즉, 대전으로 인해 ( - ) 전하가 추가되면 ( - ) 상태로 대전이 되면, ( - ) 전하가 이탈하게 되면 ( + ) 상태로 대전됩니다.

 

 

전하-설명-사진2
전하-대전

 

2. 전위

 

: 전위는 단위 전하에 대한 전기적 위치 에너지로, 전기장 안의 한 점에서의 전위란 단위 (+)전하를 기준점에서 그 지점까지 옮겨오는 데 필요한 일(에너지)이다. 다른 말로는 전계의 반대방향으로 이동하는 힘이 한 일(에너지)라고도 합니다. Q [C]의 전하에서 r [m] 떨어진 점의 전위 V [V]를 식으로 표현하면, 아래와 같습니다.

 

 

전위-설명-사진1
전위식

 

 그리고, Q[C]의 전하를 낮은 전위점으로부터 높은 전위점으로 이동시키는 데 필요한 일의 양을 W [J]라 할 때, 이때의 전위차 V는 아래식으로 산출할 수가 있습니다.

 

 

 

전위-설명-사진2
전위식

 

 

 좀 더 전위와 전계에 대해서 식으로 정리하면 아래와 같습니다. 즉, 단위 전위의 값은 단위 거리의 전계와 똑같다고 보시면 됩니다. 그리고 다른 의미로는, 라블라 (gradient) V와 전계가 같다고 이해하시면 됩니다.

 

 

전위-설명-사진3
전위식

 

3. 등전위면(equipotential surface)

 

 전기장 내에서 전위가 같은 각 점을 포함하는 면으로서, 전위의 기울기가 0의 점으로 되는 평면을 등전위면이라고 합니다. 등전위면은 전기력선은 수직으로 만나지만, 등전위면끼리는 서로 교차하지 않습니다.

 

 

 

등전위면-설명-사진1
출처 : 한국물리학회 + https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5741617&cid=60217&categoryId=60217
등전위면-설명-사진2
출처 : 한국물리학회 + https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5741617&cid=60217&categoryId=60217 

 

 

 

전위의 기울기(potential gradient)

 

: 다른 말로, 전위 경도(G) 라고 하며, 전기장 내에서 전위 곡선의 기울기를 의미합니다. 전위가 증가한 비율이라고 이해하시면 됩니다. 전위 경도 G를 구하는 식은 아래와 같습니다.

 

 

 

전위-기울기-설명-사진2
전위-기울기

 

 

 전계의 세기 E와 관계를 검토해보면, 전위경도 G는 크기는 같고 방향이 반대입니다. 식으로 표현하면 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

 

 

전위-기울기-설명-사진2
전위-기울기

 

 이상입니다. 오늘도 전기 공부 하나 하고, 포스팅을 올리게 되었네요. 진짜 공부하는 것보다, 이해한 걸 수식을 써서 설명하려고 하니까, 시간이 좀 더 걸리는 거 같습니다. Output 효과 본다는 긍정적인 생각으로 하고 있습니다. 같이 공부하고 같이 성장하시죠! 감사합니다. 

 

 [참조 자료 출처]

1) https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=941107&cid=47338&categoryId=47338

2) terms.naver.com/entry.nhn?docId=5741617&cid=60217&categoryId=60217


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