쿨롱의 법칙 전기 에너지 전기력 전계의 세기 – 전기자기학 2장

 안녕하세요, 오늘도 어김없이 전자기학에 대해서 공부한 것에 대해서 아래와 같이 정리하였습니다. 오늘 다룰 내용은 쿨롱의 법칙 전기 에너지 전기력 전계의 세기 대한 내용입니다.

 쿨롱의 법칙 그리고 이 이론을 기반으로 설명할 수 있는 전기 에너지, 전기력 (전계의 세기) 에 대해서 나름대로 정리해서 설명 드리도록 하겠습니다.

 

1. 쿨롱의 법칙

: 정지해 있는 두 개의 점전하 사이에 작용하는 힘을 기술하는 물리법칙이다. 쿨롱의 법칙은 프랑스의 물리학자 쿨롱(C. Coulomb, 1736-1806)에 의해 1784년에 처음 발표되었으며, 전자기학 이론의 발전에 빠질 수 없는 중요한 기여를 한 기본 법칙이다.

▼ 두 점 전하가 r 만큼 떨어져 정지해 있을 때 발생하는 쿨롱의 법칙에 의한 힘은 아래와 같습니다.

 

 

 쿨롱의 힘 의 값은 전하량 Q1과 Q2의 곱에 따라 양수가 되기도 하고 음수가 되기도 합니다. 음수인 경우, 즉 Q1과 Q2의 부호가 서로 다른 경우 이 힘은 서로 잡아 당기는 인력이 되고, 그 반대인 양수인 경우에는 서로 밀어내는 힘인 척력이 됩니다.

 1) ( – ) 인 경우 : 서로 당기는 인력

 2) ( + ) 인 경우 : 서로 밀어내는 척력

▼ 힘의 크기가 거리의 제곱에 반비례하는 현상은 역제곱 법칙(inverse square law)이라고 불리는데, 자연계에서 역제곱 법칙이 나타나는 대표적인 경우가 쿨롱의 법칙과 뉴턴의 만유인력 법칙이라고 생각하시면 됩니다.

 

 

2. 쿨롱 상수와 단위계

: 쿨롱의 법칙에 나오는 상수는 진공의 전기 유전율 (electric permittivity)와 다음과 같은 관계를 가집니다.

 

 

▼ 진공중에서의 빛의 속도 C의 값은 2.99792458 x 108 m/s로 고정되어 있으므로ke는 8.989  x 109 N·m2/C2의 고정된 값을 갖는 상수입니다.

3. 전기 에너지

: 전기에너지의 근원은 전하와 자기장의 시간적 변화입니다. 전하를 통한 전기력은 쿨롱의 법칙, 자기장의 시간적 변화는 페러데이의 법칙으로 설명될 수 있습니다. 전기에너지란 우리가 일상생활에서 사용한 전기를 발생하는 원천이 되는 것입니다.

즉, 에너지는 어떤 결과물을 만드는데, 이것을 일(Job or Work) 라고 하면, 그 일이 발생하게 할 수 있는 힘이 전기력이라고 생각하시면 됩니다. 간단한 식으로 표현하면 아래와 같습니다.

▼ W (Job or Work) =F (전기) * S (물체의 용적 or 넓이)

전기력, 전계세기

: 2번에서 말하는 전기력은, r 만큼 떨어진 두 전하 사이의 힘이라고 생각하시면 됩니다. 여기에서는 1번에서 설명 드렸던, 쿨롱의 법칙이 적용이 됩니다. 또 다른 간단하게 식으로 보여드리면 아래와 같습니다.

[전하(Q) -> 전기력(F) -> 에너지(W)]

 

 

 하지만, 전기력를 나타낼 때는 전계(E), 전계세기 라는 표현을 사용하게 되는데, 전계세기를 다른 의미로 해석하면, 두 점 전하 중 하나가 단위양전하(+1[C])를 사용하는 상태에서, 전하 당 발생하는 힘의 크기입니다. 식으로 설명 드리면 아래와 같습니다. 단위는 [N/C] 입니다.

 

 

▼ 실제적으로 두 전하 사이에 발생하는 힘은 아래와 같이 산출할 수 있습니다.

 

 

 첨언으로는, 다른 방식으로는, 전계의 세기, 전위 경도 그리고 절연내력이라고 명명하면, 아래와 같이 표현 하실 수 있습니다.

  ​(m : 질량, v :속력 )

 

 

 

 이상입니다. 이런 이론은 대학교에서만 잘 쓰이고, 전기를 업으로 하시는 분들에게는 잘 안 쓰이는 부분이라, 간과 할 수 있지만, 그래도 전기가 어떻게 형성이 되고, 그 내부적인 내용까지 아신다면, 전기적인 지식의 넓이가 더 넓어지지 않을까 합니다. 혹, 중간에 잘못 설명한 부분이 있으시면, Comment 주시면, 저도 배워가고, 좋은 기회가 되기 때문에, Comment 부탁 드립니다. 그럼 같이 공부하고 같이 성장하시죠! 감사합니다.

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