쿨롱의 법칙 전기 에너지 전기력 전계의 세기

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 )

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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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