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전기 마당/전기자기학

전기자기학 6장 - 전류에 대해서 알아보자 + 열전현상 + 페러데이관 + 곡률

by 『★√★』 2021. 1. 23.

안녕하세요, Davey입니다. 오늘 설명 드릴 내용은, 열전현상, 페러데이관,곡률 그리고 부수적인 전기 현상에 대해서 나름대로 정리해서 설명 드리도록 하겠습니다.

 

 

1. 열전현상

 

 : 열전현상이란, 열과 전기가 상호작용할 때  나타나는 현상으로써, 열전현상의 종류로는 크게 3가지 효과로 설명 할수가 있습니다. 시험에서도 주로 3가지가 나옵니다.

 

▼ 그래서 이 3가지는 꼭 숙지를 해주셔야 합니다. 외우는 팁을 드리면, '동일 금속'이라고 하면 톰슨효과이고 서로 다른 두금속이면 제어백 또는 펠티에 효과인데 결과물이 전기이냐 열이냐에 따라서 제어백과 펠티에 효과를 구분할 수 있습니다.

 

 

열전현상-설명1
열전현상

 

 

 1) 제어백 효과

  : 제벡, 제베크 또는 지벡 효과라고도 합니다. 쉽게 설명을 드리면 서로 다른 두 금속을 접합하고 열에너지를 가하면 기전력(열기전력)이 발생하는 효과입니다. 여기에서 헷갈리는 포인트가 열기전력이라고 하면 열이 발생하는 건지 전기가 발생하는건지 헷갈릴 수 있는데, 열기전력도 결국 기전력이 발생한다는 말이므로 열이 발생하는 게 아니라 전기가 발생하는 것입니다.

 

▼ 저도 처음에는 헷갈렸습니다. ㅠ.ㅠ ^^  (웃프네요!). 열에서 전기로 바뀌는 현상이라고 생각하시면 됩니다.

 

 

( 열 -> 전기 )

제어백-효과
제어백-효과

 

 

  2) 펠티에 효과

 :  용어 자체가 귀에 안들어오는 거 같지만, 외우긴 외워야 되니까! 꾹 참고 같이 외우시죠! 아래 그림을 통해서 연상법으로 외우시는 것도 추천 드립니다.

 

▼ 펠티어 효과는 서로 다른 두 금속을 접합하고 전기에너지를 가하면 열이 발생하는 효과입니다. 전기에서 열로 바뀌는 현상이라고 생각하시면 됩니다.

 

 

 

펠티에-효과
펠티에-효과

(  전기 -> 열  )

 

 

 

 3) 톰슨 효과

 : 제어백,펠티에 이 두 효과와 다르게 동일 금속을 접합했을 때 열이나 전기가 나타나는 현상을 말합니다. 아래 그림을 통해서 최대한 쉽게 설명 드릴려고 준비했습니다. 참조 하세요!

톰슨-효과
톰슨-효과

 

 

 

2. 압전효과 (압전 현상, 압전기 현상)

 

: 열전효과가 열과 전기의 상호작용이라면 압전효과는 압력과 전기의 상호작용입니다. 요렇게 생각하면 좀 외우기 쉽지 않으세요?! 열전 (열과 전기) 그리고, 압전 (압력과 전기) 이렇게요. ^^ 

 

 그리고 여기서 말하는 압력은 기계적인 압력입니다. 즉, 누르는 압력을 애기 하는 것입니다. 기계적인 압력(또는 변형력)을 가할 때 전위차가 발생하는 효과 또는 전위차로 인해 기계적 변형이  발생하는 효과를 압전효과라고 합니다.

 

▼ 압전효과로는 두가지가 있는데, 종효과 횡효과가 있습니다. 

 

1) 종효과 : 힘을 가하는 방향과 전하가 발생하는 방향이 같은 경우 (압전기효과에서 분극이 응력과 같은 방향으로 발생하는 현상 : 종효과)

 2) 횡효과 : 힘을 가하는 방향과 전하가 발생하는 방향이 수직인 경우 (압전기효과에서 분극이 응력과 수직인 방향으로 발생하는 현상 : 횡효과)

압전-효과
압전-효과

 

 

3. 홀 효과

 

: 전류가 흐르고 있는 회로에서도선에 자계를 가하면 전류가 흐르는 도체와 수직한 방향으로 전위차가 발생하는 현상이 홀 효과입니다. 즉 자계를 가하게 되면 발생하는 효과 입니다. (자계!)

 

▼ 도체 측면에 정·부의 전하가 생기는 현상 OR  도체 직각방향으로 기전력이 생기는 현상입니다.

홀-효과
홀-효과

 

 다음으로 패러데이관에 대해서 설명 드리도록 하겠습니다. 패러데이관이라는 용어를 제대로 이해하기 위해서는 이전에 설명 드렸던, 전속이라는 용어에 대해서 자세히 이해를 하셔야 합니다. 그래서 복습할 겸해서 전속이라는 용어에 대해서 먼저 설명 드리도록 하겠습니다. 

 

▼ 전속은 전기력선의 묶음의 수를 말하는데, 1[C]의 전하에서 나오는 전속을 1개로 정의합니다. 

 2[C]이면 전속이 2개가 되는거죠. 전기력선은 (+)에서 나와서 (-)로 들어가는 성질이 있는데 전속이 전기력선의 묶음이므로 마찬가지로 (+)에서 나와서 (-)로 들어갑니다.  +1[C]의 전하와 -1[C]의 전하가 있을 때 +1[C]에서 -1[C]으로 들어가는 전속의 수는 1개가 될 것입니다 이제 설명 드렸던 전속의 이론을 참조하여 패러데이관에 대해서 설명을 드리면 아래와 같습니다.

 

 패러데이는 (+1C)에서 (-1C)으로 이동하는 1개의 전속이 패러데이관이라는 가상의 관 속을 이동하는 것입니다.(마치 관이 전속을 감싸고 있는것처럼 묘사. 1개의 전속당 1개의 패러데이관이 존재)

 

 1) 패러데이관 양단에 정(+), 부(-)의 단위 진전하가 있다.

 : 패러데이관 그림을 떠올리면 양쪽에 (+),(-)의 전하가 있음을  이해할 수 있습니다 '단위'라는 말은 크기가 1이라는 뜻이고 

'진전하'라는 말은 영향을 미치는 전하라는 말인데 양끝의 전하만 서로 영향을 미치고 관 사이에는 다른 전하가 존재하지 않습니다

 

 2) 패러데이관 내의 전속선수는 일정하며 패러데이관 수는 전속선의 수와 같다.

 : 전속선 1개당 패러데이관 1개라고 했으니 패러데이관 수는 전속선의 수와 같습니다 패러데이관 1개 안에는 전속선의 수가 1개로 일정합니다

 

 3) 패러데이관의 밀도는 전속밀도와 같다.

 : 패러데이관이 얼마나 촘촘한가가 패러데이관의 밀도이고 전속이 얼마나 촘촘한가가 전속밀도입니다. 전속수만큼 패러데이관이 존재한다고 했고 각각의 패러데이관은 전속을 하나씩 감싸고 있으므로 전속의 촘촘한 정도가 곧 패러데이관의 촘촘한 정도와 같습니다 즉 패러데이관 밀도가 곧 전속밀도와 같습니다

 

 4) 진전하가 없는 곳에서 패러데이관은 연속이다.

 :여기서 진전하가 없다는 말은 관 양끝의 전하 외에 관 사이에 다른 방해하는 전하가 없다는 의미입니다. 진전하가 없으면 +1[C]에서 나오는 전속선이 -1[C]까지 관속에서 끊어지지않고 일정하게 유지되며 도착할 수 있다는 의미입니다

 

 5) 패러데이관의 단위 전위차당 보유 에너지는 1/2[J]이다.

 : 정전에너지 공식을 이용하면 패러데이관의 단위 전위차당 보유 에너지를 구할 수 있는데요. 패러데이관은 +1[C]의 전하량에 대해서 다루므로 Q=1 이 되고 단위 전위차라는 것은 V=1 을 의미합니다. ('단위'라는 말은 크기가 1임을 나타냅니다) 

 

▼ 따라서 정전에너지 공식에 대입하면 패러데이관의 단위 전위차당 보유 에너지를 구할 수 있습니다. 

 

 

 

정전에너지 공식

 

정전-에너지-설명1
정전-에너지

 

패러데이관의 단위 전위차당 보유 에너지는 1/2[J]이다

 

정전-에너지-설명2
정전-에너지

 

▼ 위의 내용을 정리해서 그림으로 추가적으로 설명 드리면 아래와 같습니다. 더 쉬운 이해 및 오래 기억 남을 수 있도록 아래 그림 참조 부탁 드립니다.  

 

정전-에너지-설명3
정전-에머지

 

 곡률과 전하밀도에 대해서 설명 드리도록 하겠습니다. (곧게 뻗은선이 직선이고 부드럽게 굽은선이 곡선) 곡률은 곡선이 휘어진 정도를 나타냅니다. 이 때 곡률반지름(곡률반경)이라는 용어가 있는데 이것도 기억해주시면 나중에 시험 문제 풀때 도움이 될 것입니다.

 

▼ 반지름이라는 용어 처럼, 어떤 곡선이 가상의 원을 그렸을 대 그 원의 반지름을 곡률반지름 또는 곡률반경이라고 합니다. 눈치 빠르신분들은 여기에서 곡률과 곡률반지름은 서로 반비례하는 걸 예상 할 수 가 있으실 겁니다. (역수관계 - 곡률이 크면 곡률반지름은 작아짐)

 

 좀 더 자세히 풀어서 설명 드리면, 곡률이 크다는 것은 많이 휘어졌다는 건데 그만큼 돌돌 말려진 상태라 가상의 원을 만들었을 때 반지름이 작아도 원이 그려집니다. 단 아무리 많이 휘어져서 곡률 반지름이 작더라도, 원이 안 그려지는 건 아닙니다. 곡률반지름을 작게해도 원이 된다는 것은 참조하세요! 다른 말로, 곡률이 크다는 말은 뾰족하다는 말로 풀어 쓰실 수 있습니다. 많이 휘었으니 더 뾰족하다고 볼 수 있는거죠. 

 

 이런 곡률은 표면전하밀도에 줍니다. 표면전하밀도는 도체 표면에 존재하는 전하의 밀도로 면전하밀도와 같은

개념으로 보시면 되는데요, 전하는 뾰족한 곳에 더 많이 모인다는 성질이 있습니다. 그래서 저희 건물에 보면, 옥상에 피뢰침을 활용하는 것입니다. 즉, 곡률이 크면 표면전하밀도가 큽니다! (뾰족한 곳의 표면전하밀도가 큼)

 

 

▼ 곡률이 큰 곳 = 곡률반지름이 작은곳 = 뾰족한곳 = 표면전하밀도가 큼

 

 이상입니다. 요즘 과년도 시험에는 잘 안나오는 부분이라, 저도 그냥 지나갈까 했는데, 경험상, 과년도에서 안나오면 그 시험을 망한 거라는 걸 너무나도 잘 알기 때문에, 귀찮더라도, 하나 하나 빠지지 않고 공부하고 넘어가려고 합니다. 지루하시고, 확률이 낮더라도, 꼭 공부하고 가시라고 말씀드리고 싶네요! 그럼 오늘도 공부하느라고 수고 하셨고, 항상 말씀 드리지만, 같이 공부하고 같이 성장하지죠! 

    
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