유전체 유전율 비유전율 알아보자! – 전기자기학 4장

 안녕하세요, 오늘 다룰 내용은 유전체 유전율 비유전율 대해서 정리해서 설명 드리도록 하겠습니다. 지난번에 다룬 도체계의 내용과는 다르게, 유전체에 대해서 나름대로 정리해서 설명드리도록 하겠습니다.

 지금까지 포스팅 한 내용 내용은, 진공 중 또는 공기 중에서 다루는 것이라는 특징이 있었습니다.

간혹 진공, 공기 두 개를 혼용해서 사용하는데, 진공과 공기는 동일하게 취급하는 걸로 이해하시면 됩니다. 즉, 특별히 별다른 언급이 없으면, 공기 = 진공이라고 생각하시면 됩니다.

 

 

1. 유전율

: 이번에 공부할 부분은 진공(공기)이 아닌 상황에서 전계나 전위 등을 어떻게 구하는지에 대한 내용을 설명드리려고 합니다.

즉, 유전체를 가지고 설명드리려고 하는데, 유전체란, 진공이 아닌 그 물질을 유전체라고 이해하시면 될 거 같습니다.

유전체 하면 이전에 공부한 내용 중에 비슷한 단어가 생각 나실 텐데요. 바로 유전율입니다. 생각 못하셔도 괜찮습니다. 왜냐면, 사람은 망각의 동물이라고 생각합니다. 저도 똑같습니다.

 그럼 본격적으로 시작하도록 하겠습니다. 일단 간략하게 유전율에 대해서 복습하고 가도록 하겠습니다. 기호로는 ε0로 표현을 했었습니다.

한 마디로 표현을 하면, ‘전하가 잘 움직이는 정도’라고 이해하시면 됩니다.

전하가 얼마나 잘 움직일 수 있냐는 것은 매질, 즉 전하가 존재하는 공간이 어떤 특성을 가지고 있느냐에 따라, 달라진다고 생각합니다.

전하뿐만 아니라, 어떤 물체든 어느 공간에 있느냐에 따라서, 움직임이 달라지는 걸 생각해보시면 이해가 빠르실 겁니다. 물에 들어가면 사람이 물 밖에서 움직이는 것보다 좀 힘들죠?! 그거 생각하시면 됩니다.

 즉, 전하도, 전하도 진공, 물, 기름 또는 기타 유전체 속에서의 움직임이 각각 다릅니다. ε0라는 뜻은, 공기(진공)에서 전하가 잘 움직일 수 있는 정도를 나타내는 물리량입니다.

 전하의 움직임의 정도를 좀 더 다른 표현으로 얘기를 하면, ‘전하를 얼마나 잘 묶어 둘 수 있는가’의 의미에 가깝습니다.

즉 공기보다는 공기가 아닌 다른 유전체가 전하를 묶어 두는 정도가 더 큽니다.

공기나 진공이 아닌 물질에서는 유전율이 ε0가 아닌 각각의 고유의 유전율을 가지게 되는데, 일반적으로 어떤 물질의 유전율을 ε 로 표현하고, 진공 중에서의 유전율은 ε0로 표현을 합니다.

 여기에서 추가적으로 알고 가야 할 사항이 비유전율입니다. εs로 표시를 합니다. 유전율의 비율을 의미하는 수치라고 생각하시면 됩니다.

 유전율, 비유전율, 공기(진공) 상의 유전율을 이용하여 유전율을 구하는 식을 도출 할 수가 있습니다.

공기(진공) 상의 유전율에 비유 전율을 곱하는 걸 보실 수 있는데요. 즉, 비유 전율이 공기(진공) 상의 유전율의 몇 배다 라는 걸 나타내 주는 수치라고 이해하셔도 무방합니다.

 

 

 여기에서 ε0 는 8.85 × 10−12으로 고정된 값이며, 공기(진공) 상의 비유 전율은 εs=1 이기 때문에, 공기(진공)상에서는 유전율과 공기(진공) 상의 유전율은 값습니다.(ε=ε0 ) )

 

 

 

 

 

2. 분극의 세기 (분극도 P [C/m2])

: 분극이라는 말처럼, 극을 분리하는 세기를 말하는 것입니다. 여기에서는 극은, ( + ) or ( – )입니다. 단위는 [C/m2]입니다. 즉, 전하를 면적으로 나눈 것인데요.

 

1) 전하를 면적으로 나눈 값으로 표현한 분극의 세기

 

 

2) 전기 쌍극자 모멘트를 체적으로 나눈 값으로 표현한 분극의 세기

 

 

 이전에 설명드린 이론 중에, 전하를 면적으로 나눠서 얻은 값이 있었는데, 그게 바로 전속 밀도입니다.

기호로는 D로 표시를 합니다. 이 D를 이용해서 분극의 세기를 구해보도록 하겠습니다. 아래 그림을 보시면, Q+, Q- 사이에 어떤 유전체가 있고, 그 유전체가 분극이 되는 세기를 구하면 아래와 같습니다.

 

 

 

 

 아래와 같이 유전율과 비유 전율 그리고 공기(진공) 중의 유전율 관련 식을 요약 & 정리할 수 있습니다. 참조하세요!

 

 

 

 

 

 이상입니다. 지금까지 유전체 유전율 비유전율 대해서 설명 드렸습니다. 도체계와 비교하면 가장 다른 건, 공기 중이나 진공 중의 조건이 아닌, 실제적으로 유전체로 인해 유전율이 결정되는 부분이라고 생각합니다.

 항상 공부하면서 느끼는 거지만, 이전 내용의 기초가 없으면, 새로 배우는 부분에 대한 이해가 많이 떨어질 거 같다는 생각이 드네요!

예습, 복습 착실히 하면서 같이 끝까지 공부해나가시죠! 그럼 같이 공부하고 같이 성장하시죠! 감사합니다.

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