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이 글은 고등학교 물리 1, 2의 내용을 다룹니다.

전하electric charge

  • 전하: 전자기장내에서 전기 현상을 일으키는 물질의 기본적인 특성
  • ‘양’전하(+)와 ‘음’전하(-)가 있다.
  • SI단위: C(쿨롱)

전하의 성질

  • 양자화(quantized): 전하는 양자화되어있다.
    • 단위 전하: e=1.6×10-19C
      • 자연에 존재하는 가장 기본적인 단위이다.
      • 자연에 존재하는 전하는 e의 정수배이다.
      • 업쿼크의 전하량: $+\frac{2}{3}e$
      • 다운쿼크의 전하량: $-\frac{1}{3}e$
  • 보존(conserved): 고립계에서 전하량의 총 합은 절대로 변하지 않는다.


쿨롱의 법칙Coulomb's law

  • $F=\frac{kq_1q_2}{r^2}=\frac{q_1q_2}{4πε_0r^2}\ [N]$
    $k=\frac{1}{4πε_0}≒9×10^9N·m^2/C^2$: 쿨롱 상수

  • 전하의 중첩: 두 전하간에 작용하는 힘은 제 삼의 전하에 영향을 받지 않는다.
    $F_{total}=F_1+F_2+…$

  • 역제곱 법칙: 두 전하간에 작용하는 힘은 전하 간 거리의 제곱에 반비례함 (실험적으로 검증됨) $F∝\frac{1}{r^{2+δ}}\ (δ<10^{-16})$

  • 쿨롱의 법칙이 적용되는 거리: $10^{-16}\ to\ 10^{8}\ m$

  • 쿨롱의 법칙의 의의

    • 원자 내에서 전자와 양성자 사이의 힘에 쿨롱의 법칙이 적용된다.
    • 분자 내에서 원자 사이의 힘에 쿨롱의 법칙이 적용된다.
    • 고체 내의 원자간 혹은 분자간의 힘에 쿨롱의 법칙이 적용된다.


전기장electric field

장(場)field

  • 특정 영역 내의 모든 지점에 대해 동시에 적용 가능한 물리적 양
  • 공간상의 각 지점마다 다른 값을 갖는 물리량
  • 장의 개념을 이용하면 다양한 이론을 쉽게 설명할 수 있다.

예)

  • 강에서 물의 흐름은 각 지점마다 물이 흐르는 속도를 하나의 함수로 정의할 수 있다.
  • 중력장: g=F/m

전기장

  • 전하와 힘
    • 전하 q1은 주변에 전기장을 형성한다.
    • 전기장은 전하 q2에 영향을 미친다.
    • 전기장은 전하 q2가 힘을 경험하도록 한다.
  • 매개자로서의 장
    • 전하끼리 직접 상호작용하는 것 처럼 보이지만, 실제로는 전하와 장이 상호작용하는 것이다.
  • 전기장 E
    • 패러데이가 소개한 개념이다.
    • 장 내의 모든 지점에서 정지한 대전 시험입자가 경험하는 전기력을 설명합니다.
    • $E=\frac{F}{q_0}\ [\frac{N}{C}]$
  • 중력장과의 유사성
    • $g=\frac{F}{m}\ [\frac{m}{s^2}=\frac{N}{kg}]$
    • $field=\frac{힘}{시험입자의\ 성질}$

중력장과 전기장

  • 중력장
    • 질량을 가진 물체를 끌어당긴다.
    • 일이 퍼텐셜 에너지로 저장된다.
    • 중력: 인력
  • 전기장
    • 일을 하면 전하의 분리가 심해진다.
    • 일이 전기 퍼텐셜 에너지로 저장된다.
    • 정전기적 힘: 인력 및 반발력

전위선

  • 전위선의 접선은 전기장 E의 방향과 같다.
  • 단위 부피 당 전위선의 수 ∝ 전기장 E의 크기

점전하

  • $E=\frac{F}{q}=\frac{kQ_{source}q}{qr^2}=\frac{kQ_{source}}{r^2}$
  • 점전하로부터 모든 방향으로 방사된다.
  • $E_{total}=E_1+E_2+…$


전위electric potential

  • 무한한 거리에 위치하는 전하를 가져오는데 필요한 일을 자신의 전하로 나눈 값
    $V=\frac{W}{q_0}$
  • 단위: V (볼트, J/C)
  • $V_{total}=V_1+V_2+…$

  • 전위의 차이를 전압이라고 한다.

  • 장과 전위의 관계
    $W=Fd=q_0Ed$
    $V=\frac{W}{q_0}=Ed$

  • 점 전하의 전위
    $V_P=V_P-V_∞=-\int_\infty^R\mathrm{\overrightarrow{E}·d\overrightarrow{r}}\ \mathrm{d}x=\int^\infty_R\mathrm{\overrightarrow{E}·d\overrightarrow{r}}\ \mathrm{d}x$
    $\overrightarrow{E}=\frac{1}{4π\epsilon_0}\ \frac{q}{r^2}$
    $V_P=\frac{q}{4π\epsilon_0R}$

전위 에너지electric potential energy

  • 전기장에서 전하를 띤 입자의 에너지
  • $U=qV\ [CV=J]$

전위[V] ≠ 전위에너지[J]

  • 단위
    • 줄[J]
    • 일렉트릭 볼트[eV]
    • 1[eV]=1.6×10-19[C] [V]
    • 1e=1.6×10-19[C]


전류electric current

  • 전하의 흐름
  • SI단위: A(암페어)
  • $I=\frac{Q}{t}\ [\frac{C}{s}=A]$
  • 전류의 밀도: $J=\frac{I}{A}\ (A: area)$
  • 관습적으로 전자는 (-)극에서 나와 (+)극으로 가지만 전류는 (+)극에서 나와 (-)극으로 간다.

전하 운반자charge carriers

  • 전하를 이동시킬 수 있는 입자
  • 도체: 전자
  • 반도체: 전자와 양공
  • 전해질: 이온
  • 플라즈마: 전자와 이온

직류와 교류

  • 직류(DC)
    • 단방향으로 흐르는 전하의 흐름
    • 베터리, 태양 전지 등에서 생산되는 전류
  • 교류(AC)
    • 주기적으로 전하의 흐름이 바뀌는 전류
    • 가정에 보급되는 전류


저항resistance

  • 전류의 흐름을 방해하는 성질
  • $R=\frac{V}{I}\ [\frac{V}{A}=Ω]$
  • SI단위: Ω(옴)

비저항resitivity

  • 금속의 기본적인 성질
  • $ρ=\frac{E}{J}$
  • 실린더 형태의 도체에 대한 저항
  • $R=ρ\frac{l}{A}$

전도율conductivity

  • 상호간 비저항의 양
  • $σ=\frac{l}{ρ}$
기호 단위 이름 계산 비고
Q C 전하량    
I A 전류 Q/t  
V V 전위 W/q =Ed
R Ω 저항 V/I =ρ(l/A)
ρ Ω·m 비저항 E/J  
σ (Ω·m)-1 전도율 1/ρ  

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참고