전기장의 세기

[류명한]

(1) 전기장의 세기             

[1] 쿨롱의 법칙

① 두 전하가 있을 때 다른 종류의 전하는 흡인력이 작용하고, 같은 종류의 전하는 반발력이 작용한다.

② 두 전하 사이에 작용하는 힘은 두 전하 Q₁[C], Q₂[C]의 곱에 비례하고, 두 전하 사이의 거리 r[m]의 제곱에 반비례한다.

여기서, F : 두 전하 사이에 작용하는 힘[N]. 전기력, k : 비례상수(k=1/(4πε), 진공중의 비례상수 =9×10⁹), r : 두 전하 사이의 거리[m], Q₁, Q₂ : 전하[C], ε : 유전율[F/m], ε=ε₀·ε_R (ε₀ : 진공의 유전율(=8.855×10^-12[F/m]))


③ 비유전율 : 물질의 유전율과 진공의 유전율과의 비
- 진공 중의 비유전율 : ε_R=1
- 공기 중의 비유전율 : ε_R=1.00059≒1

[2] 전기장과 전기력선

① 전기장 : 전기력이 작용하는 공간
② 전기력선 : 전기장의 상태를 나타낸 가상의 선
③ 전기력선의 성질
-전기력선의 접선방향은 그 접점에서의 전기장의 방향을 가리킨다.
-전기력선의 밀도는 전기장의 크기를 나타낸다.
-도체 표면에서 수직으로 출입한다.
-서로 교차하지 않는다.
-양(+)전하에서 시작하여 음(-)전하에서 끝난다.
-전위가 높은 점에서 낮은 점으로 향한다.
-그 자신만으로는 폐곡선이 안된다.

[3] 전기장의 세기

① 전기장의 세기
② 전기력 : F=QE[N]

(2) 전위와 등전위면         

[1] 전위

① 전위 : 임의의 점에서 전압의 값. 단위는 볼트(volt, [V])
② 전위차 : 임의의 두 점간의 전위의 차. 단위는 볼트(volt, [V])

[2] 전위의 크기

① 전위의 크기 :

[3] 평행 극판 사이의 전기장

① 전위의 기울기 : G=ΔV/Δl[V/m]
여기서, G : 전위의 기울기 [V/m], Δl : 거리의 변화 [m], ΔV : 전위차 [V]
② 전위의 기울기와 전기장의 세기 : 전위의 기울기 G[V/m] = 전기장의 세기 E[V/m]
③ 극판 바깥의 전기장 : 평면 전극 (+), (-) 양극에서 최대이고, 중앙에서는 최소이다.
④ 등전위면 : 전기장 중에서 전위가 같은 점을 모두 연결했을 때 나타나는 1개의 면.
-특징 : 전기력선과 직각으로 교차한다. 등전위면의 밀도가 높은 곳에서 전기장의 세기도 크다. 전기력선은 전하가 이동하는 방향을 가리키므로 전하는 등전위면에 직각으로 이동한다.

(3) 도체와 전기저항           

① 전도전자 : 전류가 흐르는 데 도움을 주는 자유전자.
② 이온 : 분자 또는 원자가 양전기 또는 음전기를 띤 상태.
③ 평균 자유 행정 : 금속 결정 내의 전자운동은 불규칙한 운동으로서, 운동하는 전자가 이온과 충돌하면 자신의 운동에너지를 상실함과 동시에 -E 방향으로 이동하게 되는데 이 충돌 사이의 평균거리를 가리킴.
④ 드리프트 속도 : 전기장의 영향하에 전자들이 이동하는 것. u=μE[m/s]
여기서, u : 드리프트 속도 [m/s], μ : 전자의 이동도 [m²/V·s], E : 전기장의 세기 [V/m]
⑤ 전류 밀도 : 1[m²]의 도체 단면적을 통과하는 전류의 크기. J=I/A[A/m²]
여기서, J : 전류밀도[A/m²], A : 도체 단면적[m²], I : 전류의 크기[A]

(4) 유전체와 전속        

[1] 유전체의 분극

① 유전체 : 도체에 전기가 통하려는 것을 막는 데 사용하는 물체.
② 쌍극자 : 유전체 내에서 크기가 같고 극성이 반대인 +q와 -q의 1쌍의 전하를 가지는 원자
③ 유전분극 : 유전체가 분극되는 현상
④ 쌍극자 모멘트 : M=ql[C·m]
여기서, M : 쌍극자 모멘트[C·m], q : 전하량[C], l : 거리간격[m]

[2] 유전손

① 유전손 : 유전체에 시간적으로 변화하는 전기장을 가할 때 내부에서 전기에너지가 열로 변환되는 시간적인 변화율. 유전손실

[3] 전속과 전속밀도

① 전속 : 유전체 내에서 전하 유도 작용에 의하여 유도되는 전하의 연결을 가상하여 그린 선. 기호는 Ψ, 단위는 쿨롬(Coulomb. [C])
② 전속 수 : Ψ=Q[C]
③ 전속 밀도 : 단면을 통과하는 전속의 수. 기호는 D, 단위는 [C/m²]
D=Ψ/A=Q/A[C/m²]

[4] 전기장의 세기 E와 전속 밀도 D와의 관계