전기장

전기장에 관한 기사

전하에 대해 배우면서, 같은 전하는 서로 밀어내고 다른 전하는 서로 끌어당긴다는 것을 알게 되었습니다. 양전하를 띤 물체를 음전하를 띤 물체 가까이 가져가면 두 물체는 서로 끌어당겨 움직입니다. 반대로, 양전하를 띤 물체를 양전하를 띤 물체 가까이 가져가면 두 물체는 서로 밀어내어 멀어집니다. 쿨롱 법칙에서 배웠듯이, 전기적으로 대전된 물체는 서로 전기력을 작용시켜 다른 전기적으로 대전된 물체를 가속시킬 수 있습니다. 전기적으로 대전된 물체가 다른 전기적으로 대전된 물체에 작용하는 전기력은 접촉 없이 작용할 수 있는 힘의 한 예입니다. 접촉 없이 작용할 수 있는 힘의 또 다른 예는 다음과 같습니다. 거리 이다 중력중력은 질량을 가진 물체가 다른 질량을 가진 물체에 작용하는 힘입니다.

마찰력추력, 수직항력 등은 접촉이 있을 때 작용하는 힘이기 때문에 이해하기 쉽습니다. 반면에 전기력은 접촉 없이도 일정 거리에서 작용할 수 있는 힘이기 때문에 이해하기 어렵습니다. 일정 거리에서도 작용하는 전기력을 이해하기 위해 전기장이라는 개념이 등장했습니다. 전기장 개념은 영국의 과학자 마이클 패러데이(1791-1867)에 의해 정립되었습니다.

전기장(E)의 정의

유리 막대가 처음에는 전기적으로 중성이라고 가정해 봅시다. 천으로 문지르면 유리 막대에 전기가 흐르게 됩니다. 유리 막대에 전기가 흐르게 되면 유리 주변에 전기장이 생깁니다. 유리가 다시 중성으로 돌아가면 전기장도 사라집니다. 따라서 전기(E)의 존재는 전하의 존재와 분리될 수 없습니다. 전기는 공기와 같은 물질의 일종도 아니고 전자기파와 같은 파동의 일종도 아닙니다. 전기는 전하에 의해 발생하며 전하 주변 공간에 영향을 미치는 현상입니다. 다른 전하들은 단지 전기의 영향만을 받을 뿐입니다.

방 안에 전기장(E)이 존재하는지 확인하기 위해, 해당 공간에 최소 전하가 존재한다고 가정합니다. (큐) 따라서 이 전하는 아주 작은 전기장을 생성하므로 무시할 수 있습니다. 하지만 시험 전하는 다른 전하들이 생성하는 전기장의 영향을 받을 수 있습니다. 시험 전하는 단지 전기장(E)이 존재하는지 확인하기 위해 제시된 것입니다. 만약 공간에 전기장(E)이 존재한다면,

시험 전하는 전기력을 받아야 하며, 전기력(E)이 없으면 시험 전하는 전기력을 받지 않습니다.

옆 그림을 보세요.

그림 1에서 전하 +q₁ 그리고 전하 +q₂ 주변 공간에 E를 발생시킵니다. 시험 전하 +q가 가해지면_o 공간상의 한 지점에 놓인 시험 전하 +q_o 전기력을 경험합니다. F₁ +q 전하에 의해 작용하는 전기력입니다.₁ 테스트 전하 +q에 대해_o, 및 F₂ +q 전하에 의해 가해지는 전기력은₂ 테스트 전하 +q에 대해_o그림 2에서 시험 전하를 제거해도 E는 그 지점에서 사라지지 않고 그대로 남아 있습니다.₁ +q 전하에 의해 생성되는 전기장입니다.₁, 그리고 E₂ +q의 전하에 의해 생성되는 E는₂.

전기장의 크기

전기장 E는 크기와 방향을 갖는 벡터량입니다. 전기장의 크기는 일반적으로 전기장 세기라고 합니다. 어떤 지점에서의 전기장 세기는 그 지점에 놓인 양전하 시험 전하에 작용하는 전기력을 시험 전하의 크기로 나눈 값으로 정의됩니다.

E = 전기장 세기

F = 전기력

q = 시험 전하량

전기력의 단위는 뉴턴이고, 전하량의 단위는 쿨롬이므로, E의 단위는 뉴턴/쿨롬이며, 약어로 N/C로 표기합니다.

전기장의 방향

그림 1a에서 양전하(+Q)는 양전하를 띤 시험 전하(+q)에 전기력을 가하는데, 이때 전기력(F)의 방향은 +Q 전하에서 멀어지는 방향입니다.

그림 1b에서 시험 전하를 제거하면 이 지점에는 전하 Q에서 멀어지는 방향의 전기장(E)이 존재합니다.

그림 2a에서 음전하(-Q)는 양전하 시험 전하(+q)에 전기력을 가하는데, 이때 전기력(F)의 방향은 전하 -Q에 가까워집니다.

그림 2b에서 시험 전하를 제거하면 이 지점에는 전하 -Q와 거의 같은 방향의 전기장(E)이 존재합니다.

위의 그림과 설명을 바탕으로, 전기장의 방향은 양전하에서 멀어지고 음전하를 향해 다가간다는 결론을 내릴 수 있다.

전기장선

E는 ~에 의해 생성됩니다. 전하 그리고 이는 전하 주변 공간에 영향을 미칩니다. 전기장의 영향은 다른 전하에만 느껴집니다. 어떤 전하가 전기장에 의해 발생시킨 전기력(E) 내에 다른 전하가 존재하면, 그 전하는 전기력의 영향을 받게 됩니다.

위에서 설명한 전기장(E)에 대한 이해는 머릿속으로 실현할 수 있지만, 오직 마음속으로만 상상할 수 있습니다. 전기장을 시각화하기 위해 전기력선이 제시됩니다. 전기력선은 전하 주위에 그려진 선들로, 전기장의 존재를 나타냅니다. 전기장의 존재를 보여주는 것이 목적이므로, 이 선들과 전기장 사이에는 연관성이 있습니다. 즉, 전기력선을 그리면 전기장의 크기와 방향을 설명할 수 있습니다.

다음은 전기력선의 방향과 전기장 세기 사이의 관계입니다.

먼저, 전기장(E)의 방향은 양전하에서 멀어지고 음전하를 향해 다가갑니다. 따라서 전기장 선의 방향 또한 양전하에서 멀어지고 음전하를 향해 다가갑니다.

양전하가 음전하에 인접해 있으면 전기력선은 양전하에서 음전하 쪽으로 향합니다. 반대로 양전하가 양전하에 인접해 있으면 전기력선은 각각의 양전하에서 나와 서로 멀어지는 방향으로 향합니다.

둘째, 전기장의 세기는 전기장 선 사이의 거리로 나타낼 수 있습니다. 전기장 선 사이의 거리가 가까울수록 전기장의 세기가 강해지고, 거리가 멀수록 전기장의 세기가 약해집니다.

왜 전기장 선 사이의 거리가 가까울수록 전기장 세기가 강해질까요? 이를 이해하기 위해 다음 설명을 살펴보겠습니다. 구의 중심에 양전하가 있고 전기장 선이 구의 표면을 따라 여러 방향으로 뻗어 있다고 가정해 봅시다. 전기장 선의 개수를 N개, 구의 표면적을 4πr²라고 하면,²그러면 단위 면적당 선의 개수 또는 선 밀도는 N / 4πr²입니다.²이 공식에 따르면, 동일한 N 값에 대해 r이 작아질수록 선 사이의 거리는 가까워지고, r이 커질수록 선 사이의 거리는 멀어집니다.

전기장 세기 공식 E = kq / r² 또한 전기장 세기는 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 보여줍니다. r이 작을수록 전기장 세기는 커지고, r이 클수록 전기장 세기는 작아집니다.

위의 검토를 바탕으로, r 값이 작아질수록(전하에 가까워질수록) 전기장의 세기는 커지고 전기선 사이의 거리도 가까워진다는 결론을 내릴 수 있습니다. 반대로, r 값이 커질수록(전하에서 멀어질수록) 전기장의 세기는 작아지고 전기선 사이의 거리는 멀어집니다.

셋째, 전기장선의 수는 전기장 세기에 비례합니다. 전기장선이 많을수록 전기장 세기가 강해지고, 전기장선이 적을수록 전기장 세기가 약해집니다.