Transcript 축전기
제16강 전기에너지와 전기용량 보존력: 중력, 정전기력 ↓ 포텐셜 에너지 전기 포텐셜 에너지 ↓ 단위 전하에 대한 포텐셜 에너지: 전위 두 점 사이의 전위차: 전압 축전기 1 16.1 전위차와 전위 보존력: W(1) W(2) 경로에 무관 : 처음과 나중 위치에만 의존 보존력 P E도입 가능 정전기력 (쿨롱힘): 보존력 → 전기 포텐셜 에너지 2 E (균일한 전기장) 양전하 q가 점 A에 위치 정전기력이 한 일 (A→B) W=F·d=qEd ΔPE P E(B) P E(A): 포텐셜 에너지변화 W qEd 두 점 A와 B 사이의전위차 ΔV VB VA ΔP E q ΔP E q ΔV 3 • 전위의 단위 SI 단위: 1V=1 J/C 전위차가 1V인 두 점 사이에서 1C의 전하를 이동시키기 위해서는 1J의 일을 해주어야 함. 균일한 전기장 : V E d 전기장 : 1N / C 1V / m 양전하: A→B 이동, 전기 포텐셜 에너지 감소 음전하: A→B 이동, 전기 포텐셜 에너지 증가 4 예제 16.1 VB V A E d 12 E 12 3 4 . 0 10 V/m 2 0.3 10 16.2 점전하에 의한 전위와 포텐셜 에너지 • 점전하 q에 의한 전위 q V(r) k r 에서 V 0로 선택 r 5 • 전하 분포에 의한 전위 → 중첩 원리 적용 Vp k q1 q k 2 r1 r2 • 두 점전하로 이루어진 계의 포텐셜 에너지 무한 원점 → 점 P로 전하 q2를 (가속 없이) 이동시키는데 필요한 일 → 이 계의 PE로 축적 q1 VP V1 PE q2 V1 k q1 q2 r 6 예제 16.3 전위의 계산 q1 5C, q2 2C (a) q1 V1 k q1 1.12 104 V r1 q1 V2 k q2 0.360 104 V r2 VP V1 V2 7.6 103V (b) q3 4.0μC의전하를 P 로 이동하는데필요한일 W q3VP 4.0 106 7.6 103 3.1102 J 7 16.3 전위와 대전된 도체 정전기력 → 점전하 q에 한 일 (A→B) W PE, PE q( VB VA ) W q( VB V A ), V A VB W 0 동일한 전위를 갖는 두 점 사이에 전하를 이동시키는 데는 전혀 아무 일도 필요 없다. • 정전 평형 상태의 도체 1. 모든 알짜 전하는 도체 표면에 분포 2. 도체 내부의 전기장 = 0 3. 도체 외부전기장은 도체 표면에 수직 임의의 형태의 도체가 양전하로 대전 • 도체 표면에서의 전위는 일정 • 도체 내부에서의 전위도 일정하고, 그 값은 도체 표면에서의 값과 같다. ∴도체 전체에서의 전위값이 일정 8 • 전자 볼트 원자나 핵 물리학에서 흔히 사용됨 전자가 1V의 전위차를 통과하면서 가속될 때 얻 는 에너지 1eV 1.601019 C V 1.601019 J 예제 16.4 보어 원자 r 5.291011 m : 가장 낮은 에너지 상태에 있음 수소원자: 전자가 등속 원운동 (a) 양전자가 전자에 작용하는 쿨롱힘 q1 q2 , q1 e , q2 e , e 1.60 10 19 C 2 r 8.22 10 8 N F k 9 (b) 전자의 속력과 운동에너지 v2 F r F m v 2.18106 m / s r m 1 KE m v2 2.17 1018 J 13.6eV 2 (c) 전자의 PE q1 27.2 V r PE q2 V 27.2eV V k (d) 총 에너지 E KE PE 13.6eV ( Bound State) 10 16.4 등전위면 등전위면: 전위가 같은 모든 점들을 이어 놓은 면 • 등전위면에서 임의의 전하를 일정한 속도로 이동시키는 데에는 일이 필요 없다. • 등전위면 위의 모든 점에서의 전기장은 등전위면에 수직 (a) 점전하 (b) 전기 쌍극자 11 16.5 전기용량의 정의 평행판 축전기 축전기: 필요할 때 꺼내 쓸 수 있는 전하와 에너지를 보관하는 장치 C 축전기의 전기용량: C Q V 두 금속판 사이의 전위차: V • 임의의 전위차가 주어졌을 때, 전기용량 C가 커야 많은 전하를 저장 할 수 있다. • 전기용량의 단위 1F 1C / V SI단위계: 패럿(F) 1F 10 6 F , 1 pF 1012 F 12 예제 16.5 축전기 판 위의 전하 C 3.0 μC 인 축전기, V 12V 대전된전하량 Q C V 36C 16.6 평행판 축전기 • 축전기의 전기용량: 금속판의 기하학적 형태, 두 금속판 사이에 채워진 물질 • 평행판 축전기 C 0 A: 금속판의 면적 d: 판사이의 간격 A d 0 : 자유 공간( free space)에서의유전율 0 8.851012C 2 / N m 2 k 1 A , QCV 0 V 4 0 d 전위차가 주어졌을 때, 판의 면적 A가 클수록 혹은 두 판 사이의 간격d가 작아질수록 대전되는 전하량 Q는 커진다. 13 예제 16.6 평행판 축전기의 전기용량 C? A 2cm 2 2 104 m 2 , d 1mm 103 m C 0 A 1.77 1010 F 177pF d • 축전기의 회로 기호 축전기 전원 저항 14 16.7 축전기의 조합 • 병렬 연결 Q1 C1V , Q2 C 2V Q C eq V , Q Q1 Q2 C eq V C1V C 2V C eq C1 C 2 15 • 직렬 연결 V1 Q Q , V2 C1 C2 V Q Ceq V V1 V2 1 1 1 Ceq C1 C 2 예제 16.9 등가 전기용량 16 16.8 충전된 축전기에 저장된 에너지 Q C W V Q V 기울기: 1/C V Q C Q:0Q 1 1 W QV CV 2 2 2 17 예제 16.10 V 120V , C 5.0F 1 저장된 전기 에너지 CV 2 3.6 10 2 J 2 16.9 유전체 축전기 • 유전체: 고무, 유리, 기름, 종이 등 : 절연물질 • 유전체로 극판 사이를 채우면 전기용량은 유전상수 κ배 만큼 증가한다. 18 (a) 자유공간 V0 Q0 C0 (b) 유전체 삽입 Q Q 0 : 불변 V V 0 (κ 1) : 전압 강하 κ Q C κ C0 V A 평행판 축전기: C κ ε 0 d ◦ 유전체의 원자적 고찰 극갈림(polarization): 분자의 음전하 중심과 양전하 중심이 다른 경우 예: 물(H2O): 영구 극갈림 → 유전상수 값이 매우 큼 19 그러나, 대칭분자: 영구 극갈림(×) 유도 분극(induced polarization) 전기장 세기 감소 ↓ 전압 감소 ↓ 전기용량 증가 20