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Chapter 16. 정전기력과 전기
장
* 전자기학의 발전
•고대 그리스: 오늘날 자철광으로 알려진 자연석을 발견.
•Charles Augustin Coulomb : coulomb의 법칙 발견
(1785)
•Hans Oersted : 도선에 전류가 흐를 때 나침반 바늘이
편향되는 현상 발견(1820)
•Michael Faraday : 전자기학에 지대한 공헌
•James Clerk Maxwell : 19세기 중반 Faraday와
함께 전자기이론 정립
•전 하
- 모든 전기현상의 근원이 되는 실체
- 양전하(+) 와 음전하(-) 두 종류
- 자연계 존재하는 가장 작은 전하량은 1.602 * 10-19 C (전자와 양성
- 전하는 독립적인 존재가 아니고 항상 물체(질량)에 존재한다.
•도체와 절연체
도체 : 음전하가 비교적 자유롭게 이동할 수 있는 물질
절연체 : 어떤 종류의 전하도 자유롭게 이동할 수 없는 물
질
*도체와
•대
전 절연체는 물질 내부의 자유전자(전도전자)의 유무
로물체가
결정된다.
전하를 지니게 되는 현상
같은 종류의 전하로 대전된 물체 : 척력 작용
다른 종류의 전하로 대전된 물체 : 인력 작용
* 대전된 물체와 대전되지 않은 물체 사이에
작용하는 힘은 항상 인력이다.
•대전 시키는 방법
비벼서 대전 시키기, 접지, 유도에 의한 대전
* Coulomb 의 법칙
• Coulomb의 법칙 : 전하와 전하 사이에 작용하는
힘의 크기와 방향을 정량적으로 설
명
• 점전하 Q1 와 Q0가 거리 r만큼 떨어져 있는 경우
전하 Q1 이 Q0에 작용하는 힘은 다음과 같다.

F
1 Q1Qo
rˆ
2
40 r
Q1
Q0
 0  8.85 10 12 C 2 / N  m 2
• 점전하가 세 개 이상 존재하는 경우
-중력과 마찬가지로 중첩의 원리 적용가
능
  


즉
r
Q1
F  F1  F2  F3         Fn
Q2
r10
r20
Q0
F1
F
F2
• 전하 분포가 연속적인 경우(연속분포)강체의 경우와 흡사
미소 체적 dv를 도입, dv에
대전된 전하량을 dq라고 가정.
따라서 dq와 Q0 사이에 작용하는 힘은
다음과 같다.

dF 
1 Qo dq
rˆ
2
40 r
r1
Q0
dv1
r2
dv2
* 연속분포된 전하 Q가 점전하에 작용하는 힘 F
 n
F   lim
Qo dq
1 Qo dqi
rˆi 
rˆ
2
2

dq0 4
40 r
ri
i 1
0
dq  dv
 da
 dl
* 전기장
• 대전체 주위의 전기적인 힘이 미치는 공간, cf)
중력장
• 전하 Q가 존재하면 전기장을 발생시키고, 이 전
기장이


다른
작용한다.
E 전하에
F q0 힘을
* 전기장의 단위 : N/C, V/m
• 전기장의 정의
* 점전하 Q에 의한 위치 1에서의 전기장

1 Q
E1 
rˆ
2 1
40 r1
* N개의 점전하 Q에 의한 어떤 위치에서의 전기장

E
Q1
1 Q2
1 Qn
ˆ
ˆ
r

r








rˆ
2 1
2 2
2 n
40 r1
40 r2
40 rn
n 




 E1  E2  E3         En   Ei
1
k 1
* 연속분포에 의한 전기장

E
1
dq
rˆ
2

40 r
dq  dv
 da
 dl
y
* 쌍극자에 의한 전기장.
Sol)
 

E  E  E

1
q
1 q
ˆ
r

rˆ
2 
2 
40 r
40 r
q
qd
ˆj   1
ˆj d
(

2
sin
q
)
40 z 2  (d 2) 2
40 [ z 2  (d 2) 2 ]3 2


1 qd ˆ
1 p ˆ
1 p
E  
j
j
3
3
40 z
40 z
40 z 3

x
+
1
-
r+
q
r-
p
•전기장내에 있는 전하에 작용되는 힘
 전기장이 존재하는 곳에 점전하 Q를 놓았을 때 이 점전하에 작용


F  QE
y
* 예제 5.
•양전하 : 전기장과 같은 방
쿨롱의 법칙과
향
동일
•음전하 : 전기장과 반대 방
향
따라서, 입사 입자에 작용하는 힘은 y 축방
----
v0
E
y
x
++++
입사 입자 : 질량 m
전하량 +e



a
x 0
Fx  QE x  ma x


 이므로, 
F eE
Fy  QE y  ma y
ay  
m m
향


전기장 ( E ) : 균일하며E  Eˆj
이 입자가 L을 통과하는데 걸린 시
간t는
L  v0t , y 
1
a yt 2
2
따라서 휜거리는
eEL2
y
2mv02
* Gauss Law
전하분포의 기하학적 대칭성을 이용하여, 수학적 계산을 단순화
Gauss의 법칙 : 전하를 둘러싸는 Gauss 면 위에 형성된 전기장과 관계가
* 전기선속
- 주어진 면적 A 를 통하여 흐르는 물의 양

v
A
V  vA
q
A
 
V  v cos qA  v  A
- 주어진 면적 A 를 통과하는 전기력선
q
A
 
  E cos q A  E  A
•불균일한 전기장 안에서 임의의 Gauss 면을 지나는 전기선속
•미소넓이 A를 통과하는 전기선속


  E cos q dA  E  A
•Gauss 면을 통과하는 전기선속
각 미소넓이를 통과하는 전기선속의 합


   E  A


   E  dA
*Gauss 법칙
Gauss 면을 지나가는 전기선속이 Gauss면 내부에 들어있는
알짜 전하량에 비례한다.
 0  qenc


 0  E  dA  qenc
*Gauss 법칙 증명

E
Ai n̂i
Q
•점전하 Q를 둘러싸고 있는 반지름 R인 구면 A

E
구면상에서 전기장의 크기
R
q
dAcosq
A’
dA’
1
Q
1 Q
Q
2
dA

4

R

40 R 2 
40 R 2
0
•임의의 닫힌 곡면
dA
Q
Q
rˆ
2
40 R
구면애 대한 전기선속
 
   E  dA   EdA 
R
1
E
 
Q cos qdA
   A E  dA   A E cos qdA 
40  r 2

Q
40

dA'
Q 4R 2 Q


A'
2
2
R
40 R
0
•Gauss 면 S1
S1
S4
S3
S2
*고립된 도체
•Gauss 면 S3
•전기장 방향 : 위쪽으로 들
•전기장 방향 : 면의 바깥쪽 방향
어와서
•전기선속 : 양의 값
아래쪽으로 나감
•내부의 알짜전하 : 양의 값
•전기선속 : 0
•Gauss 면 S2
•내부의
:0
•Gauss 알짜전하
면 S4
•전기장 방향 : 면의 안쪽 방향
•전기장 방향 : 아래쪽으로 들
•전기선속 : 음의 값
•내부의 알짜전하 : 음의 값 어와서
윗쪽으로 나감
•전기선속 : 0
•내부의 알짜전하 : 0
*과잉전하가 고립된 도체에 놓여지면 전하는 도체의 표면에서만
움직인다. 따라서 도체의 내부에는 전하가 존재하지 않는다.
같은 부호의 전하끼리는 서로 밀는 힘이 작용하기 때문
구리표면
가우스면 A
가우스면 B
가우스면 B : 도체 내부 전기장
=0
가우스면 A : 도체 외부 전기장
=0
*Gauss 법칙 의 적용
•대칭성이 있는 전하분포에 의한 전기장을 gauss 법칙으로 구하는 순
- 전하의 대칭성을 고려하여 전기장의 방향을 알아낸다.
- 가우스면상에서 면적 벡터의 방향이 전기장과 평행하거나 직교하
면만을 갖도록 적절히 선정한다.
- 선정된 가우스면상에서 전기장과 면적 벡터의 스칼라곱을 한다.
- 가우스면의 모든 점에서 전기장의 크기가 동일한지 확인한다.
- 식 14-39를 계산.
*원통대칭
+
+
+
+
+
+
r
•균일한 선밀도 로 대전된 무한히 긴 플라스틱 원통막대
•전기장의 방향 : 중심축에서 수직으로 뻗어가는 방향
  EA cos q  E (2rh ) cos 0  E (2rh)
 0   qenc ,  0 E (2rh)  h
h
E
E

20 r
*면대칭
A E
+
+++
+++
++
E A
*대전된 평행판
+
+
+
+
+
+
A E
+
+
+
+
+
+
•균일한 전하밀도 로 대전된 무한
E A
•면대칭을 이용하여 평면을 관통하는
넓이가 A인 원통 모양의 gauss면
을 선정.


 0  E  dA  qenc ,


E  dA  EdA
  0  EdA  0 ( EA  EA)  A
E

2 0
•각 평행판 표면의 전하밀도 
두 면 사이에서
E
전기장
두 면 밖에서 전기장

2 0
E 0
*구면대칭
•전하가 균일하게 분포되어 있는 절연체구 총전하량 Q일 때
중심으로부터 거리 r 떨어진 곳의 전기장
1) r > R
2) r < R
R
1) r > R


 0  E  dA   0  EdA  0 E  dA  40 r 2 E  Q
1
Q
E 
40 r 2

E
1
Q
rˆ
40 r 2
2) r < R
 
 0  E  dA   0  EdA  0 E  dA 40 r 2 E  Q
4 3
r3
Q 
r  3 Q
4
3
R
R 3
3
Q
E 
rˆ
40 R 3
Q
•절연체구
R
•도체구
•도체구인 경우
절연체구와는 달리 전기력 때문에 전하가 표
면에만 존재하므로 r < R 인 경우 즉 도체구
내부에 전기장은 0 이다.
R