전하 전자기학 • 역사 희랍 : 정전기현상과 자석 발견 Hans Christian Oersted : 전류와 자기현상의 연관 발견 19세기 Michael Faraday : 전자기 유도현상 발견 James Clerk Maxwell : 전자기이론 확립
전자기학의 기본방정식 : 4개의 맥스웰 방정식
전하 • 종류 : 두 종류가 있으며, (+)전하와 (-)전하로 나타낸다. • 양자화 전하량은 최소 단위가 있다 (양자화 되어 있다). C (Coulomb) • 보존 : 총 전하량은 언제나 같다 (보존된다). (전하가 생길 때 부호가 반대인 전하도 동시에 똑같은 양이 생긴다;사라질 때도 같다.)
• 정전기력 (쿨롱법칙) 같은 종류의 전하는 서로 밀어내고, 다른 종류는 끌어당긴다. 힘의 방향: 두 전하를 잇는 직선방향, 힘의 크기: 거리의 제곱에 반비례, 전하량의 곱에 비례.
도체와 절연체 전기 전도특성 에 따른 고체의 분류 • 도체 (conductors) • 반도체 (semiconductors) • 절연체(유전체) (insulators, dielectrics) 초전도체(superconductors) : 그 속에서 전하가 움직일 때 저항이 없는 물질 [초전도체는 어느 온도(상전이온도) 이하에서만 초전도성을 띤다.]
예: 핵 속에서의 정전기력과 중력의 크기 비교 철 원자핵의 반지름은 약 4.0 x 10-15 m 이다. 핵의 양쪽에 있는 두 양성자 사이의 정전기력과 중력은 각각 얼마인가? 정전기력 중력
전기장 전하와 힘 물음 : 두 전하 q 과 q0 가 있을 때, q0(q) 가 어떻게 q(q0) 이 있음을 알아서 힘을 받게 되는가? 답 : q(q0)이 주위의 공간에 전기장(벡터)을 만들고, q0(q)는 이 전기장과 작용하게 되어 힘을 받는다. 물음 : q 이 움직이면 q0 가 받는 힘도 즉시 달라지는가? 답 : q 의 움직임에 관한 정보는 전자기파로서 빛의 속도로 전파되며, 그것이 q0 에 이를 때 비로소 q0 가 받는 힘도 달라진다.
전기장의 정의 전하 q0 가 받는 정전기력 F 를 전하량으로 나눈 벡터 E (N/C) 몇 가지 상황에서 전기장의 세기
전기장의 특성을 그림으로 이해할 수 있게 도입한 개념 전기력선 전기력선은 양전하에서 뻗어 나와 음전하로 들어간다. 전기장의 방향 = 전기력선의 접선방향 전기장의 세기 = 전기력선의 밀도에 비례 (-) 점전하 (+) 면전하 (+),(+) 점전하 쌍 (+),(-) 점전하 쌍
점전하가 만드는 전기장 1. 점전하 하나가 만드는 전기장 쿨롱법칙: 점전하 q 가 만드는 전기장 속의 전하 q0가 받는 정전기력 전기장의 정의 2. 여러개의 점 전하가 만드는 전기장 (선형중첩 원리) 전기장은
p≡ q d 전기쌍극자가 만드는 전기장 전기쌍극자 크기가 같고 부호가 반대인 두 전하가 가까이 놓인 것 전기쌍극자 모멘트 ( d 는 -q 에서 +q 까지의 벡터) 이항전개근사 여기서 p≡ q d
전기장 속에서의 점전하의 운동 입자가 받는 힘: (정전기력) 운동방정식: (뉴턴의 운동방정식) 예제 : 잉크제트 인쇄기 문제: 판을 지나오는 순간의 수직이동거리? 풀이 : 잉크방울의 운동 중 수평방향은 등속운동, 수직방향은 등가속운동 수직방향의 가속도: 수직방향의 이동거리: 편향판
전기장 속의 전기쌍극자(dipole moment)가 받는 힘, 돌림힘(torque), 위치에너지 예 : 고른 전기장 속의 전기쌍극자(예: 물분자)가 받는 힘 2. 돌림힘(torque) : τ ( p = 전기쌍극자 모멘트) 3. 회전 위치에너지