제16강 전기에너지와 전기용량 보존력: 중력, 정전기력 ↓ 포텐셜 에너지 전기 포텐셜 에너지 단위 전하에 대한 포텐셜 에너지: 전위 두 점 사이의 전위차: 전압 축전기 16장 전기에너지와 전기용량
16.1 전위차와 전위 보존력: 정전기력 (쿨롱힘): 보존력 → 전기 포텐셜 에너지 정전기력(쿨롱힘): 보존력 → 전기 포텐셜 에너지 정전기력 (쿨롱힘): 보존력 → 전기 포텐셜 에너지
양전하 q가 점 A에 위치 정전기력이 한 일 (A→B) W=F·d=qEd
• 전위의 단위 SI 단위: 1V=1 J/C 전위차가 1V인 두 점 사이에서 1C의 전하를 이동시키기 위해서는 양전하: A→B 이동, 전기 포텐셜 에너지 감소 음전하: A→B 이동, 전기 포텐셜 에너지 증가
예제 16.1 16.2 점전하에 의한 전위와 포텐셜 에너지 • 점전하 q에 의한 전위
• 전하 분포에 의한 전위 → 중첩 원리 적용 • 두 점전하로 이루어진 계의 포텐셜 에너지 무한 원점 → 점 P로 전하 q2를 (가속 없이) 이동시키는데 필요한 일 → 이 계의 PE로 축적
예제 16.3 전위의 계산 (a) 예제 16.3 전위의 계산 (b)
16.3 전위와 대전된 도체 정전기력 → 점전하 q에 한 일 (A→B) 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
• 전자 볼트 예제 16.4 보어 원자 원자나 핵 물리학에서 흔히 사용됨 전자가 1V의 전위차를 통과하면서 가속될 때 얻는 에너지 예제 16.4 보어 원자 전자가 (a) 양전자가 전자에 작용하는 쿨롱힘
(b) 전자의 속력과 운동에너지 (c) 전자의 PE (d) 총 에너지
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 (a) 점전하
16.5 전기용량의 정의 평행판 축전기 축전기: 필요할 때 꺼내 쓸 수 있는 전하와 에너지를 보관하는 장치 축전기의 전기용량: C 두 금속판 사이의 전위차: V • 임의의 전위차가 주어졌을 때, 전기용량 C가 커야 많은 전하를 저장 할 수 있다. • 전기용량의 단위 SI단위계: 패럿(F)
16.6 평행판 축전기 예제 16.5 축전기 판 위의 전하 • 축전기의 전기용량: 금속판의 기하학적 형태, 두 금속판 사이에 채워진 물질 • 평행판 축전기 A: 금속판의 면적 d: 판사이의 간격 예제 16.5 축전기 판 위의 전하ㄹ 전위차가 주어졌을 때, 판의 면적 A가 클수록 혹은 두 판 사이의 간격d가 작아질수록 대전되는 전하량 Q는 커진다.
예제 16.6 평행판 축전기의 전기용량 C? • 축전기의 회로 기호 축전기 전원 전원 저항
16.7 축전기의 조합 • 병렬 연결 16.7 축전기의 조합
• 직렬 연결 예제 16.9 등가 전기용량 • 직렬 연결
16.8 충전된 축전기에 저장된 에너지
16.9 유전체 축전기 예제 16.10 • 유전체: 고무, 유리, 기름, 종이 등 : 절연물질 • 유전체로 극판 사이를 채우면 전기용량은 유전상수 κ배 만큼 증가한다. 예제 16.10
(a) 자유공간 (b) 유전체 삽입 ◦ 유전체의 원자적 고찰 극갈림(polarization): 분자의 음전하 중심과 양전하 중심이 다른 경우 예: 물(H2O): 영구 극갈림 → 유전상수 값이 매우 큼
그러나, 대칭분자: 영구 극갈림(×) 유도 분극(induced polarization) 전기장 세기 감소 ↓ 전압 감소 전기용량 증가