Copyright Prof. Byeong June MIN

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1 Copyright Prof. Byeong June MIN
전기장 Electric Field 쿨롱 법칙에 의하면 두 전하는 서로 같은 크기의 힘을 즉각적으로 주고 받는다. 그러나 전하는 어떻게 다른 전하가 근처에 온 것을 알 수 있을까? 이 질문은 만유인력에도 똑같이 적용된다. 커다란 돌멩이에 불과한 지구나 달이 어떻게 서로의 존재를 알고 만유인력으로 서로 잡아당길 수 있는가? Q r q F F 즉각적으로 힘을 주고 받는 것은 근사에 불과하다. 두 전하가 힘을 주고 받는 과정을 좀 더 분해해서 보도록 하자. Copyright Prof. Byeong June MIN

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전기장 Electric Field 전하 q가 (오래 전부터) 존재하고 있는 지점을 생각하자. 전하 q 주변에는 다른 전하가 없으며, 홀로 외로이 있다. 전하 q가 있는 지점에서 r 만큼 떨어진 곳에 갑자기 전하 Q 가 생겨났다고 가정하자. 전하 q 는 그 즉시 힘을 받을 것인가? Q r q F F 오른쪽 여성이 한 말은 즉시 왼쪽 여성에게 전달될 것인가? 전하 Q가 존재한다는 정보가 전하 q에게 전달된 이후라야 힘 F 가 작용하게 된다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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전기장 Electric Field 즉, 공간 상에 전하 Q가 존재하면 그 주변으로 전하 Q 에 대한 정보가 전달된다. 이 때 전달되는 정보를 전기장이라고 한다. 이 곳에 어떤 전하가 있을지 전하 Q는 알 도리가 없다. Q r q F 전기장 한편, 전하 q 는 어디에 다른 전하가 있는지 알 도리가 없다. 자기가 위치한 지점의 전기장에 따라 힘을 받을 뿐이다. 전기장의 단위 Copyright Prof. Byeong June MIN

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연습문제. 서로 3 m 떨어진 곳에 +2 C 과 – 5 C 의 전하가 고정되어 있다. 이 두 전하가 위치하는 지점의 전기장을 구하여라. +2C 전하로 인한 전기장 3 m +x E F - 5 C F +2 C +2C 전하가 위치하는 지점에서의 전기장을 구하라. -5C 전하가 위치하는 지점에서의 전기장을 먼저 구하자. 전기장의 방향 주의 ! + 전하로 인한 전기장은 밖으로 뻗어나가는 방향 이 전기장은 -5C 전하와 상관없이 존재한다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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예제 전하 q1 = 7.00 mC 은 원점에 있고, q2 = mC 은 x 축 상으로 m 떨어진 곳에 있다. (a) 점 P (0, 0.400) m 에서 전기장의 방향과 크기를 구하여라. 먼저 q1 으로 인한 전기장 E1 은 q1 으로부터 밖으로 뻗어나가는 방향이다. 또 q2 로 인한 전기장 E2 는 q2 를 향해 안으로 뻗쳐 들어가는 방향이다. 점 P 에는 전하가 없는데 전기장을 구하려면 어떻게 해야 할까? Copyright Prof. Byeong June MIN

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예제 전하 q1 = 7.00 mC 은 원점에 있고, q2 = mC 은 x 축 상으로 m 떨어진 곳에 있다. (a) 점 P (0, 0.400) m 에서 전기장의 방향과 크기를 구하여라. Copyright Prof. Byeong June MIN

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예제 전하 q1 = 7.00 mC 은 원점에 있고, q2 = mC 은 x 축 상으로 m 떨어진 곳에 있다. (a) 점 P (0, 0.400) m 에서 전기장의 방향과 크기를 구하여라. Copyright Prof. Byeong June MIN

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예제 전하 q1 = 7.00 mC 은 원점에 있고, q2 = mC 은 x 축 상으로 m 떨어진 곳에 있다. (a) 점 P (0, 0.400) m 에서 전기장의 방향과 크기를 구하여라. Copyright Prof. Byeong June MIN

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예제 전하 q1 = 7.00 mC 은 원점에 있고, q2 = mC 은 x 축 상으로 m 떨어진 곳에 있다. (a) 점 P (0, 0.400) m 에서 전기장의 방향과 크기를 구하여라. Copyright Prof. Byeong June MIN

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전기력선 1. 전기장의 방향으로 선을 연결하여 그린다. 2. 전기장이 큰 곳에서는 선이 촘촘하고, 전기장이 작은 곳에서는 선이 듬성듬성하다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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전기력선 1. 전기장의 방향으로 선을 연결하여 그린다. 2. 전기장이 큰 곳에서는 선이 촘촘하고, 전기장이 작은 곳에서는 선이 듬성듬성하다. + 전하인 경우 전기력선은 전하에서 밖으로 뻗어나간다 Copyright Prof. Byeong June MIN

12 전기력선 + 전하인 경우 전기력선은 전하에서 밖으로 뻗어나간다

13 전기력선 + 전하인 경우 전기력선은 전하에서 밖으로 뻗어나간다 - 전하인 경우 전기력선은 전하를 향해 안으로 뻗어 들어간다.

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전기력선 같은 크기의 양전하와 음전하가 한 쌍으로 묶여 있는 것을 전기 쌍극자라고 한다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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전기력선 이와 비슷한 모양은 막대 자석으로 인해 쇠가루가 정렬될 때 볼 수 있다. 막대 자석은 N 극과 S 극이 한 쌍으로 존재하는 것으로 생각할 수 있다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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물질의 전기적 특성 1. 도체 conductor 자유전자 원자 간격 ~ 2 Å Copyright Prof. Byeong June MIN

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패러데이의 얼음통 실험 Faraday’s Ice Pail Experiment Copyright Prof. Byeong June MIN

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패러데이의 얼음통 실험 Faraday’s Ice Pail Experiment + + + - + + + - + - + Copyright Prof. Byeong June MIN

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정전 평형 상태(electrostatic equilibrium)에서 도체의 성질 (이것은 전하가 평형 상태를 이루어 알짜 운동이 없는 경우이다.) 1. 도체 내부의 전기장은 0 이다. 도체 내부의 전기장이 0 이 아니라고 가정해보자. + + + 도체 내부에는 자유 전자가 많이 존재한다. 전기장이 있으면 자유 전자는 힘을 받아 운동을 시작한다. - - - 이것은 정전 평형 상태라는 가정에 어긋난다. 따라서 전기장은 0 이다. 도체 전자가 한 쪽으로 이동하면 전하가 재분포하게 된다. 전하의 재분포는 도체 내부의 전기장이 0 이 될 때까지 일어난다. 재분포한 전하들도 전기장을 형성한다. 이 전기장은 원래의 전기장에 반대되는 방향이다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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정전 평형 상태(electrostatic equilibrium)에서 도체의 성질 (이것은 전하가 평형 상태를 이루어 알짜 운동이 없는 경우이다.) 2. 고립된 도체에 존재하는 과잉 전하는 도체 표면에만 존재한다. 전기적으로 중성인 도체에 과잉 전하가 들어가게 되면 그 전하들은 서로 반발력을 작용하게 된다. 반발력에 의해 가능한 가장 먼 곳으로 밀려나게 되므로, 과잉 전하는 표면에 존재하게 된다. 도체 Copyright Prof. Byeong June MIN

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정전 평형 상태(electrostatic equilibrium)에서 도체의 성질 (이것은 전하가 평형 상태를 이루어 알짜 운동이 없는 경우이다.) 3. 대전된 도체의 바깥쪽의 전기장은 도체 표면에 수직이다. 만일 도체 바깥쪽의 전기장이 수직이 아니라고 가정해보자. 이 곳에 있는 전하가 받는 힘은 도체 표면에 평행한 성분을 갖게 된다. 이는 즉 표면을 따라 전하가 이동하는 상황이 되어 정전 평형 상태라는 가정에 위배된다. 도체 따라서 도체 바깥쪽의 전기장은 표면에 수직이어야 한다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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정전 평형 상태(electrostatic equilibrium)에서 도체의 성질 (이것은 전하가 평형 상태를 이루어 알짜 운동이 없는 경우이다.) 4. 도체에 대전된 전하는 가장 뾰족한 점에 모인다. 뭉툭한 곳에서 전하들은 표면에 거의 평행한 방향으로 힘을 받으므로 재분포되기 쉽다. 뾰족한 곳에서 전하들은 표면에서 멀어지는 방향으로 힘을 받으므로 재분포되기가 어렵다. 뾰족한 곳에서는 전하가 표면을 탈출하기가 쉬워진다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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밀리칸의 기름방울 실험 The Millikan Oil-Drop Experiment 전자의 전하량 e 측정 1908 University of Chicago J. J. Thomson Copyright Prof. Byeong June MIN

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전자 electron Crookes tube (cold cathode tube) J. J. Thomson 1897 전자의 존재 가능성 제시 Copyright Prof. Byeong June MIN

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전자 electron 음극선(파란색 부분)이 전기장(노란색 부분)에 의해 방향을 바꾸는 것을 보임. 음극선은 전자로 이루어져 있음. J. J. Thomson 전자의 질량-전하 비를 측정하고, 그것이 수소 이온(H+) 의 질량-전하 비보다 1000 배 이상 작은 것을 보임. 1897 전자의 존재 가능성 제시 Copyright Prof. Byeong June MIN

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밀리칸의 기름방울 실험 The Millikan Oil-Drop Experiment 전자의 전하량 e 측정 1908 University of Chicago 1897 전자의 e/m 측정 J. J. Thomson Copyright Prof. Byeong June MIN

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밀리칸의 기름방울 실험 The Millikan Oil-Drop Experiment 기름 방울의 전하량에 따라 받는 힘이 다르므로, 기름 방울의 운동을 분석하여 전하량을 측정 +2e +e 전기장 E -3e -e -2e Copyright Prof. Byeong June MIN

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R. P. Feynman’s commencement address at Caltech, 1974 We have learned a lot from experience about how to handle some of the ways we fool ourselves. One example: Millikan measured the charge on an electron by an experiment with falling oil drops, and got an answer which we now know not to be quite right. It's a little bit off because he had the incorrect value for the viscosity of air. It's interesting to look at the history of measurements of the charge of an electron, after Millikan. If you plot them as a function of time, you find that one is a little bit bigger than Millikan's, and the next one's a little bit bigger than that, and the next one's a little bit bigger than that, until finally they settle down to a number which is higher. Why didn't they discover the new number was higher right away? It's a thing that scientists are ashamed of - this history - because it's apparent that people did things like this: When they got a number that was too high above Millikan's, they thought something must be wrong - and they would look for and find a reason why something might be wrong. When they got a number close to Millikan's value they didn't look so hard. And so they eliminated the numbers that were too far off, and did other things like that... 2008년 시점 e = (40) X C within 1%, but larger than 5% Millikan’s standard error Millikan e = (17) X C Copyright Prof. Byeong June MIN

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밴 더 그래프 발전기 Van de Graaff Generator Copyright Prof. Byeong June MIN

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밴 더 그래프 발전기 Van de Graaff Generator Copyright Prof. Byeong June MIN