물체의 대전

(1) 교과목명 :

물리학도를 위한 물리학(II)

(2)

교 과 목 번 호 : PH16468

(3) 학점 (시간)

3 (3)

(4) 수강대상

자연 과학

및 공학 계열 1학

년

(5)

담당교수 이경수

(6) 교 재

저 자 저 서 명 출 판 사 발행년도 비고

D.Halliday R.Resnick J.Walker

원저

일반물리학 제2권 ^범한서적 _(9판) ²⁰¹¹

교수목표 및 강의 개요

물리학도를 위한 물리학(II)는 물리학도를 위한 물리학(I)의 연속 교과목이며, 자연과학 및 공학 전공 학생들이 전공교과목을 이수하는 데 필요 한 전기 및 자기 현상, 전자기파의 개념과 기초 원리를 이해할 수 있도록 한다. (이 교과목에서 교수하는 내용과 밀접하게 관련된 실험교과인 물 리학도를 위한 물리학 실험(I)과 (II)를 함께 수강할 것을 권한다.) 전기장과 전위, 전류와 간단한 전기회로를 살펴보고, 학기의 중반 이후에 는 자기장, 전자기유도, 변위전류와 Maxwell 방정식, 전자기파동의 개념을 배우게 된다.

교수방법 및 평가방법

 주당 3시간의 강의를 중심으로 과목을 진행하며 평가는 임시시험/퀴즈, 중간시험, 기말시험, 발표, 출석, 과제물 및 수업 중 학습 참여태도 등을 종 합하여 판정한다. *http://www.free.pusan.ac.kr/에 연결해서 ‘Lecture’ 페이지를 참고하기 바랍니다.

 강의에 피동적으로 출석하기만 해서는 아무 것도 얻을 것이 없으니 수업에 적극 참여할 것을 권함. (참고: 친구가 열심히 자신의 체력관리를 한다 해 서 내 체력이 나아지지 않음.)

일반물리학(II) 교수 계획표

참 고 도 서

저 자 저 서 명 출 판 사 발 행 년 도 비 고

1. M.Alonso-E.J. Finn 원저

(부산대학교 물리교재 편찬위원회 번역) 일반물리학 (전정판) 반도출판사 1998

2. R. A. Serway 원저

(부산대학교 물리학 교재편찬위원회 편역) 기초물리학(2판) 청범출판사 2001

* 고대 Greece : 정전기 현상 및 자석 발견

* 1820년, Hans Christian Oersted: 전류와 자기현상의 연관성 발견 * 19세기, Michael Faraday, Joseph Henry : 전기-자기 유도현상 발견 James Clerk Maxwell : 전자기 이론 확립

전자기학 Electromagnetism

N

N

N

물체의 대전

Mass and charge of atomic constituents

Neutron (n)

: Mass m = 1.675 ×10

kg ; Charge q = 0

Proton (p)

: Mass m = 1.673 ×10

kg ; Charge q = +1.602 ×10

C Electron (e)

: Mass m = 9.11 ×10

kg ; Charge q = -1.602 ×10

C

Note 1: We use the symbol “-e” and “+e” for the electron and proton charge, respectively. This is known as the elementary charge (기본전하)

Note 2: Atoms are electrically neutral. The number of electrons is equal to the number of protons :“ Atomic number ” (symbol: Z, 원자번호)

The chemical properties of atoms are determined exclusively by Z

Note 3: The sum of the number of protons and the number of neutrons :

“ Mass number ” (symbol: A, 질량수)

Notation: Z = 92 = number of protons/electrons A = 235 = number of protons + neutrons

The atomic number Z = 92 defines the nucleus as that of a Uranium atom 235

92 U

silk

glass rod

silk

glass rod

- - - -

+ + + +

Net charge before = Net charge after Q _i = Q _f

e

e

e

e

e

정전기

p. 708

도체와 절연체

Conductors, Insulators, Superconductors

정전기적 인력에 대한 예:

• +로 대전된 video monitor 스크린

• 각종 먼지 입자들

• 정전기 유도 분극된 중성 입자들

• 스크린에 근접한 장갑 낀 손가락

 Bacterial Contamination

during Endoscopic Surgery

p. 710

90억

1 12 13 14 1 1 2

...

n

n i

i

F F F F F F

=

= + + + + = ∑

     

The net electric force exerted by a group of charges

is equal to the vector sum of the contribution from each charge.

중첩의 원리)

Principle of Superpositio

Coulomb's law an d the n (

90억

A conductor can be charged using the procedure shown in the fig.a and fig.b. In fig.a a conductor is suspended using an insulating thread. The conductor is initially un

Charging a conductor by induction

charged. We then approach the conductor with a negatively charged rod. The negative charges on the rod are fixed because plastic is an insulator.

These repel the conduction electrons of the conductor which end up at the right end of the rod. The left end of the rod has an electron deficiency and thus becomes positively charged. In fig.b we provide a conducting path to ground (e.g. we can touch the conductor).

As a result the electrons escape to the ground. If we remove the path to the ground and the plastic rod the conductor remains positively ch

induced

arged.

charge

The on the conduc

Note 1 : tor has the

opposite sign of the c harge on the rod.

Connection to ground

- - - Fig.b

Fig.a

(insulator)

(conductor) insulating thread

conducting path to ground

p. 718

답

 q₁

(q

)

그 주위 공간에

(

) E

(E

)을 만들고, q

(q

)

q

(q

)에 의한 이

E

(E

) 과 작용하여

받는다.

 q₁의 운동에 관한 정보는

전자기파

이러한 신호가 q₂에 전달되면 비로소 q₂ 는 q₁ 에 의한 전기력을 느끼게 된다.

답

(22-2)

→

→

1

2

generates electric field E exerts a

E f

orce char ge

F q q

  on



 Maxwell: Electric interactions propagate in empty space with a large but finite speed (c = 3×10 ⁸ m/s).

 Newtonian Physics: Instantaneous (“action at a distance”) 𝐹𝐹 = 1

4𝜋𝜋𝜀𝜀 ₀ 𝑞𝑞 ₁ |𝑞𝑞 ₂ | 𝑟𝑟 ²

 M. Faraday: Field (formed instaneously)

SI Units : N/ C

o

E F

= q

 

p. 730

introduced by M. Faraday

p. 730

전기장선

크기

1. 전기장선

전기장선

전기장선 전기장선

전기장 벡터 = ‘단위 양(+)전하’가 받는 전기력

electric field vecto tang

1. At any point P the r E  is en t to the electric field l ine s

P

E  P

electric field line

electric field lines

P

Q E 

E 

2. The magnitude of the is proportional to t density o

e f

lectric field vecto the electric field

he l

r E ines



전기장선의 주요 성질

P Q

E > E

전기장선

양(+)의 점 전하 주위의 전기장

p. 732

전기장 벡터 = ‘단위 양전하’가 받는 전기력

p. 734

1. 전기쌍극자 electric dipoles

-

-

q

q

( 1)

(1 ) 1 for | | 1

1! 2!

n

n n n

x x  x x

     

2. 전기쌍극자가 만드는 전기장

쌍극자 중심

P

dq

r

dV ˆr

c

E le ctri c field generate d by a o nt inuo us charg e distri bution

2

2

a distance

1 at P

from 4

1 ˆ

4

o

o

dq dV

dE dq d

dVr r r q

E

r 1.

2.

3.

ρ πε

ρ πε

=

=

= ∫



dq = ρ dV

dE 

Disk of Charge

) 2

(

r dr dA

dq

π σ

σ

=

=

(pp.420) Line of Charge

r z dE E

ds dq

=

=

=

∫

θ

θ λ

cos

cos

2 2 2

0

2 2 / 2

2

3 0

1

4 ( )

1

4 ( )

cos

ds

dE z R

qz R

z

z R

E z

λ θ π

ε πε

= +

+

+

⇒ =

0

(1 )

2 E z

z R σ

= ε −

+

(pp.737)

2 2 3/ 2 0

1

4 ( )

2 r dE z

z r σ π dr

= πε

+

숙제

(pp.743)

기본전하 측정

) 2,

1, 0, (n

, = 

= ne q

Millikan 의 기름 방울 실험

C 10

6 . 1

× ^{− 19}

≅ e

(-)로 대전된 기름방울

(p.744)

e g

ma F F

ma qE mg

 

  

 



q <0

 보기문제

-q

+q/2 +q/2

물 분자의 경우

전기쌍극자의 예

전기쌍극자의 퍼텐셜에너지

Clocks are negative!

F 

전기장 속에 놓인 전기쌍극자

p. 746

𝑑𝑑𝑑𝑑(= −𝑑𝑑𝑑𝑑) = −𝐹𝐹⃗ ⋅ 𝑑𝑑𝑟𝑟⃗ : 병진운동

→ 𝑑𝑑𝑑𝑑(= −𝑑𝑑𝑑𝑑) = −𝜏𝜏⃗ ⋅ 𝑑𝑑𝜃𝜃⃗ : 회전운동

𝑑𝑑 = −∆𝑼𝑼 = − 𝑼𝑼

− 𝑼𝑼𝑼𝑼 = 𝑝𝑝𝑝𝑝 cos𝜃𝜃

− cos𝜃𝜃

[전기장이 한 일]

Chapter 23

 Gauss’s Law

Gauss’ law relates the electric fields at points on a (closed) Gaussian surface to the net charge enclosed by that surface.

inside

q

outside

E 

inside

q

outside

E 

inside

q E 

2. 플럭스 (flux, 다발) 

질문

넓이가 A 인 면을 1초 사이에 지나가는 공기의 양 ?” 

p. 762

Gauss’ Law

Non-uniform field

1 1 2 2

3 3 4 4

Surface S : , Surface S :

Surface S : 0 , Surface S : 0

o o

o o

q q

q q Example :

ε ε

ε ε

Φ = + Φ = −

Φ = Φ = − + =

(전기장에 대한) Gauss 법칙

1 2 3 4

We refer to ,

, , as "

"

Note :

p. 769

0

0

EA A E

ε σ

σ ε

=

=

고립된 도체

e E  v 

F 

p. 770

대전된 고립 도체



• 서로 밀어내는 척력

도체

도체

예제

p. 772

p. 773

S₁ ¹

n ˆ

ˆ

n

S₂

S₃

ˆ

n

2 _o

E r

λ

= πε

p. 775 a thin, infinite, nonconducting sheet

with a uniform (positive) surface charge density

σ

대전된 두 개의 평행한 도체판

1 0

E 

 

1 0

E 

 

𝛷𝛷 = 𝑝𝑝 _𝑖𝑖 𝐴𝐴 = 𝑞𝑞 _{𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒}

𝜀𝜀 _𝑜𝑜 = 2𝜎𝜎 ₁ 𝐴𝐴

𝜀𝜀 _𝑜𝑜 → _{𝑝𝑝 𝑖𝑖 =} ^{2𝜎𝜎 1} 𝜀𝜀 _𝑜𝑜 𝛷𝛷(= �𝑝𝑝 ⋅ 𝑑𝑑𝐴𝐴⃗ = 𝑝𝑝 _𝑜𝑜 𝐴𝐴′) = 𝑞𝑞 _{𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒}

𝜀𝜀 _{𝑜𝑜 =} ^{(2𝜎𝜎 1 − 2𝜎𝜎 1 )𝐴𝐴′}

𝜀𝜀 _𝑜𝑜 = 0 → _{𝑝𝑝 𝑜𝑜 = 0}

𝑝𝑝

속이 빈 구대칭 전하분포 :

ˆ

n

ˆ

n

p. 778

Spherically Symmetric Distribution of Charges

3

' r 3

q q

 R

𝜀𝜀 ₀ �𝑝𝑝 ⋅ 𝑑𝑑𝐴𝐴⃗ = 𝑞𝑞′

⇓

_{𝑝𝑝 𝑜𝑜𝑢𝑢𝑢𝑢 =} ^𝑞𝑞

4𝜋𝜋𝜀𝜀 _𝑜𝑜 𝑟𝑟 ²

𝑝𝑝

= 1 4𝜋𝜋𝜀𝜀 ₀

𝑞𝑞′

𝑟𝑟 ² 𝑝𝑝

= 𝑞𝑞

4𝜋𝜋𝜀𝜀 ₀ 𝑟𝑟 𝑅𝑅 ³

r > R

r < R

'

q  q

4

q πε R

E

𝑝𝑝

= 𝑞𝑞 4𝜋𝜋𝜀𝜀 ₀

𝑟𝑟

𝑅𝑅 ³ 𝑝𝑝 _{𝑜𝑜𝑢𝑢𝑢𝑢} = 𝑞𝑞

4𝜋𝜋𝜀𝜀 _𝑜𝑜 𝑟𝑟 ²

연습문제 44 p.786