PLVS RATIO QVAM VIS “탐구하는 자 만이 이해할 수 있다”

PLVS RATIO QVAM VIS

“탐구하는 자 만이 이해할 수 있다”

물리학및실험2

담당교수: 김광주 (과학관 433)

02-450-3085 HP: 010-4507-3085 office hours (목 14:00 ~ 17:00)

3학점(강의 2, 실험 1)

Grading policy: Midterm exam 30%

Final exam 30%

Lab 30%

Homework 5%

Attendance 5%

Textbook: 대학물리학 (Jewett & Serway, 4th ed.) Serway’s Principles of Physics

Ch. 19. 전기력과 전기장

Van De Graaf generator: charge collector

* 전하(charge)의 발견

Saint Elmo’s fire

(1) 전기, 자기 관련 역사

* 중국

– BC 2000년 경 자기현상 관측에 관한 기록

* 그리스

– BC 700년 경 전기, 자기 현상 기록

– amber(호박; elektron) 및 magnetite(자철석; Fe₃O₄)에 관한 기록

Magnesia (~700 B.C.), Greece

- 1600 년

– William Gilbert 대전 현상이 호박 이외의 물질에서도 존재함을 발견

- 1785 년

– Charles Coulomb 전기력이 전하간의 거리 제곱에 반비례함을 보임

Charles Coulomb (France)

• 1736 – 1806

• 정전기 및 자기 분야 발전에 기여

- 1820 년

– Hans Oersted 전류가 흐르는 도선 주위에서 나침반 바늘이 움직이는 현상을 발견

- 1831 년

– Michael Faraday와 Joseph Henry는

자석주위에서 폐회로에 전류가 유도되는 현상 발견

- 1873년

– James Clerk Maxwell 전기 현상과 자기 현상을 통합한 방정식(맥스웰 방정식) 제안

- 1888년

– Heinrich Hertz 맥스웰 방정식 증명

(2) 전하의 성질 (i) 두 종류의 전하

• 음(-) 전하: 전자(electron)에 존재함

• 양(+) 전하: 양성자(proton)에 존재함

(ii) 같은 종류의 전하들 사이에는 척력

(repulsive force)이 작용하며 다른 종류의

전하들 사이에는 인력(attractive force)이

작용함

• 고무막대: 음전하

• 유리막대: 양전하

• 두 막대는 서로 잡아당김

• 음전하로 대전된 두 막대는 서로 밀친다

(iii) 전하보존의 원리

: 한 고립된 계 내에서의 알짜전하(net charge) 양은 변화하지 않는다.

예: 두 물체의 마찰 시 생겨나는 전하는 새로이 창조되는 것이 아니라 한 물체에서 다른 물체로 이동함에 의하여 나타나는 알짜전하 이다.

• 유리막대를 비단(silk)에 마 찰 시킴

• 전자들이 유리막대에서 비 단으로 이동함

• 이동한 전자들과 같은 양의 양전하들이 유리막대에 존 재함

• 각 물체에 존재하는 전하는 최소 단위 e의 정수배로만 존재함: ±e, ±2e, …

e = 1.60 ´ 10^-19 Coulomb

(3) 절연체(insulator)와 전도체(conductor)

* 절연체

: 절연체 내에서 전하들은 자유롭게 움직일 수 없다

– 예: 유리, 고무, 나무

– 절연체에 전하를 줄 경우 주어진 자리에 머물 게 된다

* 전도체

: 전도체 내에서는 전하들이 자유롭게 움직일 수 있다

– 예: 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등에서는 일부의 전자들이 원자에 속박되지 않고 자유로이 운동한다

– 전도체에 전하를 주게 되면 전하들은 전도체 표면에 균일하게 분포하게 된다

* 반도체(semiconductor)

- 전기전도성(electrical conductivity)이 전도체와 절연체의 중간 정도인 물질들

- 예: 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)

- 물질 내에 불순물 주입을 통하여 전기전도성을 쉽게 변화시킬 수 있음

(3) 유도에 의한 대전 (charging by induction)

• 다른 물질과 접촉함이 없이도 전하를 분리할 수 있는 방법

• 중성 전도체 구

: 같은 수의 양전하, 음전하가 존재함

• 음전하로 대전된 고무막대 를 도체구에 접근시킴

• 도체구 내의 전자들은 고 무막대의 반대편으로 이동 함

• 도체구를 접지(ground) 하게 되면 이동했던 전 자들은 도체구를 떠나 감

• 접지를 없애게 되면 도 체구 내에는 음전하 수 보다 양전하 수가 더 많 아짐: 양전하 유도

• 고무 막대를 제거하게 되 면 도체구 내에 전하들이 재배치 되며 도체구 내에 는 전하 불균형이 존재하 게 된다.

* 절연체(insulator)에서의 전하 정렬

• 절연체를 구성하는 분자들 내에서의

전하들이 재배치 됨

• 이런 현상을 분극

(polarization) 이라고 부름

(4) 쿨롱의 법칙 (Coulomb’s law)

• SI unit : Coulomb (C)

• k_e : Coulomb Constant

– k_e = 8.9875 x 10⁹ N^.m²/C² = 1/(4pe_o) – e_o : permittivity of free space (vacuum)

= 8.8542 x 10^-12 C²/N^.m²

repulsive for same charge

attractive for opposite charge

1 2

e e 2

F k q q

= r

1 2 12 _e

q q

ˆ

k r

F r = r

12 = - 21

Fr Fr

• 전자와 양성자 사이에 작용하는 전기력

F_e = k_eq₁q₂ / r² = 8.2 x 10^-8 N

• 전자와 양성자 사이에 작용하는 만유인력

F_g = Gm_em_p / r² = 3.6 x 10^-47 N

* 중첩의 원리(superposition principle)

• 전하를 가진 한 입자에 작용하 는 힘은 그 주위에 전하를 가진 다른 입자들이 작용하는 힘들의 벡터합 이다.

1 = 21 + 31 + 41

F r F r F r F r

<Ex. 19.1> 합력이 0 인 지점 찾기