전기와 자기의 기초

고등학생 분들 중 물리를 선택하신 분들이라면 물리 2에서 전기와 자기 단원을 만날 것입니다.

물리 2 전기와 자기를 공부하기 앞서 기초가 될만한 것을 정리하고자 합니다.

도움이 되셨으면 하는 바람입니다.

 

 

전자기학에 쓰이는 단위가 궁금하신 분들 께서는https://pilgigo.tistory.com/entry/%EC%A0%84%EC%9E%90%EA%B8%B0%ED%95%99%EC%97%90-%EC%93%B0%EC%9D%B4%EB%8A%94-%EB%8B%A8%EC%9C%84

전자기학에 쓰이는 단위

여기를 참고해 주세요.^^

 

 

 

 

그럼 시작하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

전하량 Q를 알아보자. 

 

 

 

 

모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 원자 속은 핵과 전자로 이루어져 있다. 핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다.

양성자와 중성자 그리고 전자는 아주 작은 입자이다.

 

보통 원자 속 전자와 양성자의 갯수는 서로 웬만하면 같다.

하지만 물리적인 어떤 영향에 의해 전자를 더 얻는 경우도 있고 잃는 경우도 있다.

A라는 물체가 있고 B라는 물체가 있다고 하자.

A물체는 전자를 얻어서 (전자의 갯수>양성자의 갯수)인 상태가 되었다.

반면 B물체는 전자를 잃어서 (전자의 갯수<양성자의 갯수)인 상태가 되었다.

이제 A와 B를 가까이해보자.

그랬더니 이 둘은 서로 끌어당기는 힘이 발생했다.

이 힘은 무슨 힘일까?

중력일까?

중력은 물체가 질량을 가졌기에 생긴 힘이다.

하지만 A와 B의 질량은 중력을 일으키기에는 너무 작은 질량이다.

그리고 두 물체 속 전자와 양성자의 갯수 비율을 조절하니, 힘의 크기가 눈에 띄게 변화하였다. 

따라서 중력과는 관련이 없어 보인다.

즉. 우리가 모르는 힘이다.

뭔지는 모르겠지만, 우리는 이 힘을 '전기력'이라 부르도록 하자.

뭔지는 모르겠지만, 전기력을 발생시키는 어떤 물리적 상호작용을 '전기적 상호작용'이라고 부르자.

전기적 상호작용을 하려는 정도의 양을 벡터 다발로 표현할 수 있는데, 이 벡터를 '전속'이라고 하자.

이 벡터 다발의 갯수를 '전속 수'라고 하자.

그리고 단위 면적당 차지하는 전속수를 전속 밀도라 하자.

어떤 물체로부터 외부로 방출한 총 전속수를, 그 물체의 '전하량'이라고 부르자.

(전속 수로 전하량을 정의했으니, 전하량과 전속수는 같은 물리량이다. 즉 단위도 같다.)

이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

전속 밀도란? 말 그대로 단위 면적당 뚫고 간 전속수이다.

위 수식은 이해가 어려울 것이므로 무시해도 좋다.

 

전하량과 전속수는 단위가 같다. 그 단위를 C라 쓰고 '쿨롱'이라 읽자.

어떤 물체의 전하량란?

그 물체가 방출한 총 전속수이다.

 

전속 수란?

전기적 상호작용을 하려는 정도의 양이다.

 

그러므로

어떤 물체가 전기적 상호작용으로 전기력을 받았다고 했을 때,

그 물체가 전하량이 큰 물체일수록 

또 전속 밀도가 높은 공간에 있을수록

강한 전기적 상호작용을 한다.

 

 

따라서 전기력은

전하량과 정비례하고

전속 밀도 또한 정비례한다.

전계를 다음과 같이 정의하자.

 그리고 전계와 전속 밀도 사이에 비례 상수를 다음과 같이 정의하자. 

 

이 비례 상수를 유전율이라 부르자.

.

.

.

이렇게 비례 상수인 줄만 알았다.

필자가 이 내용을 공부할 당시, 유전율은 그저 비례 상수인 줄만 알았다.

 

전기적 상호작용을 하는 두 물체 사이에 공간이

텅 비어있을 때와

무언가로 채워져 있을 때 

유전율 값이 다르다.

무언가로 채워져 있다면, 무엇으로 채워졌냐에 따라서도 유전율 값이 다르다.

(즉. 전기적 상호작용을 도와주기도 방해하기도 한다는 것이다.)

 

 

다음으로 전류에 대해 알아보자.

전류는 단위 시간당 흘러간(도선 단면을 지나간) 전하량을 뜻한다. 

한 가지 예시를 들자면 톨게이트를 생각하면 된다. 

단위 시간당 지나간 자동차 수라고 생각하면 이해가 빠를 것이다. 

따라서 전류의 단위는 A라 쓰고 '암페어' 라 읽는다. A=C/s (1 암페어=1쿨롱 나누기 1초)

 

 

 

 

 

도선을 따라 지나가는 전하가,

짧은 시간 동안 많이 흐르면 전류값이 크고

긴 시간 동안 조금 흐르면 전류값이 작다.

 

즉. (시간-흘러간 전하량) 함수의 시간 미분은 

(시간-전류) 함수와 같다.

 

 

보통 전기를 처음 배울 때 학교에서 옴의 법칙 V=IR부터 가르치기 때문에

전류의 의미를 I=V/R라고 설명하는 학생들이 많다.

틀린 말은 아니긴 하나 본질적인 정의는 아니다. 

 

 

이다음으로 설명할 것은 저항에 관한 것이다. 

 

저항은 도선의 길이에 비례하고 단면적(수직으로 자른 단면적)의 넓이에 반 비례한다. 그리고 그 비례 상수를 고유 저항이라 부른다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

이상 여기까지 고등 물리에 없는 전기의 기초적인 내용이었습니다.

사실 이것보다 정말 많은 내용이 있으나 전기에 처음 배우는 분들을 위해 여기까지만 다루겠습니다.