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효정 곽
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전자기학 전자기학 (lctomagntsm) : 전기 자기와관련된물리적현상을연구 자연계에존재하는 4가지힘 (oc). 중력 (Gavtatonal oc) 두질량 (mass) 체사이의힘.

약력 (Wak oc) 쿼크와경입자사이에작용하는힘 중력 만유인력의법칙 m m G 전자기력 - 쿨롱의법칙 k 뉴턴역학. 관성의법칙 v. 운동의법칙 m a 3.

전기장 ( lctc fld ) 전하의발견 5 년전 Gc 의 Thals 는호박과털가죽의마찰전기관찰전기 (lctcty) 는호박의그리스어인 lkton 에서나왔음.

1 전자기학 전자기학 (lctomagntsm) : 전기 자기와관련된물리적현상을연구 자연계에존재하는 4가지힘 (oc). 중력 (Gavtatonal oc) 두질량 (mass) 체사이의힘. 전자기력 (lctomagntc oc) 두전하 (h (chag) 사이의힘 3. 강력 (Stong oc) 쿼크사이에작용하는힘 4. 약력 (Wak oc) 쿼크와경입자사이에작용하는힘 중력 만유인력의법칙 m m G 전자기력 - 쿨롱의법칙 k 뉴턴역학. 관성의법칙 v. 운동의법칙 m a 3. 작용반작용의법칙 역학법칙과유사한전자기학법칙이존재할까? 전하. 전기장 ( lctc fld ) 전하의발견 5 년전 Gc 의 Thals 는호박과털가죽의마찰전기관찰전기 (lctcty) 는호박의그리스어인 lkton 에서나왔음. 전하의종류 - 벤자민플랭클린 (76-79) 두종류의전하가있음을발견하고두개의전하사이에는인력 / 척력이존재 - 양 (postv) 전하와음 (ngatv) 전하 일반적으로물질은중성상태이지만어떤과정을거치면전기를띌수있다. 전기를띄다 전기적으로대전되다 : lctcally chagd 상대적대전성 : (-) 에보나이트 - 셀룰로이드 - 고무 - 솜 - 나무 - 명주 - 유리 - 모피 () 4

5 절연체와도체 물질의내부구조 : 원자핵 : 양성자와중성자 - 양전하전자 - 음전하 원자 원자핵 전자 중성상태 원자핵 전자 양성자 (poton) 중성자 (nuton) 전자 (lcton)

2 전하의특성요약 두종류의전하가있음 : 양 (postv) 전하와음 (ngatv) 전하 전하의발견, 인력 / 척력발견 - 플랭클린 (76-79) 양자화 (uantzd) 99 년밀리컨, 기름방울실험 - 전자전하량의정수배임을알게됨 n :n ±, ±, ± 3,. 6 9 전하량의보존 - 전하의전체합은보존 - 대전시키는과정에서 와 로동등하게분리따라서, 두대전체의전하의합은 이다. 5 절연체와도체 물질의내부구조 : 원자핵 : 양성자와중성자 - 양전하전자 - 음전하 원자 원자핵 전자 중성상태 원자핵 전자 양성자 (poton) 중성자 (nuton) 전자 (lcton) 질량 (mass) m p.67-7 kg m n.67-7 kg m kg 전하 (chag) 이온화 (onzaton) : 원자가전자를얻거나잃어서 / 전하를띄게되는현상 6

3 전하를이동시킬수있는능력따른물질의분류 - 도체 (conducto) : 전자가핵에구속되지않고자유롭게움직일수있는물질 x), u, u, g, - 부도체 ( 절연체 : nsulato) : 모든전자가핵에구속되어움직일수없는물질 x) Rubb, amc, otton, - 반도체 (smconducto) : 부도체의성질에가까우나불순물을첨가하면도체로바뀜 x) S, G, GaS - 초전도체 (supconducto) : 도체의성질을띄고임계온도이하에서저항이 가됨 x) Nb, Tc Pb at 4. K 7 - 검전기 : 전하의유도 (nducton) 비접촉적현상 도체 (onducto) 부도체 (nsulato) 접지 (Goundd) 전하는도체의표면에균일하게분포한다. 부도체에서분극 (polazaton) 에의한전하의유도. * 접지 (Goundd) : 지구와접한다. 지구는하나의거대한전하수용체로서중성임. 8

4 . 쿨롱의법칙 전기력 (lctc oc) : 전하를갖는두입자사이 쿨롱 (oulomb) 의법칙 (784 년 ) - 힘은두전하사이의거리제곱에반비례하고이들을연결하는선방향 - 힘은두전하 (,) 의곱, 곱의부호에따라인력 / 척력가능 - 힘은보존력이다 ( 힘에의한일은경로에무관 ) k k 쿨롱상수 k N m / 자유공간의유전율 (Pmttvty) 4π N m 고정대 철사줄 전하 는 /- 부호 : 인력 / 척력가능 중력 : 질량을갖는두입자사이 - 만유인력의법칙 m m G G G N m /kg (-) 부호 : 항상인력을의미 9 쿨롱의법칙에따른전기력의방향 : 벡터표현 k 벡터방향은두전하를연결하는직선에평행 ˆ ˆ ˆ 뉴턴의 3 법칙 k ˆ k ˆ 여러개의전하에의한전기력의합 벡터합 3 4

5 예 -) 전기력과중력의비교 예 ) 수소원자 p - 원자반경 : a.53 - m.6-9 m p.67-7 kg, m kg 쿨롱상수 k N m / 중력상수 G N m /kg 전기력 9 9 N m (. 6 ) 8 k N 5. 3 m ( ) 중력 3 7 mm N m 9. kg. 67 kg 47 G G N kg 5. 3 m ( ) G 39 전기력이중력보다훨씬크다. 따라서, 어떤입자가전하를띄면중력은무시될수있다. 3-. 전기장 ( lctc fld ) 전기장 (lctc ld) 정의 : 시험전하에작용하는단위전하당전기력 [ N/ ] : SI 점전하 ( pont chag) 에대해 시험전하 에작용하는전기력 전기장 k ˆ k 점전하 는 가없더라도공간상에전기장을형성하고있다가 가놓이는순간전기력을제공. 전기력은원거리작용력. GM 참고 ) 중력장 m g g ˆ m ˆ 여러개의점전하에대해 : 벡터합 k ˆ

에작용하는전기력 전기장 ˆ ˆ k k ˆ ˆ k k y snθ sn( θ

6 참고 ) 전형적인전기장의세기 예 ) 두전하에의한전기장의크기 전기장의근원 전기장 ( N/ ) 형광등 대기 ( 맑은날 ) 머리에문지른풍선 3 대기 ( 번개구름아래에 ) 4 복사기 5 공기중에서스파크 ( 방전 ) 3 6 수소원자에서전자부근 5? 7 µ 5µ 3 예 -3) 전기쌍극자에의한전기장 x y? d 전기쌍극자 P d a ; 전하량이같은 와 - 전하쌍 P 에있는시험전하 에작용하는전기력 전기장 ˆ ˆ k k ˆ ˆ k k y snθ sn( θ ) x cosθ cosθ cosθ k cosθ a a k k ( ) y a y a ( y a ) 3 a If y >> a, k 3 3 y y 4

7 3-. 전기력선 전기력선 : 전기장의형태를시각적으로보임 (Vsualzaton). 양전하에서나와서음전하로들어감. 전기력선수는전하량에비례 3. 두개의전기력선은서로가로지르지지못함 4. 전기장 () 는전기력선의접선 (tangnt) 방향 5. 전기장의세기는단위면적당전기력선의수 5 4. 전기장내의하전입자의거동 질량 m 인하전입자 가받는힘 ( 정전기력 ): 운동방정식 dv ma m dt a a y at m V 속도로전기장을통과하는동안수직속도와수직편향거리 l t v y v at l m v l m v 오실로스코프, 브라운관, 모니터등 RT (athod Ray Tub) 6

8 예 -8) 균일한전기장에서양전하의가속 역학에너지변화 균일한전기장 () 에서전하 () 가 x거리움직이며가속됨 ma a m 등가속도운동에관한방정식 : 초기조건 v, x x x v v v v vt at at ( x ) a x m K mv x x V V x m W x x at t m v t m v x m 전위차 포텐셜 ( 위치 ) 에너지 U V 전기쌍극자 와 인두전하가거리 a 만큼떨어져전하쌍을이루는것 전기쌍극자모멘트 P P a 전하가전기장 에의해받는힘, a 와 에작용하는힘은서로짝힘을이루고 - 쌍극자모멘트 P를회전시킨다. 회전력 ( 토크 ) τ 는 a a τ τ P ( ) a a a 8

9 -5. 가우스법칙 ( Gauss s s law ) 5-. 전기력선속 d nd ˆ nˆ : 단위법선벡터 n n 면적에대한전기력선속 (lctc lux) 수직표면을관통하는전기력선의수 cosθ : 전기력선에수직한단면적 작은표면적 a 를통과하는전기선속, 전기선속에대한일반적정의 lm Sufac d 9 예- ) 전기장으로부터전기력선속구하기 전기력선속 : 닫힌표면을지나는전기력선의총합 () 내부에전하가없을때 총합 d nt 일정한전기장 에대해 ( ) ( ) () 내부에전하가있을때 점전하에의한전기장 k d k d S S S 4π 4 k S π k 4 π

10 예-3 ) 전기장으로부터전기력선속구하기 전기력선속 : 닫힌표면을지나는전기력선의총합 d nt n n n 점전하에의한전기장 nt k k π k π k π 가우스법칙 닫힌표면을지나는알짜전기선속은그표면내부의총전하를 로나눈값과같다. d nc 자유공간의유전율 8 Nm.854 / 닫힌표면은가상의것으로그면은반드시시물체의내부에있을필요가가없으며아무데나 놓일수있다. 이런닫힌표면을가우스면 (Gauss sufac) 라함. [ Nm / ] 가우스법칙의미분표현 ρ dv ρ dv

11 5-3. 가우스법칙의응용 전기장을구하는방법 예) 점전하에의한전기장 거리 떨어진곳에가상의구껍질을생각하고 가우스법칙을적용하면 d 4π 4 π 4 π ˆ * 일반물리에서는전하분포가대칭적인간단한경우만다룬다. * 핵심포인트 : 전하분포에대해 대칭성 을갖는가우스면을잡는게핵심. 3 예) 원통전하 : 원통밖의전기장 π l π d λ l λ nc k λ 원통안의전기장 L π L ρ ( a ) ρπ L 4

12 예3) 대전된구 : 전하가구의내부에균일하게분포 (a) >a >a, 전하밀도는 4 π 4 3 d πa 3 ρ nc k 4 π (b) <a 4 π ρ dv d ρ 3 3 a k π a a 3 nc 4π 3 5 예4) 판모양전하분포에의한전기장 σ d σ nc 일정한전기장 예 5) 평행축전기에서전기장가우스법칙 σ -σ d σ σ (I) (II) σ ( xˆ σ (I) (II) (III) ) xˆ σ d xˆ σ σ xˆ xˆ nc σ (III) σ xˆ σ ( xˆ ) 6

13 5-4. 도체면근방 전하는도체내에서자유롭게움직임. 전하는도체의표면에만존재. 도체내부에서전기장. 전하는도체내에서자유롭게움직임. 예 ) 균일한전기장내에있는도체판 σ d σ σ 예 ) 전하 가도체구에균일하게분포할때 o < R, d Gauss Sufac R 전하는도체표면에만존재 o > R, d 4 π 4 π 7

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<4D F736F F F696E74202D FC0FCB1E2B7C2B0FA20C0FCB1E2C0E528BCF6BEF7BFEB29205BC8A3C8AF20B8F0B5E55D> 제 19 장전기력과전기장 1 제 19 장전기력과전기장 19. 1 역사적고찰 19. 전하의성질 19. 3 절연체와도체 19. 4 쿨롱의법칙 19. 5 전기장 19. 6 전기력선 19. 7 균일한전기장내에서대전입자의운동 19. 8 전기선속 19. 9 가우스의법칙 19.1 다양한형태의전하분포에대한가우스법칙의적용 19.11 정전기적평형상태의도체 19.1 연결주제 :