물질 속의 전기장과 전위

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안녕하세요.
다른 포스팅에서 말씀드렸듯이 전자기학 전자책을 크몽에서 판매 중입니다.
블로그 주제를 조금 더 다양하게 넓혀보고자, 해당 전자책을 활용해서 전자기학 관련 포스팅을 하고자 합니다.
본 포스팅에서 사용되는 이미지는 모두 전자책 내용에서 발췌하였습니다.
전자책 구입은 아래 링크에서 가능하오니 많은 관심 부탁드립니다!
https://kmong.com/self-marketing/491492/ObFbhG4KJw

7,9급 공무원, 공기업, 학점관리용 전자기학 필기노트 - 크몽

 

전자책 내용은 필기노트 형식으로 작성되어서 요약 정리된 내용 위주이며, 본 블로그 포스팅과 함께 보시면 더욱 도움이 될 것이라 생각합니다.

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모든 물질은 관점에 따라서 분류를 다르게 합니다.

기계적으로는 고체, 액체, 기체 등으로 구분할 수 있으며, 화학적으로는 혼합물과 순물질 등으로 구분할 수 있을 것입니다.

전자기학에서는 물질을 전기적인 관점과 자기적인 관점에서 구분합니다.

 

이번 포스팅에서는 전기적인 관점에서 물질을 구분하고, 그 중 하나인 도체의 특성에 대해 정리해보겠습니다.

전기적으로 물질은 크게 도체와 유전체(부도체)로 나눌 수 있습니다.

전기적으로 물질을 구분한다는 의미는 "전자의 입장에서 해당 물질을 어떻게 느끼느냐"입니다.

다시 말하면, 해당 물질이 전자에 미치는 영향을 고려한다고 볼 수 있겠습니다.

 

도체는 전자가 자유롭게 이동할 수 있어 전류가 흐를 수 있는 물질이며, 유전체는 전자가 자유롭게 이동하지 못해 전류가 흐르지 않는 물질입니다. 이 두 물질은 전기장을 어떻게 변화시키는지에 따라 각각 다른 역할을 합니다.

아래 그림은 제가 크몽에서 판매 중인 필기노트에서 발췌한 것입니다.

그림 1. 물질의 분류.

도체와 유전체의 역할

• 도체: 전하를 쉽게 전달할 수 있어 전류가 흐를 수 있으며, 내부 전기장을 없애는 성질이 있습니다.
• 유전체: 전자가 이동하지 못하지만, 외부 전기장에 의해 내부의 전하들이 살짝 이동하면서 전기장이 형성됩니다. 이 현상을 분극이라고 합니다. 여기서 분극은 지난 포스팅에서 설명드린 쌍극자입니다.

도체 내부의 전기장과 전위

1) 도체 내부의 전기장은 0이다.
도체 안에서는 전하들이 자유롭게 움직일 수 있기 때문에, 외부에서 전기장이 가해지면 내부 전하들이 빠르게 재배열됩니다. 이 과정에서 내부 전기장이 상쇄되어 결국 0이 됩니다.

2) 도체 내부의 전위는 모두 같다.
전기장이 존재하지 않으므로, 도체 내부의 모든 지점에서 전위가 일정하게 유지됩니다. 만약 전위 차이가 있다면, 내부의 자유전하가 이동하여 전위를 일정하게 만듭니다.

 

3) 전하는 도체의 표면에만 존재한다.
도체 내부에는 자유전하가 없고, 모든 전하는 도체의 표면으로 이동합니다. 내부에서 전기장이 0이기 때문에 전하는 표면에 모이게 됩니다.

4) 도체 표면에서의 전기장은 수직이다.
도체 표면에 존재하는 전하들은 가능한 한 균형을 이루려 하므로, 전기장은 표면에 대해 수직으로 존재하게 됩니다.

5) 도체 표면의 전위는 일정하다.
도체의 표면 전체가 같은 전위를 가집니다. 만약 전위 차이가 있다면, 전하가 이동하여 전위를 같게 만들기 때문입니다.

도체 전기장과 전위 요약

도체의 응용 예시

1. 정전기 차폐: 도체 내부의 전기장이 0이 되는 성질을 이용하여, 금속 상자로 전자기파를 차단할 수 있습니다. 이는 파라데이 케이지라고 불립니다.
2. 전기 회로: 전자기 신호를 원활하게 전달하기 위해 도체가 사용됩니다.
3. 축전기: 도체와 유전체를 함께 사용하여 전기를 저장하는 장치를 만들 수 있습니다.

이러한 도체의 특성은 다양한 전기·전자 기술에서 중요한 역할을 하며, 전자기파 차폐, 반도체 공정, 전력 전송 등의 분야에서 널리 활용됩니다.

 

다음 글에서는 유전체에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

감사합니다.