전하와 전기장

학습 목표

• 전하 주위에 발생하는 전기장을 전기력선으로 나타낼 수 있다.
• 전하가 받는 힘을 이용하여 전기장의 세기를 구할 수 있다.
• 정전기 유도 현상을 이해하고, 실제 사례를 들 수 있다.
• 유전 분극 현상을 이해하고, 실제 적용되는 예를 찾아 설명할 수 있다.

물리학 I 과 물리학 II의 연결고리

전기력을 설명하는 '쿨롱 법칙'은 뉴턴의 '만유인력 법칙'에서 기인했다. 그런 의미에서 중력과 전기력은 유사하다. 질량을 가진 물체가 중력장을 왜곡해서 나타나는 현상이 중력이라면, 전기력도 전하란 입자가 전기장을 왜곡해서 나타나는 현상이라는 논리가 가능하다. 따라서 물리학 2에서는 전기적 현상이란 전하가 전기장을 왜곡하기 때문에 나타난다는 관점을 취한다.

1. 전기장, 전기력이 미치는 공간

①쿨롱 법칙

질량을 가진 두 물체 사이에는 중력이 작용하듯이 전하(電荷, 전기적인 질량) 사이에는 전기력이 작용한다. 이때 서로 떨어져 있는 전하들 사이에 작용하는 전기력의 크기와 방향은 다음과 같다.

②전기장과 전기력선

질량과 상호 작용하며 왜곡된 시공간을 중력장이라고 했듯이, 전하가 야기한 왜곡된 시공간을 '전기장'이라고 한다. 이처럼 공간에 한 전하를 놓으면 그 전하 주위에는 전기력을 미칠 수 있는 공간이 형성된다. 

패러데이는 전기장을 나타내기 위해 전기력선을 사용하였다. 전기력선은 화살표를 이용하여 (+) 전하에서는 나오는 것으로 그리고, (-) 전하에서는 들어가는 것으로 그린다. 전기력선은 중간에 끊어지거나 나누어지지 않고 교차하지 않는다. 전기력선이 빽빽한 곳일수록 전기장의 세기가 강하며, 한 지점에서의 전기장의 방향은 그 지점에서의 전기력선의 접선 방향과 같다. 이쯤 되면 자기력선의 성질이 오버랩될 만도 하다.

 

③전기장(E)의 세기

공간의 한 점에서의 전기장의 세기는 그 점에 +1 C의 전하를 놓았을 때 이 전하가 받는 전기력으로 정의한다. 그러므로 전기장 내의 한 점에 놓여 있는 q의 전하가 받는 힘이 F라면 그곳에서의 전기장의 세기 E는 다음과 같다.

이때 전기장의 세기 단위는 N/C 이다.

 

④점 전하 주위의 전기장 세기

점전하 +Q로부터 거리 r만큼 떨어진 곳에 전하 +q가 있을 때 두 전하 사이에 작용하는 전기력의 크기 F는 다음과 같다. 

+Q에 의한 전기장의 세기 E는 다음과 같다.

⑤전기장 속에서 전하가 받는 힘의 방향

전하가 받는 힘의 방향은 전하가 어떤 종류인가에 따라 달라진다. 양(+) 전하가 받는 힘의 방향은 전기장의 방향과 같고, 음(-) 전하가 받는 힘의 방향은 전기장의 방향과 반대 방향이다.

2. 도체에서의 정전기 유도

대전체(전기를 띠는 물체)를 도체 가까이 가져가면 도체 내 자유 전자가 자유롭게 이동하게 되면서 전하의 재분포가 이뤄진다. 이때 대전체와 가까운 도체 부분은 대천체와 반대 종류의 전기를 띠게 되고, 대전체와 먼 도체 부분은 대전체와 같은 종류의 전기를 띠게 된다. 이러한 현상을 도체에서의 '정전기 유도'라고 한다.

 

①검전기

검전기는 정전기 유도를 이용하여 전하의 종류를 조사하는 실험 기구이다.

②검전기로 물체의 대전 여부 확인

대전체를 대전되지 않은 검전기의 금속판에 가까이하면 정전기 유도에 의해 전하의 재분포가 이루어지면서 금속박이 벌어진다. 이때 대전체의 전하 종류에 관계없이 금속박은 벌어진다.

 

③검전기를 대전시키는 법

(-)전하로 대전시키는 법	(+)전하로 대전시키는 법
(+)대전체를 가까이 한 상태에서 금속판에 손가락을 접촉하면 (+)대전체와의 인력으로 손가락에 있던 전자가 금속판으로 끌려오므로, 검전기의 알짜 전하는 (-)가 된다. 이후에 대전체와 손가락을 동시에 멀리 하면 검전기는 (-)전하로 대전된다.	(-)대전체를 가까이 한 상태에서 금속판에 손가락을 접촉하면 (-)대전체와의 척력으로 검전기에 있던 전자가 손가락으로 밀려나므로, 검전기의 알짜 전하는 (+)가 된다. 이후에 대전체와 손가락을 동시에 멀리 하면 검전기는 (+)전하로 대전된다.

④대전체의 전하를 확인하는 법

(-)로 대전된 검전기에 (-) 대전체를 가까이하면 금속판의 전자들은 척력을 받아 금속박으로 이동한다. 그래서 금속박이 더 벌어지게 되며, (+)대전체를 가까이 하면 금속박의 전자들은 인력을 받아 금속판으로 끌려온다. 따라서 금속박은 오므라든다.

 

(+)로 대전된 검전기에 (+)대전체를 가까이하면 금속박의 전자들은 인력을 받아 금속판으로 이동한다. 그래서 금속박의 알짜 양전하량이 증가하므로 금속박이 더 벌어지게 되며, (-)대전체를 가까이 하면 금속판의 전자들은 척력을 받아 금속박으로 이동한다. 그래서 금속박의 알짜 양전하량이 감소하므로 금속박은 오므라든다.

3. 부도체에서의 유전 분극

부도체 내의 전자들은 원자나 분자에 속박되어 있어 자유롭게 움직이지 못한다. 그래서 부도체에 대전체를 가까이 하면 그림과 같이 부도체 내의 전하 분포가 바뀌게 된다. 대전체와 가까운 쪽은 반대 종류의 전하를 띠게 되고, 대전체와 먼 쪽은 같은 종류의 전하를 띠게 되는데, 이런 현상을 '유전 분극'이라고 한다. 따라서 유전 분극된 부도체는 대전체 쪽으로 끌려 달라붙게 된다.

4. 정전기 현상의 활용

①자동차 도색

자동차와 같은 금속을 도색할 때, 도색을 할 물체를 (+)로 대전시키고 페인트 염료를 (-)로 대전시키면 페인트가 물체에 달라붙는다.

 

②음식물 포장 비닐랩

음식물을 포장할 때 사용하는 랩을 분리하는 과정에서 랩이 대전되는데, 이때 대전된 전하는 그릇이나 다른 랩에 유전 분극을 유도한다. 따라서 랩끼리 또는 랩과 그릇을 서로 잘 달라붙게 한다.

 

③복사기

복사가 시작되면 드럼 전체는 (+)로 대전된다. 복사할 종이에 빛을 비추면 종이의 검은 글자 부분에서는 빛이 흡수되고, 흰 여백 부분에서는 빛이 반사되는데, 이때 반사된 빛이 드럼을 비추면 그 부분은 방전된다. 따라서 드럼에 (+)로 대전된 영역과 대전되지 않는 영역이 생기는데, 이 영역들이 곧 복사할 이미지나 마찬가지다. (+)로 대전된 드럼의 영역에 (-)로 대전된 토너가 붙게 되고, 드럼에 묻은 토너가 그대로 종이에 묻혀 나오면 인쇄가 완성된다.

기출문제 풀어보기

21년 수능 물리2 10번

답: 3번

 

21년 6월 모평 물리2 4번

답: 3번