전기력(Electric Force)와 전계(Electric Field)에 대해

이 글은 수식을 제외한 글이며 정전계를 학습 할 때 도움이 될 것 같다.

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질문 1) 전기력은 어떻게 생기는 것일까?

 

흔한 겨울철 이불 속에 있다보면 정전기가 생겨 머리카락이 붕 뜬 상태가 됨을 알 수 있듯이 서로 잡아당기는 힘이 작용하고 있다는 것을 의미한다.

 

즉 이불과 머리카락은 서로 당기는 힘이 작용하고 있고, 양전하와 음전하는 서로 잡아 당기는 인력이 작용한다.

따라서 이는 아래와 같은 법칙으로 생각할 수 있다.

 

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두 개 전하 사이에서 발생하는 전기력은 거리 제곱의 반비례, 두 전하량 곱에 비례하며, 두 전하의 극성이 같으면 '척력', 전하의 극성이 다르면 '인력'으로 작용한다.

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전기력은 인력 또는 척력으로 나타내며, 전기력은 자연에 존재하는 것으로 관찰과 실험으로부터 도출해낸 것이다.

척력과 인력에 대해서는 아래 그림 1로 표현할 수 있다.

 

그림 1. 척력과 인력

 

그림 1을 통해 전기력은 자연계에 존재하는 힘 중 하나이다. 

 

여기서 힘은 무엇일까?

 

힘은 물체를 변형시키거나 운동상태를 변화시키는 원인이다.

힘은 크기, 방향이 있으며 이 힘을 정확히 표현하기 위해 벡터(Vector)로 나타내야한다.

 

같은 질량을 갖는 두 물체간에는 두 질량의 곱에 비례하고 두 물체간의 거리 R의 제곱에 반비례하는 서로 잡아당기는 인력이 있다는 것을 알 수 있다(만유인력). 이는 전기력의 법칙과 동일하게 표현된다.

 

전기력은 이렇게 설명 할 수 있는데 두 전하간의 거리 상관없이 전기력은 즉각 작용한다. 다시 말하게 되면 전하량이 +Q인 전하가 홀로 있다가 단위 전하가 추가 되면 극각 전기력을 발생시킬 수 있다 이는 전계(Electric Field)라고 부른다.

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2022.03.14 - [그 외 전공/그 외 전공 통합 글] - 전하(electric charge)란 무엇일까?

전하(electric charge)란 무엇일까?

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다만 전하에는 양과 음의 분류가 있지만 질량에는 그러한 구분이 없으므로 인력만이 존재한다는 것이 다르다.

양자들은 모두 양전하를 가지고 있으므로 척력이 발생하여 서로 분리되어야 하는데 어째서 원자핵에 모여 있을까?

 

이는 원자핵에서 양자들간의 척력을 일으키는 것 전기력보다 더 큰 양자들간의 인력이 존재함을 의미한다.

이러한 양자(또는 중성자)들간의 인력을 핵력(Nuclear Force)이라 한다.

(핵력은 강력과 약력이 해당된다.)

 

핵력은 양자들간의 거리가 짧으면 전기력에에 비해 매우 크며, 거리가 늘어날 수록 전기력에 비해 핵력은 급속히 떨어진다.

 

이는 위에서 언급한 "양자들은 모두 양전하를 가지고 있으므로 척력이 발생하여 서로 분리되어야 하는데 어째서 원자핵에 모여 있을까?"에 대한 답을 얻을 수 있는데

 

양자가 가진 양전하간의 전기적인 척력에 비해 양자들간의 핵력에 의한 인력이 커서 양자들은 더이상 떨어지지 않게 되는 답을 얻을 수 있다.