전기장과 전기력

전기장과 전기력
	쿨롱의 법칙 두전하 사이에 작용하는 힘은 전하의 크기의 곱에 비례하고 전하 사이의 거리에 곱에 반비례 한다. 어떤 물체가 대전되어 전하가 생기면 (전기를 띠면) 공간에 전기의 에너지가 꽃의 향기처럼 내보내진다. 전하의 전기력이 작용하게되는 이 공간을 전기장이라 하고, 그림처럼 에너지가 퍼져나가는 공간은 화살과 같은 점의 연결이 아닌 면적의 공간확장으로 펼쳐진다. 따라서 에너지의 세기는 급격히 감소하는데 두개의 전하가 있다면 전하의 크기에는 곱에 비례하지만 전하 사이의 거리에는 제곱에 반비례하게 된다. 두 전하 사이에 존재하는 공간의 에너지 전달율을 유전율[ε]이라 한다.
전하는 공간 속을 무한원을 그리며 펴저나간다. 전기장은 양파처럼 점점 넓게 지구의 모양으로 퍼져나가며, 전하가 만들어나가는 선을 전기력선이라 한다.

도체 자유전자가 풍부한 물질로 도체는 금, 은, 구리등이 있으며, 열전도율도 뛰어나다. 일반적으로 전선은 구리선을 이용하는데 주위에 절연물질(염화비닐등)을 입혀 사용한다. 도체는 전기저항이 아주 작은 물질이다.
유전체의 분극작용
	도체사이에 절연체인 유전체를 넣고 도체에 전기를 가하면 전기장에 발생하여 유전체의 원자들이 (+), (-)로 분극하는 분극작용이 일어난다. 두 도체에 +, - 의 전기가 생긴다. 이를 이용하여 전기를 축적하는 콘덴서를 만든다.

	원자의 분극
	전기를 가하여 충전 유전체의 유전율에 따라서 분극작용이 달라진다.

 

	전자가 공간을 퍼져나가며 만드는 선을 전기력선이라 한다면, 전기력선의 합을 전속이라 한다. 마치 "배추의 속"을 연상해도 될 것이다. 전속은 전하의 양과 같다.
전속밀도
	전속을 단위면적으로 나누어 전속의 빽빽한 정도를 전속밀도라 한다.

 

 

 

[1]자석과 쿨롱의 법칙

① 자석의 성질

-철편 및 철가루를 흡인하는 작용은 자석의 양끝에서 가장 강하다.
-항상 두 종류의 극성이 있고, 두 자극이 가지는 자기량은 같다.
-막대자석의 N(+)극은 북쪽, S(-)극은 남쪽을 가리킨다.
-같은 극성의 자석은 반발력, 다른 극성은 흡인력이 작용한다.
-자석을 잘게 부수어도 언제나 N극과 S극이 존재한다.

② 자극의 세기 : 자극의 자기량의 많고 적음을 나타내는 것. 기호는 m, 단위는 웨버[Wb].

③ 쿨롱의 법칙 : 자기력의 크기는 두 자극의 세기의 곱에 비례하고 자극간의 거리의 제곱에 반비례한다.



여기서, F:두 자극 사이에 작용하는 힘[N]. k:비례상수(k=1/(4πμ₀)). r:두 자극 사이의 거리[m]. m₁,m₂:자하[Wb]. μ₀:진공의 투자율(μ₀=4π×10^-7[H/m]), μ_R:비투자율[단위없음]

[2]자기장

① 자기장의 세기 : 자기장 중의 어느 점에 단위점 자하(+1[Wb])를 놓고 이 자하에 작용하는 자력의 방향을 그 점에서의 자기장의 방향으로 하고 자력의 크기를 그 점에서의 자기장의 크기로 한다.



여기서, H:자기장의 세기[A/m]. μ₀:진공의 투자율(μ₀=4π×10^-7[H/m]), μ_R:비투자율[단위없음]. r:거리[m]. m:자하[Wb]

② 자기력 : 자석이 철편등을 끌어당기는 힘. 자기에 작용하는 힘. F=mH[N]

③ 자기장 : 자극에 대하여 자력이 작용하는 공간.

④ 자기력선 : 자기장의 크기와 방향을 표시하는 가상의 선

⑤ 자기력선의 성질 : 자석의 N극에서 시작하여 S극에서 끝난다. 서로 교차하지 않는다.

[3]자기유도

① 자속 : 자극에서 나오는 전체의 자기력선의 수. 기호는 Φ, 단위는 [Wb]




② 자속 밀도 : 자속의 방향에 수직인 단위면적 1[㎡]를 통과하는 자속 수.



③ 자속 밀도와 자기장 :



④ 자기 유도 : 자석의 N극을 철편에 가까이 하면 철편의 자극 가까운 곳에는 S극, 먼 쪽에는 N극이 나타나서 자석의 N극과 철편의 S극 사이에 쿨롱의 법칙에 따른 자기력이 작용하는 현상.

⑤ 자성체의 종류 : 상자성체(알루미늄, 백금, 텅스텐), 반자성체(금, 은, 구리, 아연, 유황), 강자성체(철, 니켈, 코발트, 망간)

⑥ 자화의 세기 : 단위 면적당 자극의 세기.



⑦ 자화선 : 자석내부의 자화상태, 즉 자화의 세기를 표시하는 자력선.

(2) 전류에 의한 자기장            맨위로

① 전류의 방향 :



② 앙페르의 오른나사의 법칙 : 전류에 의한 자기장의 방향을 결정하는 법칙




-전류의 방향 : 오른 나사의 진행방향
-자기장의 방향 : 오른나사의 회전방향

③ 비오-사바르의 법칙 : 전류에 의해 발생되는 자기장의 크기를 결정하는 법칙.




 

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-자기장 ΔH의 방향은 앙페르의 오른 나사의 법칙에 따른다.

 

(3) 자기회로               맨위로

[1]기자력과 자기저항

① 환상 코일에 의한 자기장의 세기 : H=NI/l[AT/m]

여기서, H:자기장의 세기[AT/m], l:자로의 길이[m], N:코일의 권수, I:전류[A]

② 자기회로의 옴의 법칙 : 자기회로를 통하는 자속 Φ[Wb]는 NI[AT]에 비례하고 자기저항 R[AT/Wb]에 반비례한다.

③ 기자력 : 자속을 발생시키는 원동력. F=NI[AT]

④ 자기저항 : 자기회로에서 전류의 흐름을 방해하는 것. 




 

(4) 자기장의 계산               맨위로

[1]솔레노이드에 의한 자기장

① 솔레노이드 : 도체에 코일을 일정하게 감아놓은 것.

② 직선형 솔레노이드에 의한 자기장 : 내부 자기장은 어느 방향으로나 크기가 같은 평등자기장이고 측면에는 자기장을 발생시키지 않는다.

③ 환상 솔레노이드에 의한 자기장 : 내부에만 자기장이 발생시키고, 외부에는 자기장이 형성되지 않는다.

 

[2]앙페르의 주회적분의 법칙