[전자기학] 전기력(Electronic Force)과 전기장 (Electronic Field)

전자기학 첫번째 시간입니다. 고전역학과 달라보이지만 그 맥락은 비슷합니다.  고전역학이 중력에 의한 현상을 다루는 학문이라면 전자기학은  전자기력에 의한 현상을 다룹니다. 

 

자기에 관한 내용은 전기에 관한 내용이 끝난 뒤에 다루도록 하겠습니다.

 

 

- 전기력이란? 두 점전하 사이의 힘을 의미하며, 쿨롱 힘이라고도 부릅니다.  

위 공식과 함께 외워야할 것은 전자와 양성자의 전하량입니다.  전자는 -1.602*10^-19 이고 양성자는 값은 같으나 부호가 다릅니다. 이 3개는 꼭 알아두시길 바랍니다.  이에 관해 간단한 문제를 한번 보겠습니다. 

어렵지 않은 문제입니다. 이제 전기장의 정의를 알아보겠습니다.

 

- 전기장이란? 원천 전하 (source)가 주변에 영향을 끼치는 공간을 의미합니다.

전기력 공식을 보시면 전하가 2개 나타나 있습니다. 이 때, q1을 원천 전하라 하고 q2를 시험 전하라 해봅시다. 전기력이란 것은 두 점전하 사이의 힘을 의미한다고 말씀드렸었죠? 여기서 시험 전하를 빼버린다면  원천 전하인 q1만 남게 됩니다. 그렇다고 이 원천 전하가 아무 일도 안하는 것은 아닙니다. 단지 원천 전하의 매력을 알아보는 인물이 없을 뿐, 원천 전하는 지속적으로 본인의 매력을 뽐내고 있습니다. 그렇다면 전기력과 전기장 사이에는 어떤 관련이 있을까요? 공식으로 표현하자면 다음과 같습니다.  'E=F/q'  왜 이런 공식인가요? 답은 이미 제가 위에서 설명해드렸습니다.  시험전하를 전기력에서 나눠버리면  원천전하에 관한 공식이 됩니다. 즉, 전기장에 대한 공식이 된다는거죠.  아래 그림보시죠.

전기장 그림 <출처 - ZUM 학습백과 '전기장'>

위 그림을 보시면 +전하는 주위로부터 매력을 발산하고 있고 -전하는 반대로 매력을 흡수하고 있습니다.  

원천전하가 주위로부터 어떻게든 영향력을 끼치고 있음을 알 수 있습니다. 그리고 우리는 저 많은 화살표들을

'전기력선' 이라고 부릅니다. 

 

전기력선은 가상의 선이지만 이해를 돕기 위해 물리학에서 빈번히 사용되고 있습니다. 전기력선의 방향은 곧 전기장의 방향을 의미하구요. 전기력선과 수직인 면을 우리는 '등전위면' 이라고 부릅니다. 이는 뒤에서 전위를 배울 때 다시 나올 개념입니다.  등전위면이란 전기적 위치에너지가 같은 면을 뜻합니다. 

 

마지막으로 개념 하나만 더 설명하겠습니다. 쌍극자 모멘트에 대한 이야기입니다. 쌍극자 모멘트는 두 점전하 사이의 거리와 전하량을 곱한 값을 의미합니다.  p=q*d 로 표현하는데  쌍극자 모멘트는 전자기학에서 쓰이는 토크를 설명할 때 쓰이는 개념입니다. 지금은 잠깐 맛보기로만 설명하겠습니다. 

전기 쌍극자 모멘트 그림 <출처 - 티스토리 블로그 지식저장고>

두 전하를 원점으로부터 떨어졌다고 생각하면  두 전하는 위치벡터로 표현이 가능합니다. -q와 원점 사이의 위치벡터를 r1이라 두고, +q와 원점 사이의 위치벡터를 r2라고 두겠습니다. 그렇다면 벡터의 차 r2-r1의 값은 -q,+q 사이의 거리와 동일합니다. 그렇다면 위 그림에서와 같이 q*d=p라고 나와있으므로 이 전기 쌍극자 모멘트에 전기장 E와 벡터 외적 시킨값이 곧 토크의 알짜합력이 되겠습니다.