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전하와 전기장

전하에는 두 종류가 있고, 보존되며, 기본 전하 e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C의 정수배로만 존재해요. 두 점전하 사이에는 F = kq₁q₂/r² 의 힘이 작용해요(k = 9 × 10⁹ N m² C⁻²). 여러 전하가 만드는 힘과 전기장은 벡터로 더해져요(중첩의 원리). 전기장 E = F/q₀ 이고 점전하의 전기장은 kq/r² 이며, 전기력선으로 나타낼 수 있어요. 전기 쌍극자(±q가 2a 떨어진 한 쌍)의 쌍극자 모멘트는 p = q·2a 이고, 균일한 전기장 안에서는 알짜힘이 0이지만 τ = pE sinθ 의 돌림힘을 받아요. 전기 선속은 Φ = E·A 이고, 가우스 법칙에 따르면 닫힌 곡면을 지나 나가는 선속은 q_내부/ε₀ 예요. 이 법칙으로 긴 도선(λ/2πε₀r), 무한 평면(σ/2ε₀), 얇은 구껍질(바깥 kq/r², 안쪽 0)의 전기장을 빠르게 구할 수 있어요.

🎬 단계별 이야기

  1. 유리막대를 비단으로 문질러 봐요. 전자 몇 개가 유리에서 비단으로 옮겨 가요. 유리는 +, 비단은 −가 되고 전체 전하는 여전히 0이에요. 전하는 새로 생기거나 사라지지 않고 이동만 해요.
  2. 두 전하는 서로 밀거나 당겨요. 힘은 거리의 제곱에 반비례해서 약해져요. 거리가 두 배면 힘은 4분의 1이 돼요. 근처에 세 번째 전하를 놓으면 힘들은 화살표(벡터)처럼 그냥 더해져요.
  3. 전하는 주변 공간을 바꿔 놓아요. 이것을 전기장이라고 해요. 전기력선은 +에서 나와 −로 들어가요. 선이 촘촘할수록 전기장이 세요.
  4. 전기 쌍극자는 + 와 −가 가깝게 붙어 있는 한 쌍이에요. 균일한 전기장 안에서는 두 힘이 크기가 같고 방향이 반대라서 멀리 가지는 않지만 빙글 돌아요. 돌리는 효과는 τ = pE sinθ 예요.
  5. 전하를 둘러싸는 가상의 닫힌 곡면을 생각해 봐요. 밖으로 나오는 전기력선의 수가 바로 선속이에요. 가우스 법칙: 선속 = 내부 전하 ÷ ε₀. 이것을 도선, 평면, 구껍질에 써 봐요.
  6. 자유 실험: 장면을 마음대로 골라서 전하, 거리, 각도, 모양을 바꿔 보고 3D 아래에 나오는 결과를 읽어 보세요.

팁: 3D 화면을 드래그하면 돌아가요. 두 손가락으로 확대할 수 있어요.

🤔 헷갈리는 점, 한 번에 해결

막대를 문지르면 전하가 새로 생기나요?

아니요. 전자가 한 물체에서 다른 물체로 옮겨 갈 뿐이에요. 3D에서 유리의 전하 수가 +1 늘 때 비단은 정확히 −1 이 되어서 전체는 0 으로 유지돼요.

거리에 따라 힘이 왜 이렇게 빨리 줄어들어요?

같은 전기장이 넓이가 r²로 커지는 구 위에 퍼지기 때문이에요. 거리 슬라이더를 3 m 에서 6 m 로 옮기면 힘 표시값이 4분의 1로 줄어요.

전하가 세 개일 때 알짜힘은 어떻게 구하나요?

숫자가 아니라 화살표를 더해요. 3D에서 작은 전하에 걸린 빨간 화살표와 파란 화살표가 합쳐져 초록 화살표가 돼요. 그게 벡터 합이에요.

전기력선은 실제로 있는 건가요?

아니요, 그림을 그리기 위한 도구예요. 하지만 전기장은 실제로 있어요. 부호를 바꾸면 3D에서 선이 +에서 나가고 −로 들어가는 것을 볼 수 있어요.

쌍극자의 알짜힘이 0이면 왜 움직이나요?

멀리 가는 게 아니라 돌기만 해요. 두 힘은 크기가 같고 방향이 반대지만 서로 다른 직선 위에 있어서 짝힘이 돼요. θ = 90° 로 맞추면 가장 큰 돌림힘을 볼 수 있어요. 그다음 놓기(Let go)를 눌러 보세요.

대전된 구껍질 안에서 E 가 왜 0 인가요?

껍질 안쪽에 잡은 가우스 구에는 둘러싼 전하가 없어서 선속도 E 도 0 이에요. 가우스 장면에서 '구(Sphere)'를 고르면 모든 선이 껍질의 전하에서 시작해 바깥으로 나가는 것을 볼 수 있어요.

평면의 E 가 왜 거리와 상관없나요?

무한 평면에서 나오는 선들은 모두 평행해서 퍼지지 않아요. 가우스 장면에서 '평면(Sheet)'을 고르면 양쪽으로 곧고 간격이 일정한 선이 보여요.

전하와 전하량 보존

전하는 물체가 다른 대전된 물체를 밀거나 당기게 만드는 성질이에요. 종류는 양(+)과 음(−) 두 가지예요. 같은 종류의 전하는 서로 밀어내고, 다른 종류의 전하는 서로 끌어당겨요.

기본 사실 세 가지

대전시키는 방법

마찰(문지르면 전자가 이동해요), 접촉(닿으면 전하를 나눠 가져요), 유도(대전된 막대를 가까이 대고, 먼 쪽을 접지했다가, 접지를 떼고 나서 막대를 치우면 물체는 반대 전하를 띠어요)가 있어요. 도체에서는 전하가 자유롭게 움직이고 부도체에서는 그러지 못해요.

해 보기: 플라스틱 자를 마른 머리카락에 문지른 뒤 가늘게 흐르는 수돗물에 가까이 대 보세요. 물줄기가 자 쪽으로 휘어요. 유도된 전하가 끌려 오는 거예요.

쿨롱 법칙

진공에서 r만큼 떨어진 두 점전하 q₁, q₂ 사이의 힘은 다음과 같아요.

F = k q₁q₂ / r², 여기서 k = 1/(4πε₀) = 9 × 10⁹ N m² C⁻², ε₀ = 8.85 × 10⁻¹² C² N⁻¹ m⁻² 예요.

벡터 형태: F₁₂ = k q₁q₂ r̂₂₁ / r², r̂₂₁ 은 q₂에서 q₁ 쪽을 향해요. 뉴턴의 제3법칙도 성립해요: F₁₂ = −F₂₁.

1 쿨롱은 진공에서 같은 전하로부터 1 m 떨어뜨렸을 때 9 × 10⁹ N 의 힘으로 밀어내는 전하량이에요. 엄청나게 큰 힘이라서 실험실의 실제 전하는 µC나 nC 단위예요.

여러 전하 사이의 힘: 중첩의 원리

전하가 여러 개 있을 때, 각 쌍은 다른 전하가 없는 것처럼 힘을 주고받아요. 한 전하가 받는 알짜힘은 나머지 모든 전하가 주는 힘의 벡터 합이에요.

F₁ = F₁₂ + F₁₃ + F₁₄ + …

푸는 순서

  1. 각 힘을 화살표로 그려요(밀면 멀어지는 쪽, 당기면 가까워지는 쪽).
  2. 쿨롱 법칙으로 각 힘의 크기를 구해요.
  3. x 성분과 y 성분으로 나누어 각각 더한 다음 합쳐요: F = √(Fx² + Fy²).

대칭을 이용하면 시간이 절약돼요. 정사각형이나 정삼각형의 꼭짓점에 같은 전하가 있으면 중심에서의 알짜힘은 0이에요.

연속적인 전하 분포

대전된 막대, 판, 공에서는 전하가 퍼져 있어서 밀도를 써요.

물체를 아주 작은 조각 dq = λdl, σdA, ρdV 로 나누고, 각 조각을 점전하로 보고 전기장을 모두 더해요(적분): E = ∫ k dq r̂ / r². 모양이 아주 대칭적이면 아래의 가우스 법칙으로 이 적분을 피할 수 있어요.

점전하의 전기장

어떤 점의 전기장은 그 자리에 놓은 아주 작은 양의 시험 전하 q₀가 받는 힘을 단위 전하당으로 나눈 값이에요: E = F / q₀. 단위는 N/C(V/m와 같아요)이고 벡터예요.

점전하 q의 전기장은 E = kq / r² 이고, +에서는 밖으로, −에서는 안쪽으로 향해요. E를 알면 어떤 전하 q가 받는 힘은 간단히 F = qE 로 구해요.

시험 전하는 원래 전하들을 밀어 움직이지 않도록 아주 작아야 해요. 여러 전하의 전기장도 역시 벡터로 더해요.

전기력선

전기력선은 곡선 위 모든 점에서 접선 방향이 그 점의 E 방향을 나타내는 곡선이에요.

모양: 하나의 + (선이 곧게 밖으로), 하나의 − (곧게 안으로), 크기가 같은 + 와 − (선이 +에서 −로 휘어져요), 같은 + 두 개(선이 서로 밀려나고 가운데에 선이 없는 중성점이 생겨요), 균일한 전기장(평행하고 간격이 일정한 선)이 있어요.

전기 쌍극자와 그 전기장

전기 쌍극자는 작은 거리 2a만큼 떨어진 +q 와 −q 한 쌍이에요. 쌍극자 모멘트는 p = q × 2a 이고 −에서 +를 향하는 벡터예요. 단위는 C m 예요. 물 분자는 자연 상태의 쌍극자예요.

축 위의 전기장(끝쪽)

중심에서 축을 따라 r만큼 떨어진 곳: E = 2kpr / (r² − a²)² 이고, r ≫ a 이면 E_축 = 2kp / r³ 이며 방향은 p와 같아요.

수직이등분선 위의 전기장(옆쪽)

수직이등분선 위: E = kp / (r² + a²)^{3/2} 이고, r ≫ a 이면 E_수직 = kp / r³ 이며 방향은 p와 반대예요.

그래서 쌍극자에서 멀리 떨어지면 E는 1/r³ 로 줄어요. 점전하(1/r²)보다 빨리 줄어드는 이유는 + 와 −가 거의 서로 상쇄하기 때문이에요. 같은 거리에서 E_축 = 2 × E_수직 이에요.

유도 아이디어(축 위)

+ 전하까지의 거리는 r − a, − 전하까지의 거리는 r + a 예요. E = kq/(r − a)² − kq/(r + a)² = kq·4ar/(r² − a²)² = 2kpr/(r² − a²)².

균일한 전기장 속 쌍극자의 돌림힘

균일한 전기장 E 안에서 + 쪽 끝은 E 방향으로 qE, − 쪽 끝은 반대 방향으로 qE 의 힘을 받아요. 알짜힘은 0이라서 쌍극자는 멀리 움직이지 않아요. 하지만 두 힘이 서로 다른 직선 위에 있어서 짝힘(우력)을 이루어요.

τ = (qE)(2a sinθ) = pE sinθ, 벡터로는 τ = p × E 예요.

불균일한 전기장에서는 두 힘의 크기가 달라서 알짜힘도 생겨요. 그래서 대전된 빗이 중성인 종이를 끌어당겨요(종이에 유도된 쌍극자가 불균일한 전기장 속에 있기 때문이에요).

전기 선속

면을 지나는 전기 선속은 그 면을 통과하는 전기력선의 수를 나타내요.

Φ = E · A = EA cosθ, θ는 E와 넓이의 바깥쪽 수직 방향 사이의 각이에요. 단위는 N m² C⁻¹ (또는 V m)이고 스칼라예요.

가우스 법칙과 활용: 도선, 무한 평면, 얇은 구껍질

가우스 법칙: 닫힌 곡면을 지나 나가는 전체 선속은 곡면 안의 전하를 ε₀로 나눈 값과 같아요: ∮E·dA = q_내부 / ε₀. 곡면 밖의 전하는 알짜 선속에 0을 더해요(들어간 선은 반드시 다시 나와요).

방법: E의 크기가 곡면 위에서 일정하고, 곡면에 나란하거나 수직인 닫힌 가상의 곡면(가우스 곡면)을 고르세요.

1. 무한히 긴 직선 도선(단위 길이당 전하 λ)

반지름 r, 길이 l 인 원기둥을 잡아요. 선속은 옆면만 지나요: E(2πrl) = λl/ε₀ → E = λ / (2πε₀r), 방향은 도선에서 바깥쪽이에요. E ∝ 1/r.

2. 무한 평면(단위 넓이당 σ)

판을 가로지르는 작은 원기둥을 잡고 밑면의 넓이를 A라고 해요. 양쪽 밑면을 지나는 선속: 2EA = σA/ε₀ → E = σ / (2ε₀). 어느 거리에서나 같아요.

3. 얇은 구껍질(전하 q, 반지름 R)

반지름 r 인 구를 잡아요. 바깥(r > R): E(4πr²) = q/ε₀ → E = kq/r², 전하가 모두 중심에 있는 것과 같아요. 안쪽(r < R): 둘러싼 전하가 없으므로 → E = 0. 표면에서: E = kq/R² = σ/ε₀.

쿨롱 법칙도 점전하를 둘러싼 구에 가우스 법칙을 적용하면 얻어져요.

시험 대비 핵심

I단원과 II단원을 합치면 약 16점이에요. 자주 나오는 문제: 서술·유도(쌍극자의 축 방향/수직 방향 전기장, 쌍극자의 돌림힘, 가우스 법칙으로 도선·평면·구껍질의 E), 전기력선 그리기, 중첩을 이용한 쿨롱 힘 계산 문제(2~3점), 선속 문제예요. 유도 과정에서는 항상 가우스 곡면을 그리세요.

핵심 공식과 정의

풀이 예제

1. 중성인 물체에 +3.2 µC 의 전하를 띠게 하려면 전자를 몇 개 떼어 내야 할까요?

n = q/e = 3.2 × 10⁻⁶ / 1.6 × 10⁻¹⁹ = 2 × 10¹³ 개.

2. +2 µC 와 −3 µC 의 두 전하가 공기 중에서 30 cm 떨어져 있어요. 힘을 구하세요.

F = 9 × 10⁹ × 2 × 10⁻⁶ × 3 × 10⁻⁶ / (0.3)² = 0.054/0.09 = 0.6 N, 인력.

3. 두 전하 사이의 힘이 16 N 이에요. 거리를 두 배로 하고 각 전하를 절반으로 하면 새로운 힘은?

F ∝ q₁q₂/r². 새로운 힘 = 16 × (½ × ½) / 2² = 16 × ¼ / 4 = 1 N.

4. A에 +1 µC, B에 +4 µC 이 3 m 떨어져 있어요. 둘 사이 어디에서 세 번째 전하가 받는 알짜힘이 0일까요?

그 점이 A에서 x 만큼 떨어졌다고 해요. k(1)/x² = k(4)/(3 − x)² → (3 − x) = 2x → x = A에서 1 m (작은 전하 쪽).

5. 한 변이 10 cm 인 정삼각형의 꼭짓점마다 +2 µC 이 놓여 있어요. 그중 하나가 받는 힘을 구하세요.

각 힘 = 9 × 10⁹ × (2 × 10⁻⁶)² / 0.01 = 3.6 N. 두 힘 사이의 각 = 60°. F = √(3.6² + 3.6² + 2 × 3.6² cos60°) = 3.6√3 ≈ 6.24 N, 바깥쪽 이등분선 방향.

6. ±5 nC 의 전하가 2 mm 떨어진 쌍극자가 있어요. p 와 축 위 10 cm 떨어진 곳의 전기장을 구하세요.

p = 5 × 10⁻⁹ × 2 × 10⁻³ = 10⁻¹¹ C m. E_축 = 2kp/r³ = 2 × 9 × 10⁹ × 10⁻¹¹ / 10⁻³ = 180 N/C, p 방향.

7. 모멘트 4 × 10⁻⁹ C m 인 쌍극자가 5 × 10⁴ N/C 의 균일한 전기장과 30°를 이루고 있어요. 돌림힘을 구하세요.

τ = pE sinθ = 4 × 10⁻⁹ × 5 × 10⁴ × 0.5 = 1 × 10⁻⁴ N m.

8. 한 변이 10 cm 인 정사각형이 200 N/C 의 균일한 전기장 안에 있어요. 전기장은 면의 수직 방향과 60°를 이뤄요. 선속을 구하세요.

Φ = EA cosθ = 200 × 0.01 × 0.5 = 1 N m² C⁻¹.

9. 긴 도선의 λ = 2 µC/m 예요. 20 cm 떨어진 곳의 E 를 구하세요.

E = 2kλ/r = 2 × 9 × 10⁹ × 2 × 10⁻⁶ / 0.2 = 1.8 × 10⁵ N/C, 바깥 방향.

10. 반지름 10 cm 인 구껍질이 +8 nC 을 띠고 있어요. 중심에서 5 cm 와 20 cm 떨어진 곳의 E 를 구하세요.

5 cm(안쪽): E = 0. 20 cm: E = 9 × 10⁹ × 8 × 10⁻⁹ / 0.04 = 1800 N/C.

자주 하는 실수

연습 퀴즈

1. 자유롭게 존재할 수 있는 가장 작은 전하는?
2. 두 전하 사이의 거리를 3배로 하면 힘은?
3. 균일한 전기장 속 쌍극자가 받는 알짜힘은?
4. 대전된 얇은 구껍질 안쪽의 전기장은?
5. 무한 평면 전하가 만드는 E 는?

연습: 직접 풀어 보세요

답을 입력하거나 고른 뒤 확인을 누르세요. 막히면 힌트를 보세요. 풀이는 답을 낸 뒤에 나타나요.

자주 묻는 질문

쿨롱 법칙과 가우스 법칙은 무엇이 다른가요?

쿨롱 법칙은 두 점전하 사이의 힘을 알려 줘요. 가우스 법칙은 닫힌 곡면을 지나는 선속과 그 안의 전하를 연결해요. 점전하에서는 서로 유도할 수 있지만, 도선·평면·구껍질처럼 대칭적인 모양에서는 가우스 법칙이 더 빨라요.

전기력선은 왜 서로 교차하지 않나요?

교차점에는 접선이 두 개 생겨서 E 가 동시에 두 방향을 가리키게 돼요. 한 점의 전기장은 방향이 하나뿐이라서 선이 교차할 수 없어요.

전하와 전기장 단원은 시험에서 중요한가요?

네. 이 단원은 전기장과 정전기 시험에서 기본이 되고, 쌍극자의 전기장, 돌림힘, 가우스 법칙 활용 유도는 거의 매년 나와요. 탄탄하게 이해해 두면 뒤의 전위, 축전기 단원도 훨씬 쉬워져요.

배우는 곳

Canada (Ontario)Grade 12D. Gravitational, Electric, and Magnetic Fields
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Charge and field (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIElectrostatics
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIElectrostatics
RomaniaClasa a VIII-aElectric and magnetic phenomena
Spain2º BachilleratoElectromagnetic field
CBSE (India)Class 12Electrostatics
England (GCSE, A level)Year 133.7 Fields and their consequences
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Electric Force, Field, and Potential
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Electric Charges, Fields, and Gauss's Law
Japan高校3年Electricity and magnetism
South Korea고등학교 2학년Electromagnetic interaction
South Korea고등학교 2학년Electricity and magnetism
South Korea고등학교 3학년Electromagnetic fields
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Static electric and magnetic fields
FrancePremièreMotion and interactions
Russia10 классElectrostatics
Russia10 классElectrodynamics: electrostatics

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