전기장

전기장 속의 전하

전기장에 놓인 전하는 전기장 방향으로 힘을 받는다.

전기장을 단위전하가 받는 힘으로 정의했기 때문에 전기장($\mathbf{E}$)이 형성된 공간에서 전하($q$)가 받는 힘은 다음과 같다. \[ \mathbf{F} = q\mathbf{E} \] 따라서 전기장 속의 전하가 받는 힘의 크기는 전하량과 전기장에 비례하고 방향은 전기장의 방향과 같다. 만일 $q$가 음수이면 힘은 전기장과 반대방향으로 나타날 것이다.

전하가 균일한 전기장에 의한 힘만 받고 있다면 마치 지상에서 중력에 의해 포물선 운동을 하는 물체처럼 운동할 것이다.

다음은 전하의 기본단위를 측정하기 위해 1910년 경 밀리칸이 행한 밀리칸 기름방울 실험장치이다. 분무기에서 분무된 기름방울이 일부는 전자를 잃거나 얻어서 대전되고 이를 균일한 전기장 속에서 운동시켜 그 운동을 망원경으로 관찰한다.

밀리칸은 이 실험으로부터 기름방울의 대전전하량이 기본단위의 정수 배로 되어 있는 것을 알았고, 이는 전하가 양자화되어 있다는 최초의 실험적인 증거가 되었다. 밀리칸은 이 업적으로 1923년 노벨물리학상을 받았다. 전하량의 기본단위의 최근 측정치는 다음과 같다. \[ e = 1.602,176,462,(63) \times 10^{-19}~ \mathrm{C} \]

_ 양자화_ 망원경_ 전기력_ 저항_ 전하_ 대전

전기장에서 쌍극자가 받는 힘

균일한 전기장에서 전하에 작용하는 알짜힘은 없으나 회전력을 받는다.

전기장에서 쌍극자가 받는 힘은 각각의 양과 음전하가 받는 힘을 합한 것이다. 그러므로 만일 균일한 전기장에 놓여 있다면 두 전하가 받는 알짜힘은 0이다. 그러나 각 전하에 작용하는 두 힘은 서로 짝힘이므로 토크를 받아 회전하려고 할 것이다. \[ \mathbf{\tau} = \mathbf{p} \times \mathbf{E} \] 즉 쌍극자모멘트 $\mathbf{p}$가 전기장과 나란하게 되는 방향으로 회전하려고 한다. 따라서 열적운동 등 다른 요인들이 없다면 최종적으로 모든 쌍극자는 주변의 전기장과 같은 방향으로 배열하게 될 것이다.

만일 전기장이 균일하지 않게 분포하고 있다면 쌍극자의 두 전하가 받는 힘도 같은 크기가 아니므로 토크가 있을 뿐만 아니라 알짜힘도 가지게 된다. 따라서 이 알짜힘이 작용하는 방향으로 휩쓸리는 운동을 하게 된다. 아래 그림은 이러한 전기장의 분포에서 물을 흘렸을 때 물줄기가 휘어지는 것을 보여준다.

다음 그림 왼쪽 아래에 물분자의 구조를 나타내었다. 물의 수소와 산소는 일직선으로 놓여 있지 않고 105도 정도 기울어져 있고, 이들 세 원자의 전자는 서로 공유되어 있는 데 비교적 산소쪽으로 많이 치우쳐 있어 전체적으로 쌍극자를 이루게 된다.

물분자처럼 구조의 비대칭으로 인하여 영구쌍극자를 이루는 분자를 극성분자라 한다. 이러한 분자로는 $\mathrm{H_2O}$(물), $\mathrm{NH_3}$, $\mathrm{SO_2}$, $\mathrm{H_2S}$ 등이 있고 반면에 쌍극자를 띠지 않는 비극성분자로는 $\mathrm{H_2}$, $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{SO_2}$, $\mathrm{CH_4}$, $\mathrm{C_2H_4}$ 등이 있다. (원자도 비극성이다) 그러나 비극성분자라 하더라도 전기장이 걸리게 되면 양의 전하인 핵과 음의 전하인 전자가 반대방향으로 힘을 받아 쌍극자로 된다.

_ 알짜힘_ 전하_ 대전