도체

도체

평형상태에서는 도체 내부에 전기장이 형성될 수 없다.

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구리_ 구리는 아주 좋은 도체이다.

도체에는 어떤 원자에도 소속되지 않고 자유로운 자유전자가 많이 있어서 도체내부에 전기장이 형성되면 그 즉시 이 전자가 전기장에 의한 힘을 받아 이동하게 된다. 이렇게 전하가 이동하는 것을 전류라고 한다. 이 전류에 의해서 도체내부에 존재하는 전기장은 짧은 시간 동안만 형성되고 전자의 재배치에 따라 사라지게 된다. 그러나 도체의 표면에는 사정이 다르다. 표면에는 전자가 바깥으로 빠져나기지 못하므로 표면에 수직한 방향으로의 전기장은 시간이 지나도 존재할 수 있다.

도체내부의 전하의 이동이 없이 정적인 상태에서는 도체 내부에 전기장이 존재할 수 없다. 만일 내부에 전기장이 있다면 풍부하게 있다고 생각할 수 있는 자유전자가 곧 움직여서 전기장을 소거해 버리기 때문이다. 앞에서 설명한 대로 이러한 사정은 도체의 표면에서는 달라진다. 도체의 표면에서는 수직한 방향으로의 전기장이 있을 수 있다. 만일 도체의 표면에 바깥으로 향하는 전기장이 있다면 표면에 있던 많은 수의 자유전자는 안쪽으로 향해 이동하게 된다. 그러나 이러한 움직임은 표면의 전하를 상대적으로 양의 전하로 만들게 되고 바깥으로 향하는 전기장을 오히려 더 증가시킨다. 따라서 표면에 바깥으로 향하는 전기장이 있는 채로 평형을 이루게 되는 것이다. 비슷한 상황이 표면 전기장이 수직으로 안쪽을 향하는 경우에도 생긴다.

도체 내부의 순 전하는 0 이다.

도체 내부에 전기장이 전혀 형성되지 않는다는 것은 도체 내부에 초과 전하가 형성될 수 없다는 것을 말한다. 이는 가우스 법칙으로 간단하게 증명할 수 있다. 즉 도체 내부에 임의의 폐곡면을 생각했을 때 모든 면에서의 전기장이 0이기 때문에 폐곡면을 통해 빠져나가는 선속은 0이다. 따라서 그 폐곡면 내의 전하는 0이다. 임의의 폐곡면 내부의 전하가 언제나 0이므로 도체 내부에 초과된 전하는 존재할 수 없다.

도체 표면의 전기장은 표면에 수직하게 형성된다.

따라서 도체의 초과 전하는 도체의 표면에만 존재하게 되고 이것이 도체 표면에서 면에 수직한 전기장을 만드는 원천이 된다.

도체 표면에서 형성되는 전기장은 표면의 면전하밀도에 비례한다. \[ E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0} \] 이 값은 평면전하분포의 경우보다 두배 큰 값이다. 이는 도체 표면 바로 바깥에는 전기장이 존재하지만 도체 내부에는 전기장이 존재하지 않아서 양쪽으로의 전기장이 허용되는 평면전하분포의 경우와는 달리 한쪽으로 쏠리기 때문이다.

_ 평면전하분포_ 가우스 법칙_ 자유전자_ 전기장_ 전류_ 대전