가우스 법칙의 응용


평면전하분포

평면으로부터의 거리에 무관한, 일정한 세기의 전기장이 형성된다.

균일하게 대전된 평면의 경우 그 평면에서 가까운 거리에서 형성되는 전기장도 가우스 법칙으로 계산할 수 있다. 평면에서 가까운 거리라 함은 그 지점에서 볼 때 평면이 무한히 펼쳐져 있는 것으로 생각할 수 있는 상황을 말한다. 따라서 평면이 펼쳐진 방향으로 이동했을 때 전기장의 크기가 변함이 없고 또한 평면에 수직한 방향으로 놓여 있다고 생각할 수 있다. 이에 따라 다음과 같이 가우스 면을 생각하면 가우스 적분이 쉽게 계산된다.

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평면전하분포의 가우스 법칙 적용_ 평면을 통과하는 기둥모양을 가우스 적분면으로 삼는다. 기둥의 단면적을 A로 하면 기둥의 폐곡면 내부에 들어 있는 전하량은 σA가 된다.

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선형전하분포의 가우스 적분면_ 옆에서 본 모습으로 양쪽 뚜껑면에서 전기장이 면에 수직하게 지나간다. 뚜껑에서의 면적벡터는 바깥으로 향하게 되므로 전기장과 같은 방향을 이룬다.

단위면적당 전하량을 면전하밀도라고 하며 이 평면의 경우 전 평면에 균일하게 $\sigma$라 하자. 가우스 적분면을 위 그림처럼 삼으면 다음과 같이 가우스 법칙이 적용된다. \[ \eqalign{ \oint_{\mathrm{cylinder}} \vec{E} \cdot d \vec{A} &=& \oint_{\mathrm{both ~ side}} \vec{E} \cdot d \vec{A} \\ &=& \oint_{\mathrm{both ~ side}} EdA \\ &=& E \oint_{\mathrm{both ~ side}} dA \\ &=& [2A] E } \] 으로 \[ [2A] E = \frac{1}{\varepsilon_0} \sigma A \] 이다. 이제 전기장은 다음과 같다. \[ E = \frac{\sigma}{2 \varepsilon_0}. \] 따라서 전기장은 평면과의 거리에 관계없이 같은 크기로서 면이 +로 대전된 경우 면에서 양쪽 바깥으로 빠져나가는 방향으로 전기장이 형성됨을 알 수 있다. 이와 유사한 상황으로 도체의 표면에 형성되는 전기장의 세기를 구할 수도 있다.


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