전위


등전위

전위가 동일한 값을 가지는 곡면을 상상할 수 있다.

두 지점을 이어준 경로에 대한 전기장의 선적분이 0 이 된다면 두 지점사이의 전위차는 없다. 앞의 점전하인 경우 전하로부터 떨어진 거리가 같다면 전위차이가 없는 것이다. 이런 경우 두 지점이 등전위라고 말하며, 전위가 같은 지점을 전부 이어주면 3차원에서는 표면을, 2차원에서는 곡선을 이루게 되는 데 이를 각각 등전위면, 등전위선이라 한다.

다음 그림에 여러 가지 전기장의 분포에 대한 등전위선을 보여주고 있다.

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전기장과 등전위_ (a)는 왼편에서 오른쪽으로 향하는 균일한 전기장이 형성된 공간의 등전위선을 점선으로 나타낸다. 3차원에서라면 등전위를 이루는 영역은 전기장에 수직한 면이 된다. 이 경우는 등전위면이 될 것이다. (b)는 + 전하의 점전하가 만드는 전기장과 이의 등전위선을 나타낸다. 전기장은 점전하에서 바깥으로 향한다. 3차원이라면 등전위를 이루는 영역, 즉 등전위면전하의 위치가 중심이 되는 구면이 된다.

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쌍극자의 등전위_ +와 -의 두 점전하가 쌍극자를 이루고 있을 때의 전기장등전위선을 보여준다. 전기장은 +에서 나와서 -에서 끝난다. 등전위선은 각 지점에서의 전기장에 수직하게 지나므로 그림처럼 찌그러진 원의 모양을 한다. 3차원으로 생각하면 두 점전하를 이어준 직선에 대해 회전시킨 회전체의 곡면이 될 것이다.

등전위면은 전기장과 수직으로 만난다.

위 그림에서 전기장등전위면은 수직으로 지나는 듯이 보이는 데 이는 사실일까? 언제나 전기장에 수직으로 전하를 옮긴다면 전기장이 해주는 일이 0 이므로 전위차이가 없다. 따라서 전기장등전위면이 어디서나 수직으로 교차하게 된다.


_ 전기장_ 전하

번개

구름의 마찰로 수백만 볼트의 전위차가 생긴다.

여름날 소나기가 내리면서 번개가 치고 뒤이어 천둥소리가 들려오는 경우가 있다. 특히 밤이라면 번개불은 순간적으로 주변을 환하게 밝힐 정도로 밝게 보인다. 아래 그림에서 보듯이 구름의 낮은 층이 대전되어 이것이 대지를 + 로 대전시켜서 둘 사이의 공기층이 절면파괴될 정도가 되면 방전에 의해 급격하게 전류가 흘러서 빛이 발생된다. 공기가 절연파괴되는 전압이 3×106V/m 정도인 데 이때는 공기의 분자가 이온화 되어 도체처럼 전류를 마음대로 흘려주게 된다. 이렇게 구름이 대전되는 이유는 구름을 구성하는 물방울이나 얼음조각이 대기의 순환에 의해 아래위로 오르내리면서 전하가 옮겨가기 때문으로 믿어진다.

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번개_번개는 대기의 전기장에 축적된 전기에너지가 일시에 방출되는 현상이다. 구름을 형성하는 작은 물방울은 기류에 의해 상승하고, 이 과정에서 만들어지는 큰 얼음덩어리의 우박은 중력에 의해 떨어지면서 구름의 아래 층을 음으로 위 층을 양으로 대전시키게 된다. 따라서 대기의 열적인 에너지는 전기적인 에너지로 변해서 구름에 축적된다고 생각할 수 있다. 축적된 에너지가 점점 많아지면 구름과 지표면 사이에 큰 전기장이 형성되고 이에 따라 절연파괴가 일어나서 전류가 급격하게 흘러 번개가 치고 천둥이 울리게 된다.


_ 전기장_ 이온_ 전류_ 전하_ 도체_ 대전



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