호기심 찾기

‧ 반자성: 외부 자기장에 의해 전자의 분포나 궤도 운동의 변화 따른 양자역학적 효과, 그러나 명확히 설명하고 있는 이론은 아직 없다. 외부자기장과 반대 방향으로 자기 쌍극자 모멘트 발생.

‧ 상자성: 홀수개의 전자를 소유하는 원자나 분자의 전자 스핀에 의한 자기 쌍극자 효과. 외부자기장과 같은 방향으로 자기 쌍극자 모멘트 발생.

‧ 강자성: 한 원자의 전자 스핀이 다른 원자의 전자 스핀과 상호작용하여 형성된 자기구역의 영향에 따른 양자역학적 효과. 외부자기장과 같은 방향으로 자기 쌍극자 모멘트 발생하며, 외부자기장을 사라져도 자기 쌍극자 모멘트는 남아 있음. 

○기전력과 회로에 관한 용어 정리

‧ 전위: 단위 전하에 해주는 일 혹은 에너지로서 물모형으로 비유하면 물의 높이에 해당한다.

‧ 기전력(ε): 전류를 퍼텐셜이 낮은 곳에서 높은 곳으로 흐르게 하는 원인

‧ 단자 전압(Vab): 건전지의 (+) 단자 a, (-) 단자 b 간의 전위차

‧ 내부 저항(r): 건전지 내부의 저항

Vab = ε - Ir

○전류와 저항에 관한 상식

(도선 내 전기장에 관한)

1. 도선 내 전기장이 빛의 속력에 가까운 속력으로 전파되는 이유를 증명하시오. ??

(옴의 법칙)

2. 옴의 법칙에 대해 설명하시오.

 I가 V에 비례하고 또는 J가 E에 비례한다. R이 상수인 경우에 한하여 이 관계를 옴의 법칙이라고 한다.

(전압 강하)

3. 전류가 저항을 지나면 전압 강하가 일어나는 이유를 설명하시오.

 전위의 정의에 의해 전류의 방향은 항상 높은 전위에서 낮은 전위로 향한다. 전위차를 통해 전류가 흐르면 전기 퍼텐셜 에너지를 잃게 되며 이 잃어버린 에너지는 도체 내에서 충돌하여 열을 발생시킨다.

(휴대폰 충전 열발생)

4. 휴대폰을 충전했을 때 뜨거워지는 이유를 설명하시오.

 전지 내부에 전원이 입력하는 총 전력은 εI + I2r 이다. 내부 저항에 의한 전력 I2r 요인에 의해 열이 발생한다.

(겨울 날 자동차 시동)

5. 추운 날 자동차 시동이 잘 안 걸리는 이유를 설명하시오.

 온도와 기전력에 영향을 주는 것이 아니라, 온도가 감소함에 따라 내부 저항이 증가하여 더 작은 전류를 보내기 때문. 우리나라도 지난 날 큰 시동 출력을 위해 더운 물을 자동차 전지에 이용했었다. 

(폐회로인 이유)

6. 도체에 정상 전류가 흐르기 위해서 회로가 폐회로 또는 완전 회로의 일부여야 하는 이유를 설명하시오.

 전위차 때문에 발생한 전기장(E1)에 의해 전류가 흐르면 양(+) 전하들은 도선의 한쪽 끝에 모이고 음(-) 전하들은 다른쪽 끝에 모이게 된다. 짧은 시간에 안에 충분히 쌓인 많은 전하들이 만드는 전기장(E2)에 때문에 도선 내 알짜 전기장은 0이 되므로 전류는 더 이상 흐르지 않게 된다. 이러한 회로에서는 정상 전류가 흐를 수 없다.

 (a) 전기장이 순간적으로 생긴다.

 (b) 이러한 전류는 전하들을 도체의 양단에 모이게 하여 E1에 반대 방향인 전기장 E2를 형성한다. 전체 전기장이 줄어들어 아주 짧은 시간에 0이 된다.

1. ∇×F=0

2. 퍼텐셜 에너지 존재

3. 역학적 에너지 보존

4. 적분값 경로 무관, ∮F∙dl=0

 일반적으로 만유인력과 전기력은 거리에 제곱에 반비례(역제곱 법칙)하기 때문에 보존력이다. 

 유전 파괴는 전위차가 특정한 값 이상일 때 불꽃이 튀는 현상이다. 유전 파괴를 일으키지 않고 버틸 수 있는 최대 전기장을 유전 강도라고 하며, 공기의 유전 강도 이상이 되면 전하의 저장을 견디지 못하고 번개가 친다. 번개는 전류가 흐르게 하기 위해 만들어진 일종의 길이다.

 피뢰침 같이 금속을 뾰족하게 하면 같은 전하에서 전위의 크기의 절대값이 커진다. (관련식: V=Q/4πε0R) 이런 이유로 피뢰침에서 지상보다 유전 강도에 먼저 도달하기 때문에 피뢰침으로 번개가 내린다. 

 만약 도체 내부에 전기장이 존재한다면, 자유 전자가 힘을 받아 움직일 것이다. 자유 전자의 움직임은 전류이다. 그러나 일상적으로 도체를 손으로 만졌을 때, 전류가 흐르지 않는다. 따라서 도체 내부에 전기장이 존재하지 않는다. 이것은 오로지 실험적으로 증명할 수 있다.

 또한 가우스 법칙에 의해 도체 내부에 전기장이 없기 때문에 도체 내부에는 알짜 전하가 없다.