물리 2 -전기장과 정전기 유도, 저항의 연결과 전기 에너지, 트랜지스터와 축전기

전기장과 정전기 유도

전기장과 전기력선
(1) 쿨롱 법칙
1)대전과대전체:물체가전기를띠는현상을대전,전기를띤물체 를 대전체라고 한다.
2)전하:모든전기현상의근원을전하라고하며,그양을전하량이 라고 한다.
3)전하의 종류: 양(+)전하, 음(-)전하
4)마찰 전기: 서로 다른 두 물체의 마찰에 의한 전자의 이동으로 형성된 전기를 마찰 전기라고 한다. 털가죽과 에보나이트 막대를 마찰시켰을 때 털가죽은 양(+)전하를, 에보나이트 막대는 음(-)전하를 띤다.

5)전기력: 전하들 사이에 작용하는 힘을 전기력이라고 한다. 같은종류의 전하 사이에는 미는 힘(척력), 다른 종류의 전하 사이에는 끌어당기는 힘(인력)이 작용한다.

6)쿨롱 법칙: 두 점전하 사이의 전기력의 크기는 각 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하며, 두 전하를 잇는 직선상에서 작용한다.

(2)전기장: 전하 주위에는 전기장이 형성되어 다른 전하에 전기력이 작용한다. 전기장의 세기와 방향은 단위 양전하(+1 C)를 놓아 측정할 수 있다.
1)전기장의 세기: 전기장 내의 한 점에 단위 양전하(+1C)를 놓았 을때이단위양전하에작용하는전기력의크기를그점에서의 전기장의 세기라 하고, 기호 E로 표시한다. 전기장의 세기가 E인지점에전하량이q인전하를놓았을때전하에작용하는전기 력의크기를F라고하면전기장의세기E는다음과같다.
2)전기장의 방향: 전기장 내의 한 지점에 놓여 있는 양(+)전하에 작용하는 전기력의 방향이다. 양(+)전하 주위에서의 전기장의 방향은 양(+)전하에서 멀어지는 쪽을 향하고, 음(-)전하 주위에서의 전기장의 방향은 음(-)전하를 향한다.
3)점전하 주위의 전기장: 전하량이 Q인 점전하로부터 떨어진 거리 가 r인 곳에서 전하량이 q인 점전하에 작용하는 전기력의 크기 를 F라 하면 전하량이 Q인 점전하로부터 떨어진 거리가 r인 곳 에서의 전기장의 세기 E는 다음과 같다.

(3)전기력선
1)전기력선: 양(+)전하에 작용하는 전기력의 방향을 연속적으로 연결한 선이다.
2)전기력선의 특징
•양(+)전하에서 나오는 방향이며 음(-)전하로 들어가는 방향 이다.
•서로 교차하거나 분리되거나 끊어지지 않는다.
•전기력선 위의 한 점에서 그은 접선의 방향이 그 점에서 전기장의 방향이다.
•전기력선의 밀도(전기장에 수직인 단위 면적을 지나는 전기력선의 수)가 클수록 전기장의 세기가 큰 곳이다.



정전기 유도와 유전 분극
(1) 도체와 절연체
1)도체: 비저항이 작아 전류가 잘 흐르는 물질을 도체라고 한다.  구리, 알루미늄, 금과 같은 금속, 탄소 막대, 전해질 수용액 등
•도체 내부에서 전기장은 0이다.
•도체가 대전되면 전하는 표면에만 분포한다.
•도체에는 특정 원자에 속박되지 않고 여러 원자 사이를 자유롭 게 이동할 수 있는 자유 전자가 많다.
2)절연체: 비저항이 커서 전류가 잘 흐르지 못하는 물질을 절연체 또는 부도체라고 한다. 유리, 종이, 고무, 나무, 순수한 물(증류수) 등
•절연체의 전자들은 대부분 원자에 구속되어 있으며, 자유 전자가 없다.
•절연체에도 열 또는 강한 전기장을 가하거나 불순물을 첨가하면 전류를 흐르게 할 수 있다.


(2) 정전기 유도와 유전 분극
1)도체에서의 정전기 유도: 대전되지 않은 도체 에대전체를가까이하 면도체내의자유전자가 이동하여 대전체와 가까운 쪽에는 대전체와 다른 종류의 전하가, 먼 쪽에는 대전체와 같은 종류의 전하가 유도되는 현상이다.

2) 절연체에서의 정전기 유도(유전 분극): 절연체 내부에는 자유 전자가 없기때문에도체와같은전자의이동에의한 정전기 유도 현상은 일어나지 않지만 분자나 원자 내부에서 전기 력에 의하여 분극이 일어난다. 따라서 절연체에 대전체를 가까이 하면 대전체와 가까운 쪽에는 대전체와 다른 종류의 전하가, 먼 쪽에는 대전체와 같은 종류의 전하가 유도된다.

3)검전기: 도체에서의 정전기 유도 현상을 이용하여 대전 유무, 대 전된 전하량의 대소 관계, 전하의 종류를 알아보는 기구이다.

(4)정전기 유도 현상의 이용
1)전기집진기:먼지제거기구이다.집진기내에대전된극판을배 열시키고방전극과집진극사이에높은전압을걸어주면방전 극에서 발생한 전자에 의해 먼지가 음(-)전하로 대전되어 (+) 극인 집진 극으로 끌려가 모인다.
2)정전 도장: 물체를 접지시키고 페인트를 뿌리는 분무 장치에 강 한 (-)극을 걸어 페인트 입자를 음(-)전하로 대전시키면 음 (-)전하로 대전된 페인트의 정전기 유도 효과로 접지된 물체는 양(+)전하로 대전되고 둘 사이에 전기적 인력이 작용하여 페인 트가 물체에 달라붙는다.

3)음식물포장랩:랩을분리할때대전된랩이그릇이나다른랩에유전분극에의한표면전하를유도하여랩끼리또는랩과그릇을 서로 잘달라붙게한다.
4) 복사기의 복사 원리: 종이에서 반사된 빛이 양(+)전하로 대전된
드럼을비추면빛이닿은부분은전하를띠지않고빛이닿지않 은 부분은 그대로 양(+)전하를 띤다. 드럼이 회전하면 음(-)전 하를 띠는 토너가 드럼의 양(+)전하로 대전된 부분에 붙는다.

(5) 방전과 접지
1) 방전: 대전된 물체가 전하를 잃고 전기적으로 중성화되거나, 기 체 등의 절연체가 전기장으로 인해 절연성을 잃고 전류가 흐르는 현상이다. 번개는 대전된 구름과 지표 사이의 방전 현상이다.
2) 접지:감전,정전기에의한화재나고장등을방지할목적으로전 기 기기를 지면과 도선으로 연결하는 것이다. 접지된 피뢰침을 이용하여 번개에 의한 건물의 피해를 예방하고, 주유기를 접지하여 방전에 의한 화재를 예방한다.

저항의 연결과 전기 에너지

전압(전위차)과 전류
(1) 전위: 단위 양전하(+1 C)를 전기장 내의 기준점으로부터 어떤 점까지 이동시키는 데 필요한 일로, 그 단위 양전하(+1 C)가 가 지는 전기력에 의한 퍼텐셜 에너지를 나타낸다.
1)전위의 대소 관계: 양(+)전하 주위는 음(-)전하 주위보다 전위 가높다.저항이없는도체내부는전위가모두같다.
2)전위차:두지점사이의전위의차를전위차또는전압이라고한 다.전하량이+q인전하를전기장내의한점A에서다른점B 까지이동시키는데필요한일을W라고하면,두지점사이의 전위차 V는 다음과 같다.


(2) 균일한 전기장에서의 일: 균일한 전기장(E)에서 전하량이 +q인 전하를 극판 A에서 d만큼 떨어진 극판 B까지 옮기는데 필요한 일W는 다음과같다.

(3) 전류: 전하를 띤 입자의 흐름이다.
1)전류의 방향: 양(+)전하가 이동하는 방향으로 정한다. 음(-)전 하인 전자가 이동하는 방향의 반대 방향이다.
2)전류의 세기(I): 단위 시간(1초) 동안 도선의 단면을 통과하는 전 하량이다. 도선의 단면을 t초 동안 통과한 전하량을 Q라고 하면 전류의 세기 I는 다음과 같다.


(4) 전기저항과옴의법칙
1)전기 저항(R): 전류의 흐름을 방해하는 정도를 수치로 나타낸 값이다.
2)옴의 법칙: 저항에 흐르는 전류의 세기 I는 저항에 걸린 전압 V에 비례하고, 저항의 저항값 R에 반비례한다.




저항의 연결
(1) 직렬연결
1)전자가한개의닫힌회로를따라 이동하므로 전하량 보존 법칙에 따라 각각의 저항에 흐르는 전류 I 의세기I는같다.

2)전체전압 V는 각 저항에 걸리는 전압의 합과 같다.
3)합성 저항값 R는 R=R1+R2+R3이다.
4)각저항에걸리는전압의비는각저항값의비와같다.
5)전기 저항의 직렬연결은 저항의 길이가 길어지는 효과이므로 합성 저항값은 저항값이 가장 큰 저항보다 크다.



(2) 병렬연결
1) 각 저항의 양단이 전원에 직접 연결되어 있으므로 각 저항에 걸리는 전압이 같다.
2) 전하량 보존 법칙에 따라 전체 전류는 각 저항에 흐르는 전류의 합과 같다.

4) 전기 저항의 병렬연결은 저항의 단면적이 커지는 효과이므로 합 성 저항값은 저항값이 가장 작은 저항보다 작다.

(3) 전기 에너지: 저항에 전류 I가 시간 t 동안 흐르면 이동한 전하량 은 q=It가 되므로 이 전하가 받은 일은 다음과 같다.
(4) 전력: 단위 시간(1초) 동안에 소비하거나 공급되는 전기 에너지의 양으로 소비 전력이라고도 한다.
1) 저항값이 R인 저항에 걸린 전압이 V일 때 저항에 전류 I가 시 간t 동안흐른다면전력P는다음과같다.
2) 전류의 열작용: 저항에 전류가 흐르면 전기 에너지가 열에너지로 전환된다.

트랜지스터와 축전기

트랜지스터
(1) 트랜지스터: p–n 접합 반도체에 p형 반도체나 n형 반도체를 추 가하여 만든 반도체 소자이다.

1)구조: 이미터(E), 베이스(B), 컬렉터(C)의 세 개의 단자가 있고 이미터와컬렉터사이의베이스는두께가수μm 정도로매우얇
게 제작된다.
2)역할: 트랜지스터는 회로에서 증폭 작용과 스위칭 작용을 한다.


(2) 트랜지스터의 작동 원리: 그림과 같이 n–p–n형 트랜지스터의 이미터와 베이스 사이에 순방향 전압 Vbc를 걸고 컬렉터와 베이스 사이에 역방향 전압V‚cd를 걸면 베이스에서 이미터로 전류가 흐른다. 이미터에서 베 이스로 이동하는 전자의 대부분이 얇은 베이스를 지나 컬렉터로 이동하여 컬렉터에도 전류가 흐르게 된다. 이미터와 베이스에 역 방향 전압을 걸어 베이스에 전류가 흐르지 않으면 컬렉터에 흐르 는 전류도 0이 된다. 이처럼 트랜지스터는 베이스에 흐르는 전류 를 이용하여 컬렉터에 흐르는 전류를 조절할 수 있다.
•이미터에 흐르는 전류의 세기 Ie는 베이스에 흐르는 전류의 세기 Ib와 컬렉터에 흐르는 전류의 세기 I‚c의 합이다.

(3) 증폭 작용: 트랜지스터의 베이스가 매우 얇고, Vbe«V‚cb이므로 이미터에서 이동한 전자의 대부분은 베이스를 지나 컬렉터로 흐 른다. 따라서 Ib«Ic이고, Iõ의 작은 변화가 Ic‚의 큰 변화를 유 도하여 베이스에 흐르는 작은 교류 신호를 컬렉터에서 크게 증폭 할 수 있다.
•전류 증폭률: Ib에 대한 I‚c의 비이다.

(4) 스위칭 작용: 베이스에 전류가 흐르면 컬렉터에도 전류가 흐르고, 베이스에 전류가 흐르지 않으면 컬렉터에도 전류가 흐르지 않는 다. 이처럼 트랜지스터를 이용해 회로의 전류 흐름 여부를 조절 하는 것을 스위칭 작용이라고 한다. 디지털 논리 회로에서 스위 칭 작용을 이용해 회로의 전류 흐름 여부를 제어할 수 있다.
(5) 바이어스 전압: 트랜지스터를 원활하게 작동시키기 위해서는 이미 터와 베이스, 베이스와 컬렉터 사이에 적절한 전압을 걸어 주어야 하는데, 이 전압을 바이어스 전압이라고 한다.
1)바이어스 전압을 걸지 않았을 때: p–n–p형 트랜지스터에서 이미터와 베이스 단자에 바이어스 전압이 걸려 있지 않은 상태에 서는 입력된 교류 신호의 (+)쪽 신호(순방향 전압)에만 반응하여컬렉터 전류가 흐르고, (-)쪽 신호(역방향 전압)에는 컬렉터 전류가 흐르지 않는다.
2)바이어스 전압을 걸었을 때: 베이스에 공급되는 신호 전압의 진 폭이 0.1`V라고 할 때 이미터와 베이스 사이에 바이어스 전압을 1.0`V 걸어 주면 (+)쪽은 바이어스 전압과 신호 전압이 더한 값 인 1.1`V가 되고, (-)쪽은 바이어스 전압에서 신호 전압을 뺀 값인 0.9`V가 되므로 모든 신호가 증폭되어 출력된다.

2)축전기의 전기장: 극판 간격이 d인 평행판 축전기에 전원을 연 결하면 두 금속판에는 전원의 전압과 같은 전위차(V)가 형성될 때까지 양(+)전하, 음(-)전하가 저장되고, 완전히 충전된 후에 는 전류가 흐르지 않는다. 이때 두 금속판 사이에는 균일한 전기 장(E)이 형성된다.  V=Ed

(2) 유전체의 역할
1)유전체: 유리, 종이, 나무, 플라스틱과 같은 부도체
2)축전기 속에 유전체를 넣으면 유전체의 유전 분극에 의해 축전기
에 전하를 더 많이 모을 수 있다.

(4) 축전기의 전기 에너지
1)충전 과정: 전기 용량이 C인 축전기에 전압이 일정한 전원 을 연결하면 전하가 축전기 극 판의 양단에 모이는 동안 전하 량 Q와 축전기 양 극판의 전위 차 V가 비례하여 충전된다.

(5) 축전기의 이용
1) 에너지 저장 장치로 축전기를 활용한 사례
•카메라 플래시: 축전기에 저장된 전기 에너지를 이용하여 짧은
시간 동안 강한 빛을 낼 수 있다.
•자동 제세동기(심장 충격기): 축전기에 저장된 전기 에너지를
순간적으로 한꺼번에 방전시켜 심장 부근에 강한 전류를 흘려
심장 기능을 회복한다.
2) 전기 용량의 변화를 활용한 사례
•키보드: 컴퓨터 키보드의 글자판에는 글자판과 연결된 금속판과 고정된 금속 판이 연결되어 나란하게 배치되어 있어 서글자판을누르면두금속판사이의 간격이 줄어 전기 용량이 증가하고 전 류의 변화를 인식하여 글자를 입력한다.
•콘덴서 마이크: 전지에 연결된 두 금속판이 나란하게 배치되어 있어 소리에 의해 얇은 금속판이 진동할 때 두 금속판 사이의 간격이 달라지면 전기 용량이 변하게 된다.
•터치스크린: 유리 한쪽 표면의 전도성을 높게 만든 후 작은 전 위차를 걸어 주어 균일한 전기장을 만들고 손가락과 같은 도체 가 유리 표면에 닿으면 유리 표면의 전하량이 변하여 유리 사 이에 형성된 균일한 전기장이 변한다. 이때 유리판의 네 모서 리에 있는 센서가 전기장의 변화를 감지하여 손가락의 위치를 인식한다.

전류에 의한 자기장

자기장과 자기력선
(1) 자기장
1) 자기력:자석주위에쇠붙이나다른자석을가까이하면서로당 기거나 미는 힘이 작용하는데, 이렇게 자석이 다른 물체와 상호 작용하는 힘을 자기력이라 한다.
2) 자기장: 자기력이 미치는 공간을 자기장이라 한다.

(2) 자기력선: 막대자석 주위에 철가루를 뿌렸을 때, 자석 주위에 배 열된 철가루의 모양으로 자기력선을 관찰할 수 있다. 자기력선은 나침반 자침의 N극이 가리키는 방향을 연속적으로 이은 선으로 자기력선이 조밀한 곳일수록 자기장의 세기가 크다.
(3) 자기력선의 특징
1) 자석의 N극에서 나와서 S극으로 들어가는 폐곡선이다.
2) 서로 교차하거나 도중에 갈라지거나 끊어지지 않는다.
3) 자기력선 위의 한 점에서 그은 접선 방향이 그 점에서 자기장의 방향이다.
4) 같은 극과 다른 극 사이에서의 자기력선: 같은 극 사이에는 서로 밀어내는 방향의 자기력이 작용하고, 다른 극 사이에는 서로 당기는 방향의 자기력이 작용한다. 이때 자석 주위에서 자기력선의 모양은 그림과 같다.

직선 전류에 의한 자기장
(1) 전류의자기작용:전류가흐르는도선주 위에는 자기장이 형성되며, 이와 같이 전 류에 의해 자기장이 형성되는 것을 전류의 자기 작용이라 한다.
(2) 자기장의 세기: 전류가 흐르는 무한히 긴 직선 도선 주위에 만들 어지는 자기장의 세기 B는 전류의 세기 I에 비례하고, 도선으로 부터의 거리 r에 반비례한다.
(3) 자기장의 방향: 무한히 긴 직선 도선에 전류가 흐르면 도선을 중 심으로 동심원 모양의 자기장이 만들어진다. 자기장의 방향은 오 른손의 엄지손가락을 전류의 방향으로 향하게 할 때 나머지 네 손가락으로 감아쥐는 방향이다. 이는 오른나사가 전류의 방향으 로 진행할 때 나사가 회전하는 방향과 일치한다.

(4) 나란한 두 직선 도선에 전류가 흐를 때 자기력선의 모양: 전류가 흐 르는 두 직선 도선이 같은 방향으로 나란하게 놓여 있는 경우 각 각의 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장이 서로 중첩된다. 이때 도선 주위에서 자기력선의 모양은 그림과 같다.

원형 전류에 의한 자기장
(1) 자기장의 모양
1)원형도선을 매우 작게 자르면 각각의 조각들은 직선 도선에 가깝다. 이때문에 원형 도선에 전류를 흐르게하면 이러한 작은 직선 도선에 흐르는 전류에 의해 만들어진 각각의 자기장들이 합성된 자기장이 원형 도선 주위에 생긴다.
2) 원형 도선을 이루는 직선 도선 근처에서 자기장의 모양은 원 모 양이지만 도선에서 멀어지면 타원 모양이 되다가 원형 도선의 중 심에서는 직선 모양이 된다.

(2) 자기장의 세기: 원형 도선 중심에서 자기장의 세기 B는 전류의 세기 I에 비례하고, 도선이 만드는 원의 반지름 r에 반비례한다.
(3) 자기장의 방향: 원형 도선에 전류가 흐를 때 오른손의 엄지손가락 을 전류의 방향으로 향하게 하고 나머지 네 손가락으로 도선을 감아쥘때네손가락이감아쥐는방향으로원형도선주위에회 전하는 자기장이 형성된다. 이때 원형 도선 중심에서 자기장의 방향은 엄지손가락을 제외한 네 손가락이 가리키는 방향이다.

솔레노이드에 흐르는 전류에 의한 자기장
(1) 솔레노이드에서의 자기장: 긴 원통에 원형 도선을 촘촘하게 감은 것을 솔레노이드라고 한다. 솔레노이드 내부에서는 솔레노이드 의 중심축에 나란하고 균일한 자기장이 형성되고, 솔레노이드 외부에서는 막대자석이 만드는 자기장과 비슷한 모양의 자기장이 형성된다.
(2) 자기장의 세기: 솔레노이드가 충분히 길 경우, 그 내부에서는 방 향과 세기가 일정한 균일한 자기장이 생긴다. 이때 내부에서 자 기장의세기B는전류의세기I에비례하고,단위길이당도선 의감은수n에비례한다.
(3)자기장의 방향: 오른손의 네 손가락으로 솔레노이드에 흐르는 전 류의 방향으로 코일을 감아쥘 때 엄지손가락이 가리키는 방향이 솔레노이드 내부에서의 자기장의 방향이다.

(4)솔레노이드에 흐르는 전류에 의한 자기장의 특징
1) 막대자석에 의한 자기장과 모양이 비슷하다.
2) 내부에 균일한 자기장이 만들어진다.

(5)전자석의 자기장: 솔레노이드 속에 철, 니켈 등과 같은 강자성체 로 만들어진 심을 넣으면 심을 넣기 전 솔레노이드에 흐르는 전류에 의해 생기는 자기장보다 훨씬 강한 자기장이 생기며 이것이 우리가 생활에서 사용하는 전자석이다.