[Section 1] 전하의 힘

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[Intro] 전자기학 미리보기

0. INTRO

 우리가 사는 이 세상에는 물질이 서로 상호작용하게 하는 여러 종류의 힘이 존재한다. 그중 전자기학적 힘은 그 전하량에 따라서 물질에 영향을 준다. 실제로 복잡한 현실의 전자기적 상호작용을 단순화하고자 우리는 시간을 정지한 특수한 상황에서 상호작용을 알아본다. 그 시간이 정지한 특수한 상황을 우리는 정전 기학이라고 한다.

1. 절대 변위

물리학에서 거리는 벡터로 표현한다. 그 벡터는 관찰자에 따라서 그 위치가 달라진다. 즉, 벡터는 좌표계에 따라 상대적인 표현인 셈이다. 그 절대 거리를 나타내는 벡터는 그리스어로 에타(Eta), η 로 표현한다. 그렇다면, 벡터를 어떤 좌표계에서도 바뀌지 않는 절대적으로 기술하기 위해서는 어떤 방법이 필요할까? 

 

다음과 같은 두 3차원 좌표계에 거리 벡터 η 를 상상해보자.

 

거리 벡터, 에타

 

* 에타 벡터가 있는 좌표계 1은 단위 벡터가 각각 a, b, c로 기술되어있고, 바깥의 좌표계 2는 i, j, k 단위 벡터로 축이 이루어져 있다.

 

절대 변위인 η 는 좌표계 1에서의 원점까지의 거리 벡터와 η벡터의 끝점 부분까지의 거리 벡터의 차로 기술한다.

즉, 다음과 같이 절대 변위를 기술한다.

 

절대 변위, 에타

 

2. 쿨롱의 법칙(Coulomb's Law)

정전 기학에서는 전하가 있는 물질의 근원(Source)을 점으로 기술한다. 그 전하들끼리 상호작용하는 힘을 나타내는 법칙이 바로 쿨롱의 법칙(Coulomb's Law)이라고 한다.

 

쿨롱의 법칙을 어떠한 좌표계에서도 일정하도록 절대 변위로 기술한 식은 다음과 같다.

 

쿨롱의 법칙

 

여기에서 ε₀(the permittivity of free space)는 진공상태에서의 유전율이라고 부른다.

이 유전율 상수는 다음과 같은 크기와 단위를 가진다.

 

진공의 유전율

점 전하 Q는 또 다른 점 전하 q에 의해서 작용받는 시험 전하(Test Charge)를 의미한다.

 

따라서, 쿨롱의 법칙을 나타내는 위의 식에서 힘은 시험 전하에 작용하는 힘을 의미한다.

 

 

 

* 다음 강의는 전하 분포에 따른 전기장입니다.

[Section 1] 전하 분포에 따른 전기장