[일반물리학] 25강 축전기 질문 (Electric field, conductor, capacitor, electron, power source, insulator, voltage, charge, field, resistor.)

질문 요약

도체 내부에는 분명 전기장이 없다고 배웠는데 어떻게 잔자가 이동해서 커패시터에 쌓이는 것인가요? 전기장이 도체를 따라 형성이 된다면 어떤원리로 전기장이 방향이 변하나요? 네모 모양의 회로를 생각해보면 전선의 모양이 네모이고 전기장이 전기선 내부를 다라 형성이 되어야 전자가 움직일텐데 어떤 원리로 전기장이 도체를 따라서 내부에 형성이 되는 건인가요? 전원과 축전기의 전압이 같아지면 도선의 전기장이 0이 된다는거는 알겠습니다. 그런데 충전되는 동안 어떤원리로 전기장이 도선모양으로 형성이 되는건가요?

답변 요약

조금 엄밀한 설명은..장론(Field theory)를 통한 설명이 가능하지만, 일반물리학 수준에서의 답을 올립니다. 우선, 전기전도 모델을 생각해보면, 도선을 불연속적인 도체의 결합이라고 가정합니다. 이 불연속적인 도체내에 전기장으로 인해 전위는 선형적으로 변한다는 가정을 하고, 이를 만족하는 물질이 옴성저항체 이지요. 도선의 양단에 전위차를 형성시키게 되면, 전위가 선형적으로 변하는 과정에서의 전기장이 형성되게 되고, 차폐가 가능하다면, 차폐된 공간내에 전기장이 존재하게됩니다. 물론 이 전기장은 공간내에 광속으로 전파되는 것이고, 이 전파는 도선의 곡률과는 관계없이 도선 내부에 전달이 되는 모형으로 이해하는 것입니다.

원본 바로가기 >>>

 

Unsplash 추천 이미지 (키워드 : Electric field, conductor, capacitor, electron, power source, insulator, voltage, charge, field, resistor. )

 

[일반물리학] 25강 축전기 질문에 대한 답변

도체 내부에 전기장이 존재하지 않는다는 사실과 축전기에 전하가 쌓이는 과정에 대해 의문을 제기하셨네요. 이 질문에 대해 일반물리학 수준에서 설명해보겠습니다. 일단 기본적으로 이해해야 할 것은 전기장, 전하, 그리고 도체 내부에서의 전기장의 특성입니다.

도체 내부의 전기장과 전하 이동

도체 내부에 전기장이 존재하지 않는 이유는 도체 내부의 자유 전자들이 외부에서 가해진 전기장에 의해 재배치되기 때문입니다. 이 재배치 과정에서 도체 내부의 전하는 전기장을 상쇄시키게 되며, 결과적으로 도체 내부의 전기장은 0이 되는 것입니다. 하지만 이는 정전 상태에서만 성립하는 이야기이며, 전기장이 변화하는 동안, 즉 도체에 전하가 충전되거나 방전되는 과정에서는 도체 내부에 일시적으로 전기장이 발생할 수 있습니다.

축전기와 전기장

축전기에 전하가 축적되는 원리는 도체의 양단에 전위차가 생성되면, 그 전위차에 따라 전기장이 형성되고, 이 전기장이 전하를 이동시키는 역할을 합니다. 축전기의 경우, 두 도체 사이에 절연체(유전체)가 존재하는데, 이 절연체가 전하의 직접적인 이동을 막으면서도 전기장은 통과시킬 수 있습니다. 따라서, 한 도체에 전하가 축적되면, 그 전하에 의해 생성된 전기장이 유전체를 통해 반대쪽 도체에 영향을 미치게 되고, 이는 반대쪽 도체에서 전하가 재배치되게 만듭니다.

도선 내의 전기장 형성

도선을 통한 전하의 이동에 있어서는, 도선 양단에 가해진 전압에 의해 도선 내에 전기장이 형성됩니다. 이 전기장은 도선의 모양, 즉 곡률과 관계없이 도선을 따라 형성됩니다. 이는 도선 내부의 전자가 전기장의 방향을 따라 이동하기 때문입니다. 도선의 모양이 곡선이라 할지라도, 전기장은 도선 내부를 따라 형성되며, 이는 전자들이 전기장의 방향을 따라 움직이기 때문입니다.

이 과정을 수학적으로 나타내면, 도선 내부의 전기장 \(\mathbf{E}\)는 전압 \(V\)와 도선의 길이 \(L\)에 의해 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

\[ \mathbf{E} = \frac{V}{L} \]

여기서, 전기장의 방향은 전압이 높은 지점에서 낮은 지점으로 형성됩니다.

결론

결론적으로, 도체 내부에 전기장이 없다는 것은 정전 상태를 말하는 것이며, 전기장이 변화하는 과정에서는 도체 내부에도 일시적으로 전기장이 형성될 수 있습니다. 축전기에 전하가 축적되는 과정은 이러한 원리를 바탕으로 합니다. 도선 내부에 전기장이 형성되는 것은 도선 양단에 가해진 전압에 의해 발생하며, 이 전기장은 도선을 따라 전하를 이동시키는 역할을 합니다.

유니스터디 바로가기 : https://www.unistudy.co.kr/megauni.asp

학습Q&A 바로가기 : https://www.unistudy.co.kr/community/qna_list.asp