[일반물리학] 전류, 전위차 헷갈리는 개념 질문 (Voltage, potential difference, current, scalar quantity, vector quantity, charge, flow velocity, charge carrier density, Kirchhoff's law, current density)

질문 요약

serway 강의와 교재를 읽고 헷갈리는 부분이 있어 질문드립니다.. 1. V=IR 식에서 V는 외부에서 걸어주는 전위차이므로 항상 양수가 맞나요?? 2. 전류는 스칼라양인가요, 벡터양인가요?? 단위 시간당 단면을 지나는 전하량으로 정의하니, 스칼라양 같기는 하지만 또 (1) 전류를 Aev(drift)n으로 표현한 식을 보면, v는 유동속도 이기도 하고 (2) 전류를 단면적으로 나눈 전류 밀도는 수업에서 벡터양이라고 해주셨고, (3) 전류에는 순방향과 역방향이 있다고 들었는데, 이것을 표현하려면 또 방향이 있어야 하지 않을까... 싶어서 헷갈립니다. 3. I(전류)=Aev(drift)n 식에서 v(drift)와 n(전하운반자밀도)는 각각 어떻게 조절하나요?? 제 생각은 유동속력은 비저항이 낮은 재료로 바꾸어 높이고, 전하운반자갯수밀도는 양이온일 때 가수가 높은 재료를 써서(예를 들어, +1가 대신, +2가) 높인다였습니다. 하지만 전하운반자갯수밀도가 증가하면 또 충돌 횟수가 증가함을 의미하니, 유동속력은 감소하므로 어떤 재료를 써도 v(drift)와 n(전하운반자밀도)의 곱은 비슷할 것 같습니다.

답변 요약

1. 차후에 Kirchhoff 법칙에 서 다루겠지만, 해석하기에 따라 부호를 정해주면 됩니다. 도선의 저항에 의해 단위 전하당 에너지의 변화량을 기술할 때..도선 기준으로 표현하면 (-) 부호를 쓰기도 합니다만, 전기전도 모델을 다루는 과정에서는 이 같은 내용을 굳이 고려할 필요는 없습니다. 전류의 세기와 저항의 곱을 표현한 값이라고만 정리하시다가...일반화된 회로 분석할 때, 다시 보면 위의 의미를 아실 수 있습니다. 2. 전류는 스칼라량입니다. 전류의 밀도를 벡터량으로 해석하여, 전류밀도와 면적벡터를 이용하여 전류를 표현합니다. 이때, 전류밀도가 유동속도에 비례하므로...유동속도와 면적속도의 내적으로 인해 전류가 스칼라량으로 표현됨을 알 수도 있습니다. 3. 유동속도와 운반자 밀도 모두 도체의 재질에 의해 결정됩니다. 유동속도가 클수록, 운반자 밀도가 클수록...충돌횟수가 커지는 효과와 이동하는 전하량이 커지는 효과를 비교하면,,,전달되는 전하량의 효과가 더 큽니다. 중학교에서 배운...빗면에...못을 박아 놓고 구슬을 굴리는 모델을 고려해보시면 아주 좋은 예시가 될 듯 하네요.

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[일반물리학] 전류와 전위차에 관한 헷갈리는 개념 질문과 답변

일반물리학을 공부하면서 전류와 전위차 같은 개념은 기초적이면서도 깊이 이해하기 어려운 부분 중 하나입니다. 여기서는 Serway 강의와 교재를 바탕으로 몇 가지 헷갈리는 질문에 대한 답변을 다뤄보겠습니다.

1. 전위차(V)는 항상 양수인가요?

전위차(V)는 V=IR 식에서 보듯이 전류(I)와 저항(R)의 곱으로 계산됩니다. 여기서 V는 외부에서 걸어주는 전위차를 의미하며, 일반적으로는 양수로 간주됩니다. 하지만 전기 회로에서 전류의 방향이나 전위차의 참조점을 어떻게 설정하느냐에 따라 전위차가 음수가 될 수도 있습니다. 특히 Kirchhoff의 전압 법칙을 적용할 때는 회로의 특정 부분에서 전위차의 부호를 음수로 설정하기도 합니다. 따라서 전위차가 항상 양수라고 단정 지을 수는 없습니다.

2. 전류는 스칼라량인가요, 벡터양인가요?

전류는 단위 시간당 단면을 지나는 전하량으로 정의되며, 이는 스칼라량입니다. 하지만 전류의 흐름에는 방향성이 있기 때문에 벡터량으로 생각할 수도 있습니다. 이러한 이유로 전류 자체는 스칼라량이지만, 전류의 흐름을 설명할 때는 전류 밀도라는 벡터량을 사용합니다. 전류 밀도는 전하의 유동 속도와 전하 운반자의 밀도에 비례하며, 전류 밀도와 단면적 벡터의 내적을 통해 전류를 계산할 수 있습니다. 따라서 전류는 스칼라량이지만, 그 흐름을 설명하는 데에는 벡터량이 사용됩니다.

3. 유동 속도(v_drift)와 전하 운반자 밀도(n)는 어떻게 조절하나요?

전류를 \(I=Av_{\text{drift}}n\) 식으로 표현할 때, \(v_{\text{drift}}\)는 유동 속도, \(n\)은 전하 운반자 밀도입니다. 유동 속도는 도체의 비저항이 낮은 재료를 사용함으로써 높일 수 있습니다. 전하 운반자 밀도는 도체 내의 전하 운반자(예: 전자, 양이온)의 수에 따라 결정되며, 도체의 재질을 선택함으로써 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 양이온의 경우 더 높은 전하를 가진 이온을 사용하면 전하 운반자 밀도를 높일 수 있습니다. 하지만 전하 운반자 밀도가 증가하면 전하 운반자 간의 충돌 확률도 증가하여 유동 속도가 감소할 수 있습니다. 결론적으로, 유동 속도와 전하 운반자 밀도는 서로 영향을 주며, 이 두 요소의 최적 조합을 통해 전류를 효율적으로 조절할 수 있습니다.

전류와 전위차와 관련된 이러한 질문과 답변은 물리학의 기본적인 이해를 넓히는 데 도움이 됩니다. 물리학의 세계는 복잡하지만, 기본 개념을 체계적으로 이해함으로써 더 깊은 지식을 쌓아갈 수 있습니다.

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