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1. 정전기와 전기의 기본 원리
1.1. 정전기와 마찰전기
정전기와 마찰전기는 물체가 마찰을 통해 전기를 띠게 되는 현상을 말한다. 물체를 구성하는 원자핵의 주변에는 전자들이 돌고 있는데, 이 전자들은 마찰을 통해 다른 물체로 이동을 하게 된다. 이 과정에서 전기가 조금씩 저장되는데, 적정 한도 이상 전기가 쌓이면 적절한 유전체에 닿았을 때 순식간에 불꽃을 튀며 이동하게 된다. 이렇게 마찰로 인해 발생한 정지된 전기를 "정전기" 또는 "마찰전기"라고 한다. "고요할 정(靜)"이라는 단어를 사용하여 정전기라고 부르는 이유는 이 전기가 움직이지 않고 한곳에 고정되어 있기 때문이다.
1.2. 정전기 법칙
같은 전하들 사이에서는 서로 미는 힘(척력)이 작용하고, 부호가 다른 전하들 사이에서는 서로 끄는 힘(인력)이 작용한다"". 양전하와 양전하를 붙이려고 하면 반발하고, 음전하와 음전하를 붙이려고 해도 반발한다. 이러한 힘을 척력(배척력)이라고 한다. 한편, 양전하와 음전하가 서로 붙으려는 성질이 있다. 이러한 힘을 인력이라고 한다. 이와 같이 전하 사이에는 인력과 척력이 작용하는데, 이를 정전기력이라고 한다"".
1.3. 전기장
양(＋)전하와 음(－)전하 사이에 전기적인 힘이 미치는 공간을 전기장이라고 한다. 전기장은 단위 전하량당 작용받는 전기력으로 정의할 수 있다. 대전된 물체 사이에서는 전기적인 힘이 작용하고 이를 전기장이라고 한다.
전기장은 정전기력의 세기와 방향을 나타내는 벡터량이다. 전기장의 방향은 양(＋)전하가 받는 힘의 방향이며, 전기장의 세기는 단위 전하가 받는 힘의 크기로 정의된다. 즉, 전기장의 세기는 단위 전하량당 작용하는 전기력의 크기를 나타낸다.
전기장의 세기는 공간의 한 점에서 단위 양(＋)전하가 받는 전기력의 크기로 정의되며, 단위는 뉴턴/쿨롱(N/C)이다. 전기장의 세기가 클수록 단위 전하에 작용하는 전기력이 크다는 것을 의미한다. 또한 전기장의 방향은 단위 양(＋)전하가 받는 힘의 방향과 일치한다.
정전기 실험에서 대전된 물체 주변에 띄워진 종이조각이나 전하들의 움직임을 관찰하면 전기장의 존재와 방향을 확인할 수 있다. 대전된 물체 주변에서 전하들이 받는 힘의 방향과 크기를 통해 전기장의 세기와 방향을 파악할 수 있다.
전기장은 전기력선으로 시각화할 수 있다. 전기력선은 전기장 내에서 단위 양(＋)전하가 받는 힘의 방향을 나타내며, 전기력선의 밀집도는 전기장의 세기를 나타낸다. 전기력선은 항상 양(＋)전하에서 음(－)전하 방향으로 진행하며, 서로 교차하지 않는다.
요약하면, 전기장은 대전된 물체 사이에 작용하는 전기력의 세기와 방향을 나타내는 개념이며, 전기력선으로 시각화할 수 있다. 전기장의 세기와 방향을 이해하는 것은 전기 현상을 이해하는 데 매우 중요하다.
1.4. 쿨롱의 법칙
쿨롱의 법칙은 1785년에 찰스 쿨롱이 발견한 정전기력에 대한 법칙이다. 쿨롱의 법칙에 따르면 "두 대전체 사이에 작용하는 힘은 두 전하의 크기(전기량)의 곱에 비례하고 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례한다."라고 설명된다.
즉, 대전된 두 물체를 가까이 하면 그 물체들 사이에 전하 사이의 서로 반발하는 힘 또는 끌어당기는 힘이 작용한다. 이 힘은 두 전하의 크기의 곱에 비례하고 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례한다.
수식적으로 표현하면 F = k(Q1*Q2)/R^2 와 같다. 여기서 F는 두 대전체 사이에 작용하는 힘, Q1과 Q2는 두 전하의 크기, R은 두 전하 사이의 거리, k는 비례상수이다.
이를 통해 알 수 있듯이, 같은 극성의 전하들 사이에는 반발력이 작용하고 다른 극성의 전하들 사이에는 인력이 작용한다. 또한 전하량이 크거나 거리가 가까울수록 더 큰 힘이 발생한다.
쿨롱의 법칙은 정전기력에 대한 기본 원리를 나타내며, 전기기기의 설계 및 정전기 방전 현상 등을 이해하는데 중요한 역할을 한다.
1.5. 전위차
전위차는 대전된 두 물체 사이의 전기력의 크기를 설명할 때 사용되는 용어이다. 전위차가 있는 두 물체 사이에 대전된 물체가 놓이게 되면 그 물체는 대전된 극에 따라 한쪽 방향으로 움직이는 힘을 받게 된다.
전기장 안의 두 점 사이의 전위의 차로 전압이라고도...
