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1. 전하와 전기력
1.1. 전하와 전하량
전하는 물질을 구성하는 기본 입자인 전자와 양성자가 갖고 있는 기본적인 속성이다. 전자는 음전하를 띠고 있으며, 양성자는 양전하를 갖고 있다. 전하는 전자기적 상호작용을 통해 다른 입자들과 영향을 주고받으며, 전하의 종류와 크기에 따라 인력과 척력이 작용한다.
모든 전하는 양전하와 음전하의 두 가지 종류가 있으며, 이 둘은 정확히 크기가 같지만 부호가 반대이다. 예를 들어 전자의 전하량은 약 -1.602×10^-19 C이며, 양성자의 전하량은 그와 정확히 같은 크기인 +1.602×10^-19 C이다. 이처럼 전하량은 기본 전하량의 정수배로 양자화되어 있다.
대부분의 물체는 전기적으로 중성을 이루고 있다. 즉, 양전하와 음전하의 총합이 0이 되어 전체적으로 중성을 띠고 있는 것이다. 하지만 외부의 힘이 가해지면 물체 내부의 전하 분포가 변화하여 양전하나 음전하가 우세하게 된다. 이러한 상태를 대전 상태라고 하며, 이때 물체는 전기장을 생성하게 된다.
전하량의 단위는 쿨롱(C)이며, 1C는 약 6.24×10^18개의 기본 전하량에 해당한다. 전하량은 전자기학에서 매우 중요한 개념으로, 전기력, 전류, 전압 등 전자기 현상의 근간을 이루는 물리량이다.
1.2. 쿨롱 법칙
쿨롱 법칙은 두 점전하 사이에 작용하는 전기력의 특성을 규명한 법칙이다. 쿨롱 법칙에 따르면 두 전하 사이에 작용하는 전기력의 크기는 두 전하의 크기의 곱에 비례하고 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례한다. 즉, 전기력의 크기는 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하는 것이다.
수식으로 나타내면 다음과 같다. 두 전하 q1과 q2 사이에 작용하는 전기력의 크기 F는 다음과 같이 표현된다:
F = k * (q1 * q2) / r^2
여기서 k는 비례상수로, 진공 중에서 k = 8.99 x 10^9 N·m^2/C^2의 값을 가진다. 이 상수를 전기력 상수라고 한다. 또한 r은 두 전하 사이의 거리이다.
쿨롱 법칙은 다음과 같은 특징을 가진다:
1. 전기력은 두 전하를 잇는 직선 상에 작용한다.
2. 전기력은 두 전하의 부호에 따라 인력 또는 척력으로 작용한다.
3. 전기력의 크기는 두 전하의 크기의 곱에 비례한다.
4. 전기력의 크기는 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례한다.
5. 전기력은 벡터량이므로 방향성을 가진다.
이러한 쿨롱 법칙은 정전기 현상, 전하의 이동, 전기장 등 전기 및 전자기 현상을 이해하는 데 기초가 되는 중요한 개념이다.
1.3. 정전기 유도
정전기 유도는 전기적으로 중성인 물체에 대전체를 가까이 할 때, 먼 쪽에는 대전체와 같은 종류의 전하가, 가까운 쪽에는 대전체와 다른 종류의 전하가 유도되는 현상을 말한다.
정전기 유도는 도체와 부도체에서 각각 다른 방식으로 일어난다. 도체에서는 자유 전자의 이동으로 인해 정전기 유도가 일어나며, 부도체에서는 분자 및 원자 내의 전하 재배열을 통해 정전기 유도가 발생한다.
도체에서의 정전기 유도는 다음과 같은 과정으로 일어난다. 전기적으로 중성인 도체에 대전체를 가까이 하면, 도체 내부의 자유 전자들이 대전체 쪽으로 끌려가면서 도체 표면에 반대 극성의 전하가 유도된다. 이때 도체 내부에는 대전체와 같은 극성의 전하가 유도된다. 대전체를 도체에 접촉시키면 도체 내부의 자유 전자가 대전체로 이동하여 도체가 대전체와 같은 전하를 띠게 되고, 따라서 서로 밀어내는 척력이 작용하게 된다.
부도체에서의 정전기 유도는 분자나 원자 내에서 전하의 재배열을 통해 일어난다. 전기적으로 중성인...
