21 정전기학

전자기 – 전기, 자기 전하 – 단위, 양자화, 보존법칙 정전기력 – 쿨롱의 법칙

21.1 전자기 전기현상 – 정전기, 번개 자기현상

전자기력과 자연계에 존재하는 힘의 통합

21.2 전하 대전

양전하, 음전하

전하의 법칙 같은 종류의 전하들은 밀어내고 다른 종류의 전하들은 끌어당긴다.

전하의 단위 – 1 쿨롱 : 1 A의 전류가 1초 동안 흘렀을 때 지나간 전하량

전하 보존의 법칙 고립계의 총 전하는 보존된다.

전하의 보존

전류 1A의 정의는?

물리학의 기본 단위계 : M, K, S, A

기본전하

전하의 양자화 전하량은 최소 크기(전자/양성자의 전하량)의 정수배로만 주어진다.

퀴즈문제 21.1

1.00 C의 전하를 만드는 데 필요한 전자의 수는? a) 1.60 · 1019 b) 6.60 · 1019

c) 3.20 · 1016 d) 6.24 · 1018

e) 6.66 · 1017

밀리칸 기름방울 실험 전하가 양자화되어 있다는 것을 밝힌 실험이다.

원자의 구조 양성자와 중성자

• 탄소원자의 개략그림. 탄소원자의 핵은 6개의 양성자와 6개의 중성자를 가지고 있다. 핵은 6개의 전자들로 둘러싸여 있다.

• 원자와 핵의 실제 크기는?

• 물체가 대전(charging)된다는 것은?

• 큰 질량차이에도 불구하고 … 양성자와 전자의 전하량의 크기는 정확히 같다.

보기문제 21.1 알짜 전하

질량 3.25 kg의 철조각이 0.100 C의 전하를 가지게 만들려면 어떤 비율로 전자를 제거해야 하는가? (철의 원자번호는 26, 원자량은 56이다.)

• 철조각에 들어 있는 철 원자의 수

• 철조각에 들어 있는 전자의 수

• 0.100 C이 되기 위해 제거해야 할 전자의 수

• 비율

21.5 정전기력 – 쿨롱의 법칙

두 전하 사이에 작용하는 힘은 두 전하를 잇는 직선을 따라 작용하고 크기는 [ 두 전하의 곱 / (거리)2 ]에 비례한다.

중첩원리

쿨롱과 그의 실험장치

보기문제 21.2 원자핵 내부의 정전기력

1. 금 핵과 금 원자 내 궤도반지름이 4.88x10-12 m인 전자 사이의 정전기력은 얼마인가? (금의 원자번호는 79이다.)

2. 헬륨 원자핵 내부에서 두 양성자가 상호작용하는 정전기력의 크기는 얼마인가? (헬륨 핵의 크기는 대략 2∙10-15 m이다.)

2. 양성자의 전하는 +e 이고, 두 양성자의 거리는 대략 r = 2∙10-15 m

1. 금의 원자번호는 79

커다란 전기적 반발력에도 불구하고 헬륨의 핵은 왜 분리되지 않는가? 원자핵 간의 강력!!!

정전기 집진기 – 정전기력을 이용한 분진 제거

레이저 프린터

음으로 대전된 드럼에 입혀진 감광물질 (비정질 세레늄->최근에는 유기물질)에 원하는 패턴의 빛을 쪼이면, 빛이 쪼여진 부분은 방전되어 토너가 달라붙게 되고 프린트 용지에 그 이미지가 새겨짐.

완전 대전(백지) 부분 방전(패턴)

21.5 쿨롱의 법칙과 뉴턴의 중력법칙

쿨롱의 법칙

뉴턴의 중력법칙

• 두 법칙은 얼마나 잘 맞는가? • 두 힘의 상대적인 크기는? • 역제곱법칙의 의미는?

양자전기역학 (Quantum

Electrodynamics)

일반상대론 (General Relativity)

원자 및 아원자 계의 이해

원자 및 천문학 계의 이해

보기문제 21.4 전자 사이의 힘

두 전자 사이에 상호작용하는 정전기력과 중력의 비율을 계산하여 두 힘의 상대적인 세기를 비교해 보자.

중력이 전기력보다 상대적으로 이렇게 작음에도 불구하고, 우리의 일상에서 중력이 중요하게 느껴지는 이유는?

알짜 전하량