이 실험 소개
모든 전하는 주변에 전기장을 형성합니다. 전기장은 다른 전하가 느끼는 밀거나 당기는 힘이며, 전위는 각 지점에서 전하가 가질 에너지를 쿨롱당으로 나타낸 것입니다. 양전하와 음전하를 배치하고, 전기력선이 플러스에서 마이너스로 이어지며 등전위선이 전기력선과 직각으로 교차하는 모습을 살펴보세요. 탐침을 움직여 어디서든 전기장 세기와 전위를 측정할 수 있습니다. 쌍극자, 같은 종류의 전하 두 개, 평행판 축전기의 패턴은 GCSE와 AP부터 IB 및 대학에 이르기까지 모든 물리 수업에서 다룹니다.
학습 목표
- 점전하의 전기장과 전위를 계산하고 여러 전하의 기여를 합산합니다
- 대표적인 전하 배열의 전기력선을 그리고, 선 사이의 간격이 무엇을 나타내는지 설명합니다
- 등전위선이 항상 전기력선과 직각으로 교차하는 이유를 설명합니다
- 전기장 세기와 등전위선 간격의 관계를 설명합니다. E = −dV/dx
- 평행판 사이의 거의 균일한 전기장을 설명합니다
사용 방법
- 1‘단일 전하’를 선택합니다. 탐침을 전하로부터 10 cm 떨어진 곳으로, 이어서 20 cm 떨어진 곳으로 이동합니다. E와 V는 각각 몇 배 변하나요?
- 2‘쌍극자’를 선택합니다. V = 0인 선을 찾습니다. 그곳에서 전기장도 0인가요?
- 3‘같은 부호의 전하’를 선택하고 전기장이 0인 지점을 찾습니다. 그 지점에서 전기력선은 어떻게 되나요?
- 4+3과 −1을 선택합니다. +3 전하에서 나온 전기력선 중 일부가 −1 전하에 도달하지 않는 이유는 무엇인가요?
- 5‘평행판’을 선택합니다. 탐침을 두 판 사이에서 이동합니다. E는 어떻게 변하나요? 판 안쪽과 바깥쪽의 등전위선 간격을 비교합니다.
- 6전기장 화살표를 켜고 방향을 전기력선 및 등전위선과 비교합니다.
모델
가정
- 전하들은 진공 속에 고정된 점으로, 작은 원판으로 표시됩니다. 전기장은 화면 평면에서만 표시됩니다.
- 전기력선은 양전하에서 시작하며 나노쿨롱당 6개씩 그려지고, 음전하에서 끝나거나 화면 밖으로 나갑니다. 음전하의 크기가 더 크면 대신 음전하에서 전기력선을 그립니다.
- 평행판은 각각 7개의 점전하가 놓인 두 줄로 모델링되므로, 판 사이의 전기장은 균일한 것에 가깝지만 완전히 균일하지는 않습니다.
- 전위는 무한히 먼 곳에서 0이 되는 기준으로 측정됩니다.
수업에서 해 보기
- Q1+2 nC 전하가 0.10 m 떨어져 있습니다. 그 지점에서 E와 V는 얼마인가요?
- Q2+4 nC와 +1 nC의 두 전하가 0.30 m 떨어져 있습니다. 두 전하를 잇는 선 위에서 전기장이 0이 되는 지점은 어디인가요?
- Q3왜 두 전기력선은 절대 교차할 수 없을까요?
- Q4등전위선을 따라 전하를 이동시킬 때 한 일은 얼마인가요?
- Q5간격이 2.0 cm인 평행판을 100 V에 연결합니다. 두 판 사이의 전기장은 얼마이며, 1 nC 전하에는 어떤 힘이 작용하나요?
자주 묻는 질문
전기력선은 실제로 존재하나요?
아니요. 전기력선은 마이클 패러데이가 고안한 도식화 도구입니다. 선의 방향은 양전하에 작용하는 힘의 방향을 나타내고, 선의 밀도는 전기장의 세기를 나타냅니다. 전기장 자체는 선과 선 사이를 포함해 모든 점에 존재합니다.
음전하 근처에서 전위가 음수인 이유는 무엇인가요?
전위는 양의 시험 전하를 아주 먼 곳에서 가져오는 데 필요한 일을 전하 1쿨롱당으로 나타낸 것입니다. 음전하 근처에서는 시험 전하가 끌려오므로, 외부에서 해 주는 일은 음수가 되고 전위도 음수가 됩니다.
전위가 0이 아닌 곳에서 전기장이 0이 될 수 있나요? 또는 그 반대도 가능한가요?
네. 크기가 같고 부호가 같은 두 전하의 중간에서는 전기장이 0이지만 전위는 0이 아닙니다. 쌍극자의 중간에서는 전위가 0이지만 전기장은 강합니다. 전기장은 전위의 값이 아니라 V가 얼마나 빠르게 변하는지에 따라 달라집니다.