[물리학 실험] 등전위선 - 전기마당과 가우스의 법칙

등전위선 - 전기마당과 가우스의 법칙

1. Abstract
☞ 서로 떨어진 전하 사이에 미치는 힘을 이해하는데 전기마당이라는 개념을 도입하면 편리하다. 즉, 전하가 있으면 그 주위에는 전기마당이 생기고, 이 전기마당 내에 다른 전하가 있으면 그 전하는 전기마당에 의해 영향(힘)을 받게 된다고 생각한다. 정량적으로는 전기마당은 (+)1 쿨롱(C)의 단위 전하가 받는 힘으로 정의하며, 따라서 전기힘과 전기마당 사이에는 비례 관계가 성립하고 비례상수는 힘을 받는 전하의 전하량이다.
이 실험에서는 도체관에 전류를 흐르게 하여, 그 위에 등전위선을 그리고 전기장과 등전위선에 관한 성질을 알아보도록 한다.

2. Theory
☞ 전위차를 가진 두 전극 사이에는 항상 전기장이 존재한다. 시험 전하 q 가 이 전기장 내에서 힘 F를 받을 때, 그 점에서의 전기장은 로 정의된다. 한편 그 점의 전위V는 단위 전하당의 위치에너지로 정의된다. 전기장 내에는 같은 전위를 갖는 점들이 존재한다. 이 점들을 연결하면 3차원에서는 등전위면을, 2차원에서는 등전위선을 이룬다. 전기력선이나 등전위면은 전기장 내에서 무수히 많이 그릴수 있다. 하나의 점 전하Q가 만드는 전기장의 전력선은 Q가 있는 점을 중심으로 하는 방사선이며, 등전위면은 Q점을 중심으로 하는 등심구면이 된다. +Q의 점전하와 -Q의 점전하가 공간에 놓여 있을때는 그림과 같은 전력선과 등전위면을 그릴 수 있다.

◉ 그림 ⒜는 균일한 전기마당의 경우로 Field line 은 같은 간격의 직선이 되고, 등전위선(면)은 Field line에 수직한 같은 간격의 직선(평면)이다.
그림 ⒝는 위에 언급한 대로 하나의 점 전하가 만드는 전기력선과 등전위선인데, 전기력선은 방사선형태이고, 등전위선은 동심원 형태로 간격에 차이가 있다.
그림 ⒞는 크기가 같고 부호가 다른 두 전하가 놓여 있을때의 전기력선과 등전위선이다.

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