Electric Field, Time-varing Electric Field   전계, 전기장, 시변 전계

1. 전기장/전계 (Electric Field)

  ㅇ 전기력이 미치는 공간 또는 계(界)/장(場)  (Force Field,力場)
     - 전하가 전기적 힘을 주거나 받게되는 공간적 성질을 나타내는 물리량

  ㅇ 만일, 텅 빈 공간에 전하를 가져오면, 그 공간은 `전기력 장을 갖는 공간`으로 성질이 바뀜


2. 물리량으로써 전기장의 의미

  ㅇ 중력장 처럼 물리량이, 공간에 분포될 수 있다는 의미/아이디어
     - 전하의 존재가 실제 공간의 물리적 특성(전기장)을 변화시킨다는 아이디어
        . 전자기학에서는 Faraday로부터 이러한 개념이 시작됨

     * (주의) 원천 전하는 자기자신으로부터 나오는 전기장에 의해 영향을 받지 않음

  ㅇ 한편, 전기장을 보다 가시화시키는 수단으로 도입된 개념적 용어로는,  ☞ 전속선 참조


3. 전기장의 정의, 단위, 방향, 원천, 의존성

  ㅇ 전기장 정의 (힘의 관점)
     - 전기장 내에서 어떤 전하 q 를 가져와서 힘 F 를 받았다면,  E = F/Q 로 정의됨
        . 쿨롱의 법칙에 의해, {# \mathbf{E} = \mathbf{F}/Q = \frac{Q}{4πεr^2}\mathbf{r} #} [V/m]

  ㅇ 전기장 단위 
     - [N/C] (단위 전하에 작용하는 힘의 크기)  :  힘의 관점
     - [V/m] (전위의 기울기)                   :  공간적 관점

  ㅇ 전기장 방향
     - 원천 전하가 양 전하이면, 원천 전하에서 뻗어나가는 (+) 방향
     - 원천 전하가 음 전하이면, 원천 전하로 다가가는 (-) 방향

  ㅇ 전기장 원천 (전기장 발생)
     - 정지 전하(Electric Charge) 또는 시변 자기장(time-varing magnetic field)에 의해
       주위 공간에 전기장이 발생됨

  ㅇ 전기장 의존성
     - 원천 전하로부터의 거리의 제곱에 반비례
     - 원천 전하의 전하량 크기에 비례


4. 정 전기장, 유도 전기장, 시변 전기장

  ㅇ 정 전기장 (Static Electric Field, Electrostatic Field)
     - 시간적으로 변화하지 않는 전하 분포로 인해 생기는 전기장
        . (+ 전하에서 시작하여 - 전하에서 끝남)  

  ㅇ 유도 전기장 (Induced Electric Field)
     - 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 유도되는 전기장 
        . (시작과 끝이 없으며, 회전/루프를 형성함, ▽ x E = - ∂B/∂t)

  ㅇ 시변 전기장 (Time-varing Electric Field)
     - 시간에 따라 변하며, 주로 공간에서 이동 전파하는 전기장을 말함 => 전자기파

     - 전자기파의 구성
        . 시변 전기장은 시변 자기장을 일으키며 전자기파의 전파(傳播) 현상의 일부분 임
        . 시변 전기장 및 시변 자기장은 원인-결과를 이루며 서로 직각으로 상호 생성 관계를 갖음

     - 시변 전기장 표현 ☞ 시변 정현파 계 참조

     - 시변 전기장 세기 ☞ 전계강도(전계세기) 참조

     - 시변 전기장 영역 ☞ 원거리장 영역, 근거리장 영역 참조


5. 전기장 구하기

  ㅇ 도체 내부 : ρ= 0, E = 0
     - 도체 내부의 전하는, 서로 밀치는 힘으로 도체 표면까지 이동하고, 
     - 이에따라, 도체 내부 전체가 전기장 없는 등전위 상태가 유지됨

  ㅇ 전하 분포를 알고 있을 때, 
     - 대칭성이 없을 때 => 쿨롱의 법칙 (F = 1/4πε q1q2/d2, E = F/q)
     - 대칭성이 있을 때 => 가우스 법칙 (∇·E = ρ/ε)
        . 특정한 조건(가우스 면의 설정) 하에서 전계의 계산을 단순하게 해줌

  ㅇ 전위 분포를 알고 있을 때, (전기장 = 전위의 구배 = - grad V = - ∇V)
     -  E = -∇V 를 이용하여 풀기

  ㅇ 전하,전위분포를 모르는 일반적인 상황일 때, => 경계조건에 의한 풀이
     - 포아송 방정식   :  ∇2V = -ρ/ε
     - 라플라스 방정식 :  ∇2V = 0
     - 영상법          :  도체의 경계 구조가 간단한 경우에 적용


6. 전하 분포 형태에 따른 전기장

  ㅇ (점)       점전하 전기장
       

  ㅇ (무한 길이) 선전하 전기장
       

  ㅇ (무한 넓이) 면전하 전기장
       

  ㅇ (구, 球)    구 표면 상 균일 전하에 의한 전기장
     - 구 외부 (r > R)  {# \mathbf{E}_{sphere} = \frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \frac{Q}{r^2} \hat{r} #}
     - 구 내부 (r < R)  {# \mathbf{E}_{sphere} = \mathbf{0} #}

  ㅇ (쌍극자)    ☞ 전기쌍극자 참조