Electric Potential, Scalar Electric Potential, Potential Difference   전위, 전기 스칼라 퍼텐셜, 전기 퍼텐셜, 전위차

1. 포텐셜 (Potential)

  ㅇ 공간의 물리적 성질을 에너지의 관점에서 나타내는 물리량

  ※ 例) 전위 (Electric Potential, 電位), 자위 (Magnetic Potential, 磁位), 
         중력 포텐셜 (Gravitational Potential) 등


2. 전위 에너지, 전기 포텐셜 에너지 (Electric Potential Energy)

  ㅇ 전기장 내 전하의 위치에너지  :  U = qV

     - 例) 구 대칭 점 전하에 의한 퍼텐셜 에너지 (일명, 쿨롱 퍼텐셜 에너지)
              
        . 반경에 만 의존하고, 각도 방향에는 의존하지 않음

  ㅇ 전위 에너지의 단위 : [V C] = [N m] = [J, Joule]
     - 한편, 원자 및 핵 물리학에서, 1 [eV] = e [C] x 1 [V] = 1.6 x 10-19 [J] = 96.5 [kJ/mol]


3. 전위, 전기 포텐셀 (Electric Potential, Scalar Electric Potential)

  ㅇ `단위 전하 q` 당 `전기적 위치에너지 U`  :  V = U/q
     - 전기장 내에서, 단위 전하가 갖는 위치 에너지(또는 운동 에너지) 또는 그 증가량
        . 즉, 단위 전하를 전기장에 거스르며 옮기려 할 때, 해야하는 (필요한), 일의 量
           .. 이때의 일은, 이동 경로와는 무관 함

  ㅇ 전위의 정의식
      
[# V = - \int^r_{\infty} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{l} #]
     - 단위 전하를 기준원점(무한원점)에서 어떤 점까지 옮길 때 필요한 일

  ㅇ 전위의 기준 원점 
     - 무한 원점 또는 대지를 기준으로 나타냄
        . 전기 회로 : 통상, 회로 내 편의적인 기준 원점으로써 접지를 선택함
        . 공간 내   : 통상, 무한 원점(무한대 거리에 있는 원점)을 선택함

  ㅇ 전위의 단위 : [V] = [J/C] = [N m/C] 


4. 전위의 높고 낮음 例)

  ※ [범례]  ① 전위 높음,  ② 전위 낮음

  ㅇ 건전지  :  ① +극 (양극),  ② -극 (음극)  =>  양극에서 음극으로 전류 흐름
  ㅇ 전기 회로  :  ① +단자,  ② -단자
  ㅇ 마찰 전기  :  대전열 (+) 공기,모피,유리,운모,비단,면포,목재,플라스틱,금속,황,에보나이트 (-)
  ㅇ 번개  :  ① 구름 아래,  ② 지표면	=>  구름,지표 간에 공기 절연 파괴 후 방전 발생

  ※ 통상, 과량의 양 전하가 있는 경우에 전위 높음


5. 전위의 의의

  ㅇ 공간의 물리적 성질을 나타냄
     - 전기장이, 대상 전하와 무관하게, 공간의 물리적 성질(힘의 관점)인 것처럼,
     - 전위도, 전하와 무관하게, 공간의 물리적 성질(에너지의 관점)을 대변한 것임
     - 즉, 전위는, 공간의 각 지점 마다 얼마나 높은/낮은 전기적 위치 에너지를 가지는지를 나타냄

  ㅇ 힘 대신 위치 에너지로 바라보는 관점 제공
     - 전기력은 위치에 따라 변하는 힘의 관점인 반면에,
        . 전위는 위치에 따라 정의되는 전기 퍼텐셜 에너지의 관점임
     - 마치 중력장에서, `중력 퍼텐셜 에너지 (높이에 따른 위치 에너지)` 개념이 유용한 것처럼,
        . 전기장에서도 `전기 퍼텐셜(전위)` 개념을 사용하면 계산과 개념이 간단해짐.

  ※ 결국, 전위는, 에너지적 관점에서 전기장을 해석하게 해주는 도구
     - 공간 자체에 존재하는 잠재적 에너지 구조를 보여줌
        . 전기장 내 위치 에너지 분포를 이해하고 계산하는 데 핵심적인 개념


6. 전위의 취급 방식

  ㅇ 절대량으로 취급(측정)이 불가능하므로,
  ㅇ 절대적 량 보다는 상대적 량(즉,전위차)이 물리적으로 다루기가 더 쉬움


7. 전위차 (Potential Difference)  =>  전계 존재  =>  전하의 흐름 (전류)

  ※ 전위는, 절대적인 값으로 정의할 수 없으므로, 
     - 두 점 간의 상대적인 차이 값인 전위차로 다루는 것이, 물리적으로 보다 의미가 있음

  ㅇ 두 점 사이의 전위 차이
      
[# V_{21} = - \int^{P_2}_{P_1} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{l} = - \int^{P_2}_{P_1} E_r dr #]

     - 전위차는, 전기장이 존재할 때 발생
     - 전위차는, 경로와는 무관 (시작점과 끝점 만으로 결정됨)
     - 전위차 정의는, 단위 전하를 점 P1에서 P2까지 이동시키는데 필요한 일

  ㅇ 전기회로에서의 전위차 표현  :  전압(Voltage)
     - 회로에서는, 두 점 간의 전위차를, 간단히 `전압(Voltage)` 이라고 함
     - 이 경우, 전위차가 있는 두 점 간에는, 전류가 흐르게됨 (전하 이동이 있게됨)
     - 이 때문에, 전압을, 전하를 이동시키는 (전류를 일으키는) 힘으로 봄

  ㅇ 공간 상에서의 전위차 표현  :  전위 경도 (Potential Gradient)
     - 공간에서의 전위차를, 주로 `전위 경도(∇V)` 연산을 써서 표현
     - (표현식)  E = -∇V 
        . 전계 세기(E)는, 전위의 공간적 변화율(-∇V) 즉, 미분 연산 결과를 의미
        . 전위가 급격히 변하는 방향일수록, `전계가 세다`라는 의미


8. 전위 및 전계의 계산

  ※ 전기장과 전위는 모두 주변의 전하 분포로부터 계산될 수 있음

  ㅇ 전하 분포로부터 전위를 계산   
     - 선 전하   
     - 면 전하   
     - 체적 전하   

  ㅇ 전위로부터 전계를 계산 (전위 경도 연산)
     -   E = -∇V  
        . 전위 경도를 이용하면 전계강도의 계산이 쉬워짐