Charge   전하, 쿨롱, 전하의 단위

(2023-12-06)

전하량, 쿨롱 단위, Free Charge, 자유 전하, Bound Charge, 속박 전하, 구속 전하, 전하 밀도, Specific Charge, 비전하, 전하 질량 비, 기본 전하


1.  전하 (Electric Charge) 이란?

  ㅇ 전하는, 과의 관계로부터 정의되는 量 임                         ☞ 쿨롱의 법칙 참조
     - 즉, 전기력의 원천(전기력의 원인이 되는 성질)이 되는 量

     * [참고]
        . 한편, 만유인력의 원천이 되는 量은 질량 임
        . 자연의 근본적인  셋(3) : 전기력(전하), 중력(질량), 핵력

  ㅇ 한편, 전하는, 물질에 구속되어 있음
     - 대전물질은 알짜 전하를 갖으며,     ☞ 정전기 참조
     - 그 영향은 먼거리까지도 작용이 가능    ☞ 아래 4.항 (전하의 영향), 전기장 참조

  ㅇ 결국, 전하는, 물질이 갖는 전기력의 원천이 되는 전기의 量 임     ☞ 전기량 참조


2. 전하의 종류 

  ㅇ 기본 전하 (Elementary Charge)
     - 자연에서 존재 가능한 가장 작은 전하량
     - 즉, 양성자 또는 전자 1개가 갖는 전하량  :  1.6 x 10-19 [C]
     - 기본적인 물리 상수 중 하나
     - 1909년 미국의 실험 물리학자 로버트 밀리컨(1868~1953)이 최초 측정밀리칸 유적 실험 참조
     * 따라서, 자연에는 항상 전자의 전하량의 배수 만큼 존재

  ㅇ 두 종류의 전하가 있음 : 음 전하(-), 양 전하(+)
     - 음 전하 : 전자, 음 이온 등
     - 양 전하 : 양 이온, 반도체정공, 전계 내의 금속 등

  ㅇ 움직임 용이성에 따라 자유 전하,속박 전하로 구분함
     - 자유 전하 (Free Charge)   ☞ 자유전자 참조
     - 속박 전하 (Bound Charge)  ☞ 속박전자, 전기쌍극자, 절연체/유전체, 전기분극 등 참조


3. 전하의 분포 (전하 밀도)

  ㅇ 전하 밀도 (전하 분포)는, 점 전하 보다 많은 공간정보를 제공함
     - 전하 밀도는, 위치에 따른 스칼라 함수 임

  ㅇ 구분 : 공간적 전하 분포가 균일하다고 가정하면, 다음과 같이 구분 가능
     - 점 전하  Q [C]
     - 선 전하 밀도  λ = Q/l [C/m]  (l : 선분 길이)
     - 표면 전하 밀도  σ = Q/A  [C/㎡]  (A : 면적)
     - 체적 전하 밀도  ρ = Q/V  [C/㎥]  (V : 부피)


4. 전하의 영향

  ㅇ 전하별 영향
     - 양 전하 : 전기장의 원천(source)
     - 음 전하 : 전기장의 싱크(sink) 

  ㅇ 전하의  관점 : 그들 간에 이 작용함
     - 척력 : 동종 전하끼리
     - 인력 : 이종 전하끼리

  ㅇ 전하의  관점 
     - 정지 전하는, 전기장을 만듬
     - 이동 전하는, 자기장을 만듬

  ㅇ 전하의 에너지 관점
     - 전기장 내 전하의 위치에너지  :  U = qV
     - 단위 전하 당 전기적 위치에너지 (전위) : V = U/q

  ㅇ 전하를 띈 물체  ☞ 대전체 참조
     - 대전 (帶電, Charging) ↔ 방전 (放電, Discharge)


5. 전하의 이동 (흐름)

  ㅇ 전하의 운반체 : 전하 운반체 (전자,이온 등)

  ㅇ 전하의 전달   ☞ 대전,방전 참조
     - 주로, 물체(대전체,도체 등) 간 접촉에 의해 전하가 전달됨

  ㅇ 전하의 운동 : 도체전기 전도성의 원인
     - 전하 이동 = 표동(Drift) + 확산(Diffusion)

  ㅇ 전하의 운동 용이성 : 전기 전도율 (그 역은 저항률)
     - 즉, 전기 전도의 용이성 

  ㅇ 전하의 시간 변화율 : 전류 (i = dQ/dt)


6. 전하의 보존 : 전하 보존 법칙

  ㅇ 총 전하량(알짜 전하)는 항상 일정함
     - 만일, 총 전하량(알짜 전하)이 0 이면 중성이라고 함


7. 전하의 량(전하량) 및 단위  :  쿨롱 (Coulomb), [C]  

  ㅇ [SI 단위계]  1 [C]의 정의 
     - 쿨롱의 법칙에 의해, 
        . 진공내에 놓여진 두 점전하 간의 간격이 1m 이고, 
        . 두 전하 사이에 작용하는 이 9x109 [N] 일 때, 
        . 두 점전하 각각의 전하량을 1 [C] 이라 함

  ㅇ [전기회로]  1 [C] = 1 [A·s]
     - 초[s]와 암페어[A]의 곱으로 유도되는 유도단위
        . 1 [C]은, 1 [A]의 전류가 1 [s] 동안 수송하는 전하량  (Q = i t)

  ㅇ [화학]  전자 1 몰(mole) 당 전하량 = - 96,485 [C/mol] = 1 [F (Faraday)]
     - 전자 1개의 전하량  :  e = - 1.602 x 10-19 [C]
     - 전자 1 몰(mole) 당 갯수  :  6.02 x 1023 [1/mol]
     - 전자 1 몰(mole)의 전하량  :  96,485 [C]                            ☞ 패러데이 법칙 참조


8. 비 전하 (Specific Charge, 比電荷)단위 질량 당 전하의 비율 (e/m)                                           ☞ 전자의 측정 참조
     - 전자의 비전하 e/me = 1.758819 x 108 [C/g]

전하
   1. 전하   2. 전자   3. 대전   4. 방전   5. 정전기   6. 정전 유도   7. 전자 방출   8. 전자 유형  


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