1. 전하 (Electric Charge) 이란?
ㅇ 전하는, 힘과의 관계로부터 정의되는 量 임 ☞ 쿨롱의 법칙 참조
- 즉, 전기력의 원천(전기력의 원인이 되는 성질)이 되는 量
* [참고]
. 만유인력,중력의 원천이 되는 量 : 질량
. 자연의 근본적인 힘 셋(3) : 전기력(전하), 중력(질량), 핵력
ㅇ 한편, 전하는, 물질에 구속되어 있음
- 대전된 물질은 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 측정 ☞ 밀리칸 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, 반도체의 정공, 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 공간적 정보를 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 힘 관점 : 그들 간에 힘이 작용함
- 척력 : 동종 전하끼리
- 인력 : 이종 전하끼리
ㅇ 전하의 장 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 : 도체 내 전기 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 힘이 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)
ㅇ 단위 질량 당 전하의 비율 (e/m) ☞ 전자의 측정 참조
- 전자의 비전하 e/me = 1.758819 x 108 [C/g]