물리학 고2 전기와 자기

전하와 전기장

정지 전하 사이의 쿨롱 힘과 전기장의 개념을 이해하고 전기력선으로 장의 방향·세기를 표현한다. (12물리02-01)

전하는 물체가 띠는 전기적 성질의 양이고, 전기장은 그 전하가 주변 공간에 만들어 놓은 '힘을 줄 준비'로, 그 자리에 놓인 단위 전하가 받는 힘

E = F / q

로 정의합니다.

전하는 공간에 자국을 남깁니다. 다른 전하가 나중에 그 자리에 오면, 멀리 있는 전하를 '찾아가서' 힘을 받는 것이 아니라 이미 그 자리에 깔려 있던 전기장에 걸려 힘을 받습니다.

쉽게 말하면

전기 현상의 출발점은 두 가지 사실입니다. 첫째, 전하에는 양(+)과 음(−) 두 종류가 있고 같은 종류끼리는 밀고 다른 종류끼리는 당깁니다. 둘째, 전하는 새로 만들어지거나 사라지지 않고 옮겨 다닐 뿐입니다. 유리 막대를 헝겊에 문지르면 전자가 한쪽에서 다른 쪽으로 옮겨 가서 한쪽은 전자가 모자라 (+), 다른 쪽은 남아 (−)를 띱니다. 없던 전기가 생긴 것이 아닙니다.

여기서 물리학이 던진 질문이 '어떻게 떨어져 있는데 힘이 전달되는가'입니다. 답으로 도입한 것이 장(場) 이라는 생각입니다. 전하는 자기 주변의 공간 자체를 바꿔 놓고, 그 바뀐 공간이 다른 전하에게 힘을 줍니다. 이 바뀐 공간이 전기장이고, 세기는 그 자리에 시험 전하 $q$ 를 놓았을 때 받는 힘 $F$ 로 잽니다.

$E = \frac{F}{q} [N/C]$

방향은 양(+)의 시험 전하가 받는 힘의 방향으로 약속합니다. 그래서 (+)전하 주위의 전기장은 바깥으로 뻗어 나가고, (−)전하 주위의 전기장은 안으로 빨려 들어갑니다. 음전하를 그 자리에 놓으면 전기장과 반대 방향으로 힘을 받습니다.

힘의 크기가 거리에 따라 어떻게 변하는지는 쿨롱 법칙이 알려 주고, 전기장의 모양을 눈에 보이게 그리는 방법은 전기력선과 가우스 법칙에서 다룹니다. 한편 원자 안에서 전자가 한쪽으로 치우쳐 분자에 (+)·(−) 쪽이 생기는 결합의 극성도 결국 이 전하와 전기장 이야기입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

전기장 $200 N/C$ 인 곳에 놓인 전하

$F = q E = (2 \times 1 0^{- 6}) (200) = 4 \times 1 0^{- 4} N$

전기장을 알면 어떤 전하를 놓든 힘은 곱하기 한 번으로 나옵니다. 전기장은 '전하가 오기 전에 이미 정해져 있는 값'이라는 점이 핵심입니다.
예시 2

머리카락이 빗에 딸려 올라가는 이유

빗을 문지르면 빗이 전하를 띱니다. 머리카락은 전기적으로 중성인데도 끌려옵니다. 빗이 만든 전기장이 머리카락 속 전하를 조금 밀고 당겨서, 빗과 가까운 쪽에 반대 부호가 몰리기 때문입니다(정전기 유도). 중성이라고 힘을 안 받는 것이 아닙니다.
예시 3

전기장 속의 도체

도체를 전기장 안에 넣으면 자유 전자가 즉시 이동해 표면에 몰리고, 그 전하가 만든 전기장이 바깥 전기장을 정확히 상쇄합니다. 그래서 정지 상태의 도체 내부에서는 전기장이 항상 0입니다. 번개가 칠 때 자동차 안이 안전한 이유입니다.

자주 하는 오해

전기장은 그 자리에 전하가 놓여 있어야 생긴다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움시험 전하를 치우면 그 자리 전기장도 사라진다

실제로는전기장은 원천 전하가 만들어 놓은 것이고, 시험 전하는 그것을 '드러낼' 뿐입니다. 치워도 전기장은 그대로 있습니다.

E = F / q

는 전기장의 정의식이지 원인식이 아닙니다. 온도계를 치운다고 방 온도가 사라지지 않는 것과 같습니다.

E = F / q

를 보고 전하를 크게 하면 전기장이 약해진다고 읽기

이렇게 생각하기 쉬움

q

가 분모에 있으니 시험 전하를 2배로 하면 전기장

E

가 절반이 된다

실제로는시험 전하를 2배로 하면 받는 힘

F

도 정확히 2배가 되어,

E = F / q

는 변하지 않습니다.

E

는 그 자리의 성질이고 시험 전하와 무관합니다. 분자와 분모가 같이 2배가 되므로 몫은 그대로입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

없음 — 이 개념이 출발점입니다

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

자성체와 자기력고2 전위와 전위차고2 쿨롱 법칙고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

결합의 극성고2

같은 단원의 개념 — 전기와 자기

교류와 변압기고2 렌츠 법칙고2 앙페르 법칙고2 인덕턴스고2 자기장과 전동기고2 자성체와 자기력고2 전기력선과 가우스 법칙고2 전류·저항·옴 법칙고2 전위와 전위차고2 전자기 유도고2 직렬·병렬 회로고2 축전기고2 쿨롱 법칙고2 키르히호프 법칙고2 패러데이 법칙고2

자주 묻는 질문

Q1실제로 움직이는 것은 (+)전하인가요, (−)전하인가요?

고체에서는 원자핵이 붙박여 있으므로 실제로 옮겨 다니는 것은 전자, 즉 음전하입니다. 어떤 물체가 (+)를 띠었다는 말은 '(+)가 왔다'가 아니라 '전자가 빠져나갔다'는 뜻입니다.

Q2전기장과 중력장은 같은 개념인가요?

구조는 거의 같습니다. 둘 다 '원천이 공간을 바꾸고, 그 공간이 힘을 준다'는 방식이고 거리 제곱에 반비례합니다. 다만 질량은 한 종류뿐이라 중력은 항상 당기기만 하지만, 전하는 두 종류라 전기력은 밀 수도 당길 수도 있습니다.

Q3전하량에도 가장 작은 단위가 있나요?

네. 모든 물체의 전하량은 전자 하나가 가진 전하량(기본 전하)의 정수배로만 나타납니다. 전하량이 연속적인 양이 아니라 알갱이 단위로 끊어져 있다는 뜻이고, 이를 전하의 양자화라고 합니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 물리학 · 전기와 자기 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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