전기와 자기 - 정전기현상 : 고등학교 수준

고등학교 전기회로 Ⅰ. 전기와 자기 1. 정전기 현상 < 학습목표 > ▶전기의 발전과정을 이해할 수 있다 . 1. 정전기현상 1. 물질의 구조 (1) 전기의 역사 . 탈레스 : 호박을 문지르면 먼지나 깃털을 끌어당기는 현상 발견 (BC600 년경) . 길버트 : 마찰 전기에는 두 종류가 있고 지구가 하나의 큰 자석이라는 것을 발견 (1600 년경 ) . 프랭클린 : 번개와 전기의 방전은 동일하고 전기를 많이 가진 물체가 작게 가진 물체에 접근하면 방전이 일어나는 현상을 증명 (1752 년) 피뢰침 발명 , 양전기, 음전기, 전지, 도체 등의 용어를 명명함 . 쿨롱 : 양전기와 음전기 사이에 힘이 작용한다 (1785년) . 볼타 : 볼타 전지 발명 (1800 년) . 외르스테드, 앙페르 : 전류가 자기를 발생한다 (1820 년경 ) . 옴 : 옴의 법칙 발견 (1827 년) . 페러데이 : 전자유도 법칙 발견 (자기가 전기를 유도한다 ) (1831 년) . 줄 : 줄의 법칙 발견 . 키르히호프 : 키르히호프 법칙 발견 . 맥스웰 : 자기학의 일반 이론 확립 , 전자기파 예언 (1864 년) . 헤르츠 : 전자기파를 실험적으로 확인 (1887 년) . 마르코니 : 대서양 횡단 라디오 신호 전송 성공 (1901 년) . 크룩스 : 음극선관 발명 (1869 년) . 톰슨 : 전자의 질량과 전하량의 관계를 측정 (1897 년) 이 름 활동기간 업 적 단 위 탈레스(Thales) 636-546 B.C. 전기와 자기의 개척자 길버트(Gilbert,W.) 1544-1603 . 지구가 거대한 자석임을 확인 길버트[Gb] 뉴턴(Newton,I) 1642-1727 운동 법칙과 만유 인력을 공식화 뉴턴[N] 프랭클린 (Franklin,B.) 1706-1790 전하의 보존 법칙 발견 쿨롱(Coulomb, C.A) 1736-1806 전기력과 자기력 측정 쿨롬[C] 와트(Watt,J.) 1736-1819 증기력의 응용 분야를 개척 와트[W] 가우스(Gauss,K.F.) 1771-1855 전속에 대한 발산 정리 발표 가우스[G] 볼타(Volta,A.) 1745-1827 볼타 전지 발명 볼트[V] 외르스테드 (Oersted,H.C) 1777-1851 전기가 자기를 생성함을 발견 에르스텟 [Oe] 앙페르 (Ampere,A.M.) 1775-1836 솔레노이드 발명 암페어[A] 헨리(Henry,J.) 1797-1878 전자 유도 실험 , 전신기와 중계장치 발명 헨리[H] 이 름 활동기간 업 적 단 위 옴 (Ohm,G.S.) 1787-1854 옴의 법칙을 세움 . 옴 [Ω] 패러데이 (Faraday,M.) 1791-1867 자기가 전기를 생성함을 입증 패럿[F] 웨버 (Weber,W.E.) 1804-1891 지구 자기에 대한 선구적인 연구 웨버[Wb] 줄(Joule,J.P.) 1818-1889 열이 전류의 제곱에 비례함을 입증 줄[J] 맥스웰 (Maxwell,J.C.) 1831-1879 전자기학의 일반 이론을 세움 맥스웰[Mx] 헤르츠 (Hertz,H.R) 1857-1894 라디오 전파의 송신 및 수신 실험 헤르츠[Hz] 마르코니(Marconi,G.) 1874-1937 대서양을 횡단하여 라디오 신호를 전송 에디슨(Edison,T.A.) 1847-1931 백열 전구 발명 , 최초의 발전소를 세움 테슬라(Tesla.N.) 1857-1943 전력을 교루 송전함 , 유도 전동기를 발명 테슬라[T] 아인슈타인 (Einstein,A.) 1879-1955 상대성 이론으로 맥스웰 방정식을 일반 화 < 학습목표 > ▶원자와 분자의 구성원리를 이해한다 . ▶물질의 구성과 원리를 이해한다 . (2) 원자와 분자 . 원자 : 원소의 화학적 상태를 특징짓는 최소 단위 . 원자가 전자 : 가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자의 수 . 자유전자 : 외부의 자극에 의해 궤도를 이탈한 전자 . 전자의 전하량 = 1.60219 × 10-19 [C] 원자핵중성자양성자전자 . 분자 : 물질의 성질을 가진 최소 단위 원자 -> 분자 -> 물질 (3) 도체와 부도체 . 도체 : 전기를 운반하는 짐꾼(반송자 ,캐리어)인 자유전자가 많음 . 부도체 : 원자핵과 전자의 결합력이 강하여 자신의 궤도에 머물러 이동하지 못하여 전류가 흐르지 못함. . 유전체 : 절연체 중에서 플라스틱 , 고무, 종이, 운모 등과 같이 전기적으로 분극현상이 나타내는 물체 . . 반도체 : 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge), 셀렌(Se) 등 . 분극현상 : 유전체에 전기장을 가하면 전자가 전기장의 방향으로 원자핵 양(+)전하, 그 반대쪽으로 음(-) 전하가 대전되는 현상 원자핵 < 학습목표 > ▶올바른 단위 사용법을 안다 . 2. 단위계와 10진 표기 (1) 국제 단위계 (SI) MKS 단위계의 기본 단위 물리량 단위 단의의 약자 길 이 미터(Meter) m 시 간 초(Second) s 전 류 암페어(Ampere) A 열역학적 온도 켈빈온도(Kelvin) K 물질량 몰(Mol) mol 광 도 칸델라(Candela) cd 질 량 킬로그램(Kilogram) Kg SI의 보조 단위 물리량 단위 단의의 약자 평면각 라디안(Radian) rad 입체각 스테라이안(Steradian) Sr (2) 미터법 접두어 미터법 접두어 접두어 약자 읽 기 수 값 exa peta tera giga mega kilo hecto deka deci centi milli micro nano pico femto atto E P T G M k h da d c m μ n p f a 엑사 페타 테라 기가 메가 킬로 헥토 데카 데시 센티 밀리 마이크로 나노 피코 펨토 아토 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 < 학습목표 > ▶정전기의 원리와 특징을 이해한다 . 3. 정전기 현상 . 정전기 : 연속적으로 흐르지 않는 상태의 전기 . 동전기 : 연속적으로 흐르는 전기 ▲ 정전기의 발생 과정 (1) 정전기의 특징 .. 전하와 전기력 . 대전 : 물체가 전기를 띠는 현상 . 대전체 : 대전된 물체 . 전하 : 대전에 의해 물체가 띠고 있는 전기 (단위로 쿨롱 [C] 을 사용 ) . 전기량 : 대전체가 띠고 있는 전기의 양 (=전하량) . 전기력 : 전하를 띤 두 물체에 작용하는 힘 . 전기장 : 전하 주위에 생기는 장 (field) . 전기력(정전기력) : 두 전하 사이에 작용하는 힘 ○ 쿨롱의 법칙 . 다른 종류의 전하끼리는 흡인력이 작용 . 같은 종류의 전하 사이에는 반발력이 작용 흡인+Q1 -Q2 r +Q1 +Q2 r 반발 .유전율: 두반대전하사이에들어가그들간에작용하는전기장의세기를얼마나약하게하는정도를나타내는비율 ) ]([1092219공기중에서진공이나전하가두NrQQF . ...) ]([1092219때있을중에매질전하가두NrQQFr. . ... 흡인+Q1 -Q2 r +Q1 +Q2 r 반발 .유전율: 두반대전하사이에들어가그들간에작용하는전기장의세기를얼마나약하게하는정도를나타내는비율 ) ]([1092219공기중에서진공이나전하가두NrQQF . ...) ]([1092219때있을중에매질전하가두NrQQFr. . ... .. 전하의 성질 ⓐ 같은 전하끼리는 반발하고 다른 전하끼리는 흡인 ⓑ 전하는 가장 안전한 상태를 유지하려고 함 (비대칭 전하의 중화) ⓒ 정전유도 현상 ⓓ 접지 : 대전체를 지구와 연결하면 대전체의 전하가 지구에 고루 퍼질 때까지 흐른다 . 이를 이용한 것이 접지이다 . ▲정전 유도현상 ▲도체와 부도체의 정전유도 (2) 정전기의 피해와 활용 ○ 발생원인 : 물체끼리의 접촉 , 마찰, 회전, 분리, 파괴, 냉동, 온도변화 등 ○ 활용 : 전자 복사기 , 집진기, 가정용 공기정화기 , 페인트 도장 ○ 피해 : 낙뢰 ○ 대책 ① 접지를 한다 . ② 충분한 습도를 유지하여 정전기를 방전 한다 . ③ 대전 방지용품을 사용한다 . < 학습목표 > ▶전기장의 원리를 이해하고 설명할 수 있다 . 3. 전기장과 전위 (1) 전기장 ○ 전기장 : 전기력이 작용하는 공간 ○ 전기력선의 성질 ① 양 (+)전하에서 나와 음 (-) 전하로 들어간다 . ② 중간에서 갈라지거나 교차하지 않는다 . ③ 단위 면적당 전기력선의 밀도가 높을수록 전기장의세기가 크다 . ④ 전기력선 위의 한 점에 접선을 그으면 접선의 방향은 그 점에서의 전기장의 방향과 같다 . ○ 전기장 내부에 도체를 넣을 경우 전기장의 방향과 반대 방향으로 자유 전자들이 이동하여 내부의 전기장이 외부의 전기장을 상쇄시켜 도체 내부의 전기장은 “0”이 되며 전기력선도 존재하지 않는다 ▲ 전기력선의 다양한 모양 ◀ 전지장 속의 도체 (2) 전기장의 방향과 세기 -전기장의방향: 전기장속에서양전하(+) 가힘을받는방향-전기장의세기: 전기장중의단위전하1[C] 에작용하는전기력의크기+Q +Q r -Q +Q r F(전기력) E(전기장의세기) ..mVrQrQr/ 41109E2029 . ... .. . . . .. ..NQEFmVQFE . ./ ☆1[v/m] 의전기장세기는전기장중에놓인1[C] 의전하에작용하는힘이1[N] 인경우의세기이다. (3) 전위 -전위 : 단위 전하가 가지는 전기적 위치 에너지 [V] +Q +q +q 전위차A 높은위치에너지B 낮은위치에너지위치에너지: mgh 전기에너지: qEd 높은곳낮은곳중력=mg 전기력=qE 전하높은전위낮은전위높이h 전위차d 질량질량전하 (4) 등전위면 -전기장 내에서 전위가 같은 점을 연결시켜 이은 선 ① 등전위면 위의 모든 점에서는 전위가 같으므로 전위차는 0 ② 등전위면을 따라 전하를 이동 시킬 때는 V가 0이므로 일의 양도 0 ③ 전하가 전기장으로부터 받는 힘은 등전위면에 대하여 수직 ④ 등전위면과 전기력선은 항상 서로 직교 ⑤ 도체 표면은 전기장 속에서 등전위면을 이룸 ⑥ 등전위면을 밀 하게 나타낸 곳을 전기장의 세기가 강함 ⑦ 등전위면을 소하게 나타낸 곳은 전기장의 세기가 약함 (5) 평행극판 사이의 전기장 B A d V W=qV F qE W=qEd A B ★F : 단위전하q가전기장세기(E)인전기장에서받는힘 ★W : +q[C] 의전하가B위치로부터A위치로옮기는데필요한일의양(에너지) = A 위치로부터B로이동하는동안받는일의양(에너지) ★V : A 와B사이의전위차W=Fd W=qEd V=Ed ]/[mVDVE. F=qE W=qV F=qE < 정전기의 발생 종류 > ① 박리대전 : 2개의 서로 다른 물체가 접촉 , 분리하였을 때 형성 ② 마찰대전 : 물체가 마찰이나 마찰에 의해 접촉의 위치가 이동하여 발생 ③ 박리대전 : 서로 밀착되어 있는 물체가 떨어질 때 전하 분리가 일어남 ④ 유동대전 : 액체류를 파이프 등으로 수송할 때 이것에 의해 발생 ⑤ 분출대전 : 분체류, 액체류, 기체류가 단면적이 작은 개구부로부터 분출할 때 마찰이 일어나 발생 ⑥ 충돌대전 : 분체류와 같은 입자 상호간 혹은 입자와 고체와의 충돌에 의해 빠른 접촉 , 분리가 행해지기 때문에 발생 ⑦ 파괴대전 : 고체, 분체류와 같은 물체가 파괴되었을 때 전하 분리 또는 양전하와 음전하의 균형이 깨지면서 발생 연습문제 1. 보통 물질의 전기적인 상태는 ? ① 중성상태 ② 양전기 상태 ③ 음전기상태 ④ 수시로 변화 ⑤ 양전기와 음전기가 공전하는 상태 2. 어떤 물질이 정상 상태보다 전자수가 많아졌거나 적어졌을 때를 말하는 용어는 ? ① 하전 ② 전기량 ③ 충전 ④ 방전 ⑤ 대전 3. 다음 중 정전기가 실생활에 응용되는 예와 거리가 먼 것은? ① 전자복사기 ② 집진기 ③ 공기청정기 ④ 낙뢰 ⑤ 차량도장 4. 그 물질의 성질이 남아 있으면서 그 물질을 구성하는 최소 단위를 무엇이라 하는가 ? ① 쿼크 ② 전자 ③ 원자 ④ 분자 ⑤ 중성자 5. 전기량의 단위는 ? ① [C] ② [A] ③ [V] ④ [Ω] ⑤ [Hz] 6. 어떤 전지를 이용하여 5[A] 의 전류를 10초간 흘렸을때 전지에서 나온 전하량은 몇 [C]인가? ① 20 ② 50 ③ 500 ④ 2500 ⑤ 3000 7. 다음 중 반도체의 재료로 사용되는 것은 ? ① Fe ② Si ③ C ④ He ⑤ Cr 8. 다음 중 정전기가 생기는 원인과 거리가 먼 것은? ① 분리 ② 마찰 ③ 유채의 이동 ④ 박리 ⑤ 증발 9. 전하의 성질을 설명한 것 중 잘못 설명한 것은 어느 것인가 ? ① 같은 종류의 전하는 흡인하고 다른 종류의 전하는 반발한다 ② 전하는 가장 안정한 상태를 유지하려는 성질이 있다 ③ 대전체에 들어 있는 전하를 없애려면 접지시킨다 ④ 대전체의 영향으로 비대전체에 전기가 유도된다 ⑤ 낙뢰는 구름과 지면 사이에 모인 전기가 한꺼번에 방전되는 현상이다 10. 양(+)의 전하인 10[μC]과음 (-) 의 전하인 15 [μC]의 두 전하를 공기 중에 1[m] 거리에 놓았을 때 두 전하 사이에 작용하는 전기 력은 얼마이며 어떤 힘이 작용하는가 ? ① (-)1.35[N] ② 1.35[N] ③ (-)13.5[N] ④ 13.5[N] ⑤ 135[N] ( 9 * 109 * (-10) * 10-6 * 15 * 10-6 )/ 12