전기장 강도 계산기 - 쿨롱 법칙과 전기장 이해하기
전기장 강도 계산기
μC
마이크로쿨롬 단위
m
전하로부터의 거리 (미터)
F/m
기본값: 8.85 × 10⁻¹² F/m
전기장 강도와 쿨롱 법칙의 이해
쿨롱 법칙 (Coulomb's Law)
기본 개념
쿨롱 법칙은 정전기력의 기본 법칙으로, 두 전하 사이에 작용하는 힘의 크기와 방향을 설명합니다.
수학적 표현
F = k(Q₁Q₂/r²)
- F: 전기력 (단위: N)
- k: 쿨롱 상수 (k = 1/4πε₀ ≈ 8.99×10⁹ N⋅m²/C²)
- Q₁, Q₂: 전하량 (단위: C)
- r: 두 전하 사이의 거리 (단위: m)
주요 특징
역자승 법칙
- 거리의 제곱에 반비례
- 거리가 2배가 되면 힘은 1/4로 감소
선형성
- 전하량에 비례
- 전하량이 2배가 되면 힘도 2배
벡터량
- 크기와 방향을 모두 가짐
- 같은 부호: 밀어내는 힘
- 다른 부호: 당기는 힘
쿨롱 상수 (k)
- 값: 8.99×10⁹ N⋅m²/C²
- 진공 유전율과의 관계: k = 1/4πε₀
- 매질에 따른 변화: k' = k/εᵣ (εᵣ: 상대 유전율)
전기장 (Electric Field)
정의와 의미
전기장은 단위 양전하가 받는 전기력으로 정의되며, 공간상의 각 점에서 전하가 받을 힘의 세기와 방향을 나타냅니다.
전기장 강도 계산
점전하에 의한 전기장 E = Q/(4πε₀r²)
- E: 전기장 강도 (N/C)
- Q: 전하량 (C)
- r: 거리 (m)
여러 전하에 의한 전기장
- 중첩의 원리 적용
- E = E₁ + E₂ + E₃ + ...
- 벡터적 합산 필요
전기력선
특징
- 양전하에서 나오고 음전하로 들어감
- 서로 교차하지 않음
- 밀도가 전기장 세기를 나타냄
패턴
- 점전하: 방사형
- 평행판: 균일한 평행선
- 쌍극자: 곡선 형태
실제 응용
정전기 현상
일상생활
- 머리카락 정전기
- 복사기/프린터 작동
- 정전기 방전
산업 응용
- 정전 도장
- 공기 청정기
- 집진 장치
전자기기 설계
정전차폐
- 패러데이 케이지 원리
- 전자기기 보호
센서 기술
- 정전용량 터치스크린
- 전하 결합 소자(CCD)
고전압 기술
전력 전송
- 고압 송전선
- 절연체 설계
실험 장비
- 입자 가속기
- 정전 발전기
계산 예제
예제 1: 점전하의 전기장
- 전하량: +2μC
- 거리: 3m
- 계산: E = (2×10⁻⁶)/(4π×8.85×10⁻¹²×9)
- 결과: ≈ 6,667 N/C
예제 2: 두 전하 사이의 힘
- 전하량: Q₁ = +3μC, Q₂ = -2μC
- 거리: 0.1m
- 계산: F = (8.99×10⁹×6×10⁻¹²)/0.01
- 결과: ≈ 5.394 N (인력)
주의사항과 제한
이론적 제한
점전하 가정
- 실제 전하는 크기를 가짐
- 매우 작은 물체에 적용
진공 상태 가정
- 공기 중에서는 약간의 차이
- 매질 효과 고려 필요
실험적 고려사항
측정 오차
- 환경 조건의 영향
- 기기 정밀도
안전 고려
- 고전압 주의
- 정전기 방전 위험
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