전하와 쿨롱의 법칙
전기를 일으키는 근원인 전하에 대해 조금 더 자세하게 알아봅시다. 여기에서는 전하란 무엇인가? 와 같은 기초 지식부터 쿨롱의 법칙을 사용해 전하량을 구하는 법까지 자세하게 설명합니다.
전하란
전하란 대전된 물체가 가진 전기의 양을 말합니다. 양자에 비해 전자가 많으면 -, 전자가 적으면 +가 됩니다. 기호는 Q, 단위는 C(쿨롱)로 나타냅니다. 2개의 전하량을 Q1, Q2, 거리를 r[m], 두 전하 사이에 작용하는 힘을 F[N]로 하면 쿨롱의 법칙은 다음과 같은 식이 됩니다.
![수식](/Images/ss_static-electricity_e_charge_001_1846294.png)
일반 매질 속에서는 다음과 같습니다. (단, εs는 매질의 비유전율.)
![수식](/Images/ss_static-electricity_e_charge_002_1846295.png)
쿨롱의 법칙
대전된 물체끼리 접근하면 같은 극성의 정전기는 서로 반발하고, 다른 극성의 정전기는 서로 끌어당기는 힘이 작용합니다.
이때 발생하는 전기적 힘을 「쿨롱의 힘」(단위는 [N])이라 하며 그 전하량과 힘의 관계가 「쿨롱의 법칙」으로 나타납니다.
![수식](/Images/ss_static-electricity_e_charge_003_1846296.png)
크기를 측정할 수 없는 아주 작은 물체에 대전되어 있는 전하를 점 전하라고 하며, 진공 상태에서 전하량 Q[C]의 점 전하 A에 전하량 Q’[C]의 점 전하 B가 접근하여 그 거리를 r[m]이라고 했을 때 쿨롱의 법칙으로 정전기력 F를 계산하면 B와 A의 거리 r[m]의 제곱에 반비례하고, A의 전하량과 B의 전하량을 곱한 값에 비례합니다.
비례 정수에서 ε0은 진공의 유전율(8.85×10-12[F/m]: 패럿 퍼 미터)이라 불리는 정수입니다.
이 쿨롱의 힘은 2개의 전하가 같은 극성이면 반발력, 다른 극성이면 흡인력이 되며 이것을 중력 가속도 9.8[m/s2]로 나누면 [kg]이 됩니다.
【예】
![](/Images/ss_static-electricity_e_charge_004_1846297.png)
2개의 점 전하 1[C]과 -1[C], 그 거리가 1[m]일 때의 정전기력(F)은 다음 식과 같습니다.
이는 약 100만 톤 무게의 작용력이며 100만 톤 중량의 물체를 들어 올리는 힘에 상응합니다. 이 1쿨롱[C]이라는 단위는 너무 크기 때문에 현실적으로는 정사각형 크기[1m×1m]의 고분자 필름을 마찰 대전시켰을 때의 대전량 약 10-5[C] 정도를 사용하고 있습니다.
【쿨롱의 법칙】
쿨롱의 법칙은 그리스 시대의 철학자인 탈레스(Thales BC.640-546년)가 발견했다고 하며 이 설을 정식으로 공식화한 것이 쿨롱(1739-1806년)으로, 1785년에 발표되었습니다.