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.
일반 매질 속에서는 다음과 같습니다. (단, εs는 매질의 비유전율.)
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.
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】
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.
