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전기기사 도체 간의 정전력 — 정전응력·평판 흡인력 계산

전계 속 도체 표면이 받는 힘은 두 공식으로 환원된다. 전하밀도 σ로 구하는 정전응력 σ²/(2ε₀), 전계 E로 구하는 에너지 밀도 ½ε₀E²이다. 평판 전체에 작용하는 힘은 여기에 면적을 곱한 F = ½ε₀A(V/d)²로 계산한다.

2026-10-20 기준 · 전기기사 대시보드

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시험에 이렇게 나온다

출제기준 단원 「도체 간에 작용하는 정전력」의 공개 문제 6개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.

묻는 꼴문제 수무엇을 묻나
정전응력(전하밀도) 계산2표면 전하밀도로 도체 표면이 받는 응력 산출
흡인력(전압·간격) 계산1인가 전압과 간격으로 단위면적당 흡인력 산출
평판 간 전체 힘 계산1면적·간격·전압으로 양판 사이 힘 산출
코로나 전계 응력 계산1방전 개시 전계에서 표면 응력 산출
평행왕복 도선 힘 계산1도선 반지름·간격·전압으로 단위 길이당 힘 산출

가장 자주 묻는 것은 정전응력(전하밀도) 계산입니다.

뜻

전계 속에 놓인 도체 표면에는 전계 방향으로 당기는 힘이 작용한다. 단위 면적당 받는 정전응력(전기적 압력)은 표면 전하밀도 σ로 나타내면 p = σ²/(2ε₀)다. σ = 2μC/m² = 2×10⁻⁶C/m²이면 p ≈ 0.226N/m²이 되고, 간격이 2cm든 4cm든 전하밀도가 같으면 응력은 같다.

같은 응력을 전계의 세기로 쓰면 p = ½ε₀E², 곧 전계의 에너지 밀도와 같아진다. 두 평판에 1000V를 걸고 간격이 0.5cm이면 E = V/d = 2.0×10⁵V/m이고 p ≈ 1.77×10⁻¹N/m²다. 코로나 방전이 일어나는 3.5kV/mm = 3.5×10⁶V/m의 전계에서는 p ≈ 54N/m²까지 올라간다. 전계가 2배로 커지면 응력은 4배가 된다.

평판 콘덴서의 양판 사이에 작용하는 전체 힘은 응력에 면적을 곱해 F = ½ε₀A(V/d)²로 계산한다. 간격 3cm, 면적 30cm² = 3.0×10⁻³m², 전압 220V이면 (V/d)² ≈ 5.38×10⁷을 대입해 F ≈ 7.14×10⁻⁷N이 된다. cm²를 m²로, cm를 m로 바꾸는 환산이 항상 앞선다.

평행왕복 도선에서는 전압을 걸었을 때 선이 단위 길이에 받는 힘을 구하는 꼴로도 출제된다. 도선 반지름과 간격이 주어지는 이 유형은 선전하와 그 사이 인력을 단위 길이 기준으로 계산한다.

예제

전하밀도가 주어진 문제는 p = σ²/(2ε₀)에 바로 대입한다. σ = 2×10⁻⁶C/m²이면 (2×10⁻⁶)² ÷ (2×8.854×10⁻¹²) ≈ 0.226N/m²다. 전압과 간격이 주어진 문제는 먼저 E = V/d를 계산한 뒤 p = ½ε₀E²을 쓴다. 1000V, 0.5cm → E = 2.0×10⁵V/m → p ≈ 1.77×10⁻¹N/m². 전체 힘을 구할 때는 F = ½ε₀A(V/d)²에 면적을 m²로 바꿔 넣는다(30cm² = 3.0×10⁻³m²). 지수 계산에서 10⁻²(㎝→m)와 10⁻⁴(cm²→m²)를 헷갈리지 않는 것이 핵심이다.

대표 기출 3문항

면적 100cm2 인 두장의 금속판을 0.5cm 인 일정 간격으로 평행 배치한 후 양판간에 1000V의 전위를 인가하였을 때 단위면적당 작용하는 흡인력은 몇 N/m2 인가?

  1. 1.77×10-1
  2. 1.77×10-2
  3. 3.54×10-1
  4. 3.54×10-2
정답과 해설 보기

정답 ① · 두 평판 사이의 흡인력(압력)은 전기장의 에너지밀도 1/2·ε0·E^2로 구한다. 판간 전계 E=V/d=1000/(0.005m)=2.0×10^5 V/m이며 ε0≈8.854×10^-12 F/m이므로 압력은 0.5·8.854×10^-12·(2.0×10^5)^2=≈1.77×10^-1 N/m^2가 된다.

간격 3[㎝], 면적 30[cm2]의 평판 콘덴서에 220[V]의 전압을 가하면 양판 간에 작용하는 힘은 약 몇 N 인가?

  1. 6.3×10-6N
  2. 7.14×10-7N
  3. 8×10-5N
  4. 5.75×10-4N
정답과 해설 보기

정답 ② · 문제는 평판 콘덴서에 전압을 인가했을 때 판 사이에 작용하는 전기력을 묻고 있다. 평판 콘덴서의 판 사이 힘은 F = 1/2 ε0 A (V/d)^2 이므로 값을 대입하면 된다.

무한히 넓은 평행판을 2㎝의 간격으로 놓은 후 평행판 간에 일정한 전계를 인가하였더니 도체 표면에 2[μC/m2]의 전하밀도가 생겼다. 이때 평행판 표면의 단위면적당 받는 정전응력은?

  1. 1.13x10-1[N/m2]
  2. 2.26x10-1[N/m2]
  3. 1.13[N/m2]
  4. 2.26[N/m2]
정답과 해설 보기

정답 ② · 문제는 평행판 표면에 생긴 전하밀도에서 정전응력(전기적 압력)을 구하라고 한다. 정전응력 p는 σ^2/(2ε0)로 주어진다.

자주 묻는 물음

도체 표면의 정전응력 공식은 무엇인가요?
전하밀도로는 p = σ²/(2ε₀), 전계로는 p = ½ε₀E²입니다. 두 식은 같은 값을 주며 σ = 2μC/m²이면 약 0.226N/m²입니다.
평판 콘덴서 양판 사이의 힘은 어떻게 구하나요?
F = ½ε₀A(V/d)²입니다. 응력에 면적을 곱한 값으로, 간격 3cm·면적 30cm²·전압 220V이면 약 7.14×10⁻⁷N입니다.
전계의 세기가 응력에 미치는 영향은 무엇인가요?
응력은 전계의 제곱에 비례합니다. 3.5kV/mm 코로나 한계 전계에서는 약 54N/m²의 응력이 생기고, 전계가 2배가 되면 응력은 4배가 됩니다.
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