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전기산업기사 입체각(가우스의 정리) — 전기력선 수와 발산 계산

입체각이 속한 가우스의 정리 세트는 폐곡면을 나가는 전기력선의 총 수, 전계의 발산 계산, 접촉한 도체구의 쿨롱 힘을 묻는다.

2026-10-22 기준 · 전기산업기사 대시보드

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시험에 이렇게 나온다

출제기준 단원 「입체각」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.

묻는 꼴문제 수무엇을 묻나
발산 값 산출1성분별 편미분을 더해 발산 값을 구한다
전하밀도 판정1편미분이 상쇄되는 전계에서 전하밀도를 정한다
접촉 도체구 쿨롱 계산1전하 균분을 전제로 반발력에서 전하량을 구한다

뜻

가우스의 정리에 따르면 폐곡면(닫힌 면)을 뚫고 나가는 전기력선의 총 수 N은 내부 전하의 대수화 Q에 비례하고 N = Q/ε₀(ε₀: 진공의 유전율)으로 계산된다 — 전기력선 수는 내부 전하 대수화의 1/ε₀배다. 혼동하기 쉬운 것이 전속(전속선)인데, 전속의 수는 Ψ = Q로 전하량과 같다. 「전기력선」이면 1/ε₀배, 「전속」이면 1배라는 낱말 확인이 계산보다 먼저다.

발산(divergence)은 한 점에서 벡터장이 퍼져 나가는 정도를 나타내는 값으로, 각 성분을 자기와 같은 좌표로 편미분해 더한다 — div E = ∂Ex/∂x + ∂Ey/∂y + ∂Ez/∂z. 전계가 E = 3x²i + 2xy²j + x²yzk이면 x성분은 6x, y성분은 4xy, z성분은 x²y가 되어 div E = 6x + 4xy + x²y다. i성분은 x로, j성분은 y로, k성분은 z로 미분하고, 미분하지 않는 문자는 상수 취급한다. 결괏값에 화살표가 붙지 않는 스칼라라는 점에서 회전(벡터)과 구분된다.

전하밀도는 가우스 법칙의 미분형 ρ = ε₀ × div E로 구한다. 전계 E = [(sin x)ax + (cos x)ay]e^(−y) [V/m]이면 x성분 미분 cos x·e^(−y)와 y성분 미분 −cos x·e^(−y)가 상쇄되어 div E = 0, 따라서 전하밀도는 0 C/m³이다. 전계의 성분(sin x, cos x, e^(−y))을 발산 계산 없이 그대로 고르면 함정 선지에 걸린다.

전기력선은 정(+)전하에서 나와 부(−)전하로 들어가며 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 향하고, 전하에서만 발생·소멸한다. 전계가 0이 아닌 곳에서 두 선이 교차하면 그 점의 전계 방향이 두 개가 되어 모순이므로 교차하지 않는다. 전계의 거리 의존성은 대전체의 모양이 정한다 — 점전하는 E = Q/(4πε₀r²)로 거리 제곱에 반비례하고 구전하는 바깥에서도 같으며, 무한 선전하는 E = λ/(2πε₀r)로 거리에 반비례하고, 무한 평면전하는 E = σ/(2ε₀)로 거리와 무관하게 일정하다.

쿨롱의 법칙 F = 9×10⁹ × q²/r²도 한 축이다. 똑같은 작은 도체구 두 개를 접촉하면 전하가 똑같이 나뉘어 각각 q가 되고, 1 m 떼어 놓았을 때 9×10⁻³ N로 반발하면 q² = 10⁻¹²이 되어 각 전하는 10⁻⁶ C다. 쿨롱력은 중첩의 원리가 성립해 제3의 전하를 옆에 놓아도 두 전하 사이의 힘 자체는 변하지 않는다. 고립 구도체의 표면 전계는 E = V/r로 잡고 공기의 절연내력 3 kV/mm에 반지름 15 mm(지름 3 cm)를 곱하면 45 kV에서 표면 공기가 절연파괴된다. 전위 분포 V = 6x + 3 [V]에서는 전계 E = −dV/dx = −6ax [V/m]로 위치에 무관한 균일 전계가 되고, 전류량은 Q = It로 10 A가 5분(300초) 흐르면 3000 C이다.

예제

① 발산 — E = 3x²i + 2xy²j + x²yzk: ∂(3x²)/∂x = 6x, ∂(2xy²)/∂y = 4xy, ∂(x²yz)/∂z = x²y → div E = 6x + 4xy + x²y. ② 접촉 도체구 — F = 9×10⁹q²/r²에 F = 9×10⁻³ N, r = 1 m 대입 → q² = 10⁻¹² → q = 10⁻⁶ C.

대표 기출 3문항

전계 E⃗=3x2i^+2xy2j^+x2yzk^\vec{E} = 3x^2\hat{i} + 2xy^2\hat{j} + x^2yz\hat{k} 의 div E⃗\mathrm{div}\,\vec{E}는 얼마인가?

  1. -6x + xy + x^2y
  2. 6x + 6xy + x^2y
  3. -6x - 6xy + x^2y
  4. 6x + 4xy + x^2y
정답과 해설 보기

정답 ④ · 발산(divergence)은 div E⃗=∂Ex∂x+∂Ey∂y+∂Ez∂z\mathrm{div}\,\vec{E} = \dfrac{\partial E_x}{\partial x} + \dfrac{\partial E_y}{\partial y} + \dfrac{\partial E_z}{\partial z} 로 계산한다. ∂∂x(3x2)=6x\dfrac{\partial}{\partial x}(3x^2) = 6x, ∂∂y(2xy2)=4xy\dfrac{\partial}{\partial y}(2xy^2) = 4xy, ∂∂z(x2yz)=x2y\dfrac{\partial}{\partial z}(x^2yz) = x^2y 따라서 div E⃗=6x+4xy+x2y\mathrm{div}\,\vec{E} = 6x + 4xy + x^2y - 정답: 6x+4xy+x2y6x+4xy+x^2y - 오답 소거: ②③은 각 항의 계수 계산 오류(4xy를 6xy로 잘못 계산), ①은 부호 오류.

발산은 각 성분을 자기 좌표로 편미분한 값의 합이므로 ∂(3x²)/∂x+∂(2xy²)/∂y+∂(x²yz)/∂z=6x+4xy+x²y이다.

전계 E=[(sin⁡x)a⃗x+(cos⁡x)a⃗y]e−y [V/m]E=[(\sin x)\vec{a}_x+(\cos x)\vec{a}_y]e^{-y}\,[\mathrm{V/m}]인 전계가 자유공간 내에 존재한다. 공간 내의 모든 곳에서 전하밀도는 몇 C/m3\mathrm{C/m^3}인가?

  1. sinx
  2. cosx
  3. e-y
  4. 0
정답과 해설 보기

정답 ④ · 자유공간에서 가우스 법칙의 미분형은 ∇⋅E⃗=ρ/ε0\nabla\cdot\vec{E} = \rho/\varepsilon_0 이다. 발산을 계산하면 ∂∂x(sin⁡x e−y)+∂∂y(cos⁡x e−y)=cos⁡x e−y+cos⁡x⋅(−e−y)=cos⁡x e−y−cos⁡x e−y=0\dfrac{\partial}{\partial x}(\sin x\, e^{-y}) + \dfrac{\partial}{\partial y}(\cos x\, e^{-y}) = \cos x\, e^{-y} + \cos x\cdot(-e^{-y}) = \cos x\,e^{-y} - \cos x\,e^{-y} = 0.

ρ=ε₀·div E인데 두 편미분이 상쇄되어 div E=0 → 전하밀도는 0 C/m³.

두 개의 똑같은 작은 도체구를 접촉하여 대전시킨 후 1[m] 거리에 떼어 놓았더니 작은 도체구는 서로 9×10⁻³[N]의 힘으로 반발했다. 각 전하는 몇 [C]인가?

  1. 10-8
  2. 10-6
  3. 10-4
  4. 10-2
정답과 해설 보기

정답 ② · 동일한 두 도체구를 접촉시키면 전하가 균등하게 나뉘어 각각 qq의 전하를 갖는다. 쿨롱의 법칙 F=q24πε0r2=9×109q2r2F=\dfrac{q^2}{4\pi\varepsilon_0 r^2}=9\times10^9\dfrac{q^2}{r^2}에 F=9×10−3F=9\times10^{-3}N, r=1r=1m을 대입하면 q2=9×10−39×109=10−12q^2=\dfrac{9\times10^{-3}}{9\times10^9}=10^{-12}, 따라서 q=10−6q=10^{-6}[C].

동일 도체구 접촉 시 전하 균분, 쿨롱 법칙 F=9×10⁹q²/r²에 대입해 q를 구한다.

자주 묻는 물음

발산은 어떻게 계산하나요?
각 성분을 자기와 같은 좌표로 편미분해 더한다. i성분은 x로, j성분은 y로, k성분은 z로 미분한다. E = 3x²i + 2xy²j + x²yzk이면 6x + 4xy + x²y가 된다.
폐곡면을 나가는 전기력선의 총 수는?
내부 전하 대수화 Q의 1/ε₀배로 N = Q/ε₀이다. 전속의 수는 Ψ = Q로 전하량과 같으므로 「전기력선」과 「전속」 낱말을 먼저 가려야 한다.
똑같은 도체구 두 개를 접촉하면 전하는 어떻게 되나요?
똑같이 나뉜다. 각 구의 전하를 q로 놓고 쿨롱의 법칙 F = 9×10⁹q²/r²에 대입해 q를 구한다. 9×10⁻³ N·1 m 조건이면 q = 10⁻⁶ C이다.
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