개념 한 쪽
전기기능장 정전기 및 정전용량 — 전계의 세기와 접지·콘덴서 에너지
정전기는 전하가 정지해 있을 때 나타나는 현상이고, 그 전하 주위에 형성된 전계의 세기는 단위 전하가 받는 힘으로 정의된다. 정전용량은 전하를 저장하는 능력이며, 콘덴서에 저장되는 에너지는 전압의 제곱에 비례한다. 접지는 대지의 전위를 기준으로 삼는 일과 이어진다.
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뜻
전계 안의 임의의 점에 단위 전하 +1C을 놓았을 때 그 전하에 작용하는 힘을 전계의 세기, 곧 전기장 강도라고 한다. 힘을 전하로 나눈 값이므로 전계의 세기는 단위 전하를 기준으로 잰 힘이다. 두 전하 사이의 힘은 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하며, 사이에 유전체를 넣으면 진공 중의 힘을 그 유전체의 비유전율로 나눈 값으로 줄어든다.
정전용량은 도체나 콘덴서가 전하를 저장할 수 있는 정도를 나타낸다. 콘덴서에 저장되는 에너지는 E = ½CV²로 구하므로 전압이 커질수록 같은 용량이라도 저장 에너지가 크게 늘어난다.
모든 전기 장치를 접지시키는 근본적인 이유는 지구의 정전용량이 매우 커서 대지의 전위가 거의 일정하게 유지되기 때문이다. 전위가 흔들리지 않는 대지를 기준점으로 삼아야 장치 사이의 전위 관계를 안정적으로 정할 수 있다.
예제
선지 판단은 「전계 중 단위 점전하에 작용하는 힘」을 전계의 세기로 고르는지, 접지의 근본 이유를 지구의 큰 정전용량과 일정한 전위로 읽는지, 유전체를 넣은 뒤의 힘을 진공 중 힘에서 비유전율로 나눈 값으로 계산하는지, 콘덴서 에너지를 ½CV²에 대입하는지에서 갈린다. 전위·전위차·기자력을 전계의 세기와 바꿔 놓은 선지는 단위와 정의가 다르므로 걸러낸다.
자주 묻는 물음
- 전계의 세기는 어떻게 정의하나요?
- 전계 안의 임의의 점에 단위 전하 +1C을 놓았을 때 그 전하가 받는 힘을 전계의 세기라고 합니다. 힘을 전하로 나눈 값이므로 단위 전하를 기준으로 잰 힘의 크기이며, 전기장 강도라고도 부릅니다.
- 모든 전기 장치를 접지하는 근본적인 이유는 무엇인가요?
- 지구의 정전용량이 매우 커서 대지의 전위가 거의 일정하게 유지되기 때문입니다. 전위가 일정한 대지를 기준으로 삼으면 장치 사이의 전위 관계를 안정적으로 잡을 수 있습니다.
- 콘덴서에 저장되는 에너지는 어떻게 구하나요?
- E = ½CV²로 구합니다. 정전용량 C와 전압 V가 주어지면 그대로 대입하며, 전압은 제곱으로 들어가므로 전압이 커질수록 저장 에너지가 크게 늘어납니다. 유전체를 넣어 정전용량이 커지면 같은 전압에서도 저장 에너지가 커집니다.
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