도체구에서의 전하 분포

기체속의 분자들은 서로 모이지 않으려는 경향이 있어 가능한 한 서로 멀리 떨어져 있으려 한다. 자유 전자들 또한 마찬가지다. 기체가 가득 찬 탱크 안의 분자들은 탱크의 부피 내에 거의 균일하게 분포함으로써 각각의 분자들은 서로 가장 인접한 분자들끼리 가능한 멀리 떨어져 있게 된다. 이제 구리로 된 공이 충전되었을 경우, 자유 전자들은 같은 이유로 공 전체에 균일하게 분포할 것이다.

 

(a) 그렇다. 맞다.

(b) 아니다. 틀린 말이다.

 

 

 

정답 : b

 

기체 분자들처럼 전자들도 구리 공 전체에 퍼져 전자와 그 주위 전자들 간의 거리가 가능한 한 멀어질 것이라고 생각할지도 모른다. 그러나 전자들은 구리 공 표면 근처 또는 위에 모이게 된다. 왜 전자와 기체분자 간에 차이가 날까? 그것은 기체 분자들이 물리적 충돌에 의해 단지 분자들과 가장 가까운 이웃분자들끼리만 상호작용을 하기 때문이다. 분자 간에 작용하는 힘은 짧은 거리에서만 작용하게 된다. 분자는 기체 탱크의 반대편에 있는 분자와는 상호작용을 하지 않는다. 분자들은 가장 근접한 이웃 분자와의 거리가 최대가 되도록 분포한다.

 

반면에 전자는 전기장에 의해 먼거리에 있는 전자들과도 상호작용을 할 수 있다. 전자는 멀리 있는 전자에 힘을 가할 수 있다. 전자는 가까운 이웃 전자들로부터가 아니라 구리 공안에 있는 모든 전자들로부터의 거리가 최대가 되도록 한다. 전자는 모든 전자들로부터 가능한 한 멀리 존재하려 한다. "가능한 한 멀리"가 의미하는 바는 공의 반대편을 말한다. 전자들은 서로 장거리에 걸친 힘을 주고받는다.

 

금속 물질이 음전하를 띠게 하는 전자들은 항상 물질의 바깥 표면을 따라 분포한다.