전기적위치에너지-가상실험

 

| 전위와 등전위면 |

전기장 내에 있는 전하는 전기력을 받으므로, 이 힘으로 일을 할 수 있는 능력인 퍼텐셜 에너지를갖는다. 전하가 전기장내에서 갖는 퍼텐셜에너지는 어떤 특징이 있는지 알아보자.

그림 (가)와 같이 지구의 중력장 내에 있는 물체를 중력과 반대 방향인 높은 곳으로 올리려면 물체에 일을 해 주어야 한다. 이때 해 준 일만큼 중력에 의한 퍼텐셜 에너지는 증가한다.

그림 (나)와 같이 아래 방향으로 균일한 전기장이 형성되어 있는 공간에 전하 +q가 있으면 전하는 전기장의 방향으로 힘을 받게 된다. 따라서 전하 +q를 전기장과 반대방향으로 옮기기 위해서는 외부에서 일을 해 주어야 한다. 이때 외부에서 해 준 일만큼 전하의 전기력에 의한 퍼텐셜 에너지는 증가한다.

전기력에 의한 퍼텐셜 에너지를 전하량으로 나눈 값, 즉 단위 전하가 갖는 전기력에 의한 퍼텐셜 에너지를 그 지점에서의 전위라고 한다.

전하량이 q인 전하를 기준점으로부터 전기장 내의 어떤 지점까지 옮기는 데 W만큼의 일을 했을 때, 그 지점에서의 전위V는 다음과 같다.

 

 

 

이와 같이 전기장 속의 모든 지점에는 전위가 부여되며, 전기장 내 두 지점 사이의 전위의 차를 전위차 또는 전압이라고 한다.

그림과 같이 다른 전하로 대전된 평행한 두 금속판 사이에는 A에서 B쪽으로 세기가 E인 균일한 전기장이 만들어진다. 이 전기장 내에 전하 +q가 있으면 F=qE의 전기력을 받는다. 따라서 이 전하 +q를 전기장의 반대방향으로 B에서 A까지 거리 d만큼 옮기기 위해서는 다음과 같은 양의 일을 해 주어야 한다.

 

이 일이 A 지점과 B 지점에서 전하 +q가 갖는 전기력에 의한 퍼텐셜 에너지의 차가 된다. 따라서 위치 A와 B에서의 전위를 각각 V_A와 V_B라고 할 때, 두 지점 사이의 전위차 V_A- V_B는 다음과 같다.

 

지도를 보면 높이가 같은 지점을 연결한 등고선이 있다. 등고선 위에 있는 물체의 중력에 의한 퍼텐셜 에너지는 동일하다. 이와 같이 전기장 내의 전위가 같은 점을 연결한 선이나 면을 등전위선 또는 등전위면이라고 한다. 등전위선을 이용하면 전기장의 모습을 파악하는 데 매우 편리하다.

 

하나의 등전위선 위의 모든 지점 사이에는 전위차가 없다. 그러므로 등전위선을 따라 전하를 이동시킬 때 필요한 일은 0이다. 아래 그림과 같이 균일한 전기장에서 (+)전하 q를 일직선으로 A에서 B로 옮기는 경우를 생각해 보자. 이때는 전하가 움직이는 방향과 힘의 방향이 수직이므로 전하를 옮기는 동안 전기력이 하는 일은 0이다. 따라서 A와 B를 잇는 직선은 등전위선이며 전기력선에 수직이다.

 

그림 (가)는 (+)전하가 만드는 전기장의 전기력선과 등전위면을 나타낸 것이고, 그림 (나)는 크기가 같고 부호가 다른 두 전하가 있는 경우의 전기력선과 등전위면을 나타낸 것이다. 이와 같이 같은 크기 간격으로 그린 등전위면은 전기장이 센 곳에서는 촘촘하고, 전기장이 약한 곳에서는 듬성듬성하다. 또한 등전위면은 전기장이 균일하지 않더라도 항상 전기장에 수직이다.

 

내용출처 : 천재교육 물리2