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고급물리:전기장: 두 판 사이의 차이

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새 문서: {{22개정 물리학}} == 배우는 이유 == {| class="wikitable" !흥미적 이유 | * === 출발질문(마지막까지 학습한 후에 대답해보세요~) === # |- !직업적 이유 | *GPS 등 시간과 관련한 정밀 장비에서 반드시 필요한 지식. |- !학문적 이유 | *우주의 비밀을 파헤친다...! |- !너희들은? | *상공에서 생성된 불안정한 입자인 뮤온이 지표면에 도달하는 현상에 대해, 정지계의 관찰자는 시간...
 
 
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{{22개정 물리학}}
{{현재 교육과정:고급물리}}


== 배우는 이유 ==
== 배우는 이유 ==
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이유
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*GPS 등 시간과 관련한 정밀 장비에서 반드시 필요한 지식.
*기사!
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!학문적
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이유
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*우주의 비밀을 파헤친다...!
*전기나 역학과 비슷한 부분이 많다. 쿨롱 법칙과 만유인력 식도 거의 똑같고, 전기에서의 전위가 곧 역학에서의 높이, 전하는 질량, 전기장은 중력장으로 생각할 수 있다. 이처럼 전기는 또 하나의 계라고 생각을 하는데, 그 전기를 이해하기 위한 첫 단계가 전기장과 전기력이기 때문이다. => 전기에서 쓰는 수학적 전략, 구조가 역학, 열역학, 유체역학에서 그대로 쓰이는 경우가 많아요.
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!너희들은?
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*상공에서 생성된 불안정한 입자인 뮤온이 지표면에 도달하는 현상에 대해, 정지계의 관찰자는 시간 팽창으로, 운동계의 관찰자는 길이 수축으로 설명한다. 두 다른 방식으로 하나의 현상을 모순 없이 설명해 내기에 두 관점으로 바라보는 논리를 볼 수 있기에 배워야한다고 생각한다.
*나는 오늘 내용을 동생들이나 다른 친구들이 배워야 한다는 점에서 중립이다. 역사적 사실, 전자기학의 개념들은 실생활에서 많이 쓰이고 세계를 이해는데 도움을 주어 필요할 거 같지만 여러 적분 그리고 수학들 때문에 정의 위주로 공부하면 좋을거 같다. => 일단 기본적인 이해를 위해선 거의 수학이죠.
*GPS의 시간 보정, 입자가속기에서 빠르게 움직이는 입자의 운동, 우주 탐사 등 실제 기술과 현대 물리학의 여러 분야에서 상대론적 효과가 중요하게 사용된다. 또한 우리가 당연하게 생각했던 시간과 공간이 관찰자의 운동 상태에 따라 달라질 수 있다는 점을 이해하는 것은 물리학의 사고방식을 배우는 데 의미가 있다고 생각한다.
*솔직히 대부분은 안 배워도 산다. 스마트폰을 쓰는 데 전기장을 알 필요는 없다. 그래도 배울 이유가 있다면, 전기장은 눈에 보이지도 만져지지도 않는데 있다고 주장하는 개념이라는 점이다. 그럼 "안 보이는데 왜 있다고 하지?"를 한 번은 따져야 한다. 이 질문을 제대로 해보는 경험이 전기장 계산법보다 더 오래 남는다고 생각한다. => 맞아요. 적분은 수학적 도구를 사용하기 위한 방식을 보여주기 위한 거고, 조금 더 고민해보기 위한 시간이 설문이죠..!
*과거 맥스웰 방정식에서 도출된 광속의 절대성과 마이켈슨-몰리 실험의 에테르 검출 실패 과정을 살펴보면, 인간이 가진 상식이나 기존 관념 절대공간과 절대시간이 틀릴 수 있음을 알게 된다. 이 내용을 배우면 관측자의 상태에 따라 시간 지연이나 길이 수축이 일어난다는 현대 물리학적 사고를 트이게 해주며, 고정관념을 깨고 상대적인 관점에서 현상을 바라보는 고차원적 사고력을 키울 수 있기 때문에 반드시 배워야 한다.
*우리가 당연하다고 믿는 시간과 동시에라는 개념이 사실은 절대적인 것이 아니라는 걸 알려주기 때문이다.
*사고실험을 통해서 개념을 다루는 방식은 다른 수학, 물리학에서 수식을 다루는 것과는 다른 종류의 이해력과 창의력이 필요하기 때문이다.
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!배워야 할 것
!배워야 할 것
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*시간 팽창, 길이 수축, 질량 증가.
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== 도입 ==
== 도입 ==
<youtube>https://www.youtube.com/watch?v=FCn8MFtcRkA</youtube>
<youtube>https://www.youtube.com/watch?v=SLUkJ3Y_tEQ</youtube>


== 학습 ==
== 학습 ==
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=== 전개질문 ===
=== 전개질문 ===


# 빛의 속도에 가깝게 달리는 우주선 안에서 손전등을 켜면 빛은 내게서 얼마나 빠르게 멀어질까?
# 전기장의 방향은 어떻게 정하는가?


=== 도착질문 ===
=== 도착질문 ===


# 태양이 갑자기 사라지면 지구에선 언제 그 사실을 알게 될까?
# 후배들에게 남길 만한 질문.


=== 생각해볼 만한 질문 ===
=== 생각해볼 만한 질문 ===
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== 학생들의 질문 ==
== 학생들의 질문 ==


=== 수업 중 떠오른 질문 ===
==학생들의 질문==


=== 전기장 관련 ===
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
!학생 질문
!질문
!교사 코멘트
!대답
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* 정지한 계의 관찰자, 이동하는 계의 관찰자가 서로를 관측할 때 서로 시간이 수축하는 것으로 보는데 이때 누구의 시간이 수축한다고 판단할 수 있는 것인가
* 전기장은 실제로 존재하는 걸까, 계산을 편하게 하려고 만든 도구일까?
* 눈에 보이지 않는 전기장이 실제로 존재한다는 것을 어떻게 확인할 수 있을까?
* 전기장은 눈에 보이지 않는데 우리는 어떻게 전기장이 존재한다고 알 수 있을까?
* 전기장은 전하가 없는 공간에서도 존재할 수 있는데, 실제로 전기장이 존재한다는 것을 어떻게 실험적으로 확인할 수 있을까?
|오, 중요한 질문.


* 시간이 만약에 느려지는 상황이라고 하면 그 계 안에 있는 세포호흡 속도나 화학반응식의 속도, 전자의 이동 속도, 뉴런에서 전기신호가 이동하는 속도 모두 영향을 미치는 건가요?
전기장은 직접 눈으로 볼 수는 없지만 그 공간에 놓인 전하가 받는 힘, 전하의 운동, 전위차 등을 측정하여 간접적으로 확인할 수 있음.


* 지구는 왜 상대론적 효과를 못 느낄까
그렇다고 전기장이 단순한 계산 도구에 불과하다고만 보기도 어려움. 전기장은 에너지와 운동량을 가질 수 있고, 전자기파의 형태로 공간을 통해 전파되기도 함.


* 비행기를 자주 타는 사람은 한 번도 안 탄 사람과 비교할 때 몸의 체감 시간이 다를까?
결국 우리는 전기장을 직접 보는 것이 아니라, 전기장이 만들어내는 여러 효과를 일관되게 관측함으로써 그 존재를 확인하는 것.
|'''시간 팽창의 의미를 묻는 질문들.'''
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* 전기장을 측정하기 위해 전하를 가져다 놓으면 그 전하 때문에 원래 전기장이 변하지 않을까?
* 시험 전하가 원래의 전기장을 바꾼다면 측정 전의 전기장은 어떻게 알아낼 수 있을까?
|맞음. 실제 전하를 가져다 놓으면 원천 전하의 분포가 변하여 원래의 전기장이 교란될 수 있음.


먼저 “시간이 수축한다”기보다는 시간 간격이 늘어난다, 즉 움직이는 시계가 느리게 가는 것으로 관찰된다는 게 정확함.
그래서 이론적으로는 원래 전기장을 거의 바꾸지 않을 만큼 아주 작은 시험 전하를 가정함. 여러 크기의 시험 전하로 측정한 뒤 시험 전하량을 0에 가깝게 보내는 극한을 생각할 수도 있음.


한 기준계 안에서는 세포호흡, 화학반응, 전기 신호, 시계, 사고 과정이 모두 평소와 똑같이 진행됨. 자기 시간이 느려졌다고 직접 체감하지 않음. 다른 기준계에서 전체 과정이 느리게 관측되는 것임.
그러나 완벽하게 교란하지 않는 실제 측정은 어려움. 이는 전기장만의 문제가 아니라, 측정 행위가 대상에 영향을 미치는 여러 과학 실험에서 공통으로 나타나는 문제임.(양자역학적으로도)
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* 시간 지연과 길이 수축은 서로 독립적인 현상인가, 하나의 원리에서 동시에 나타나는가?
* 전기장선은 실제로 공간에 존재하는 선이 아니라 전기장을 나타내기 위한 표현인데, 전기장선의 개수를 정할 때 어떤 기준을 쓰는지 궁금하다. 크기 몇 당 몇 개 이런게 있는걸까?
 
* 전기력선을 선으로 그리며 가상의 선이라고 설명한다. 그렇다면 현실의 전기장은 빗자루 털처럼 실제로 가닥가닥 뻗어나가는 것일까, 아니면 전 공간에 빈틈없이 꽉 채워진 안개 같은 연속체일까?
* 시간 팽창과 길이 수축이 같은 로렌츠 인자에 의해 나타난다면 왜 현상과 관찰자의 기준계에 따라 어떤 경우에는 시간팽창으로 어떤 경우에는 길이 수축으로 설명되는 것인가? 하나로 설명할 수는 없을까?
|전기장선의 개수에는 절대적인 기준이 없음.
 
보편적인 기준이 없어서 가우스가 전기장을 적분하는 형식으로 전기장 플럭스의 양을 나타내었죠.
* 부분적으로 길이가 수축하거나 시간이 느리게 흐를수 있다면 그 물체는 어떤 새로운 성질을 가지게 될까? 예를 들어, 한쪽 끝은 정상적인 시간 흐름을 따르지만 다른 쪽 끝은 느려진다면, 에너지 전달,정보의 흐름,구조적 안정성에 어떤 변화가 생길까
|'''시간 팽창과 길이 수축의 관계를 묻는 질문들.'''
 
시간 팽창과 길이 수축은 서로 무관한 두 현상이 아니라, 서로 다른 관성계의 시간 좌표와 공간 좌표가 로렌츠 변환에 따라 연결되면서 나타나는 현상임.
 
같은 뮤온 현상도 지상 기준계에서는 “뮤온의 시간이 팽창한다”고 설명하고, 뮤온 기준계에서는 “대기의 길이가 수축한다”고 설명할 수 있음. 설명 방식은 다르지만 두 기준계는 뮤온이 지표면에 도달한다는 같은 결과를 얻음.
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* 우주에서 절대적인 "순간" 이라는 것은 존재할까?
* 두 전하가 한 지점에 전기장을 만들 때, 그 지점에 있는 전하는 각각의 전기장으로부터 개별적인 전기력을 받고 그 힘이 합성되는 것인지, 먼저 전기장이 합성된 뒤 그 합성 전기장으로부터 하나의 전기력을 받는 것인지 궁금하다.
|같음.


* 진짜 시간은 무엇일까?
각 전기장으로부터 받는 힘을 먼저 구해 합성하면
|동시성과 절대적인 시간의 존재를 묻는 질문들.
: <math>\vec{F}=\vec{F}_1+\vec{F}_2=q\vec{E}_1+q\vec{E}_2</math>
일단, 물리의 역할은 아니라 생각됩니다; 물리에선 명료하게 정의된 용어와 현상 사이의 관계를 파악하려는 노력을 할 뿐...


절대적인 순간은 없고, 상대적인 것만이 남음.
전기장을 먼저 합성하면
: <math>\vec{F}=q(\vec{E}_1+\vec{E}_2)</math>


다만 원인과 결과가 빛보다 느린 신호로 연결될 수 있는 두 사건의 순서는 모든 관성계에서 같음. 원인과 결과의 순서까지 마음대로 뒤바뀌는 것은 아님.
이므로 결과는 같음.
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|한 관성계에서 동시에 발생한 두 사건이 다른 관성계에서는 순서가 뒤바뀔 수 있다면, 우주 전체에 공통적으로 적용되는 절대적인 현재(or 절대적인 시간)이 존재할 수 있을까?라는 질문을 제시하고 싶다. 특수 상대성 이론은 단순한 시간 지연을 넘어 관찰자의 운동 상태에 따라 동시성의 기준이 완전히 달라진다. 만약 정보 전파 속도가 광속을 초과하게 된다면, 상대론적 좌표 변환에 의해 특정 관성계에서는 원인보다 결과가 먼저 일어나는 시간의 역전이 발생할 수도 있겠다는 생각이 들었다.
|빛보다 빠르게 정보를 보낼 수 있다고 가정하면 어떤 관성계에서는 정보가 보내지기 전에 도착한 것처럼 해석되는 인과율 문제가 발생할 수 있음. 이 때문에 광속 제한은 단순한 속력 제한뿐 아니라 원인과 결과의 질서를 지키는 것과도 연결됨.
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* 빛의 속도처럼 절대적인 것은 또 무엇이 있을까?
|빛의 속도도 절대적인 것은 아닐 수 있음.
일단, 제가 알기로 모든 관성계에서 일정한 것은 빛의 속도나 유전율, 자화율 같은 물질의 특성 말곤 떠오르지 않네요;;
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* 관찰자의 입장에서도 뮤온 입자는 빛의 속도로 다가올텐데 왜 길이 수축으로 해석하지 않을까?
|관찰자 입장에서 뮤온의 부피를 측정한다면 찌그러지는 것처럼 보일 것.(근데 뮤온은 점입자로 취급되어서 크기 없음)
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* 우주여행을 하고 돌아온 쌍둥이 동생은 지구에 남아있던 형보다 젊어진다. 그렇다면 동생 입장에서 볼 때는 형이 움직인 셈인데, 왜 형이 더 늙어졌을까?
* 전하의 상호작용은 왜 일어날까
|근본적인 질문.


* 쌍둥이 어쩌고에서 둘다 서로가 운동한다고 느끼고 서로의 시간이 팽창되었다 느끼는 것에서 관측시에만 시간팽창이 느껴지는 줄 알았는데 왜 결국 실제로 시간이 다르게 흘러가는걸까? 실제로 둘중 하나의 시간이 팽창되는건가?
아직 과학에선 “전하가 왜 그런 성질을 가지는가?”까지 설명해 주지는 않음.
* 400만 광년이 빛의 속도로 이동하는 사람 입장에서는 짧게 느껴진다고 한다. 그러면 이동하는 사람은 늙지 않는걸까? 그 사람이 출발한지 1초 뒤에 똑같이 이동한다면 젊은 상태로 둘은 만날 수 있을까?
|지구에 남은 쌍둥이는 하나의 관성계에 계속 머물 수 있지만, 여행한 쌍둥이는 출발, 방향 전환, 귀환을 거치며 관성계를 바꿈.


두 사람이 다시 만났을 때 나이 차이가 실제로 나타나는 이유는 단순히 “누가 누구를 바라보았는가” 때문이 아니라, 두 사람이 시공간에서 서로 다른 경로를 이동하여 경험한 고유시간이 다르기 때문임.
현대 물리학에서는 전자기적 상호작용을 자연의 기본 상호작용 가운데 하나로 보고, 양자전기역학에서는 광자가 이를 매개한다고 설명함.
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* 만약 자신이 빛의 속도로 움직일수 있다면 무엇을 하고 싶나요.
* 중력장이랑 전기장의 공식이 거의 똑같은데 왜 전기장에서는 인력, 척력이 있으면서 중력은 밀어내는 힘이 없는걸까?
* 중력은 끌어당기기만 하는데, 왜 전기력은 끌어당기는 힘과 밀어내는 힘 두 가지가 모두 존재할까?
|중력과 전기력의 식은 비슷하지만, 힘의 원천이 되는 질량과 전하의 성질이 다름.
같은 근원인데도 빨아들이는 형식으로.


* 상대론의 내용이 빛에 가까운 속도로 운동함을 전제로 하는건데 실제로 빛의 속도에 가깝게 운동할 수 있는 방법은 없을까?
어쩌면 질량은 공간을 휘게 만드는 것이고, 전하는 무언가를 방사하는 느낌의 근원이라 결과가 달라지는 것이 아닐지?
|질량이 있는 사람이나 우주선은 정확히 빛의 속력에 도달할 수 없음. 속력이 c 에 가까워질수록 질량이 커져서 가속에 필요한 에너지가 계속 커지기 때문임.
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|빛의 속도로 달릴 수 있다면 영원히 살 수 있을까?
|남들 보기에 영원하지만, 나에게는 찰나이리라.
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* 빛의 속도로 달리면 우주의 끝이 도착할 수 있을까?
|우주 자체가 빛의 속도보다 크게 팽창하게 있어서 우주의 끝에 도달할 수는 없음;ㅜ
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* 광속은 넘을 수 없다고 배웠는데, 우주 팽창으로 멀어지는 은하는 광속보다 빠르게 멀어진다. 이 둘은 모순되지 않을까?
* 일반상대성 이론에 의해 강한 중력장에서는 전기선속이 변화할까? 그렇다면 가우스 법칙이 일반적으로 성립하는 상황인 대칭성이 깨질 수 있다. 이런 상황에서는 단순한 형태의 가우스 법칙을 어떻게 변형해야 할까?
|우주는 물질이 아니라 공간임. 공간이 빛의 속도보다 빠르게 팽창하는 말든 특수상대론에선 알바 아님.
|오우, 시공간 자체가 휘어 있으므로, 평평한 공간에서 사용하던 면적과 부피의 계산을 그대로 사용할 수 없을 듯;
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* 과거로의 시간여행을 할 수 있는 방법이 더 이상은 없을까?


* 시간여행은 실제로 가능할까?
일반상대성이론에서는 휘어진 시공간의 기하를 반영하도록 맥스웰 방정식을 공변적인 형태로 표현한다고 하네요. 아마 로렌츠변환으로???
|과거로 돌아가는 시간여행은 인과율 문제를 일으킴. 특수 상대성 이론의 단순한 시간 팽창만으로 과거로 갈 수 있는 것은 아님.
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* 빛은 왜 항상 초속 300,000km/s 의 속도로 움직이는가?
* 전기장이 있는 공간에는 그에 해당하는 에너지가 저장되어 있을 것이다. 그렇다면 그 에너지는 전하 자체의 에너지일까? 아니면 그 공간에 저장되어 있는 것일까? 그리고 전하를 서로 가까이 가져오거나 멀리할 때 작용되는 일은 어디에 저장되는 것일까?
 
|오, 매우 좋은 질문.
* 빛의 속도는 왜 안느려지나요


* 빛의 속도가 지금보다 더 낮은 속도에서 일정하다면 어떻게 될까?
고전 전자기학에서는 전기장의 에너지가 전하에만 들어 있는 것이 아니라, 전기장이 형성된 공간에 저장되어 있다고 설명할 수 있음.


* 빛의 속력을 일정하다고 두지 않았다면 속도의 한계도 빛으로 두지 않았을까?
진공에서 전기장의 단위 부피당 에너지는
: <math>u=\frac{1}{2}\epsilon_0E^2</math>


* 광속불변의 원리의 증명을 더 자세히 알고 싶다
로 나타냄.


* 빛의속도보다 빠른 물체는 진짜 없을까
전하를 이동시키기 위해 외부에서 한 일은 전하계의 전기적 퍼텐셜 에너지 변화로 나타나며, 장의 관점에서는 전기장에 저장된 에너지의 변화로 볼 수 있음. 축전기가 전기 에너지를 저장하는 것도 이러한 관점으로 설명할 수 있음.
|맥스웰 방정식에서 얻어진 결론.
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* 빛의 속도에 가깝게 이동하면 왜 시간이 멈춘 것처럼 보일까?
* 쿨롱 상수에 엡실론 제로가 들어가는데 이는 진공 상태에서의 유전율인데 실제로는 두 전하 사이에 공기나 다른 물질들로 이루어져 있고, 예를 들어 공기 중의 수증기는 물분자이고 이는 극성 분자니까 이 분자도 전하량이 유도되서 유전율에 변화가 생기지 않을까요?
|“시간이 멈춘다”와 “시간이 멈춘 것처럼 보인다”를 구분해야 함.
|ㅇㅇ 그것들을 종합한 실험값으로 유전율을 측정함.
 
움직이는 물체의 속력이 빛의 속력에 가까워질수록 정지한 관찰자가 측정한 그 물체의 시간 간격은 크게 팽창함. 따라서 움직이는 시계가 매우 느리게 가는 것으로 측정됨.
 
하지만 움직이는 물체와 함께 가는 관찰자는 자신의 시간이 멈췄다고 느끼지 않고 외부의 길이가 수축되었다고 느낌.
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* 만약의 두 물체가 반대쪽 방향으로 빛에 속도에 가깝게 운동한다면 한 물체의 관점으로 다른 물체를 볼때 시간이 얼마나 지연되는지 궁금하다. (단순 상대운동으로 하면 0.9c여도 1.8c가 되어서 빛의 속도를 넘는 문제 발생) 움직이는 물체를 실제로 관측할 때 거리 변화에 따른 빛이 관찰자에게 도달하는 시간도 달라지는데 이 효과도 고려해야 하는 것이 아닌지 궁금하다.
* 고정된 전하들이 만드는 전기장만으로 다른 점전하를 공간의 한 지점에 안정적으로 가둘 수 있을까?
 
|일단 균일한 껍질 형태라면 내부에 전기장을 만들지 않아서 '가둔다'라는 의미랑은 달라지고;; 손쉽게 빠져나가버리지;
* 빛의 속도에 가깝게 달리는 우주선 안에서 손전등을 켜면 빛은 내게서 빛 속도로 멀어진다면 외부 관측자는 로켓 속도 + 빛 속도 일까?
|'''상대론적 속도 합성과 실제 관측을 구분한 좋은 질문들.'''


속력은 단순히 더하지 않고 상대론적 속도 합성식을 사용함.
그래서 실제로 하전 입자를 가둘 때는 시간에 따라 변하는 전기장, 자기장, 또는 두 장의 조합을 사용함. 그, 자기병? 자기거울? 이런 거 쓰는데, 완벽하게 가둬지지 않음; 그래서 핵융합 할 때 어려운 점.


<math>
https://cdn.weekly.chosun.com/news/photo/201808/13390_2.jpg
u=\frac{u'+v}{1+\frac{u'v}{c^2}}
</math>
 
따라서 서로 반대 방향으로 각각 <math>0.9c</math>로 움직이는 물체가 있어도, 한 물체가 측정한 다른 물체의 속력은 <math>1.8c</math>가 되지 않음.
 
또 우주선 안에서 쏜 빛은 우주선 안에서도 <math>c</math>, 외부 기준계에서도 <math>c</math>로 측정됨. 외부 관찰자가 <math>v+c</math>로 측정하지 않음.
 
실제로 눈에 들어오는 영상은 빛의 전달 시간과 도플러 효과의 영향도 받음. 따라서 좌표를 이용해 계산한 속력과 망원경으로 직접 보이는 변화율은 구분해야 함.
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* 관찰자가 직진하는 빛의 관성계에 존재한다면 그때의 빛의 진동수나 파장, 또는 광자는 어떻게 존재할까?
* 대칭성이 없다면 가우스법칙을 이용할 따 폐곡면을 어떻게 적분할까
* 도플러 효과에서 광원이 멀어질때는 v에 -v만 대입하면 되는건가요?
* 원형고리의 전기장에서 나아가 형태가 비대칭적인 고리는 상쇄도 되지 않는데 어떻게 전기장을 구할 서 있을까? 실제로는 비대칭적인 형태가 더 많을텐데 이때는 어떻게할까?
|빛과 함께 움직이면서 빛을 정지시킬 수 있는 관성계는 정의할 수 없음. 질량이 있는 관찰자는 빛의 속력에 도달할 수 없기 때문임.
* 고리와 같은 구조 말고 뫼비우스 띠 구조 같은 여러 복잡한 구조에서의 전기장도 계산할 수 있을까?
 
|대칭적이지 않으면 가우스법칙을 쓰는 의미가 없음; 전기장을 적분기호 밖으로 빼내야 의미가 있습니다. 복잡한 건 콤퓨타로 ㄱㄱ
빛의 속도에 가깝다면.. 도플러 효과로 접근하면 됨.
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* 빛이 서로 다른 매질을 통과할 때 나타나는 빛의 굴절은 매질을 통과하는 빛의 속도가 달라지며 발생한다. 이 때 빛의 속도 변화를 특수상대성이론으로 설명할 수 있을까?
* 면전하의 전기장을 적분 없이 구하는 방법은 없을까? 복잡하더라도 굳이 적분까지 써가면서 구해야 할까? 그렇다면 조금 더 어린 동생놈들에게 가르칠때는 어떻게 가르쳐야 할까?
|광속 불변의 원리에서 말하는 <math>c</math>는 '''진공에서의 빛의 속력'''임. 물질 속에서는 빛과 물질을 구성하는 입자들의 상호작용 때문에 빛의 전파 속도가 진공에서보다 작게 나타날 수 있음. 이것은 진공에서의 광속 불변과 모순되지 않음.
* 조금 더 쉽게 접근하는 야매법이 없을까 시급하다 생각한다 like 가우스 법칙
|가우스 법칙이 없다면.. 다른 야매법은 저도 모르겠는데요;; 실험값이다? 퉁치기?


물 속에선 빛보다 빠를 수 있고 이때 나타나는 빛이 체렌코프 광.
전위를 먼저 구하는 것, 이미 알려진 결과를 중첩하여 사용하는 것 정도겠네요;;
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* 앞의 질문에서 태양이 사라지더라도 빛은 약 8분 후에 도착한다. 이때 광속불변의 원리를 보면 태양의 중력 변화 또한 빛의 속력을 넘어서 전달될 수 없으므로 그 전까지 지구는 기존과 같은 태양빛과 중력의 영향을 받고, 약 8분이 지난 뒤에야 튕겨져 나가는 걸까?
* 만일 선전하가 그래프라면 범위가 주어진 n차 그래프에 대해 일반화할 수 있을까? (예: ax^2+bx+c의 그래프의 형태의 선전하가 p&lt;=x&lt;=q까지 존재할때 그 전기장을 일반화 할 수 있는가?) 할 수 있다면 어떻게 될까?
 
* 태양이 사라진 8분 20초 동안 지구는 무엇을 중심으로 돌고 있는 걸까?
 
* 자전은 유지되고 지구의 공전이 멈추면 (살 수 있다는 가정 하에) 밤하늘을 더 오래 볼 수 있는가?
|태양이 사라졌다는 중력장의 변화도 지구에 즉시 전달되지 않음. 따라서 약 8분 20초 동안 지구는 태양빛을 계속 받을 뿐 아니라 기존과 거의 같은 공전 운동을 이어감.
 
이를 “사라진 태양을 지금도 중심으로 돈다”고 해석하기보다는, 태양이 사라졌다는 정보가 아직 지구에 도달하지 않아 지구 주변의 중력장 상태가 곧바로 바뀌지 않았다고 이해하는 것이 좋음.
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* 만약 태양이 지구를 기준으로 양쪽에 있고 ( 한 직선위 에 지구, 태양2개 다 있음 ) 1초 차이로 태양이 각 각. 사라진다면 우리 입장에서는 어떤 일이 일어날까?
: <math>dl=\sqrt{1+\left(\frac{dy}{dx}\right)^2}dx</math>임을 이용해서 적분 ㄱㄱ
|두 태양이 지구에서 같은 거리에 있다면, 두 태양이 사라진 시간의 1초 차이도 지구에서 원칙적으로 1초 차이로 관측됨.
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* 만약 지구에서 태양까지 잇는 1억 5천만km 짜리 막대기가 있을 때, 지구에서 막대기를 태양 쪽으로 밀면 바로 밀릴까 아니면 약 500초 후에 밀릴까?
* 전기장이 1/r^2에 비례하지 않는다면 무슨 일이 일어날까? 예를 들어 1/r^3이나..공간적으로 불가능하겠지만 무슨 일이 일어날지 상상 정도만..
* 쿨롱 법칙은 실험으로 얻은 식이니 오차가 있을 수 있다. 그런데 지수가 딱 2가 아니면 전기력선의 개수가 일정하다는 성질이 깨지고, 가우스 법칙도 성립하지 않는다. 껍질정리도 무너져서 속이 빈 금속 안에 전기장이 없다는 것도 틀리게 된다. 실제로 속이 빈 금속통 안에 전기장이 없다는 건 아주 정확하게 확인된다. 그렇다면 이 실험 하나로 지수가 정확히 2라는 걸 얼마나 확신할 수 있을까? 힘을 직접 재는 것보다 이 방법이 더 정확한 이유는 뭘까?
|오, 훌륭한 질문.


* 약 30만 km 긴 단단한 막대의 한쪽 끝을 밀면 반대쪽 끝은 언제 움직일까? 그렇다면 완전 강체라는 개념은 상대성 이론과 함께 존재할 수 있을까?
일단 기본 전자기학의 증명들이 다 무의미해질거고... 전기력이 기본적으로 약해져서 원자들의 크기가 커지지 않을지? 다같이 비슷한 비율로 커지면 좋겠지만, 그렇진 않을듯? 복잡한 분자가 많으니까;
|'''상대론에서 정보와 힘이 전달되는 방식을 묻는 매우 좋은 질문들.'''


막대의 한쪽 끝을 밀어도 반대쪽 끝이 즉시 움직이지는 않음. 미는 힘은 막대를 구성하는 입자 사이의 전자기적 상호작용을 통해 압축 변형의 형태로 전달됨.
힘을 측정하는 것보다 없다는 것을 확인하는 게 훨씬 쉽지.
|}


그 전달 속력은 빛의 속력이 아니라 막대 내부의 종파 속력, 즉 대략적인 음속과 관련됨. 따라서 실제 막대에서는 태양까지 전달되는 시간이 500초보다 훨씬 오래 걸릴 수 있음.
=== 궁금증 ===
{| class="wikitable"
!질문
!대답
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* 모든 물체의 표면을 이루는 원자 바깥쪽에는 음전하를 띤 전자 구름이 덮여 있다고 알고있는데 우리는 그렇다면 어떤 물체와도 직접 닿아본 적이 없는 것일까?
* 우리가 물건을 손으로 집을 때 느끼는 촉각은 사실은 원자 수준에서 발생하는 전기력이 아닐까?
|일상적으로 물체와 “닿는다”는 것은 두 물체의 원자핵이 맞닿는다는 뜻은 아님. 손과 물체의 전자구름이 매우 가까워지면 전자기적 상호작용과 양자역학적인 효과 때문에 더 가까이 접근하기 어려워짐.


한쪽 끝의 움직임이 반대쪽 끝에 즉시 전달되는 완전 강체가 있다면 정보를 빛보다 빠르게 전달할 수 있음. 따라서 상대성 이론에서는 완전 강체를 물리적으로 허용하기 어려움.
이때 생기는 저항과 손의 변형을 감각기관이 감지하여 우리는 접촉했다고 느낌.


“고체는 단단하니까 전체가 동시에 움직인다”는 일상적 직관의 한계가 있음.
따라서 일상적 의미에서는 분명 물체와 접촉한 것이지만, 원자 수준에서는 작은 공처럼 단단한 입자끼리 직접 맞닿은 것으로 생각하면 안됨.
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* 특수상대성과 일반상대성이론은 뭐가 다를까? 아인슈타인이 처음에 가진 질문에 대해 특수상대성이론을 기반으로 답을 준다면?????
* 습도가 높은 여름철에는 공기 중의 수증기가 전하를 어떻게 이동시키길래 정전기가 잘 발생하지 않는 걸까.
|?? 등속이냐 가속이냐.
|습도가 높으면 물체 표면에 얇은 수분층이 형성되기 쉬움. 물에는 이온 등의 이동 가능한 전하가 포함될 수 있으므로, 건조한 표면보다 전하가 이동하고 빠져나가기 쉬워짐.
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|중력에 따라서도 시간이 바뀐다고 들었는데 그럼 지구 고층건물에 사는 사람들의 시간도 우리와 다를까??
수증기가 전하를 마구 운반한다기보다, 습기로 인해 물체 표면의 전기적 전도성이 커진다는 것.
|ㅇㅇ
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|블랙홀에서 떨어진 사람은 밖에서 어떻게 보일까?
|순간순간의 중력 크기가 달라서 찢어지는 것처럼 보일듯.
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* 지구 상공의 GPS 위성이 겪는 특수 상대성 이론에 의한 시간 지연 현상은 각각 얼마의 값을 가지는가? 또 현재 이 효과의 오차를 어떻게 해결하고 있는가? (수업 중 떠오른 질문 입니다)
* 일정한 길이의 직선 도선이 전하를 띤 채로 움직인다면 전기장이 가만히 있을 때와 다르게 구해질까? (만약 광속에 근접하게 운동하면 도선의 길이가 짧아질 텐데도 불구하고, 전기장을 구하는 식에서는 길이만 있을 뿐 시간은 포함되지 않으니..)
|달라질 수 있음.


* 시간팽창이나 길이수축을 직접 측정하려면 어떻게 할까
한 관성계에서 정지한 전하 분포가 다른 관성계에서는 움직이는 전하, 즉 전류로 관측될 수 있음. 따라서 관찰자의 운동 상태에 따라 전기장뿐 아니라 자기장도 함께 나타남.


* 일상생활에서 상대성 이론을 직접 경험할 수 있는 방법이 있나요?
광속에 가까운 속도에서는 길이 수축과 전하 밀도의 변화도 고려해야 함. 전기장과 자기장은 서로 완전히 독립된 것이 아니라 관찰자의 기준계에 따라 서로 섞여 나타나는 하나의 전자기장임.
|'''상대론을 실제 측정과 기술에 연결한 질문들.'''


GPS 위성에서는 위성의 빠른 운동에 따른 특수 상대론적 시간 지연과, 지표면보다 약한 중력에 따른 일반 상대론적 시간 차이를 모두 고려해야 함. 두 효과의 방향도 서로 다름.
정전기학에서 배운 식은 전하 분포가 정지해 있거나 시간에 따른 변화를 무시할 수 있는 경우에 사용하는 식임.
 
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시간 팽창은 빠르게 움직이는 불안정 입자의 수명, 비행기나 위성에 실은 정밀한 원자시계, 입자가속기 등의 측정을 통해 확인할 수 있음.
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* 전기장은 진공에서 단순히 한 방향으로 형성되는 것처럼 보이는데, 전선이 90도로 꺾여 있는 경우에는 도선 내부의 전기장이 어떻게 도선의 굴곡을 따라 형성되어 전자의 이동 방향을 바꾸는 것일까?
|전선이 꺾인 부분에서는 도선 표면의 전하 분포가 균일하지 않게 형성됨. 이 표면 전하들이 도선 내부에 굴곡을 따라가는 방향의 전기장을 만듦.


길이 수축은 일상적인 물체를 직접 자로 재어 확인하기에는 효과가 너무 작음. 대신 고에너지 입자의 충돌이나 뮤온 현상처럼 상대론적 예측이 실제 관측 결과와 일치하는지를 통해 간접적으로 확인할 수 있음.
전자가 도선의 모양을 미리 알고 방향을 바꾸는 것이 아니라, 도선 표면에 형성된 전하 분포가 각 지점에서 적절한 방향의 전기장을 만드는 것임.


일상생활에서 몸으로 직접 체감하기는 어렵지만, GPS와 같은 정밀 기술에서는 상대론적 보정을 실제로 적용함.
회로에서 전선을 단순히 등전위선처럼 그리지만, 실제로 전류가 흐르는 저항성 도선 내부에는 작은 전기장이 존재함.
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* 어떻게 이걸 알게 되었는가?
* 초전도체는 저항이 0인데 우리가 배운 전기 관련 공식이 모두 성립할까
|V=IR 안쓰고 에너지 관련 공식만 쓰면 됨.
초전도체까지 갈 것 없이, 저항이 작은 금속에서 변압기만 봐도 V=IR 성립 안함.


* 만약 마이컬슨–몰리 실험에서 에테르의 존재가 실제로 발견되었다면, 아인슈타인의 특수상대성이론은 어떻게 달라졌을까?
그래서 V=IR이 받아들여지는 데 생각보다 오래 걸림.
|}


* 상대성 이론을 최대한 쉽게 이해할 수 있는 다른 방법은 없을까? 더 직관적이고 쉬운 헷갈리지 않는 방법을 고안하면 더 좋지 않을까?
=== 전위 관련 ===
 
{| class="wikitable"
* 시간 식 하나 가지고 다 설명하면 이해가 잘 돼
!질문
|'''이론의 발견 과정과 학습 방법을 묻는 질문들.'''
!대답
 
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상대성 이론은 한 번의 기발한 생각만으로 만들어진 것이 아님. 전자기학과 고전역학 사이의 충돌, 빛의 속력 측정, 에테르 검출 실패, 시계 동기화에 관한 사고실험 등이 연결되어 형성됨.
|
* 전위를 무한대에서 0으로 정의하지만, 만약 기준점을 다른 지점으로 잡으면 전위 개념은 어떻게 달라질까? 이게 실제 계산이나 실험에서 어떤 영향을 줄까?
|식이 더러워짐. 무한대를 기준으로 두면 값이 0이 되어 깔끔한데..
우리는 자연에 이름을 붙여 이해하는 것이지, 우리가 이름을 붙였다고 해서 자연이 변하진 않음.


마이컬슨·몰리 실험에서 에테르에 대한 명확한 증거가 발견되었다면, 모든 관성계에서 물리 법칙이 동일하다는 상대성 원리와 광속 불변 원리를 지금과 같은 형태로 받아들이기 어려웠을 것임.
계산, 실험에서 귀찮아질 뿐이지.
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* e=mc²이라면 뜨거운 물체가 차가운 물체보다 무거울까?
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|일단은 저 식이 아니라, 질량 증가식을 써야 함;;;
뜨거운 물체는 차가운 물체보다 내부에너지가 더 큼. 계 전체의 질량을 매우 정밀하게 비교하면 그 에너지 차이에 해당하는 만큼 질량 차이가 있을 수 있음. 다만 일상적인 온도 차이에서는 그 값이 매우 작음.
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|운동할 때에는 관성의 양(?)인 질량이 갑자기 왜 증가하나요? 그렇다면 이 질량 증가는 영구적인 현상인가요?
|현대적인 설명에서는 물체의 질량이 속력에 따라 증가한다고 말하기보다, 질량은 불변이고 속력이 증가할수록 에너지와 운동량이 상대론적으로 증가한다고 설명하는 편이 적절함. 따라서 물체가 멈추면 “증가했던 질량이 남는가?”와 같은 문제도 생기지 않음.
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* 빛의 속도에 가까운 입자가 원자와 충돌하면 전자는 어떻게 될까? 입자가 빛의 속도에 가까워질수록 상대론적 운동에너지가 매우 커진다. 이런 입자가 원자와 충돌하면 전자에게 큰 에너지를 전달해 전자를 더 높은 에너지 준위로 들뜨게 하거나, 원자 밖으로 완전히 떼어내 이온화시킬 수 있다. 에너지가 매우 높으면 단순한 화학 반응의 범위를 넘어 원자핵에도 영향을 줄 수 있다.
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|'''고에너지 입자의 충돌을 생각한 질문이면서 답까지 상당 부분 제시했음.'''
|}


상대론적 입자가 원자와 충돌하면 전자를 들뜨게 하거나 이온화할 수 있고, 에너지가 더 크면 원자핵과의 상호작용이나 새로운 입자의 생성까지 일어날 수 있음.
=== 전기선속 관련 ===
 
{| class="wikitable"
다만 충돌 결과는 입자의 종류, 에너지, 충돌 거리, 충돌 각도 등에 따라 달라짐. 모든 충돌에서 전자가 같은 방식으로 튀어나오는 것은 아님.
!질문
 
!대답
입자가속기와 우주선 입자 연구로 연결할 수 있는 좋은 확장 질문임.
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* 전기 선속 개념에서 단면적이 A인 사각 단면이 나오는데 이 단면이 전기력선과 수직이 아니라 수평이면 Φ 가 0이 되는데 왜 0일까? 단면을 지나는 선이 하나라도 존재하지 않을까?
|수평이면 해당 단면으로 나가고 들어가는 전기장이 없지.
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* 전기장의 세기는 거리의 제곱에 비례하게 약해지는데 가우스면에 들어오는 전기장보다 나갈때 더 약할텐데 들어오는 전기력선과 나오는 전기력선에는 영향이 없는건가요..?
|ㅇㅇ 들어오는 만큼 그대로 나가기 때문에 총 합은 0(내부에 전하가 없다면)
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* 예전에 도서에서 양자얽힘을 본적이 있다 양자 얽힘에서는 결정되는 시간이 빛보다 빠르다고 들었다. 이것이 모순되지 않는 이유는 무엇인가?
* 껍질 정리에 의해 구 표면의 전하를 구 중심에 모여있는 것으로 볼 수 있는데, 구 표면에 아주 가까이 있는 지점에서 전기장과, 구 중심에 있는 전하에 의한 전기장이 같을 수 있나요?
|얽힌 두 입자의 측정 결과에는 강한 상관관계가 나타날 수 있음. 하지만 한쪽에서 원하는 정보를 임의로 정하여 다른 쪽으로 즉시 보낼 수 있는 것은 아님.
|식이 같으니, 정확히 같지.
 
각 관찰자는 자신의 측정 결과만으로 상대편이 어떤 측정을 했는지 알 수 없음. 두 결과의 상관관계를 확인하려면 결국 일반적인 통신을 통해 결과를 비교해야 함.
 
따라서 양자 얽힘의 상관관계가 매우 비국소적으로 보이더라도, 이를 이용해 빛보다 빠르게 의미 있는 정보를 전달할 수는 없으므로 상대론의 인과율과 직접 충돌하지 않음.
 
EPR 역설. 어떻게 해결했더라;;?
|}
|}


=== 별로인 질문 ===
=== 별로인데 좋을 수도 있는 질문 ===
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!분류
!분류
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* 피카츄가 강력한 전기를 만들어내는 메커니즘이 어떻게 될까?
|현실의 생물 가운데에는 전기뱀장어처럼 세포막 안팎의 이온 농도차와 전위차를 이용해 전기를 발생시키는 생물이 있음.
 
피카츄를 현실적인 생물로 해석한다면, 많은 발전 세포를 직렬로 연결해 큰 전압을 만들고 병렬로 연결해 큰 전류를 만드는 기관을 가졌다고 상상해볼 수 있음.
 
의철님 말씀. 전기뱀장어가 전기를 만들어내는 생물들 중에선 가장 길다. 몸 비율의 90%정도가 전기를 만들어내는 세포로, 장기들이 머리에 몰려 있다.
 
다만 애니메이션처럼 공기 중으로 강력한 방전을 반복하려면 매우 큰 전압과 에너지가 필요하고, 절연·발열·에너지 공급 문제도 해결해야 함.
 
생물전기, 축전기, 공기의 절연 파괴를 연결해볼 수 있는 훌륭한 헛소리.
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* 세상에 전기력이 사라진다면 어떻게 될까.
* 만약 오늘 당장 전하가 없어진다면 어떻게 될까?
|모든 물질이 굳이 결합되어 있지 않겠지. 재료는 있지만, 결합되지 못하니, 그저 입자들의 충돌 뿐인, 먼지들이 되겠지.
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* 세상 모든 전기장이 두배로 강해지면 무슨 일이 벌어질까? 예시 답안: 세상의 모든 전기장이 2배로 강해지면, 우리는 단순히 전기가 세지는 것을 넘어 우주와 물질의 근본 구조가 붕괴하는 대재앙을 맞이하게 됩니다. 전기력은 원자를 결합하고 분자를 유지하는 핵심 힘이기 때문입니다.만약 이 현상이 실제로 일어난다면 벌어질 일들을 세 가지 단계로 나누어 설명해 드리겠습니다.1. 물질과 생명체의 즉각적인 붕괴 (원자 수준)분자의 변형 및 파괴: 원자핵과 전자 사이의 인력이 2배로 강해집니다. 이로 인해 화학 결합의 길이와 각도가 완전히 뒤바뀌며, 지구상의 모든 화학 물질과 생명체의 DNA, 단백질 구조가 그 즉시 변형되거나 파괴됩니다.생체 전기 신호 마비: 인간을 포함한 모든 동물은 신경세포의 이온(나트륨, 칼륨 등) 이동을 통해 전기 신호를 주고받습니다. 전기장이 2배가 되면 신경계가 거대한 과부하를 일으켜 심장이 즉시 멎고 뇌 기능이 정지합니다.2. 모든 전자기기와 인프라의 파괴 (거시적 수준)대규모 절연 파괴 (벼락과 스파크): 공기가 견딜 수 있는 전기장의 한계(절연 파괴 전압)를 초과하게 됩니다. 전선, 콘센트, 가전제품 주변의 공기가 순식간에 도체로 변하며 모든 곳에서 거대한 스파크와 불꽃이 튀고 화재가 발생합니다.반도체 및 배터리 폭발: 스마트폰, 컴퓨터 내부의 미세한 반도체 소자들은 강해진 전기장을 버티지 못하고 순식간에 타버립니다. 리튬 이온 배터리 내부의 이온 흐름도 통제 불능 상태가 되어 일제히 폭발합니다.3. 물리 법칙과 빛의 변화 (우주적 수준)빛(전자기파)의 교란: 빛은 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 나아가는 전자기파입니다. 전기장만 물리적으로 2배가 된다면 빛의 속도, 굴절률, 에너지 보존 법칙 등 현대 물리학의 기초가 되는 상수가 뒤흔들려 우주 전체의 균형이 깨집니다. -출처: 제미나이
* 이 세상에 전기력이 2배가 되면 무슨일이 일어날까?
|이게 뭐람;;;
의철이라면 인정.
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|어느 남성이 지나가던 나그네에게 말을 걸었다.
A: 자네, 양성자를 좋아하나, 전자를 좋아하나?
B: 전자를 좋아합니다.
이때 B는 전자(前者)를 좋아하는 걸까, 전자(電子)를 좋아하는 걸까? .....죄송합니다
|이 농담을 국어선생님이 좋아하실겁니다.
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346번째 줄: 329번째 줄:
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|빛을 광자의 흐름이라고 생각한다면, 질량이 있는 물체들이 질량이 없는 광자에 비해 절대로 더 빨라질수 없기 때문에 광속 도달이 불가능하다고 생각할 수 있다. 그렇다면, 음의 질량을 가진 물질이 있다면 이 물질은 빛보다 빨라야만 할까?
|적분이 너무 어려운데 적분이 없으면 공식 유도가 너무 직관적이지 않게 보이는 것 같습니다. 적분 결과를 알아도 그게 사고과정을 스킵하는 느낌이 들게 됩니다. 혹시 그쪽 관련 팁이 있을까요?
|음의 질량을 가진 물체를 물체라고 보아야 할지....부터 의문; 있다면 음의 정지 에너지를 가질텐데, 모순이 생김; 속도가 없는데, 운동에너지가 있는 이상한 상황이 생길듯; 다른 틀의 물리학이 필요할 듯함;
|적분은 이용하는 도구일 뿐이지, 여기에 깊이 매몰되어선 안됨.
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|식의 유도 과정이 한 줄의 치환적분으로 끝내기보다 각 과정이 무엇을 의미하는지(혹은 어떻게 이루어진 것인지) 설명이 들어가 있으면 좋을 것 같습니다.
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|치환적분은... 진짜 감임. 이건 정해진 공식이 없음.
적분의 각 과정..? 어떤 부분에서 추가 설명이 필요한 걸까??
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|근데 폐곡면 적분기호가 적분기호 중간에 동그라미인데 왜 그렇게 생겼고 정한건가요? 역사적으로 그런 게 있나요?
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|저는 모르겠네요. 왜 그렇게 표기하게 되었는지는?
적분 범위의 처음 지점과 끝지점이 같을 때 그렇게 동그라미를 써요.(물론 각은 0~2pi 형식으로 나타나지만)
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!대답
!대답
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|시간 팽창 4p에 감마는 =어쩌구에서 =이 아니라 ≡로 되어 있어요
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|≡는 정의한다는 의미에요~
* 전기력선과 등전위선이 수직으로 만나는것을 증명하라~
|등전위선을 따라 조금 이동할 때는 전위 변화가 0임.
 
: <math>dV=-\vec{E}\cdot d\vec{l}=0</math>
 
따라서 전기장 <math>\vec{E}</math>와 등전위선을 따라가는 변위 <math>d\vec{l}</math>의 내적이 0이어야 함.
 
즉 전기장은 등전위선의 접선 방향과 수직임. 전기력선의 접선 방향이 바로 전기장 방향이므로 전기력선과 등전위선은 수직으로 만남.
 
등고선을 따라 이동하면 높이가 변하지 않고, 가장 가파르게 높이가 변하는 방향은 등고선에 수직인 것과 비슷함.
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|시간 팽창, 길이 수축, 동시성의 상대성을 하나의 기차 또는 우주선 상황으로 계속 연결한 요약 그림이 있으면 좋겠다. 식을 보기 전에 각 기준틀에서 무엇을 측정하는지 표로 정리하면 고유시간과 고유길이를 구분하기 더 쉬울 것 같다.
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|본인이 만들어본다면...?!?
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|이런 고등학교 교육과정외의 내용들은 뭘로 공부해야할까요?
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|우리학교에서 과거에 쓰던 할리데이나, 지금 쓰고 있는 서웨이의 대학물리학.
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|지상에서 관측할 때 수명이 매우 짧은 뮤온 입자가 지표면까지 도달할 수 있는 이유를 설명할 때, 지상 관측자의 기준틀 시간 지연과 뮤온 자체의 기준틀 길이 수축에서 각각 어떻게 모순 없이 현상이 해석되는지 후배들에게 질문해보고 싶다.
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|}
|}
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= 답 =
= 답 =
 
=== 전기장의 방향은 어떻게 정하는가? ===
=== 빛의 속도에 가깝게 달리는 우주선 안에서 손전등을 켜면 빛은 내게서 얼마나 빠르게 멀어질까? ===
 
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
!학생 답변
!학생 답변
391번째 줄: 383번째 줄:
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* 관측자의 운동 상태와 관계없이 빛의 속도는 <math>c</math>로 동일하기 때문에 나에게서 <math>c</math>의 속도로 멀어진다.
* 양전하가 받는 전기력의 방향
* 광속 불변의 원리로 관찰자(우주선 안에 타고 있는 사람) 또한 초속 30만 km로 멀어지는 것처럼 보일 것이다.
* 그 지점에 +전하를 놓았을때 받는힘의방향
* 광속 불변의 원리에 따라 외부에서 보든 내부에서 보든 똑같이 <math>c</math>로 멀어질 것이다.
* 어떤 지점에 아주 작은 양(+)의 점전하를 놓았을 때 그 전하가 받는 전기력의 방향을 그 지점의 전기장 방향으로 정한다.
* 광속은 어떤 관측자에 대해서도 일정하기 때문에 똑같이 광속으로 멀어진다.
* 전기장의 방향은 그 지점에 놓인 양의 시험 전하가 받는 전기력의 방향으로 정해진다.
* 우주선 안에 있는 내가 측정해도 빛은 항상 초속 약 3억 m의 빛의 속력 <math>c</math>로 멀어진다.
* 전기장의 방향은 양의 전하를 띈 시험전하를 공간에 넣었을 때 해당 전하가 받는 전기력의 방향으로 결정한다.
* 광속 불변의 원리에 의해 빛은 내게서 항상 빛의 속도, 즉 초속 약 30만 km로 멀어진다.
|굳. 정확함.
* 빛의 속도 <math>c</math>는 모든 관성계에서 불변이기 때문이다.
더 정확하게 말하자면 1C의 시험전하가 받는 힘.
* 빛의 속도는 항상 일정하기 때문에 똑같이 빛의 속도로 멀어진다.
|-
* 초속 약 30만 km, 즉 광속 <math>c</math> 그대로 멀어진다. 우주선이 아무리 빨라도 빛의 속도는 관찰자와 상관없이 항상 일정하기 때문이다.
|
* 특수 상대성 이론의 광속 불변 원리에 의해 운동 상태에 관계없이 똑같이 빛의 속도 <math>c</math>로 멀어질 것이다.
* 한 지점에 단위 양전하를 놓았을때 양전하가 받는 힘의 방향
* 우주선이 빛의 속도에 매우 가깝게 달려도 우주선 안에서 손전등을 켜면 빛은 나에게서 항상 초당 약 30만 km, 즉 빛의 속도로 멀어진다. 상대성 이론에서는 누가 움직이든 빛의 속도가 같기 때문이다.
* +1C의 시험 전하가 받는 전기력의 방향으로 정해진다. E=F/q에서 E와 F 모두 백터로 나타내기 때문이다.
 
* 임의의 +1C의 전하가 원천 전하에 의해 받는 전기력의 방향?
* 현재 빛을 관측하는 관찰자는 나이므로 내가 정지해 있다고 생각하면 빛은 일정한 속도로 빠르게 멀어진다. 빛의 속도는 일정하다는 것을 전제로 하기에 빛의 속도는 변하지 않는다고 볼 수 있다.
|참고.
* 빛의 속도에 가깝게 달리더라도 내부 관찰자인 나의 관점에서는 우주선의 운동이 아무런 의미가 없으므로 빛이 나에게서 빛의 속도로 멀어진다.
1C은 생각보다 큰 전하여서, 이 전하의 존재 자체가 다른 전하들을 교란시킬 수 있음.
* 빛의 속도는 일정하고 나도 우주선에 타 있으며 손전등을 내가 들고 있어서 우주선의 속도와 관계가 없다.
|'''완벽한 답변. 굳!'''
 
우주선 안의 관찰자가 측정한 빛의 속력은 우주선의 속력과 관계없이 항상
 
<center><math>c=299\,792\,458\ \mathrm{m/s}\approx 3.0\times10^8\ \mathrm{m/s}</math></center>
 
이다.


핵심은 빛의 속력에 우주선의 속력을 단순히 더하거나 빼지 않는다는 것임.
=> 때문에, 아주 작은 전하량의 시험전하를 두고 이를 1C 으로 변환했을 때의 힘이라 말하는 게 정확하지.
 
고전역학의 속도 합성이라면 빛의 속력을 <math>c-v</math> 또는 <math>c+v</math>처럼 생각할 수 있지만, 특수 상대성 이론에서는 로렌츠 속도 변환을 사용함. 따라서 우주선 안에서도, 우주선 밖에서도 진공 속 빛의 속력은 똑같이 <math>c</math>로 측정됨.
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* 빛의 속도는 항상 일정하기 때문에 똑같이 빛의 속도로 멀어진다. 로렌츠 인자를 이용해 계산하면 <math>c</math>인 것을 증명할 수 있다.
* 전기장의 방향은 특정 지점에 양전하를 놓았을 때 양전하가 받는 전기력의 방향으로 정한다. 따라서 양전하가 만드는 전기장은 전하에서 바깥쪽으로 나가는 방향, 음전하가 만드는 전기장은 전하를 향하는 방향이다.
|빛의 속도가 일정하기 때문에 시간 팽창과 길이 수축을 말할 수 있고, 동시에 결과 때문에 빛의 속력이 일정하게 관찰된다고 해석하는 것도 맞음!!
* 전기장 안의 양전하가 받은 전기력의 방향으로 작용한다. 이때 양전하는 전기장의 방향으로 힘을받지만 음전하는 그 반대의 방향으로 힘을 받는다.
* 그 자리에 (+)전하를 놓았을 때 그 전하가 밀려나거나 끌려가는 방향으로 정한다. (-)전하를 놓으면 전기장과 반대 방향으로 힘을 받는다. 이건 자연이 정해준 게 아니라 사람들이 (+)를 기준으로 삼기로 약속한 것이다.
* 전기장의 방향은 전기장 안에 놓은 양전하가 받는 전기력의 방향으로 정의된다. 양전하 주변에서는 전하의 중심부에서 바깥쪽으로 뻗어나가는 방향으로 작용하고, 음전하 주변에서는 전하 주변에서 전하의 중심부 쪽으로 안쪽으로 들어오는 방향으로 작용한다. 이를 전기장선의 방향으로 확장하면, 전기장선의 방향이 양전하에서 나와서 음전하로 들어가는데, 이때 전기장선의 특정 지점에서 그은 접선의 방향이 그 지점에서의 전기장 방향임을 알 수 있다.
* 양전하에서 뿜어져 나와 음전하로 들어가는 방향이다. 하지만 자기장의 변화로 유도되는 전기장은 전하 없이 유도되므로, 정확하게 말하면 아주 작은 양전하를 놓았을 때, 그 전하가 받는 전기력의 방향이다.
|구체 설명까지 잘했음..!
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* 똑같이 빛의 속도.
* 전기장의 방향은 그 위치에 놓인 양전하가 받는 전기력의 방향으로 정의하며, 전위가 감소하는 방향과 같습니다.
* 속도는 안 변한다.
* 전기장의 방향은 양의 시험전하가 받는 힘의 방향으로, 양전하에서 뻗어나와 음전하로 들어가는 방향입니다. 전위 기준으로는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳을 향합니다
* 빛의 속도로 멀어진다.
* 전기장은 일단 그 지점에 놓인 + 전하가 받는 전기력의 방향으로 정하고 이때 전기장의 크기는 F = qE라는 식으로 전기장의 크기를 구할 수 있다. 또한 전기장과 전위는 E = -델타V 라는 것을 봤을 때 전기장의 방향은 전위가 급격하게 감소하는 방향이다.
* 원래 빛의 속도만큼 빠르게 나에게서 멀어진다.
|전위까지 생각해서 정리한 경우.
* 빛의 속도는 항상 일정하기 때문에 광속으로 멀어진다.
어찌 보면.. 전기장의 근원은 전위라고도 할 수 있겠지.(전위는 단순히 일을 표현하기 위한 도구라고 할 수도 있겠고.)
* 광속.
* 광속 불변의 원리에 의해 빛의 속도로 멀어진다.
|'''결론은 맞음!'''
 
우주선 안의 내가 측정한 빛의 속력은 <math>c</math>임.
 
다만 답변이 짧아서 “왜 그런가?”에 대한 설명이 부족한 경우.
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* 빛의 속도에 가깝게 달리는 우주선 안에서 손전등을 켜더라도 빛의 속도는 변하지 않고 약 초속 30만 km로 멀어진다. 광속 불변의 원리 때문이다. 빛의 속도는 우주선의 속도와 더해지지 않으며, 이를 유지하기 위해 우주선 내부의 시간이 천천히 흐르고 공간이 줄어드는 현상이 일어난다.
* +에서 -로 전기장의 방향이 형성된다
|우주선 내부의 관찰자에게는 자신의 시간과 공간이 평소와 똑같이 측정됨. 우주선 내부의 시간이 스스로 느리게 흐르거나 우주선 내부의 모든 공간이 스스로 줄어드는 것은 아님.
* 전기장의방향은 양전하의 경우 뿜어뎌 나오는 방향, 음전하의 경우 안으로 들어가는 방향으로 정한다.
 
* 전기장의 방향은 +에서 나오는 방향, -에서 들어가는 방향으로 정할수 있다.
다만, 우주선 밖의 관찰자가 우주선의 시계를 측정하면 시간 지연을 관측하고, 우주선의 운동 방향 길이를 측정하면 길이 수축을 관측함. 그래서 '저 녀석도 빛은 빛의 속도로 관찰하겠구나'를 생각하는거지.(그리고, 단순히 시간팽창과 길이수축만으로는 설명이 어려움. 로렌츠변환이 필요함.)
* -에 가까워 지는 방향(+에서 멀어지는 방향)
* 원천전하의 방향으로 결정된다. 원천전하가 양전하면 나가는 방향으로 전기장이 형성되고 음전하면 들어오는 방향으로 형성됟다.
|이것은 한 지점에서의 전기장 방향이 아니라;;
대략적인 전기장의 형태에 대해 언급한 것.
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* 빛의 속도는 절대적이기 때문에 똑같이 빛의 속도로 멀어질 것이다.
* 그 자리에 양전하가 있을 때 어느 방향으로 움직일까? 그 답이 전기장의 방향이다. 그 때문에 기본적으로는 +와 멀어지려는 방향이자 -와 가까워지려는 방향이다.
|'절대적'이라는 말이 좀 걸림. 선생님도 일반상대론을 제대로 공부하진 못했지만, 거기선 달라질 여지도 있지 않을지!?
|약간의 위험.
물 속에서 물 속도에 따라 빛의 속도 달라지기도 함;
양전하의 초기 속력이 있으면 힘의 방향과 운동 방향이 달라질 수 있음.
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* 우주선 내부에서의 관찰자에게 빛은 기존과 같은 초속 300,000 km로 멀어지지만, 우주선 외부의 관찰자에게는 빛의 속도에서 우주선의 속도를 뺀 만큼의 속도로 빛이 멀어진다.
* 전기장을 일으키는 전하와의 거리가 무한대 일때를 0이라고 가정하고 그에 비해 상대적으로 전하가 +인 쪽에서 -인쪽으로 흐른다.
|오개념;;;;;
|전기장을 유체로 표현한 것이 틀린 것은 아닌데;;; 전기장과 전위의 개념이 섞였음. 굳이 무한대일 때를 생각할 이유가 있을지;;
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|양의 단위 시험전하를 놓았을때, 이 전하가 작용하는 방향이 전기장의 방향일것이다.
|전하가 작용하는 방향;;;;?
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| +1C양성자를 놓았을 때 그 전하가 받는 전기력의 방향으로 정한다.
* 초속 30만 m/s로 멀어진다. 빛의 속도는 어디에서나 항상 같다는 광속 불변의 법칙이 적용되기 때문이다.
|양성자는 1C 아님;;;
|단위가 틀림. 초속 30만 km라고 해야 함.
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* 빛 속도를 멀어진다.
* 전기장의 방향은 힘의 방향에 의해 결정된다
|국어 이슈;;;
* 전기력으로 결정된다
|아니;; 그러니까;;; 하;;;; 됬다;
|}
|}


=== 태양이 갑자기 사라지면 지구에선 언제 그 사실을 알게 될까? ===
=== 전기력의 근원은 무엇일까? ===
 
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
!학생 답변
!학생 답변
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* 8분 뒤. 태양에서 지구까지 광속으로 8분이기 때문에 태양이 사라진 후 사라지기 전 마지막에 나온 빛이 약 8분 정도 뒤에 지구에 도착한 후 더이상 빛이 도달하지 않아서 알게 될 것이다.
* 전기력의 근원은 전하이다. 전하는 질량처럼 입자가 가진 고유한 성질이고 전하가 없으면 전기력도 생기지 않는다.전하는 주변 공간에 전기장을 만들고 다른 전하가 그 장 안에 들어오면 힘을 받게 된다.
* 태양에서 나온 빛이 지구에 도착하는 데 약 8분 20초가 걸린다. 그래서 태양이 갑자기 사라진다면, 지구에서는 그동안 평소처럼 태양빛을 보다 약 8분 20초 후에야 태양이 사라졌다는 사실을 알게 된다.
* 전기력의 가장 근본적인 원인은 물질이 가지고 있는 전하
* 태양과 지구 사이의 거리는 약 1억 5천만 km 이므로 초속 30만 키로미터인 빛은 약 8분 20초 후에 지구에 도달하여 그 사실을 알게 될 것이다.
* 물질을 구성하는 기본 입자들이 가진 고유한 성질인 "전하"로 인해 전기력이 생기는 것이다.
* 태양과 지구 사이 거리가 약 1억 5000만 km이고 빛은 약30만 km/s 이기에 나누면 500초로 8분 20초 정도 후에 알게될 것이다.
* 전하량이라고 생각한다. F=k*q1*q2/r^2에서 k는 상수이다. 만약 거리가 전기력의 근원이라고 한다면 중성자 2개 사이에도 전기력이 있어야할 것이다. 따라서 q, 전하량이 전기력의 근원이라고 생각한다.
* 태양에서 지구까지 빛이 오는 데 약 8분 20초가 걸리므로 지구에서는 약 8분 20초 뒤에야 태양이 사라진 사실을 알 수 있다
* 전기력의 근원은 전하이다. 질량을 가진 물체들 사이에서 중력이 작용하는 것처럼 전하를 가진 입자들 사이에는 전기력이 작용한다.
* 약 8분 20초 후에 알게 된다. 지구와 태양 사이 거리를 빛의 속력으로 나누면 500초 정도 걸리기 때문이다
* 전기력의 근원은 입자가 가진 전하이고 전하로 인해 입자들 사이에 서로 밀어내고 당기는 힘이 작용한다.
* 태양과 지구 사이의 거리는 약 1억 5천만 km이고, 빛이 이 거리를 이동하는 데 약 8분 20초가 걸린다. 따라서 태양이 실제로 사라진 순간부터 약 8분 20초 동안 지구에서는 태양이 사라졌다는 사실을 알 수 없다. 이는 정보가 빛보다 빠르게 전달될 수 없기 때문이다.
* 원자에서 기본적으로 스핀이나 전하를 띄는 양성자와 전자등이 이 힘의 근원
* 태양과 지구 사이에 거리는 1억 5000만 km인데 빛은 초속 약 30만 km로 이동하므로 태양 표면을 출발한 빛이 지구에 도달하기 까지 약 8분 20초가 걸린다. 따라서 약 8분 20초 후에 알게 될 것이다.
|굳. 기본적으로 전기력의 근원은 전하라고 볼 수 있음.
* 지구와 태양사이거리 1억 4,960만 킬로미터이고, 빛의속도는 약 30만 km/s 이므로 약 8분 20초 뒤일 듯 하다
|'''정확한 답변. 굳!'''


태양과 지구 사이의 평균 거리는 약 1억 5천만 km이고, 빛의 속력은 초속 약 30만 km임.
다만, 전하가 왜 존재하며 왜 이러한 상호작용을 하는가까지 묻는다면, 현재의 물리학에서는 전하를 입자가 가진 기본적인 성질 중 하나로 봄.
 
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따라서 걸리는 시간은 1억5천만km/(30만km/s)이므로 약 8분 20초임.
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* 전하가 주변 공간에 전기장을 만들고, 그 전기장이 다른 전하에 힘을 작용시킨다.
* 전기력의 근원은 전하이다. 전하가 주변에 전기장을 만들고, 다른 전하가 그 전기장 속에 들어오면 전기력을 받는다.
* 전하가 주변 공간에 전기장을 만들고, 다른 전하가 이 전기장과 상호작용하면서 전기력을 받는다.
* 전하 주위에 퍼져나가는 무언가이다. 전하가 존재하는 순간 그 주변 공간에 자신만의 장을 만들어내고, 이 장이 다른 전하에 힘을 전달한다.
|내가 의도한 답. 내가 의도했던 것은 전기력의 직접적인 근원으로 전기장을 원했음.
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* 전기력의 근원은 전하 그 자체뿐만 아니라, 전하가 주변 공간의 성질을 변화시켜 만들어내는 전기장이다. 두 전하가 직접 맞닿지 않고 떨어져 있어도 힘을 주고받을 수 있는 이유는 공간에 형성된 전기장을 통해 상호작용 에너지가 전달되기 때문이다.
* 전하에 의해 전기장이 형성되고 이 전기장에 다른 전하를 배치하였을 때 작용하는 상호작용을 전기력이라고 생각한다.
* 전기력은 전하를 가진 입자가 전기장을 만드는데 그 장과의 상호작용이 전기력의 근원이다.
* 전기력의 근원은 전기장으로 설명할 수 있을 것 같다. 전기장에서의 장이란 물리적인 힘이 미치는 공간에서 각 지점마다 다른 크기를 갖는 물리량을 말하는데, 전하는 그 존재만으로 주변 공간에 전기장이라는 물리적 상태를 만들어내고, 이 전하와 다른 크기의 물리량을 갖는 다른 전하는 자신의 놓인 위치의 전기장으로부터 국소적인 힘을 받음으로써 서로 다른 두 전하의 전기장끼리 상호작용하면서 전기력이 작용한다고 볼 수 있을 것 같다.
|두 전하의 전기장끼리 상호작용하여 힘이 생긴다고 표현하기보다는, 한 전하가 만든 전기장 속에서 다른 전하가 힘을 받는다고 설명하는 것이 현재 더 정확함.
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* 태양 빛과 중력이 지구까지 도달하는 데 걸리는 시간인 약 8분 20초 후에 알게 된다.
* 직접적인 근원은 전하이고 점전하 사이의 힘은 쿨롱 법칙 공식으로 쓰일 수 있다. 전자 하나의 전하량은 1.602 x 10^(-19) 라는 점을 고려하면 정전기 유도 실험을 할때 전자가 이동하면서 전하량을 만들고 그 전하량으로 전기장이 형성되며 전기력이 형성된다.
* 약 8분 20초 뒤에 알게 된다. 태양빛이 지구까지 오는 데 그만큼 걸리기 때문이다. 중력의 변화도 빛과 같은 속도로 전달되므로, 어두워지는 것과 궤도를 벗어나는 것을 동시에 겪게 된다.
* 근원은 물체가 가진 '전하'다. 중력에 질량이 필요하듯 전기 현상에는 전하가 필요하다. 평소 물체가 전기를 안 띠는 건 전하가 없어서가 아니라 (+)와 (-)가 거의 같은 양이라 상쇄되기 때문이고, 마찰로 전자가 조금만 옮겨가도 현상이 나타난다. 다만 떨어진 두 전하가 어떻게 서로를 미는지까지 물으면, 원인은 전하지만 힘이 전달되는 통로는 그 사이의 공간 전기장이다.
* 태양이 사라진 후 약 8분 20초 뒤에 알게 된다. 태양과 지구 사이의 거리를 빛의 속도로 이동하는 데 걸리는 시간이 약 8분 20초이기 때문이다. 아인슈타인의 상대성 이론에 의하면 시공간의 왜곡으로 발생하는 중력의 변화(중력파) 역시 빛의 속도로 전달되므로, 태양이 사라져도 8분 20초 동안은 지구에 빛이 계속 도달하고 기존의 공전 궤도를 그대로 유지하다가 그 이후에 어두워지며 궤도를 벗어나게 됩니다.
|구체적으로 잘 씀.
|오우, 빛뿐만 아니라 중력장의 변화까지 생각한 경우.
 
중력장의 변화도 즉시 전달되지 않으므로, 태양이 사라졌다는 가상의 상황에서 지구는 약 8분 20초 동안 태양빛을 계속 받고 기존의 공전 운동도 계속하게 됨.
 
그 이후에는 빛이 더 이상 도달하지 않고, 태양의 중력 변화에 대한 정보도 지구에 도달함.
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* 특수 상대성이론에서는 동기화된 시계로 그 시간에 기록된다 하지만 선생니께서 원하신 답변은 8분 후 아닐까
* 광자로부터 발생되었다.
|오오; 맞습니다. 지구에선 태양이 없어지자마자 빛과 중력이 사라졌다고 느끼지.
* 전하를 띤 입자 사이의 전자기적 상호작용인데 지구과학 시간에 배운 전자기적 상호작용을 전달하는 입자 photon이 있는데 같은 종류의 전하끼리는 밀어내고, 다른 종류의 전하끼리는 끌어당긴다.
* 근본적으로 쿼크와 전자라는 페르미온에 의한 것으로 볼 수 있을 것 같고 이들의 상호작용인 전자기력이 만들어졌다고 볼 수 있을 것 같다.
|이거;;; 안배웠는데, AI의 힘인가...!?!?
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* 나는 태양이 갑자기 사라진다는 것을 태양을 이루는 물질이 흩어지는 것이라고 정의했다. 태양의 물질이 아무리 빠르게 흩어지더라도 질량이 있는 물질은 빛의 속도를 넘을 수 없다. 또한 태양이 사라졌다는 정보 역시 빛보다 빠르게 지구에 전달될 수 없다. 검색 결과 태양과 지구 사이의 거리는 약 1억 5천만 km이고 빛이 이 거리를 이동하는 데 약 8분 20초가 걸린다.
* 원천 전하가 만들어 내는 일종의 공간의 휘어짐(?)으로 설명하는 전기장의 높낮이에 따라 생기는 힘?
|오, 간단하게 던진 문제에 이렇게 진지하게 덤벼주다니...!?
|공간 자체가 휘어진다는 설명은 일반상대성이론에서 중력을 설명할 때 사용하는 표현에 가까움.


실제로 태양을 이루는 물질 전체가 한순간에 사라지는 것은 현실적인 과정이 아님. 질량이 있는 물질은 빛의 속력에 도달하거나 이를 넘을 수도 없음.
전하가 주변 공간에 전기장을 만든다는 생각은 맞지만, 이를 곧바로 “공간이 휘어진다”고 표현하지는 않음.


다만 이 문제에서 “태양이 갑자기 사라진다”는 것은 실제로 가능한 과정을 묻는 것이 아니라, 태양에서 일어난 변화에 관한 정보가 지구까지 전달되는 데 얼마나 걸리는지를 묻기 위한 가정임.
굳이 공간이 휘어졌다는 표현을 쓰려면, 우리가 사는 3차원 공간이 아니라, 인지하지 못하는 다른 차원의 공간의 휘어짐이 있기 때문이라고 표현은 가능할듯?
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* 지구는 공전 속도 v로 움직인다하고, 태양이 사라진 순간의 태양과 지구 사이 거리를 d이라 할 때 빛이 이동하는 동안 지구도 이동한다. 태양이 사라진 이후 외부 힘이 작용하지 않아 지구는 등속 직선 운동하니 (ct)^2=d^2+(vt)^2이므로, t=(d/c)/sqrt(1-v^2/c^2) 뒤에 빛이 지구에 도달한다. 그러나 일반상대론에서는 중력장 변화의 전파속도가 빛의 속도와 같으므로 그냥 d/c이다. 실제 계산 하면 둘다 약 8분 20초 이다.(밀리초 단위로 차이남)
* 우주가 탄생하고 입자가 생성되며 그 입자에 전하라는 성질이 부여되었을 때부터 전기력이 존재할 수 있었다. 이에 더해 전하가 '당연하게' 보통 높은 곳에서 낮은 곳으로 내려간다고 받아들일 수 있는 순간 그 체계가 형성되었다고 생각한다.
* 거리 나누기 빛의 속도보다 짧아질 것이다 지구는 운동 중이기 때문
|그 당연함을 표현하는 도구에 대한 물음이었음!
|이얔ㅋㅋㅋㅋㅋ 근데, 내가 별 조건에 대한 언급을 안했다면 단순하게 묻는 거라고 생각하는 게 맞음.
지구의 속력은 빛에 비해 너무 느리기 때문에 무시한다고 생각하자.
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* 149,597,870,700÷299,792,458 를 계산해본 결과 약 499.00478383615........생략.
* 전하, 전하로 만들어진 자기장으로 유도된 전기장이 근원이다.
|계산 방법 자체는 정확함. 하지만 계산기에 나온 소수점 이하 숫자를 전부 옮겨 적는 것은 물리적으로 의미가 없음;;;
|사이비 교주의 이론.
 
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사용한 태양과 지구 사이의 거리는 특정한 정밀도를 가진 값이며, 실제 거리도 지구의 공전에 따라 계속 변함. 따라서 계산 결과만 무한히 많은 자릿수로 쓴다고 더 정확해지는 것이 아님.
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* 전하가 가지는 기본적인 힘으로 전하에서 발생한다. 우주에서는 강한 핵력, 약한 핵력, 중력, 그리고 전자기력이 4대 힘이다.
* 원천전하와 시험전하 그리고 두 전하사이의 거리이다.
|;;;? 문맥 파악 이슈;
|-
|여러 전하들의 정전기적 인력이 그 근원이 아닐까
|그니까; 그게 왜;;; 하; 정전기적 인력이 전기력이잖아;
|}
|}



2026년 9월 16일 (수) 06:05 기준 최신판

이 틀은 틀:현재 교육과정:고급물리에서 관리한다. 틀:15개정 고급물리


배우는 이유

[편집 | 원본 편집]
흥미적

이유

출발질문(마지막까지 학습한 후에 대답해보세요~)

[편집 | 원본 편집]
직업적

이유

  • 기사!
학문적

이유

  • 전기나 역학과 비슷한 부분이 많다. 쿨롱 법칙과 만유인력 식도 거의 똑같고, 전기에서의 전위가 곧 역학에서의 높이, 전하는 질량, 전기장은 중력장으로 생각할 수 있다. 이처럼 전기는 또 하나의 계라고 생각을 하는데, 그 전기를 이해하기 위한 첫 단계가 전기장과 전기력이기 때문이다. => 전기에서 쓰는 수학적 전략, 구조가 역학, 열역학, 유체역학에서 그대로 쓰이는 경우가 많아요.
너희들은?
  • 나는 오늘 내용을 동생들이나 다른 친구들이 배워야 한다는 점에서 중립이다. 역사적 사실, 전자기학의 개념들은 실생활에서 많이 쓰이고 세계를 이해는데 도움을 주어 필요할 거 같지만 여러 적분 그리고 수학들 때문에 정의 위주로 공부하면 좋을거 같다. => 일단 기본적인 이해를 위해선 거의 수학이죠.
  • 솔직히 대부분은 안 배워도 산다. 스마트폰을 쓰는 데 전기장을 알 필요는 없다. 그래도 배울 이유가 있다면, 전기장은 눈에 보이지도 만져지지도 않는데 있다고 주장하는 개념이라는 점이다. 그럼 "안 보이는데 왜 있다고 하지?"를 한 번은 따져야 한다. 이 질문을 제대로 해보는 경험이 전기장 계산법보다 더 오래 남는다고 생각한다. => 맞아요. 적분은 수학적 도구를 사용하기 위한 방식을 보여주기 위한 거고, 조금 더 고민해보기 위한 시간이 설문이죠..!
배워야 할 것

수업 영상

수업요약

[편집 | 원본 편집]

핵심개념

[편집 | 원본 편집]
개념 설명

전개질문

[편집 | 원본 편집]
  1. 전기장의 방향은 어떻게 정하는가?

도착질문

[편집 | 원본 편집]
  1. 후배들에게 남길 만한 질문.

생각해볼 만한 질문

[편집 | 원본 편집]

학생들의 질문

[편집 | 원본 편집]

학생들의 질문

[편집 | 원본 편집]

전기장 관련

[편집 | 원본 편집]
질문 대답
  • 전기장은 실제로 존재하는 걸까, 계산을 편하게 하려고 만든 도구일까?
  • 눈에 보이지 않는 전기장이 실제로 존재한다는 것을 어떻게 확인할 수 있을까?
  • 전기장은 눈에 보이지 않는데 우리는 어떻게 전기장이 존재한다고 알 수 있을까?
  • 전기장은 전하가 없는 공간에서도 존재할 수 있는데, 실제로 전기장이 존재한다는 것을 어떻게 실험적으로 확인할 수 있을까?
오, 중요한 질문.

전기장은 직접 눈으로 볼 수는 없지만 그 공간에 놓인 전하가 받는 힘, 전하의 운동, 전위차 등을 측정하여 간접적으로 확인할 수 있음.

그렇다고 전기장이 단순한 계산 도구에 불과하다고만 보기도 어려움. 전기장은 에너지와 운동량을 가질 수 있고, 전자기파의 형태로 공간을 통해 전파되기도 함.

결국 우리는 전기장을 직접 보는 것이 아니라, 전기장이 만들어내는 여러 효과를 일관되게 관측함으로써 그 존재를 확인하는 것.

  • 전기장을 측정하기 위해 전하를 가져다 놓으면 그 전하 때문에 원래 전기장이 변하지 않을까?
  • 시험 전하가 원래의 전기장을 바꾼다면 측정 전의 전기장은 어떻게 알아낼 수 있을까?
맞음. 실제 전하를 가져다 놓으면 원천 전하의 분포가 변하여 원래의 전기장이 교란될 수 있음.

그래서 이론적으로는 원래 전기장을 거의 바꾸지 않을 만큼 아주 작은 시험 전하를 가정함. 여러 크기의 시험 전하로 측정한 뒤 시험 전하량을 0에 가깝게 보내는 극한을 생각할 수도 있음.

그러나 완벽하게 교란하지 않는 실제 측정은 어려움. 이는 전기장만의 문제가 아니라, 측정 행위가 대상에 영향을 미치는 여러 과학 실험에서 공통으로 나타나는 문제임.(양자역학적으로도)

  • 전기장선은 실제로 공간에 존재하는 선이 아니라 전기장을 나타내기 위한 표현인데, 전기장선의 개수를 정할 때 어떤 기준을 쓰는지 궁금하다. 크기 몇 당 몇 개 이런게 있는걸까?
  • 전기력선을 선으로 그리며 가상의 선이라고 설명한다. 그렇다면 현실의 전기장은 빗자루 털처럼 실제로 가닥가닥 뻗어나가는 것일까, 아니면 전 공간에 빈틈없이 꽉 채워진 안개 같은 연속체일까?
전기장선의 개수에는 절대적인 기준이 없음.

보편적인 기준이 없어서 가우스가 전기장을 적분하는 형식으로 전기장 플럭스의 양을 나타내었죠.

  • 두 전하가 한 지점에 전기장을 만들 때, 그 지점에 있는 전하는 각각의 전기장으로부터 개별적인 전기력을 받고 그 힘이 합성되는 것인지, 먼저 전기장이 합성된 뒤 그 합성 전기장으로부터 하나의 전기력을 받는 것인지 궁금하다.
같음.

각 전기장으로부터 받는 힘을 먼저 구해 합성하면

F→=F→1+F→2=qE→1+qE→2

전기장을 먼저 합성하면

F→=q(E→1+E→2)

이므로 결과는 같음.

  • 전하의 상호작용은 왜 일어날까
근본적인 질문.

아직 과학에선 “전하가 왜 그런 성질을 가지는가?”까지 설명해 주지는 않음.

현대 물리학에서는 전자기적 상호작용을 자연의 기본 상호작용 가운데 하나로 보고, 양자전기역학에서는 광자가 이를 매개한다고 설명함.

  • 중력장이랑 전기장의 공식이 거의 똑같은데 왜 전기장에서는 인력, 척력이 있으면서 중력은 밀어내는 힘이 없는걸까?
  • 중력은 끌어당기기만 하는데, 왜 전기력은 끌어당기는 힘과 밀어내는 힘 두 가지가 모두 존재할까?
중력과 전기력의 식은 비슷하지만, 힘의 원천이 되는 질량과 전하의 성질이 다름.

같은 근원인데도 빨아들이는 형식으로.

어쩌면 질량은 공간을 휘게 만드는 것이고, 전하는 무언가를 방사하는 느낌의 근원이라 결과가 달라지는 것이 아닐지?

  • 일반상대성 이론에 의해 강한 중력장에서는 전기선속이 변화할까? 그렇다면 가우스 법칙이 일반적으로 성립하는 상황인 대칭성이 깨질 수 있다. 이런 상황에서는 단순한 형태의 가우스 법칙을 어떻게 변형해야 할까?
오우, 시공간 자체가 휘어 있으므로, 평평한 공간에서 사용하던 면적과 부피의 계산을 그대로 사용할 수 없을 듯;

일반상대성이론에서는 휘어진 시공간의 기하를 반영하도록 맥스웰 방정식을 공변적인 형태로 표현한다고 하네요. 아마 로렌츠변환으로???

  • 전기장이 있는 공간에는 그에 해당하는 에너지가 저장되어 있을 것이다. 그렇다면 그 에너지는 전하 자체의 에너지일까? 아니면 그 공간에 저장되어 있는 것일까? 그리고 전하를 서로 가까이 가져오거나 멀리할 때 작용되는 일은 어디에 저장되는 것일까?
오, 매우 좋은 질문.

고전 전자기학에서는 전기장의 에너지가 전하에만 들어 있는 것이 아니라, 전기장이 형성된 공간에 저장되어 있다고 설명할 수 있음.

진공에서 전기장의 단위 부피당 에너지는

u=12ϵ0E2

로 나타냄.

전하를 이동시키기 위해 외부에서 한 일은 전하계의 전기적 퍼텐셜 에너지 변화로 나타나며, 장의 관점에서는 전기장에 저장된 에너지의 변화로 볼 수 있음. 축전기가 전기 에너지를 저장하는 것도 이러한 관점으로 설명할 수 있음.

  • 쿨롱 상수에 엡실론 제로가 들어가는데 이는 진공 상태에서의 유전율인데 실제로는 두 전하 사이에 공기나 다른 물질들로 이루어져 있고, 예를 들어 공기 중의 수증기는 물분자이고 이는 극성 분자니까 이 분자도 전하량이 유도되서 유전율에 변화가 생기지 않을까요?
ㅇㅇ 그것들을 종합한 실험값으로 유전율을 측정함.
  • 고정된 전하들이 만드는 전기장만으로 다른 점전하를 공간의 한 지점에 안정적으로 가둘 수 있을까?
일단 균일한 껍질 형태라면 내부에 전기장을 만들지 않아서 '가둔다'라는 의미랑은 달라지고;; 손쉽게 빠져나가버리지;

그래서 실제로 하전 입자를 가둘 때는 시간에 따라 변하는 전기장, 자기장, 또는 두 장의 조합을 사용함. 그, 자기병? 자기거울? 이런 거 쓰는데, 완벽하게 가둬지지 않음; 그래서 핵융합 할 때 어려운 점.

13390_2.jpg

  • 대칭성이 없다면 가우스법칙을 이용할 따 폐곡면을 어떻게 적분할까
  • 원형고리의 전기장에서 나아가 형태가 비대칭적인 고리는 상쇄도 되지 않는데 어떻게 전기장을 구할 서 있을까? 실제로는 비대칭적인 형태가 더 많을텐데 이때는 어떻게할까?
  • 고리와 같은 구조 말고 뫼비우스 띠 구조 같은 여러 복잡한 구조에서의 전기장도 계산할 수 있을까?
대칭적이지 않으면 가우스법칙을 쓰는 의미가 없음; 전기장을 적분기호 밖으로 빼내야 의미가 있습니다. 복잡한 건 콤퓨타로 ㄱㄱ
  • 면전하의 전기장을 적분 없이 구하는 방법은 없을까? 복잡하더라도 굳이 적분까지 써가면서 구해야 할까? 그렇다면 조금 더 어린 동생놈들에게 가르칠때는 어떻게 가르쳐야 할까?
  • 조금 더 쉽게 접근하는 야매법이 없을까 시급하다 생각한다 like 가우스 법칙
가우스 법칙이 없다면.. 다른 야매법은 저도 모르겠는데요;; 실험값이다? 퉁치기?

전위를 먼저 구하는 것, 이미 알려진 결과를 중첩하여 사용하는 것 정도겠네요;;

  • 만일 선전하가 그래프라면 범위가 주어진 n차 그래프에 대해 일반화할 수 있을까? (예: ax^2+bx+c의 그래프의 형태의 선전하가 p<=x<=q까지 존재할때 그 전기장을 일반화 할 수 있는가?) 할 수 있다면 어떻게 될까?
dl=1+(dydx)2dx임을 이용해서 적분 ㄱㄱ
  • 전기장이 1/r^2에 비례하지 않는다면 무슨 일이 일어날까? 예를 들어 1/r^3이나..공간적으로 불가능하겠지만 무슨 일이 일어날지 상상 정도만..
  • 쿨롱 법칙은 실험으로 얻은 식이니 오차가 있을 수 있다. 그런데 지수가 딱 2가 아니면 전기력선의 개수가 일정하다는 성질이 깨지고, 가우스 법칙도 성립하지 않는다. 껍질정리도 무너져서 속이 빈 금속 안에 전기장이 없다는 것도 틀리게 된다. 실제로 속이 빈 금속통 안에 전기장이 없다는 건 아주 정확하게 확인된다. 그렇다면 이 실험 하나로 지수가 정확히 2라는 걸 얼마나 확신할 수 있을까? 힘을 직접 재는 것보다 이 방법이 더 정확한 이유는 뭘까?
오, 훌륭한 질문.

일단 기본 전자기학의 증명들이 다 무의미해질거고... 전기력이 기본적으로 약해져서 원자들의 크기가 커지지 않을지? 다같이 비슷한 비율로 커지면 좋겠지만, 그렇진 않을듯? 복잡한 분자가 많으니까;

힘을 측정하는 것보다 없다는 것을 확인하는 게 훨씬 쉽지.

궁금증

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질문 대답
  • 모든 물체의 표면을 이루는 원자 바깥쪽에는 음전하를 띤 전자 구름이 덮여 있다고 알고있는데 우리는 그렇다면 어떤 물체와도 직접 닿아본 적이 없는 것일까?
  • 우리가 물건을 손으로 집을 때 느끼는 촉각은 사실은 원자 수준에서 발생하는 전기력이 아닐까?
일상적으로 물체와 “닿는다”는 것은 두 물체의 원자핵이 맞닿는다는 뜻은 아님. 손과 물체의 전자구름이 매우 가까워지면 전자기적 상호작용과 양자역학적인 효과 때문에 더 가까이 접근하기 어려워짐.

이때 생기는 저항과 손의 변형을 감각기관이 감지하여 우리는 접촉했다고 느낌.

따라서 일상적 의미에서는 분명 물체와 접촉한 것이지만, 원자 수준에서는 작은 공처럼 단단한 입자끼리 직접 맞닿은 것으로 생각하면 안됨.

  • 습도가 높은 여름철에는 공기 중의 수증기가 전하를 어떻게 이동시키길래 정전기가 잘 발생하지 않는 걸까.
습도가 높으면 물체 표면에 얇은 수분층이 형성되기 쉬움. 물에는 이온 등의 이동 가능한 전하가 포함될 수 있으므로, 건조한 표면보다 전하가 이동하고 빠져나가기 쉬워짐.

수증기가 전하를 마구 운반한다기보다, 습기로 인해 물체 표면의 전기적 전도성이 커진다는 것.

  • 일정한 길이의 직선 도선이 전하를 띤 채로 움직인다면 전기장이 가만히 있을 때와 다르게 구해질까? (만약 광속에 근접하게 운동하면 도선의 길이가 짧아질 텐데도 불구하고, 전기장을 구하는 식에서는 길이만 있을 뿐 시간은 포함되지 않으니..)
달라질 수 있음.

한 관성계에서 정지한 전하 분포가 다른 관성계에서는 움직이는 전하, 즉 전류로 관측될 수 있음. 따라서 관찰자의 운동 상태에 따라 전기장뿐 아니라 자기장도 함께 나타남.

광속에 가까운 속도에서는 길이 수축과 전하 밀도의 변화도 고려해야 함. 전기장과 자기장은 서로 완전히 독립된 것이 아니라 관찰자의 기준계에 따라 서로 섞여 나타나는 하나의 전자기장임.

정전기학에서 배운 식은 전하 분포가 정지해 있거나 시간에 따른 변화를 무시할 수 있는 경우에 사용하는 식임.

  • 전기장은 진공에서 단순히 한 방향으로 형성되는 것처럼 보이는데, 전선이 90도로 꺾여 있는 경우에는 도선 내부의 전기장이 어떻게 도선의 굴곡을 따라 형성되어 전자의 이동 방향을 바꾸는 것일까?
전선이 꺾인 부분에서는 도선 표면의 전하 분포가 균일하지 않게 형성됨. 이 표면 전하들이 도선 내부에 굴곡을 따라가는 방향의 전기장을 만듦.

전자가 도선의 모양을 미리 알고 방향을 바꾸는 것이 아니라, 도선 표면에 형성된 전하 분포가 각 지점에서 적절한 방향의 전기장을 만드는 것임.

회로에서 전선을 단순히 등전위선처럼 그리지만, 실제로 전류가 흐르는 저항성 도선 내부에는 작은 전기장이 존재함.

  • 초전도체는 저항이 0인데 우리가 배운 전기 관련 공식이 모두 성립할까
V=IR 안쓰고 에너지 관련 공식만 쓰면 됨.

초전도체까지 갈 것 없이, 저항이 작은 금속에서 변압기만 봐도 V=IR 성립 안함.

그래서 V=IR이 받아들여지는 데 생각보다 오래 걸림.

전위 관련

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질문 대답
  • 전위를 무한대에서 0으로 정의하지만, 만약 기준점을 다른 지점으로 잡으면 전위 개념은 어떻게 달라질까? 이게 실제 계산이나 실험에서 어떤 영향을 줄까?
식이 더러워짐. 무한대를 기준으로 두면 값이 0이 되어 깔끔한데..

우리는 자연에 이름을 붙여 이해하는 것이지, 우리가 이름을 붙였다고 해서 자연이 변하진 않음.

계산, 실험에서 귀찮아질 뿐이지.

전기선속 관련

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질문 대답
  • 전기 선속 개념에서 단면적이 A인 사각 단면이 나오는데 이 단면이 전기력선과 수직이 아니라 수평이면 Φ 가 0이 되는데 왜 0일까? 단면을 지나는 선이 하나라도 존재하지 않을까?
수평이면 해당 단면으로 나가고 들어가는 전기장이 없지.
  • 전기장의 세기는 거리의 제곱에 비례하게 약해지는데 가우스면에 들어오는 전기장보다 나갈때 더 약할텐데 들어오는 전기력선과 나오는 전기력선에는 영향이 없는건가요..?
ㅇㅇ 들어오는 만큼 그대로 나가기 때문에 총 합은 0(내부에 전하가 없다면)
  • 껍질 정리에 의해 구 표면의 전하를 구 중심에 모여있는 것으로 볼 수 있는데, 구 표면에 아주 가까이 있는 지점에서 전기장과, 구 중심에 있는 전하에 의한 전기장이 같을 수 있나요?
식이 같으니, 정확히 같지.

별로인데 좋을 수도 있는 질문

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분류 질문 대답
  • 피카츄가 강력한 전기를 만들어내는 메커니즘이 어떻게 될까?
현실의 생물 가운데에는 전기뱀장어처럼 세포막 안팎의 이온 농도차와 전위차를 이용해 전기를 발생시키는 생물이 있음.

피카츄를 현실적인 생물로 해석한다면, 많은 발전 세포를 직렬로 연결해 큰 전압을 만들고 병렬로 연결해 큰 전류를 만드는 기관을 가졌다고 상상해볼 수 있음.

의철님 말씀. 전기뱀장어가 전기를 만들어내는 생물들 중에선 가장 길다. 몸 비율의 90%정도가 전기를 만들어내는 세포로, 장기들이 머리에 몰려 있다.

다만 애니메이션처럼 공기 중으로 강력한 방전을 반복하려면 매우 큰 전압과 에너지가 필요하고, 절연·발열·에너지 공급 문제도 해결해야 함.

생물전기, 축전기, 공기의 절연 파괴를 연결해볼 수 있는 훌륭한 헛소리.

  • 세상에 전기력이 사라진다면 어떻게 될까.
  • 만약 오늘 당장 전하가 없어진다면 어떻게 될까?
모든 물질이 굳이 결합되어 있지 않겠지. 재료는 있지만, 결합되지 못하니, 그저 입자들의 충돌 뿐인, 먼지들이 되겠지.
  • 세상 모든 전기장이 두배로 강해지면 무슨 일이 벌어질까? 예시 답안: 세상의 모든 전기장이 2배로 강해지면, 우리는 단순히 전기가 세지는 것을 넘어 우주와 물질의 근본 구조가 붕괴하는 대재앙을 맞이하게 됩니다. 전기력은 원자를 결합하고 분자를 유지하는 핵심 힘이기 때문입니다.만약 이 현상이 실제로 일어난다면 벌어질 일들을 세 가지 단계로 나누어 설명해 드리겠습니다.1. 물질과 생명체의 즉각적인 붕괴 (원자 수준)분자의 변형 및 파괴: 원자핵과 전자 사이의 인력이 2배로 강해집니다. 이로 인해 화학 결합의 길이와 각도가 완전히 뒤바뀌며, 지구상의 모든 화학 물질과 생명체의 DNA, 단백질 구조가 그 즉시 변형되거나 파괴됩니다.생체 전기 신호 마비: 인간을 포함한 모든 동물은 신경세포의 이온(나트륨, 칼륨 등) 이동을 통해 전기 신호를 주고받습니다. 전기장이 2배가 되면 신경계가 거대한 과부하를 일으켜 심장이 즉시 멎고 뇌 기능이 정지합니다.2. 모든 전자기기와 인프라의 파괴 (거시적 수준)대규모 절연 파괴 (벼락과 스파크): 공기가 견딜 수 있는 전기장의 한계(절연 파괴 전압)를 초과하게 됩니다. 전선, 콘센트, 가전제품 주변의 공기가 순식간에 도체로 변하며 모든 곳에서 거대한 스파크와 불꽃이 튀고 화재가 발생합니다.반도체 및 배터리 폭발: 스마트폰, 컴퓨터 내부의 미세한 반도체 소자들은 강해진 전기장을 버티지 못하고 순식간에 타버립니다. 리튬 이온 배터리 내부의 이온 흐름도 통제 불능 상태가 되어 일제히 폭발합니다.3. 물리 법칙과 빛의 변화 (우주적 수준)빛(전자기파)의 교란: 빛은 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 나아가는 전자기파입니다. 전기장만 물리적으로 2배가 된다면 빛의 속도, 굴절률, 에너지 보존 법칙 등 현대 물리학의 기초가 되는 상수가 뒤흔들려 우주 전체의 균형이 깨집니다. -출처: 제미나이
  • 이 세상에 전기력이 2배가 되면 무슨일이 일어날까?
이게 뭐람;;;

의철이라면 인정.

어느 남성이 지나가던 나그네에게 말을 걸었다.

A: 자네, 양성자를 좋아하나, 전자를 좋아하나? B: 전자를 좋아합니다. 이때 B는 전자(前者)를 좋아하는 걸까, 전자(電子)를 좋아하는 걸까? .....죄송합니다

이 농담을 국어선생님이 좋아하실겁니다.

해결하지 못한 질문

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분류 질문 대답
적분이 너무 어려운데 적분이 없으면 공식 유도가 너무 직관적이지 않게 보이는 것 같습니다. 적분 결과를 알아도 그게 사고과정을 스킵하는 느낌이 들게 됩니다. 혹시 그쪽 관련 팁이 있을까요? 적분은 이용하는 도구일 뿐이지, 여기에 깊이 매몰되어선 안됨.
식의 유도 과정이 한 줄의 치환적분으로 끝내기보다 각 과정이 무엇을 의미하는지(혹은 어떻게 이루어진 것인지) 설명이 들어가 있으면 좋을 것 같습니다. 치환적분은... 진짜 감임. 이건 정해진 공식이 없음.

적분의 각 과정..? 어떤 부분에서 추가 설명이 필요한 걸까??

근데 폐곡면 적분기호가 적분기호 중간에 동그라미인데 왜 그렇게 생겼고 정한건가요? 역사적으로 그런 게 있나요? 저는 모르겠네요. 왜 그렇게 표기하게 되었는지는?

적분 범위의 처음 지점과 끝지점이 같을 때 그렇게 동그라미를 써요.(물론 각은 0~2pi 형식으로 나타나지만)

코멘트 및 후배들에게

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질문 대답
  • 전기력선과 등전위선이 수직으로 만나는것을 증명하라~
등전위선을 따라 조금 이동할 때는 전위 변화가 0임.
dV=−E→⋅dl→=0

따라서 전기장 E→와 등전위선을 따라가는 변위 dl→의 내적이 0이어야 함.

즉 전기장은 등전위선의 접선 방향과 수직임. 전기력선의 접선 방향이 바로 전기장 방향이므로 전기력선과 등전위선은 수직으로 만남.

등고선을 따라 이동하면 높이가 변하지 않고, 가장 가파르게 높이가 변하는 방향은 등고선에 수직인 것과 비슷함.

더 나아가기

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교과 내용이 너무 쉬워서 더 공부하고 싶은 사람들을 위하여.

보기 전에 먼저 생각해보세요~

수업 후, 흥미로운 것

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시간이 남을 때에만 보세요~

전기장의 방향은 어떻게 정하는가?

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학생 답변 교사 코멘트
  • 양전하가 받는 전기력의 방향
  • 그 지점에 +전하를 놓았을때 받는힘의방향
  • 어떤 지점에 아주 작은 양(+)의 점전하를 놓았을 때 그 전하가 받는 전기력의 방향을 그 지점의 전기장 방향으로 정한다.
  • 전기장의 방향은 그 지점에 놓인 양의 시험 전하가 받는 전기력의 방향으로 정해진다.
  • 전기장의 방향은 양의 전하를 띈 시험전하를 공간에 넣었을 때 해당 전하가 받는 전기력의 방향으로 결정한다.
굳. 정확함.

더 정확하게 말하자면 1C의 시험전하가 받는 힘.

  • 한 지점에 단위 양전하를 놓았을때 양전하가 받는 힘의 방향
  • +1C의 시험 전하가 받는 전기력의 방향으로 정해진다. E=F/q에서 E와 F 모두 백터로 나타내기 때문이다.
  • 임의의 +1C의 전하가 원천 전하에 의해 받는 전기력의 방향?
참고.

1C은 생각보다 큰 전하여서, 이 전하의 존재 자체가 다른 전하들을 교란시킬 수 있음.

=> 때문에, 아주 작은 전하량의 시험전하를 두고 이를 1C 으로 변환했을 때의 힘이라 말하는 게 정확하지.

  • 전기장의 방향은 특정 지점에 양전하를 놓았을 때 양전하가 받는 전기력의 방향으로 정한다. 따라서 양전하가 만드는 전기장은 전하에서 바깥쪽으로 나가는 방향, 음전하가 만드는 전기장은 전하를 향하는 방향이다.
  • 전기장 안의 양전하가 받은 전기력의 방향으로 작용한다. 이때 양전하는 전기장의 방향으로 힘을받지만 음전하는 그 반대의 방향으로 힘을 받는다.
  • 그 자리에 (+)전하를 놓았을 때 그 전하가 밀려나거나 끌려가는 방향으로 정한다. (-)전하를 놓으면 전기장과 반대 방향으로 힘을 받는다. 이건 자연이 정해준 게 아니라 사람들이 (+)를 기준으로 삼기로 약속한 것이다.
  • 전기장의 방향은 전기장 안에 놓은 양전하가 받는 전기력의 방향으로 정의된다. 양전하 주변에서는 전하의 중심부에서 바깥쪽으로 뻗어나가는 방향으로 작용하고, 음전하 주변에서는 전하 주변에서 전하의 중심부 쪽으로 안쪽으로 들어오는 방향으로 작용한다. 이를 전기장선의 방향으로 확장하면, 전기장선의 방향이 양전하에서 나와서 음전하로 들어가는데, 이때 전기장선의 특정 지점에서 그은 접선의 방향이 그 지점에서의 전기장 방향임을 알 수 있다.
  • 양전하에서 뿜어져 나와 음전하로 들어가는 방향이다. 하지만 자기장의 변화로 유도되는 전기장은 전하 없이 유도되므로, 정확하게 말하면 아주 작은 양전하를 놓았을 때, 그 전하가 받는 전기력의 방향이다.
구체 설명까지 잘했음..!
  • 전기장의 방향은 그 위치에 놓인 양전하가 받는 전기력의 방향으로 정의하며, 전위가 감소하는 방향과 같습니다.
  • 전기장의 방향은 양의 시험전하가 받는 힘의 방향으로, 양전하에서 뻗어나와 음전하로 들어가는 방향입니다. 전위 기준으로는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳을 향합니다
  • 전기장은 일단 그 지점에 놓인 + 전하가 받는 전기력의 방향으로 정하고 이때 전기장의 크기는 F = qE라는 식으로 전기장의 크기를 구할 수 있다. 또한 전기장과 전위는 E = -델타V 라는 것을 봤을 때 전기장의 방향은 전위가 급격하게 감소하는 방향이다.
전위까지 생각해서 정리한 경우.

어찌 보면.. 전기장의 근원은 전위라고도 할 수 있겠지.(전위는 단순히 일을 표현하기 위한 도구라고 할 수도 있겠고.)

  • +에서 -로 전기장의 방향이 형성된다
  • 전기장의방향은 양전하의 경우 뿜어뎌 나오는 방향, 음전하의 경우 안으로 들어가는 방향으로 정한다.
  • 전기장의 방향은 +에서 나오는 방향, -에서 들어가는 방향으로 정할수 있다.
  • -에 가까워 지는 방향(+에서 멀어지는 방향)
  • 원천전하의 방향으로 결정된다. 원천전하가 양전하면 나가는 방향으로 전기장이 형성되고 음전하면 들어오는 방향으로 형성됟다.
이것은 한 지점에서의 전기장 방향이 아니라;;

대략적인 전기장의 형태에 대해 언급한 것.

  • 그 자리에 양전하가 있을 때 어느 방향으로 움직일까? 그 답이 전기장의 방향이다. 그 때문에 기본적으로는 +와 멀어지려는 방향이자 -와 가까워지려는 방향이다.
약간의 위험.

양전하의 초기 속력이 있으면 힘의 방향과 운동 방향이 달라질 수 있음.

  • 전기장을 일으키는 전하와의 거리가 무한대 일때를 0이라고 가정하고 그에 비해 상대적으로 전하가 +인 쪽에서 -인쪽으로 흐른다.
전기장을 유체로 표현한 것이 틀린 것은 아닌데;;; 전기장과 전위의 개념이 섞였음. 굳이 무한대일 때를 생각할 이유가 있을지;;
양의 단위 시험전하를 놓았을때, 이 전하가 작용하는 방향이 전기장의 방향일것이다. 전하가 작용하는 방향;;;;?
+1C양성자를 놓았을 때 그 전하가 받는 전기력의 방향으로 정한다. 양성자는 1C 아님;;;
  • 전기장의 방향은 힘의 방향에 의해 결정된다
  • 전기력으로 결정된다
아니;; 그러니까;;; 하;;;; 됬다;

전기력의 근원은 무엇일까?

[편집 | 원본 편집]
학생 답변 교사 코멘트
  • 전기력의 근원은 전하이다. 전하는 질량처럼 입자가 가진 고유한 성질이고 전하가 없으면 전기력도 생기지 않는다.전하는 주변 공간에 전기장을 만들고 다른 전하가 그 장 안에 들어오면 힘을 받게 된다.
  • 전기력의 가장 근본적인 원인은 물질이 가지고 있는 전하
  • 물질을 구성하는 기본 입자들이 가진 고유한 성질인 "전하"로 인해 전기력이 생기는 것이다.
  • 전하량이라고 생각한다. F=k*q1*q2/r^2에서 k는 상수이다. 만약 거리가 전기력의 근원이라고 한다면 중성자 2개 사이에도 전기력이 있어야할 것이다. 따라서 q, 전하량이 전기력의 근원이라고 생각한다.
  • 전기력의 근원은 전하이다. 질량을 가진 물체들 사이에서 중력이 작용하는 것처럼 전하를 가진 입자들 사이에는 전기력이 작용한다.
  • 전기력의 근원은 입자가 가진 전하이고 전하로 인해 입자들 사이에 서로 밀어내고 당기는 힘이 작용한다.
  • 원자에서 기본적으로 스핀이나 전하를 띄는 양성자와 전자등이 이 힘의 근원
굳. 기본적으로 전기력의 근원은 전하라고 볼 수 있음.

다만, 전하가 왜 존재하며 왜 이러한 상호작용을 하는가까지 묻는다면, 현재의 물리학에서는 전하를 입자가 가진 기본적인 성질 중 하나로 봄.

  • 전하가 주변 공간에 전기장을 만들고, 그 전기장이 다른 전하에 힘을 작용시킨다.
  • 전기력의 근원은 전하이다. 전하가 주변에 전기장을 만들고, 다른 전하가 그 전기장 속에 들어오면 전기력을 받는다.
  • 전하가 주변 공간에 전기장을 만들고, 다른 전하가 이 전기장과 상호작용하면서 전기력을 받는다.
  • 전하 주위에 퍼져나가는 무언가이다. 전하가 존재하는 순간 그 주변 공간에 자신만의 장을 만들어내고, 이 장이 다른 전하에 힘을 전달한다.
내가 의도한 답. 내가 의도했던 것은 전기력의 직접적인 근원으로 전기장을 원했음.
  • 전기력의 근원은 전하 그 자체뿐만 아니라, 전하가 주변 공간의 성질을 변화시켜 만들어내는 전기장이다. 두 전하가 직접 맞닿지 않고 떨어져 있어도 힘을 주고받을 수 있는 이유는 공간에 형성된 전기장을 통해 상호작용 에너지가 전달되기 때문이다.
  • 전하에 의해 전기장이 형성되고 이 전기장에 다른 전하를 배치하였을 때 작용하는 상호작용을 전기력이라고 생각한다.
  • 전기력은 전하를 가진 입자가 전기장을 만드는데 그 장과의 상호작용이 전기력의 근원이다.
  • 전기력의 근원은 전기장으로 설명할 수 있을 것 같다. 전기장에서의 장이란 물리적인 힘이 미치는 공간에서 각 지점마다 다른 크기를 갖는 물리량을 말하는데, 전하는 그 존재만으로 주변 공간에 전기장이라는 물리적 상태를 만들어내고, 이 전하와 다른 크기의 물리량을 갖는 다른 전하는 자신의 놓인 위치의 전기장으로부터 국소적인 힘을 받음으로써 서로 다른 두 전하의 전기장끼리 상호작용하면서 전기력이 작용한다고 볼 수 있을 것 같다.
두 전하의 전기장끼리 상호작용하여 힘이 생긴다고 표현하기보다는, 한 전하가 만든 전기장 속에서 다른 전하가 힘을 받는다고 설명하는 것이 현재 더 정확함.
  • 직접적인 근원은 전하이고 점전하 사이의 힘은 쿨롱 법칙 공식으로 쓰일 수 있다. 전자 하나의 전하량은 1.602 x 10^(-19) 라는 점을 고려하면 정전기 유도 실험을 할때 전자가 이동하면서 전하량을 만들고 그 전하량으로 전기장이 형성되며 전기력이 형성된다.
  • 근원은 물체가 가진 '전하'다. 중력에 질량이 필요하듯 전기 현상에는 전하가 필요하다. 평소 물체가 전기를 안 띠는 건 전하가 없어서가 아니라 (+)와 (-)가 거의 같은 양이라 상쇄되기 때문이고, 마찰로 전자가 조금만 옮겨가도 현상이 나타난다. 다만 떨어진 두 전하가 어떻게 서로를 미는지까지 물으면, 원인은 전하지만 힘이 전달되는 통로는 그 사이의 공간 전기장이다.
구체적으로 잘 씀.
  • 광자로부터 발생되었다.
  • 전하를 띤 입자 사이의 전자기적 상호작용인데 지구과학 시간에 배운 전자기적 상호작용을 전달하는 입자 photon이 있는데 같은 종류의 전하끼리는 밀어내고, 다른 종류의 전하끼리는 끌어당긴다.
  • 근본적으로 쿼크와 전자라는 페르미온에 의한 것으로 볼 수 있을 것 같고 이들의 상호작용인 전자기력이 만들어졌다고 볼 수 있을 것 같다.
이거;;; 안배웠는데, AI의 힘인가...!?!?
  • 원천 전하가 만들어 내는 일종의 공간의 휘어짐(?)으로 설명하는 전기장의 높낮이에 따라 생기는 힘?
공간 자체가 휘어진다는 설명은 일반상대성이론에서 중력을 설명할 때 사용하는 표현에 가까움.

전하가 주변 공간에 전기장을 만든다는 생각은 맞지만, 이를 곧바로 “공간이 휘어진다”고 표현하지는 않음.

굳이 공간이 휘어졌다는 표현을 쓰려면, 우리가 사는 3차원 공간이 아니라, 인지하지 못하는 다른 차원의 공간의 휘어짐이 있기 때문이라고 표현은 가능할듯?

  • 우주가 탄생하고 입자가 생성되며 그 입자에 전하라는 성질이 부여되었을 때부터 전기력이 존재할 수 있었다. 이에 더해 전하가 '당연하게' 보통 높은 곳에서 낮은 곳으로 내려간다고 받아들일 수 있는 순간 그 체계가 형성되었다고 생각한다.
그 당연함을 표현하는 도구에 대한 물음이었음!
  • 전하, 전하로 만들어진 자기장으로 유도된 전기장이 근원이다.
사이비 교주의 이론.
  • 전하가 가지는 기본적인 힘으로 전하에서 발생한다. 우주에서는 강한 핵력, 약한 핵력, 중력, 그리고 전자기력이 4대 힘이다.
  • 원천전하와 시험전하 그리고 두 전하사이의 거리이다.
;;;? 문맥 파악 이슈;
여러 전하들의 정전기적 인력이 그 근원이 아닐까 그니까; 그게 왜;;; 하; 정전기적 인력이 전기력이잖아;

생기부 기록 예시

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