고급물리:전기장: 두 판 사이의 차이
잔글 →전기장 관련 |
|||
| (같은 사용자의 중간 판 4개는 보이지 않습니다) | |||
| 15번째 줄: | 15번째 줄: | ||
이유 | 이유 | ||
| | | | ||
* | *기사! | ||
|- | |- | ||
!학문적 | !학문적 | ||
이유 | 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, 유체역에서 그대로 쓰이는 경우가 많아요. | ||
|- | |- | ||
!너희들은? | !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 | !배워야 할 것 | ||
| 32번째 줄: | 33번째 줄: | ||
== 도입 == | == 도입 == | ||
<youtube>https://www.youtube.com/watch?v= | <youtube>https://www.youtube.com/watch?v=SLUkJ3Y_tEQ</youtube> | ||
== 학습 == | == 학습 == | ||
| 76번째 줄: | 77번째 줄: | ||
== 학생들의 질문 == | == 학생들의 질문 == | ||
== | ==학생들의 질문== | ||
=== 전기장 관련 === | |||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
! | !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 | |||
: <math>\vec{F}=\vec{F}_1+\vec{F}_2=q\vec{E}_1+q\vec{E}_2</math> | |||
전기장을 먼저 합성하면 | |||
: <math>\vec{F}=q(\vec{E}_1+\vec{E}_2)</math> | |||
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. | |||
|- | |- | ||
| | | | ||
| | * 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 | |||
: <math>u=\frac{1}{2}\epsilon_0E^2</math> | |||
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. | |||
https://cdn.weekly.chosun.com/news/photo/201808/13390_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; 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;; | |||
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? | |||
| | | | ||
: <math>dl=\sqrt{1+\left(\frac{dy}{dx}\right)^2}dx</math>임을 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 === | |||
{| class="wikitable" | |||
!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 === | |||
{| class="wikitable" | |||
!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. | |||
|- | |- | ||
| | | | ||
| 147번째 줄: | 259번째 줄: | ||
| | | | ||
| | | | ||
|} | |||
=== 전기선속 관련 === | |||
{| class="wikitable" | |||
!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..? | ||
|??? 보통 약해지면 면적이 넓어지잖아;;? | |||
|- | |- | ||
| | | | ||
* 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 === | ||
{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
!분류 | !분류 | ||
| 181번째 줄: | 287번째 줄: | ||
| | | | ||
| | | | ||
| | * 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. | |||
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;;; | |||
|- | |||
| | | | ||
|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. | |||
|} | |} | ||
| 199번째 줄: | 320번째 줄: | ||
|- | |- | ||
| | | | ||
| | |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 각는 0~2pi 형식으로 나타나지만) | |||
|} | |} | ||
| 217번째 줄: | 340번째 줄: | ||
|- | |- | ||
| | | | ||
| | * 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. | |||
|- | |- | ||
| | | | ||
| 300번째 줄: | 432번째 줄: | ||
* 전기력으로 결정된다 | * 전기력으로 결정된다 | ||
|아니;; 그러니까;;; 하;;;; 됬다; | |아니;; 그러니까;;; 하;;;; 됬다; | ||
|} | |||
=== 전기력의 근원은 무엇일까? === | |||
{| class="wikitable" | |||
!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; | |||
|} | |} | ||
2026년 9월 14일 (월) 02:32 기준 최신판
이 틀은 틀:현재 교육과정:고급물리에서 관리한다. 틀:15개정 고급물리
| 흥미적
이유 |
|
|---|---|
| 직업적
이유 |
|
| 학문적
이유 |
|
| 너희들은? |
|
| 배워야 할 것 |
|
| 수업 | 영상 |
|---|---|
| 개념 | 설명 |
|---|---|
- 전기장의 방향은 어떻게 정하는가?
- 후배들에게 남길 만한 질문.
| 질문 | 대답 |
|---|---|
|
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. |
|
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) |
|
전기장선의 개수에는 절대적인 기준이 없음.
보편적인 기준이 없어서 가우스가 전기장을 적분하는 형식으로 전기장 플럭스의 양을 나타내었죠. |
|
같음.
각 전기장으로부터 받는 힘을 먼저 구해 합성하면 전기장을 먼저 합성하면 이므로 결과는 같음. |
|
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. |
|
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? |
|
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. |
|
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 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. |
|
ㅇㅇ 그것들을 종합한 실험값으로 유전율을 측정함. |
|
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.
|
|
대칭적이지 않으면 가우스법칙을 쓰는 의미가 없음; 복잡한 건 콤퓨타로 ㄱㄱ |
|
가우스 법칙이 없다면.. 다른 야매법은 저도 모르겠는데요;;
전위를 먼저 구하는 것, 이미 알려진 결과를 중첩하여 사용하는 것 정도겠네요;; |
|
|
|
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. |
| 질문 | 대답 |
|---|---|
|
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 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. |
|
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. |
|
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. |
|
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. |
| 질문 | 대답 |
|---|---|
|
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. |
| 질문 | 대답 |
|---|---|
|
수평이면 해당 단면으로 나가고 들어가는 전기장이 없지. |
|
??? 보통 약해지면 면적이 넓어지잖아;;? |
|
식이 같으니, 정확히 같지. |
| 분류 | 질문 | 대답 |
|---|---|---|
|
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. 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. | |
|
모든 물질이 굳이 결합되어 있지 않겠지. 재료는 있지만, 결합되지 못하니, 그저 입자들의 충돌 뿐인, 먼지들이 되겠지. | |
|
이게 뭐람;;; | |
| 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. |
| 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 각는 0~2pi 형식으로 나타나지만) |
| 질문 | 대답 |
|---|---|
|
등전위선을 따라 조금 이동할 때는 전위 변화가 0임.
따라서 전기장 와 등전위선을 따라가는 변위 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. |
교과 내용이 너무 쉬워서 더 공부하고 싶은 사람들을 위하여.
시간이 남을 때에만 보세요~
| 학생 답변 | 교사 코멘트 |
|---|---|
|
굳. 정확함. |
|
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. |
|
구체 설명까지 잘했음..! |
|
전위까지 생각해서 정리한 경우.
어찌 보면.. 전기장의 근원은 전위라고도 할 수 있겠지.(전위는 단순히 일을 표현하기 위한 도구라고 할 수도 있겠고.) |
|
이것은 한 지점에서의 전기장 방향이 아니라;;
대략적인 전기장의 형태에 대해 언급한 것. |
|
약간의 위험.
양전하의 초기 속력이 있으면 힘의 방향과 운동 방향이 달라질 수 있음. |
|
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;;; |
|
아니;; 그러니까;;; 하;;;; 됬다; |
| 학생 답변 | 교사 코멘트 |
|---|---|
|
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. |
|
내가 의도한 답. 내가 의도했던 것은 전기력의 직접적인 근원으로 전기장을 원했음. |
|
두 전하의 전기장끼리 상호작용하여 힘이 생긴다고 표현하기보다는, 한 전하가 만든 전기장 속에서 다른 전하가 힘을 받는다고 설명하는 것이 현재 더 정확함. |
|
구체적으로 잘 씀. |
|
이거;;; 안배웠는데, AI의 힘인가...!?!? |
|
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? |
|
그 당연함을 표현하는 도구에 대한 물음이었음! |
|
사이비 교주의 이론. |
|
;;;? 문맥 파악 이슈; |
| 여러 전하들의 정전기적 인력이 그 근원이 아닐까 | 그니까; 그게 왜;;; 하; 정전기적 인력이 전기력이잖아; |
| 선생님코멘트 | |
|---|---|