[Lv1] 6장. 전류 ② 열전현상 및 여러 전기현상, 패러데이관, 곡률

안녕하세요!

6장 두번째 포스팅입니다

이것으로 전기 부분 마무리가 되네요

이번 포스팅에서는 열전현상 등 여러가지

전기와 관련된 현상들을

알아보겠습니다

* 열전현상

이름에서 알 수 있듯이

열과 전기가 상호작용할 때

나타나는 현상입니다

열전현상의 종류로 

3가지 효과가 시험에 나오는데요

각각의 효과의

 주요 키워드를 캐치해서

문제에서 답을 골라낼 수 있으면 됩니다

1. 제어백 효과

제벡, 제베크 또는 지벡 효과라고도 합니다

서로 다른 두 금속을 접합하고 

열에너지를 가하면 

기전력(열기전력)이 발생하는 효과입니다

(열 → 전기)

( 기전력이라고 하면 괜찮은데

열기전력이라고 하면 

열이 발생하는 건지

전기가 발생하는건지

헷갈릴 수 있습니다

열기전력도 결국 기전력이 

발생한다는 말이므로

열이 발생하는 게 아니라

전기가 발생하는 것입니다 )

2. 펠티에 효과

펠티어 효과라고도 하며

서로 다른 두 금속을 접합하고

전기에너지를 가하면

열이 발생하는 효과입니다

(전기 → 열)

3. 톰슨 효과

앞의 두 효과와 다르게

동일 금속을 접합했을 때

열이나 전기가 나타나는 현상을 말합니다

'열' 과 '전기'가 나오면

저 셋 중에서 하나를 고르면 됩니다

그 중 '동일 금속'이라고 하면 톰슨효과이고

서로 다른 두금속이면 

제어백 또는 펠티에 효과인데

결과물이 전기이냐 열이냐에 따라서 

제어백과 펠티에 효과를 구분할 수 있습니다

최근 과년도 전기기사 기출엔 없지만

이전 기출이나

각종 공기업 필기시험에서도

자주 나오는 전기현상들이니

꼭 구분해둡시다!

* 압전효과

열전효과가 열과 전기의 상호작용이라면

압전효과는 압력과 전기의 상호작용입니다

여기서 말하는 압력은 기계적인 압력입니다

말 그대로 꾹꾹 누르는 압력이죠

기계적인 압력(또는 변형력)을 가할 때

전위차가 발생하는 효과

또는 전위차로 인해 기계적 변형이 

발생하는 효과를 압전효과라고 합니다

(압전현상, 압전기현상이라고도 합니다)

어떤 효과인지 묻는 문제에서

'기계적' 이라는 말이 나오면

압전효과라고 답을 체크하시면 됩니다

- 압전효과의 종류

압전효과의 종류가 두 가지인데

종효과와 횡효과입니다

① 종효과 : 힘을 가하는 방향과

전하가 발생하는 방향이 같은 경우

② 횡효과 : 힘을 가하는 방향과

전하가 발생하는 방향이 수직인 경우

종,횡의 의미를 아신다면

쉽게 구분하실 수 있습니다!

문제에서는

압전기효과에서 분극이 응력과 

같은 방향으로 발생하는 현상은?

(→ 종효과)

압전기효과에서 분극이 응력과 

수직인 방향으로 발생하는 현상은?

(→ 횡효과)

이런식으로 나온답니다

분극과 응력에 대해 모르더라도

같은 방향이냐 수직인 방향이냐로

구분하시면 됩니다

최근 5개년 과년도 기출문제에는 없지만

조금만 더 거슬러 올라가면  

단골로 나왔던 문제이니 잘 알아둡시다!

* 홀 효과

7장부터 다룰 것이 '자기', '자계' 부분인데요

전류가 흐르고 있는 회로에서

도선에 자계를 가하면

전류가 흐르는 도체와 수직한 방향으로

전위차가 발생하는 현상이

홀 효과입니다

문제에서 여러가지 다른 표현으로

홀 효과를 물어보는데요

~~ 도체 측면에 정·부의 전하가 생기는 현상

~~ 도체 직각방향으로 기전력이 생기는 현상

등의 표현으로 물어보는데

핵심은 '자계를 가하면' 입니다

이 말이 보이면 홀 효과를 

답으로 체크하시면 됩니다!

여러가지 전기적 현상에 대해서

공부했습니다

문제에서 00효과에 대해 묻는다면

문제를 읽으면서 각각의 효과들에 대한 

키워드를 캐치해서

답을 골라주시면 되겠습니다

이제 6장까지의 내용은 마무리가

되었는데요

전기 파트 마무리에 앞서

시험에 자주 나오는 내용인데

챕터 구분이 애매하거나

미처 다루지 못한 내용들을

마저 다루고 6장을 마치겠습니다

< 패러데이관 >

패러데이관이라는 용어가

가끔 문제에 나오는데요

먼저 전속이라는 용어를

보겠습니다

전속은 전기력선의 묶음의 수를 말하는데 

1[C]의 전하에서 나오는 전속을 1개로 정의합니다 

2[C]이면 전속이 2개가 되는거죠

전기력선은 (+)에서 나와서

(-)로 들어가는 성질이 있는데

전속이 전기력선의 묶음이므로

마찬가지로 (+)에서 나와서

(-)로 들어갑니다

+1[C]의 전하와 -1[C]의 전하가 있을 때

+1[C]에서 -1[C]으로 들어가는 전속의 수는

1개가 될 것입니다

이제 패러데이관이 뭔지 알아보겠습니다

패러데이는

(+1C)에서 (-1C)으로 이동하는 1개의 전속이

패러데이관이라는 가상의 관 속을

이동하는 것이라고 설명합니다

마치 관이 전속을 감싸고 있는것처럼

이야기하는 것입니다

1개의 전속당 1개의 패러데이관이

존재한다고 생각하는 거죠

패러데이관의 특징은 

다음과 같습니다

① 패러데이관 양단에 정(+), 부(-)의 

단위 진전하가 있다 

② 패러데이관 내의 전속선수는 일정하며

패러데이관 수는 전속선의 수와 같다

③ 패러데이관의 밀도는 전속밀도와 같다

④ 진전하가 없는 곳에서

패러데이관은 연속이다

⑤ 패러데이관의 단위 전위차당

보유 에너지는 1/2[J]이다

(해설)

①

패러데이관 그림을 떠올리면

양쪽에 (+),(-)의 전하가 있음을 

이해할 수 있습니다

'단위'라는 말은 

크기가 1이라는 뜻이고

'진전하'라는 말은 

영향을 미치는 전하라는 말인데

양끝의 전하만 서로 영향을 미치고

관 사이에는 다른 전하가 존재하지 않습니다

②

전속선 1개당 패러데이관 1개라고 했으니

패러데이관 수는 전속선의 수와 같습니다

패러데이관 1개 안에는 

전속선의 수가 1개로 일정합니다

③

패러데이관이 얼마나 촘촘한가가

패러데이관의 밀도이고

전속이 얼마나 촘촘한가가

전속밀도입니다

전속수만큼 패러데이관이 존재한다고 했고

각각의 패러데이관은 전속을 하나씩 감싸고 있으므로

전속의 촘촘한 정도가 곧 패러데이관의

촘촘한 정도와 같습니다 즉

패러데이관 밀도가 곧 전속밀도와 같습니다

④

여기서 진전하가 없다는 말은

관 양끝의 전하 외에 관 사이에 다른 방해하는

전하가 없다는 의미입니다

진전하가 없으면 

+1[C]에서 나오는 전속선이

-1[C]까지 관속에서 끊어지지않고

일정하게 유지되며

도착할 수 있다는 의미입니다

⑤

4장의 정전에너지 부분에서

사용하는 공식중에 $W=\frac{1}{2} QV$라는

공식이 있습니다

패러데이관은 

+1[C]의 전하량에 대해서 다루므로

$Q=1$이 되고 

단위 전위차라는 것은

$V=1$을 의미합니다

('단위'라는 말은 크기가 1임을 나타냅니다)

따라서 $W=\frac{1}{2} QV$에 대입하면

$W=\frac{1}{2} [J]$ 임을 알 수 있습니다

위의 특징들을 암기하면

패러데이관에 대한 문제들을 잘 맞출수 있습니다

보통은 ③번과 ④번 내용에서 

틀린 문장으로 출제합니다

ex ) 패러데이관의 밀도는 전속밀도와 같지않다(X)

진전하가 없는 곳에서 패러데이관은 연속이 아니다(X)

* 곡률과 전하밀도

마지막으로 곡률에 대한 내용을

살펴보겠습니다

곧게 뻗은선이 직선이고

부드럽게 굽은선이 곡선인데

곡률은 곡선이 휘어진 정도를

말합니다

이 때 곡률반지름(곡률반경)이라는 

용어가 있는데요

어떤 곡선의 휘어지는 정도만큼의

가상의 원을 그렸을 때

그 원의 반지름을 곡률반지름 또는

곡률반경이라고 정의합니다

이 때

곡률과 곡률반지름은 

서로 반비례합니다

(역수관계!!)

곡률이 크면 곡률반지름은

작아집니다

곡률이 크다는 것은 

많이 휘어졌다는 건데

그만큼 돌돌 말려진 상태라

가상의 원을 만들었을 때

반지름이 작아도 원이 그려집니다

즉 곡률반지름을 작게해도

원이 된다는 것입니다

곡률이 작으면 덜 휘어졌다는 건데

덜 휘어진 상태로 원을 만들려면

엄청 크게 만들어야합니다

곡률이 크다는 말은

뾰족하다는 뜻입니다

많이 휘었으니 더 뾰족하다고 볼 수 있습니다

곡률에 대한 이야기를 길게 하는 이유는

이러한 곡률이 표면전하밀도에 

영향을 주기 때문입니다

표면전하밀도는 도체 표면에

존재하는 전하의 밀도로

면전하밀도와 같은

개념으로 보시면 되는데요

전하는 뾰족한 곳에 더 많이 모인다는 

성질이 있습니다

(피뢰침에 활용되는 원리가 되죠

이것은 수식적으로 증명하기보다

직관적으로 받아들이시는게 좋을것 같습니다)

뾰족한 곳의 표면전하밀도가 크다는 뜻입니다

즉 

곡률이 큰 곳

(=곡률반지름이 작은곳=뾰족한곳)

의 표면전하밀도가 크다는 사실을

알 수 있습니다

이것으로 내용은 마무리가 됩니다

문제 풀어보겠습니다~

1

2

3

4

5

6

7

1

00효과에 대해 물었으므로

문제를 읽으면서 키워드를 캐치하시면 됩니다

'자계를 가하게 되면' 이라는 말이 나오면

홀 효과라고 했으니

홀 효과가 답입니다

답은 ④번입니다

2

패러데이관에 대한 문제이므로

패러데이관의 그림을 떠올리고

성질을 생각해보면 됩니다

패러데이관의 밀도는

전속밀도와 같은데

④번에서 패러데이관의 밀도가

전속밀도와 같지 않다고 했으므로 

틀렸습니다

나머지는 맞는 설명입니다

답은 ④번입니다

3

표면전하밀도가 언제 큰지 물었는데

보기에 곡률이라는 말이 나오므로

곡률과 전하밀도에 대한 내용을

떠올리면 됩니다

곡률이클수록

(=곡률반지름이 작을수록)

(=뾰족할수록)

전하밀도가 크다고 했으므로

곡률반지름이 커지면

곡률이 작아지고

전하밀도도 작아집니다

답은 ②번입니다

4

00효과에 대해 물었으므로

문제를 읽으며 키워드를 체크해보면

'기계적인 변형력' 이라는 말이 나오므로

압전효과입니다

답은 ③번입니다

5

표면전하밀도와 곡률, 뾰족하다는 등의

단어가 나오네요

곡률과 전하밀도에 대한 내용을

떠올리면 됩니다

곡률이클수록

(=곡률반지름이 작을수록)

(=뾰족할수록)

전하밀도가 크다고 했으므로

답은 ①번입니다

6

00효과에 대해 물었으므로

문제를 읽으며 키워드를 찾아봅시다

'자계를 가하면' 이라는 말이 나오므로

홀 효과입니다

답은 ①번입니다

7

 

도체의 특징을

종합적으로 묻는 질문인데요

공부했던 것을 복습해보며

답을 찾아봅시다

① 가우스 정리를 아직 다루지 않았지만

도체 내부에는 전하가 존재하지 않는다는 것을

기억한다면 틀렸음을 알 수 있습니다

② 전기력선의 성질 중에 

도체 표면에 수직인 방향으로 

진행한다는 성질이 있다고 했었죠

전기력선이 전계의 방향으로 나가는 선이므로

전계 또한 도체 표면에 수직으로 진행합니다

③ 도체의 전하는 도체 표면에만

분포한다고 했던 것을 기억하면

맞는 보기임을 알 수 있습니다

④ 전하밀도는 곡률이 클수록

크다고 하는 걸 이번 포스팅에서 다뤘습니다

맞는 보기입니다

답은 ①번입니다

< 요약 >

6장까지가 전기자기학 중 전기 챕터의

내용입니다

매일 꾸준히 내용을 올리는 게

쉬운게 아님을 느낍니다

어느덧 전자기학의 절반정도 온 셈이네요

나머지 파트도 열심히 달려보겠습니다

7장부터는 자기 부분을 살펴볼건데

그전에 전기 부분에 대해 

한 번 정도 요점 위주로 복습하는 내용을

다루고 7장으로 넘어가겠습니다

그럼 다음 포스팅에서 

전기 파트 복습으로 찾아뵙겠습니다

감사합니다!!