전기장의 뜻과 방향: 점전하 공식·중첩·전기력

전기장과 전기력은 어떻게 다를까요?

전기장 E는 공간의 각 위치에 정의되고 시험 전하 q가 받는 전기력은 F = qE입니다. 양의 시험 전하는 전기장과 같은 방향, 음의 시험 전하는 반대 방향으로 힘을 받습니다. 시험 전하의 부호를 바꾸어도 원래의 전기장 방향 자체가 바뀌지는 않습니다.

시험 전하는 원래 전하의 배치를 바꾸지 않을 만큼 작다고 가정합니다. 전기장을 정의할 때 실제로 매 지점에 전하가 있어야 하는 것은 아닙니다. 장을 만드는 전하의 위치와 크기가 정해지면 시험 전하가 없는 지점의 장도 계산할 수 있습니다.

진공에서 고립된 점전하 Q의 전기장 크기는 E = k|Q|/r²입니다. 거리를 두 배로 늘리면 크기는 ¼배가 됩니다. 양전하 주위에서는 바깥쪽, 음전하 주위에서는 전하 쪽으로 향합니다. 전기장 선은 이 방향을 시각적으로 보여 주는 도구입니다.

전기장 선이 촘촘한 곳은 상대적으로 장이 강한 곳으로 표현할 수 있지만 선 자체가 입자의 이동 궤적은 아닙니다. 점전하 위치 r = 0에서는 이상적인 식이 발산하므로 유한한 크기를 가진 실제 물체 내부까지 그대로 해석하지 않습니다.

전체 전기장은 각 전하가 만드는 전기장의 벡터 합입니다. 같은 방향 성분은 더하고 반대 방향 성분은 빼며, 서로 비스듬하면 가로·세로 성분으로 나누어 합합니다. 크기만 더하면 장이 상쇄되는 위치를 설명할 수 없습니다.

같은 크기의 양전하 두 개 사이의 중점에서는 장이 상쇄됩니다. 같은 크기의 양전하와 음전하 사이 중점에서는 두 장이 양전하에서 음전하로 향해 더해집니다. 전하 배치가 대칭인지 먼저 보면 계산과 관찰을 연결하기 쉽습니다.

E = F/q시험 · E점전하 = k|Q|/r² · E전체 = ΣEᵢ · F = q시험E

E ≈ 8.99 × 10⁹ × 10⁻⁹ / 0.1² = 899 N/C이며 전하에서 바깥쪽을 향합니다. 그곳의 −2 nC 시험 전하는 반대 방향으로 약 1.80 μN의 힘을 받습니다.

같은 부호와 반대 부호의 전하를 대칭으로 놓고 중점의 장과 시험 전하의 힘을 비교하세요.