도체란 무엇인가?

전기공학에서 도체란 전기가 흐르는 물체나 물질을 말합니다.

다른 말로 전도체라고도 하며 도체가 잘 흐르지 않는 물질을 부도체라고 합니다.

전자기학을 학습하는 전기공학도들은 도체와 도체에 분포하는 전하들의 특징에 대해 알아볼 필요가 있습니다.

이번 포스팅에서는 이 도체에 대하여 고찰해보도록 하겠습니다.

도체

도체는 수많은 자유전자들을 지니고 있는 물질로, 이 전자들에게 전기장이 작용하면 전자들은 힘을 받아 움직이게 됩니다.

도체가 정적인 상태에 있을 때, 도체 내부에는 전하가 없으며, 전기장은 0이 되는 성질이 있습니다.

따라서 도체 내부에선 E=0, ρ=0의 식이 성립하게 됩니다.

지금부턴 어떻게 해서 이런 일이 생기는지 알아보도록 하겠습니다.

전체가 균일한 도체로 이루어진 어떠한 구가 있을 때, 이 구의 중심에 (+)전하 몇개를 추가로 갖다 놓는다고 가정해봅시다.

그러면 전기장이 발생하게 되는데, 추가된 초과전하들은 이 전기장에 의해 힘을 받아 서로 멀리 떨어지는 방향으로 움직이다가 결국에는 구의 표면에 도달하여 그림과 같이 대칭형태의 표면전하분포를 이루게 됩니다.

따라서 도체 내부의 전기장은 사라져 0이됩니다. 또한 가우스 법칙을 적용하면 도체 내부의 전기장이 0이 되는 것을 알 수 있습니다.

또한 임의의 모양을 하고 있는 도체의 경우에 내부에 추가전하를 갖다 놓으면 도체 표면에 균일하지 않은 표면전하분포가 생겨서 도체 내부의 전기장을 0으로 만듭니다.

내부의 전기장이 0이 아닌 동안에는 평형상태 E=0이 될 때까지 전하들은 계속해서 움직이게 됩니다.

마지막으로 외부 전기장이 있는 곳에 놓인 도체의 표면전하 분포 상태를 고찰해보겠습니다.

아래 그림과 같이 전기장 E1이 있는 곳에 도체를 갖다 놓으면 외부 전기장 E1에 이해 움직이는 도체의 전하들은 외부 전기장에 맞서는 전기장을 발생하게됩니다.

전하는 맞서는 전기장이 외부 전기장 E1을 완전히 상쇄시킬 때까지 계속 이동합니다.

결국 도체 내부의 총 전기장은 0이 됩니다.

따라서 전하들이 도체 내부에 놓여 있는 경우나 외부 전기장이 가해지는 경우에는 전하들이 재빨리 이동해서 도체 내부의 E와 ρ를 0으로 만듭니다. 이 과정은 거의 순간적으로 이루어집니다.

또한 도체에 대해서는 다음과 같은 결론을 얻을 수 있습니다.

도체 전체에서 V=일정하다.

도체의 전위는 도체의 표면을 포함하여 도체 전체에 걸쳐 일정합니다.

이것은 도체에서는 E=0이므로 도체 내의 임의의 두 점 사이의 전위차, 다시 말해 두 점 사이의 선적분이 0이되기 때문입니다.

따라서 도체의 표면은 등전위면입니다.

이번 포스팅에서는 도체와 표면전하 분포에 대해서 알아 보았는데요, 도체의 형태나 외부 전기장 등의 영향을 고려해도 도체 내부의 전기장은 0이 되는 성질이 있다는 것을 알아보았습니다.

도체에 대한 고찰은 더 무궁무진한데요, 다음 포스팅에서는 도체와 도체의 전하에 대한 다른 특성들에 대해 알아보도록 하겠습니다.