유전체란 무엇인가?

최근 포스팅에서는 전하와 도체에 대하여 이야기하였습니다.

전기자기학에서 전하와 도체에 대한 학습이 끝났다면, 그 다음 파트는 유전체 입니다.

이번 포스팅에서는 유전체에 대한 고찰을 해보도록 하겠습니다.

유전체

유전체란 전기적 유도 작용을 일으키는 물질들을 뜻합니다.

전기장 내에 전기의 절연체를 놓았을 경우 표면에 전하가 유기되는 현상이 있는데, 이런 관점으로 절연체를 다룰 경우 이것을 유전체라 합니다. 또한 표면에 나타나는 전하를 편극전하라고 합니다.

우선 이상적인 특성을 갖는 완전유전체에 대해 알아보면 나무, 유리, 백악(분필), 플라스틱, 고무, 종이, 석영, 증류수는 모두 완전유전체에 가까운 물질로 볼 수 있습니다.

완전유전체 속에는 분자와 분자 사이를 자유로이 움직일 수 있는 자유전하가 없습니다. 그 대신 원자 구조 또는 분자 구조 속에 단단히 묶여있는 속박전하가 들어 있습니다.

그림과 같이 유전체에 전기장을 가해주면 어떤 현상이 일어나는지 살펴보겠습니다.

속박전하는 분자와 분자 사이를 자유롭게 이동할 수는 없지만 분자 속에서 아주 조금은 움직일 수 있습니다.

(+) 전하와 (-)전하는 서로 반대방향으로 움직입니다. 이렇게 되면 그림과 같이 유전체 속에는 쌍극자가 생겨나게 되고 유전체 양쪽의 표면에는 표면전하가 나타납니다.

쌍극자는 E에 나란하게 정렬되므로 E와 같은 방향으로 쌍극자 모멘트가 발생합니다. 이렇게 된 것을 유전체가 편극 되었다고 말합니다.

그림에서 보이듯이 유전체의 왼쪽 표면과 오른쪽 표면에는 속박 표면전하밀도가 생깁니다. 속박 부피전하밀도는 편극의 유형에 따라 유전체 내부에 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있습니다.

속박전하와 자유전하를 구별하기 위해 속박전하에는 아래첨자로 p를 붙이기로 합니다.

속박전하, 다시 말해 편극전하는 속박 부피전하밀도 p_pv의 형태나 속박 표면전하밀도 p_ps의 형태로 존재할 수 있습니다.

어떤 부피 속의 알짜 속박전하는 Qp로 표시합니다. 따라서 속박전하밀도, 즉 편극 전하밀도에는 아래첨자 p를 붙입니다.

지금까지는 편극된 유전체, 즉 내부에 많은 쌍극자가 존재하는 유전체의 예를 살펴보았습니다.

쌍극자는 전기장과 전위를 발생시키므로 유전체 내에 있는 쌍극자의 세기를 나타낼 필요가 있습니다.

단위 부피당 얼마나 많은 쌍극자가 있으며 쌍극자 모멘트는 얼마일까요?

이는 유전체의 편극의 상태를 나타내기 위한 편극벡터 P를 정의함으로써 알 수 있습니다.

오늘 포스팅에서는 지난 포스팅의 다음파트인 유전체 파트에 대하여 알아보았습니다.

전기자기학에선 유전체 파트를 공부하고 다음 파트를 넘어가면서 계속해서 이전 파트와 관계를 가지게 되는데요, 때문에 단계적으로 학습하는 것이 중요합니다.

다음 포스팅에서는 유전체의 편극에 대하여 더 깊이있는 내용을 알아보도록 하겠습니다.