유전체와 전속 - 전기기능사 이론 공부

■ 전도전자와 평균 자유 행로

- 전도전자(傳導電子) : 전류가 흐르는데 도움을 주는 자유전자. 금속 또는 반도체 내에서 전위차(電位差)에 의해 이동하며, 전기 전도를 일으키는 자유 전자.

- 이온 : 분자 또는 원자가 양전기 또는 음전기를 띤 상태

- 평균자유행로, 평균자유이동경로, 평균 자유 행정, 평균 자유 거리, 평균 충돌 거리(MFP, mean free path) : 금속내의 전자 운동은불규칙한 운동으로서 전자가 이온과 충돌하면 자신의 운동 에너지를 잃으면서 -E 방향으로 이동하게 되는데 이 평균 이동거리를 말합니다. 기체 분자의 이동에 대해서도 같은 방식의 이야기를 합니다.

 

■ 드리프트 속도

 - 전기장(전계)의 영향하에 이루어 지는 전하의 이동 또는 전자의 이동을 드리프트(drift) 작용이라 이라 하고 이때의 이동 속도를 드리프트 속도(drift velocity) 라 합니다.

- 드리프트 속도 V(m/s)는 V = ME로 구할 수 있습니다.

- 전자의 이동도(Electron Mobility) M(㎡/Vs)은 전기장의 세기에 대한 전자의 표류 속도의 비로 나타냅니다. 전기장의 세기 E의 단위는 V/m 입니다.

 

■ 전류의 밀도

- 도체 1㎡의 단면적을 통과하는 전류의 크기로 J(A/㎡)로 표기하며 J = I/A로 구합니다. I는 전류의 크기(A), A는 도체의 단면적(㎡)입니다. 

또한, J = PVavg로도 구할 수 있습니다. P는 부피당 전하밀도(C/㎥), Vavg는 드리프트 속도입니다.

 

■ 유전체의 분극

- 유전체(誘電體, dielectric material)는 전기장 안에서 극성을 갖게 되는 절연체 입니다. 도체에 전기가 통하는 것을 막는 절연체로 전기가 통하지 않지만 양/음전하에 대해서 유전체의 음/양전하가 늘어서는 극성을 지니게 되는 특성이 있습니다.

- 도체사이에 절연체인 유전체를 넣고 전기를 가하면 유전체의 원자들이 (+), (-)로 분극하는 분극작용이 일어나는데 이를 이용하여 전기를 축적하는 콘덴서를 만듭니다. 유전체가 분극되는 현상을 유전 분극이라 합니다.

- 쌍극자(dipole) : 유전체 내에서 크기는 같고 극성이 반대인 두 전하가 나란히 선 배치를 전기쌍극자라 합니다.

- 두 전하사이의 인력, 끌어당기는 힘을 쌍극자 모멘트라 합니다. 전하량 q(C), 거리 l(m)일때 쌍극자 모멘트 M = ql(Cm)입니다.

 - 유전손, 유전손실(Dielectric Loss) : 유전체에 시간적으로 변화하는 전계를 가할때 내부에서 전기에너지가 열로 변화되는 현상을 말합니다.

 

■ 전속과 전속 밀도

- 전속(electric flux) : 전자가 공간을 퍼져나가며 만드는 선을 전기력선이라 한다면, 전기력선의 합을 전속이라 합니다.  전속은 전하의 양과 같습니다. 

- 전속 밀도 : 단면을 통과하는 전속의 개수로 전속의 빽빽한 정도를 나타내며 기호는 D, 단위는 C/㎡를 사용 합니다. D = Q/A

- 전속 밀도는 매질 특성 ε 의 영향하에 전기장의 세기 E 에 비례하는 특성을 갖습니다. D = εE 
ε는 F/m, E는 V/m, F=C/V이므로 공식을 풀면 F/m * V/m = F*V /㎡  = (C/V)*V /㎡   = C/㎡ 와 같습니다.

 

■ 기출문제

 

※ 이제 기출문제를 통해서 복습해 보겠습니다. "정답보기☞"우측을 클릭하면 답을 확인할 수 있습니다.

1. 비유전율 2.5의 유전체 내부의 전속밀도가 2×10^-6 C/m2되는 점의 전기장의 세기는 약 몇 V/m 인가?(정답보기☞나)
    가. 18×10^4 나. 9×10^4
    다. 6×10^4 라. 3.6×10^4
※ 진공중의 유전율 ε0 = 8.85 × 10^-12 [F/m]이고, D=εE를 통해 E=D/ε로 구할 수 있고 ε는 2.5×ε0로 구할 수 있습니다.

2. 유전체 내에서 크기가 같고 극성이 반대인 1쌍의 전하를 가지는 원자를 무엇이라 하는가?(정답보기☞라)
    가. 분극자 나. 전자
    다. 원자 라. 쌍극자

3. 전장을 E, 유전율을 ε, 전속밀도를 D라 할 때 이들의 관계식은?(정답보기☞나)
   가. Eε/D 나. D = εE
   다. D = εE^2 라. D = E^2/ε

4. 전기와 자기의 요소를 서로 대칭되게 나타내지 않은 것은?(정답보기☞라)
    가. 전계-자계 나. 전속-자속
    다. 유전율-투자율 라. 전속밀도-자기량
※ 자속밀도

5. 표면 전하밀도 σ[C/m2]로 대전된 도체 내부의 전속밀도는 몇 [C/m2]인가?(정답보기☞나)
   가. ε0E 나. 0
   다. σ 라. E/ε0
※ 통상 전하는 도체 내부에 존재하지만, 접착이나 코팅등의 목적을 가지고 물체 표면에 인위적으로 만들기도 하는데, 표면 전하는 말 그대로 물체의 표면에서 생기는 전하로 표면에 얼마나 많은 전하가 밀집해 있는지를 표면 전하 밀도 σ로 표시합니다. 이때 도체 내부는 0

6. 일반적으로 절연체를 서로 마찰시키면 이들 물체는 전기를 띠게 된다. 이와 같은 현상은?(정답보기☞나)
    가. 분극(polarization) 나. 대전(electrification)
    다. 정전(electrostatic) 라. 코로나(corona)

7. 어떤 물질이 정상 상태보다 전자수가 많아져 전기를 띠게 되는 현상을 무엇이라 하는가?(정답보기☞다)
   가. 충전 나. 방전
   다. 대전 라. 분극

8. 전기장의 세기 단위로 옳은 것은?(정답보기☞라)
    가. H/m 나. F/m
    다. AT/m 라. V/m