전하

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1. 개요2. 관련 설명

1. 개요

電荷｜ Electric Charge

전하는 물질이 가지는 근본적인 물리적 성질(physical property)로, 어떤 물질이 전자기장 내에서 어떻게 힘을 받는지를 나타내는 스칼라 물리량이다. 전하를 가진 물질이 전자기장에 의해 받는 힘은 로런츠 힘으로 주어진다.

질량과 달리 양수값과 음수값을 모두 가질 수 있다. 서로 정지해 있는 두 전하의 부호가 같다면 서로 밀어내며(척력), 다르다면 서로 끌어당기게 된다(인력). 정지 상태의 두 전하 사이의 힘을 정전기력이라고 하며, 정전기력의 공식인 쿨롱 법칙은 질량이나 전하냐 차이일 뿐 중력의 공식인 만유인력의 법칙과 유도과정 및 수학적 형태는 완전히 똑같다.

맥스웰 방정식에서 전하는 전기장의 원천이며, 전하의 움직임(전류)은 자기장을 만들어낸다.

전하의 SI 단위는 쿨롬(coulomb, [math(\rm C)])이며, 기본 SI 단위인 암페어에 의해 [math(1\rm C=1\rm A{\cdot}s)]로 정의된다. 모든 일상적인 물질의 전하는 양성자 및 전자의 전하량인 기본 전하량 [math(e = 1.602\,176\,634\times10^{-19}\rm\,C)]에 의해 양자화되어 있어 기본 전하량의 정수배로만 존재한다. 또한 모든 닫힌 계에서 해당 계의 총 전하량은 보존된다.

2. 관련 설명

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전하의 단위는 [math(\rm C)](쿨롬)[1]으로, SI 기본단위로 풀어서 쓰면 [math(\rm A{\cdot}s)]다. 다시 말해 [math(\rm1\,A)]짜리 전류가 1초동안 이동했을 때 움직인 전하의 양이다. [math(\rm Ah)](암페어시)[2]나 기본 전하 [math(e)][3]도 단위로 쓰인다.

원자는 양성자, 중성자 그리고 전자로 이루어져있다. 양성자와 전자는 각각 양전하와 음전하를 갖는데 이때 하나의 양성자나 전자가 갖는 전하량을 기본전하라고 한다. 양전하는 [math(+e)]의 전하를 가지고 음전하는 [math(-e)]의 전하량을 갖는다. 전하의 부호가 다른 물질은 서로 끌어당긴다.

따라서 양성자와 전자는 서로 끌어당긴다는 것을 알 수 있다. [math(e)]는 [math(1.602\,176\,634 \times 10^{-19}\,\rm C)]으로 정의되어 있으므로 [math(\rm1\,C)]은 약 [math(6.24 \times 10^{18})]개의 양성자가 모였을 때 갖는 전하량임을 알 수 있다. 당연히 전자가 이 개수만큼 모이면 전체 전하량은 약 [math(\rm-1\,C)]이다. 전하를 갖는 두 물체 간의 힘은 쿨롱 법칙으로 구한다.

물질의 전하는 거의 언제나 기본 전하 [math(e)]의 정수배의 값만 가지고 있다. 예외적으로 쿼크는 [math(+\dfrac23e)]와 같은 분수 형태의 전하를 띤다. 하지만 쿼크는 낱개가 독립적으로 존재할 수 없고 언제나 다른 쿼크와 속박되어 있으며 분수전하량의 분리할 수 있는 입자는 지금까지 관찰되지 않았다.

고립계에서는 전하량 보존법칙이 성립한다. 즉 전체 전하량이 많아지거나 줄어들지 않는다. 이는 맥스웰 방정식으로 유도할 수도 있다.

[1] 표준 표기법이 약간 헷갈리기 쉽게 되어 있다. 아래 나오는 쿨롱의 법칙은 프랑스의 과학자인 샤를 드 쿨롱이 알아낸 법칙이므로, 프랑스어 발음 및 표기법에 따라 쿨롱이 맞는데(ou는 '우'로 발음, om 혹은 on은 '옹'으로 발음), 단위는 국제 표준이어서 영어식 표기를 따라 쿨롬으로 표기하도록 되어 있다. 다만 실제 영어 발음은 "쿨람"이다.[2] [math(3600\,\rm C = 1\,Ah)]의 관계이다. 보통 전지의 용량 단위로 많이 쓰인다.[3] 양성자나 전자 한 개 전하량의 절댓값으로, [math(1.602\,176\,634 \times 10^{-19}\,\rm C)]이다.

전하

1. 개요

2. 관련 설명

분류