1편 전하와 전기력(쿨롱의 법칙) 및 전기장(E)과 전기력선, 전기의 보이지 않는 흐름

전기기사 필기시험에서 가장 기초가 되는 개념은 **전하(Charge)**와 전하 사이에 작용하는 힘, 즉 **전기력(Electric Force)**이다. 이 두 개념은 전기회로, 전기기기, 전력공학 같은 다른 과목을 이해하는 토대가 되기 때문에 처음 공부할 때 명확히 이해해두는 것이 중요하다.

전하(Charge)란 무엇인가?

전하는 물질이 가진 전기의 양을 의미한다. 모든 물질은 양성자와 전자를 가지고 있으며, 이들이 가진 전기적 성질을 수치로 나타낸 것이 바로 전하다. 전하는 플러스(+)와 마이너스(-) 두 종류가 있으며, 서로 다른 극은 끌어당기고 같은 극은 서로 밀어내는 성질을 갖는다.

전하의 단위는 쿨롱(C, Coulomb)이며, 1C는 1초 동안 1A의 전류가 흐르며 이동한 전하량을 의미한다.

즉, 전류(I)와 전하는 서로 연결된 개념이다.

전하 사이의 힘 — 쿨롱의 법칙

전하가 서로에게 미치는 힘을 계산하는 공식이 바로 쿨롱의 법칙(Coulomb's Law)**이다.

F = k × Q₁Q₂ / r²

• F: 두 전하 사이에 작용하는 힘(N)
• Q₁, Q₂: 각 전하량(C)
• r: 두 전하 사이의 거리(m)
• k: 쿨롱 상수(약 9 × 10⁹)

이 공식에서 가장 중요한 부분은 거리(r)와 전하량(Q)의 관계이다. 전하량이 클수록 힘도 비례하여 커진다. Q₁ 또는 Q₂가 2배가 되면 힘 F도 2배가 된다. 거리가 2배가 되면 힘은 1/4로 줄어든다.즉, 힘은 거리의 제곱에 반비례한다. 이 부분이 시험에서도 자주 출제된다.

 

전기장(E)과 전기력선, 전기의 보이지 않는 흐름

전기를 이해할 때 많은 사람들은 콘센트에서 흘러나오는 전류나 전압을 먼저 떠올린다. 하지만 전기기사 시험의 기초가 되는 전기자기학은 그보다 더 근본적인 질문에서 시작한다. “전하는 어떻게 서로에게 힘을 전달하는가?” 이 질문을 설명하기 위해 등장하는 개념이 바로 전기장(Electric Field)**이다. 전기장은 눈에 보이지 않지만, 전하 주변에 형성되는 하나의 ‘공간적 성질’이라고 할 수 있다. 마치 향수 냄새가 공기 중에 퍼져 주변에 영향을 주듯, 전하도 자기 주변 공간을 변형시키며 다른 전하에 힘을 전달한다. 이 장(場)을 이해하는 것이 앞으로 배우게 될 전기력선, 전위, 정전용량 등의 개념으로 자연스럽게 이어진다.

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전기장의 개념 – 전하가 만드는 보이지 않는 영향권

전기장은 전하가 존재하는 곳이라면 어디든 형성된다. 이때 전기장이 의미하는 것은 매우 단순하고도 명확하다.

전기장(E)은 ‘그 지점에 놓인 단위 전하가 받는 힘’이다.

즉, 어떤 공간에 ‘+1C의 아주 작은 전하’를 놓았을 때 그 전하가 받는 힘이 얼마인지, 그 방향은 어디인지 알려주는 것이 바로 전기장이다.

전기장의 단위는 다음과 같다.

• N/C (뉴턴/쿨롱)
• 또는 V/m (볼트/미터) 로도 표현된다.

전기장이 존재한다는 것은 “이 공간에는 전하가 힘을 받을 수 있는 환경이 만들어져 있다는 뜻이다. 따라서 전기장은 전기력(F)의 근본이 되는 개념이다.

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전기장의 크기와 공식

전기장은 다음 공식으로 계산한다.

E = F / q
(단위 전하가 받는 힘)

또는 전기장을 만드는 전하 Q에 의해

E = k × Q / r²

로도 표현된다.

여기서 중요한 점은 전기력과 마찬가지로 전기장 역시 거리의 제곱에 반비례한다는 것이다. 전하에서 멀어질수록 전기장은 급격히 약해진다.

이 부분은 전기기사 필기에서 반복적으로 등장하는 핵심 개념이다.

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전기력선(Electric Field Line) – 보이지 않는 전기장을 눈으로 표현한 것

전기장은 실제로 눈에 보이지 않는다. 그래서 과학자들은 전기장의 방향과 흐름을 시각적으로 나타내기 위해 전기력선이라는 개념을 만들었다. 전기력선은 단순한 그림이 아니다. 전기장의 성질을 매우 정확하게 표현해주는 도구이다.

전기력선의 특징

1. 전기력선은 양전하에서 나와 음전하로 들어간다. 이는 전기장이 +에서 –로 작용한다는 기본 원리를 시각화한 것이다.
2. 같은 극끼리는 전기력선이 서로 벌어지고, 다른 극끼리는 서로 모인다. 실제 전기장 분포를 그대로 반영한다.
3. 전기력선은 절대로 교차하지 않는다. 한 지점에서 전기장의 방향은 하나로 정의되어야 하기 때문이다.
4. 전기력선이 모여 있는 곳일수록 전기장의 세기가 강하다.

전기력과 전기장의 관계

전기장은 결국 전기력이 생겨나는 원인이다.전하 사이에 힘이 발생하는 이유 역시 ‘전기장’이 존재하기 때문이다.

관계를 단순하게 정리하면 다음과 같다.

• 전기장(E): 공간이 가지고 있는 전기적 특성
• 전기력(F): 그 공간에 놓인 전하가 실제로 받는 힘
• 공식 관계: F = E × q

이렇게 전기력은 전기장이 전하와 상호작용하여 만들어지는 물리적 결과라고 볼 수 있다.