전기기사 도체와 부도체 — 전하 분배와 쿨롱 법칙

도체 내부에는 자유전하가 있어 외부 전기장에 놓이면 전하가 재배열된다. 도체를 얇은 도선으로 연결하면 전하가 이동해 두 도체의 전위가 같아지는 정전기 평형 상태가 된다. 이때 주의할 점은 같아지는 것이 전위이지 전하량이 아니라는 사실이다. 고립 도체구의 정전용량은 반지름에 비례하므로, 반지름이 다른 두 도체구를 연결하면 전하는 반지름 비로 분배된다. 총 전하량은 전하 보존 법칙에 따라 연결 전후로 그대로 유지된다.

진공 중 두 점전하 사이에 작용하는 힘은 쿨롱의 법칙 F = kq₁q₂/r²로 구한다. 여기서 거리 r은 반드시 미터 단위로 환산해 대입한다. cm 단위를 그대로 넣는 것이 대표적인 계산 실수다. 두 전하량이 같으면 F = kq²/r²가 되고, q² = Fr²/k를 세운 뒤 제곱근을 구한다.

도체에 전류와 자기장을 동시에 걸면 전자가 한쪽으로 몰려 폭 방향에 전압이 생기는데, 이를 홀 효과라 한다. 평형 상태에서는 전자가 느끼는 자기력과 전기력이 서로 균형을 이루어 qvB = qE가 성립하므로 전계는 E = vB가 된다. 홀 전압은 자기장과 전류에 수직인 폭 방향으로 걸리며, VH = E × 폭으로 계산한다.

도체를 자기장에 놓거나 자성체를 다룰 때도 도체·매질의 성질이 계산에 들어간다. 자성체 속의 자속밀도는 B = μ₀H + J로, 진공 성분과 자화 성분의 합으로 본다. 도체 매질에 전원 전류밀도가 있으면 전기장의 파동 방정식에 도전전류 항과 전원 항이 함께 나타난다. 이처럼 도체와 부도체(유전체·자성체)의 구분은 전기자기학 전반의 계산 출발점이 된다.