전기장 용어 정리

전기력, 전기장, 전기적 위치에너지, 전위 그리고, 전기적 퍼텐셜 에너지, 전기적 퍼텐셜….

전기장에 대해서 배울 때 새로운 용어들이 많이 나옵니다. 이것들이 한꺼번에 나오면서 헷갈리는게 많을 것 같아 정리해 보도록 하겠습니다.  우리가 아는 개념을 기준으로 삼아서, 물리적 차원을 확인하면 도움을 될 것입니다.

먼저, 역학시간에 힘과 에너지를 배웠다는 가정에서 시작합니다.

전기력

정전기, 마찰전기를 처음 배우는 것은 전하(electric charge)라는 것을 배우기 위해서입니다. 전하는 전하량을 가지고 있고 단위는 쿨롱(C) 을 씁니다. 전하가 있다면 힘을 받을 수 있습니다. 쿨롱의 법칙은 두 전하가 있을 때 하나의 전하가 받는 힘에 대한 관계식입니다. 쿨롱의 법칙에서 말하는 힘은 역학시간에는 다루지 않았던 ‘전기력(electric force)’이라는 새로운 힘입니다. 정지해 있는 두 전하사이에서 존재하는 ‘힘’의 차원을 가진 량입니다.

전기장

그 다음에 배우는 것이 전기장입니다. 한 개 (또는 여러 개)의 전하가 있는 곳에서  어느 위치에 전하가 하나 놓이게 될 때 받는 힘은 쿨롱의 법칙에 따라 ‘전기력’을 받게 될 것입니다.  새로 놓인 전하량이 커지면 전기력도 커질 것입니다. 그러니까, 새로 놓인 전하의 전하량에 상관없이 그 자리는 전기력을 만들 수 있는 어떤 량이 있을 것이란 개념이 ‘전기장(electric field)’입니다. 라고 하여 정의합니다. ‘단위 양전하를 놓았을 때 이 단위 전하가 받는 전기력의 크기’를 전기장의 세기라고 한다라고 하는데, 이 때 마지막에 전기력이란 말이 나오지만 전기력과 같은 차원은 아닙니다. ‘단위 ~~ 에 의한 ** 량 ‘ 이란 표현은 물리 말고도 다른 학문분야에서도 사용하는데, 예를 들면 경제학에서도 한계효용 같은 것을 설명할 때도 사용하는 표현입니다. 전기장의 세기가 정해져있으면 전하량에 비례하여 전기력의 세기가 커지는데 이때 쓰는 표현입니다. 수식을 말로 옮겨 표현하면서 마치 전기장이 ‘힘’의 차원을 가진것으로 오해할 수 있지만 정확히는 ‘힘/전하량’ 의 차원을 가진량입니다.

전기적 위치에너지, 전기적 퍼텐셜 에너지

역학 시간에 힘을 배운 다음 에너지를 배웁니다. 여러 힘 중에는 보존력이라고 위치에너지를 표현할 수 있는 힘이 있습니다. 전기력도 보존력이기 때문에 위치에너지(potential energy)를 정의할 수 있습니다. 위치에너지는 ‘힘x거리'(= ‘에너지’) 의 차원을 가진량입니다. 문제는 새로운 교육과정에서는 위치에너지를 ‘퍼텐셜 에너지’라고 하는가 봅니다. (아이고 정신없어라…)

전기력에 의한 위치에너지를 ‘전기적 위치에너지(electric potential energy)’ 라고 합니다. 그러니까 전기력에 의한 위치에너지를 ‘전기적 퍼텐셜 에너지’라고도 할 수 있겠네요. ‘전기적 위치에너지’,’전기적 퍼텐셜 에너지’ 또한  ‘힘x거리'(= ‘에너지’) 의 차원을 가진량입니다.

전위, 전기적 퍼텐셜

전기력과 전기장이 다른 차원의 물리량이듯, 전기력의 위치에너지(퍼텐셜 에너지)에는 ‘전위(electric potential)’,’전기적 퍼텐셜’ 이란 대응되는 물리량이 있는 것입니다. 그래서 라는 표현이 나오는 것입니다. 영어로는 ‘electric potential energy’ 에서 ‘energy’ 를 떼어내서 electric potential 이라고 부르는데, 우리는 이걸 ‘전기적 위치 에너지’ 에서 ‘에너지’를 떼어내고 나면 전기적 위치만 남게 되니까 모양새가 안좋아서 ‘전위’라고 했던 것 같습니다. 이 대응관계가 문제가 되어서 인지, 요즘은 용어를 바꾸어 ‘전기적 퍼텐셜’로 바꾸려는 시도로 보입니다.

문제는 영어에서도 ‘electric potential’ 을 줄여서 ‘potential’이라고 한다는 것입니다. 그려면 우리는 전위(=전기적 퍼텐셜)을 퍼텐셜이라고 불러야 한다는 것입니다.
결국, 전위, 전기적 퍼텐셜, 퍼텐셜 모두 ‘에너지/전하량’의 차원을 가진 물리량입니다.

전위차, 전기적 퍼텐셜 차, 전압

역학시간에 위치에너지(퍼텐셜에너지)는 절대값이 중요한게 아니라 상대적인 차가 중요하다고 했습니다. (심지어는 마치 절대값이 있는 것 처럼 쓰기도 합니다.) 그러니까 위치에너지의 차이 처럼, 전위에서 적용하여 ‘전위차(potential difference)’란 용어를 씁니다.  차원은 전위와 같습니다.  ‘에너지/전하량’의 차원을 가진 물리량입니다.
그런데 별도로 다루는 이유는 우리가 전기회로를 계산할 때 ‘전압’ 이란 용어를 배웠다는 것입니다. 이 전압이란 물리량이 전위차(전기적 퍼텐셜 차)입니다만, 전기회로쪽에서는 전압이란 용어를 쓰고 있었기 때문에 어쩔 수 없이 또 새로운 물리용어를 한개 더 쓰게 되는 사태가 벌어집니다.
뿐만 아니라, 위치에너지에서 절대값이 있는 것처럼 쓰듯이 전위차(=전기적 퍼텐셜 차= 전압)도 절대값이 있는 것 처럼 쓰게 되는데요. 이 경우는 잠정적으로 기준값이 어디인지 확실한 경우입니다. 만유인력인 경우에는 무한히 떨어진점을 위치에너지(퍼텐셜 에너지)가 0 인 점으로 잡고, 전기회로에서는 접지라는 전위가 0인 점을 잡습니다
어쨌든 차원은 전위와 같습니다.

정리

개념	차원	대응 개념	차원
전기력	힘	전기장	힘/전하량
전기적 위치에너지, 전기적 퍼텐셜 에너지	에너지	전위, 전기적 퍼텐셜, 퍼텐셜, 전압	에너지/전하량

 

안그래도 비슷비슷한데 새로운 용어가 또 등장하면서 더 정신없게 되어 버렸습니다.  그게 그것 같은 이름들이 막 난무하고 있습니다. 그말이 그말 같은 용어들이지만 정신차리고 구별하지 않으면 아는 내용도 다른 차원의 값을 계산하는 바람에 문제를 틀릴 수 있습니다.

용어를 쓸때 사람들이 좀 신중하게 써야 하는데,  함부러 쓰기 때문에 혼란을 일으킵니다. 알아서 조심히 들어야 합니다.

전기장, 전위를 설명할 때 손쉽게 설명하려다 보니 ‘단위전하가 ~~~ 힘/에너지’ 라고 표현하고 있어서 이게 힘/에너지 차원과 혼동됩니다. ‘단위 전하가 ~~~~ ‘ 하는 표현의 글을 조심히 이해해야합니다.

 

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