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과학

대전된 고리의 전기장

대전된 고리의 전기장과학
모형
반지름 a의 균일 선전하 고리
총전하
Q = 2πaλ
축 방향 전기장
Eₓ = Qx/[4πε₀(a²+x²)³ᐟ²]
중심
x=0에서 E=0
균일하게 대전된 얇은 원형 고리의 중심축에서는 고리 평면에 평행한 전기장 성분이 대칭에 의해 상쇄되고 축 방향 성분만 남는다.

모형과 대칭

진공에서 반지름 a의 얇은 고리에 선전하밀도 λ가 균일하게 분포한다고 하자. 중심에서 수직축을 따라 x만큼 떨어진 관측점은 고리 위 모든 전하 요소로부터 같은 거리 r=√(a²+x²)에 있다.

고리의 마주 보는 전하 요소가 만드는 전기장을 합하면 고리 평면에 평행한 성분은 상쇄된다. 축 방향 성분은 같은 방향이므로 합산된다.

축 방향 성분

전하 요소 dq가 만드는 전기장의 크기는 dE=dq/(4πε₀r²)다. 기울어진 전하-관측점 연결선과 축 방향 사이의 각을 α로 정의하면 cosα=x/r이므로 축 방향 성분은 dEₓ=x dq/(4πε₀r³)이다.

고리 전체에서 x와 r은 같으므로 적분하면 Eₓ=Qx/(4πε₀r³)다. 총전하 Q=2πaλ를 대입하면 Eₓ=aλx/[2ε₀(a²+x²)³ᐟ²]가 된다.

특징

중심에서는 대칭에 의해 전기장이 0이다. 양전하 고리의 축 위에서는 전기장이 중심에서 멀어지는 방향이며, 음전하에서는 반대 방향이다. 고리 크기보다 충분히 멀리 떨어진 곳에서는 총전하 Q를 가진 점전하의 전기장에 가까워진다.

참고 자료