전하와 전기력
전하(Electric Charge)란 물체가 가지고 있는 전기의 양을 뜻하며, 모든 전기현상을 일으키는 원인이 된다. 전하에는 두 가지 종류가 있는데, 물체가 가지는 알짜전하를 쉽게 계산하기 위해 +, - 의 부호로 구분하며 각각 양전하와 음전하라고 부른다. 물체가 가진 음전하와 양전하의 양이 같을 때, 즉 알짜전하가 0일 때 물체는 전기적으로 중성이다.
서로 다른 전하는 서로 힘을 주고 받는다. 같은 종류의 전하끼리, 양전하-양전하나 음전하-음전하끼리는 서로 밀어내는 척력이 작용한다. 반대로 다른 종류의 전하끼리, 양전하-음전하끼리는 서로 끌어당기는 인력이 발생한다. 이렇게 전하들 사이에 작용하는 전기적인 힘을 전기력이라고 한다.
쿨롱(C) 단위의 정의
어떤 물체에 전하가 얼마나 있는지 그 양을 나타내는 단위로 C(쿨롱)를 사용한다. 1C은 1A의 전류가 1초 동안 흐를 때, 이동하는 전하량으로 정의된다. 1A에 대한 정의는 [전류가 흐르는 도선이 받는 힘] 편을 참고하여라.
+1C의 전하를 가진 입자를 단위양전하라고 부른다.
쿨롱의 법칙
샤를 드 쿨롱(Charles-Augustin de Coulomb)은 대전된 금속구 사이에 작용하는 인력을 뒤틀림 저울을 이용하여 실험적으로 측정하였고, 다음과 같은 관계식을 얻었다.
$$ \vec{F}=k_e\frac{q_1q_2}{r^2}\hat{r} $$
즉, 각각 $q_1$, $q_2$의 전하량을 가진 두 입자 사이의 거리를 $r$이라고 했을 때, $\vec{r}$ 방향으로 크기가 $F=k_e\frac{|q_1||q_2|}{r^2}$ 인 힘이 두 입자 사이에 작용하는 것이다. 이때, $q_1q_2>0$ 이면 척력, $q_1q_2<0$ 이면 인력이 작용한다. 여기서 $k_e$를 쿨롱 힘 상수라고 하며, $k_e=\frac{1}{4\pi\varepsilon}$ 의 값을 가진다. $\varepsilon$은 유전율이며, 진공에서의 유전율은 $\varepsilon_0$이다.
만유인력 법칙과의 비교
$$ F=G\frac{m_1m_2}{r^2} $$
$$ F=k_e\frac{q_1q_2}{r^2} $$
두 힘 모두 거리의 제곱에 반비례하며 $m_1m_2$, $q_1q_2$ 로 비슷한 형식임을 알 수 있다. 단지 만유인력에서의 질량은 부호가 없는 한 종류의 값 밖에 없으나, 전기력에서의 전하량은 값이 두 종류라는 차이가 존재한다.