Thinking Physics - 전자기

출처 : Thinking Physics -  Lewis Epstein, Paul Hewitt

정답은 드래그 하면 보임.

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진공으로부터 전하를 만들 수 있을까?

a) 그렇다. 이것은 이상한 일이 아니다.

b) 아니다. 이것은 현재 알려진 법칙에 위배된다.

 

 

정답 : (a) 

 만약 충분한 에너지를 가진 X선이 어떤 물질 가까이를 지나가거나 2개의 X선이 충돌한다면, X선의 에너지는 완전한 진공에서 양성전자와 음성전자를 만들어낸다. 높은 에너지를 가질 때 자주 일어나며 이때 생기는 양성전자는 양전자 또는 반전자로 알려져 있다.

 에너지는 당연히 X선으로부터 왔지만 전하들은 어디로부터 왔을까? 처음에 전하가 0이었다면 항상 전하는 0이어야 한다. 전하는 제한된 의미로만 창출될 수 있다. 즉 같은 양의 양전하와 음전하가 동시에 만들어져 전체적으로는 0이 되도록 한다. 간단한 예를 들어보면 진공을 회색의 텅 빈 공간이라 가정하자. 한 작은 지역에서 약간의 회색을 제거하여 그 지역을 흰색으로 만든 후, 그만큼의 회색을 다른 지역에 중복시키면 검은색 지역을 만들 수 있다. 즉 실제로 검은색 또는 흰색을 만들어낸 것이 아니라 단지 회색으로부터 검은색과 흰색을 분리시킨 것이다. 따라서 양전하와 음전하가 진공으로부터 분리될 수 있는 것이다. 물론 이 과정에는 높은 에너지가 필요하다.

 위의 예제에서 조금 더 생각해보자. 회색 공간을 분리하여 흰 지역과 검은 지역을 만들게 되면, 두 곳 사이의 공간은 서로 당겨지는 현상이 나타난다. 즉 전기장(electric field)가 생기는 것이다. 따라서 결국 그 당김에 의해 두 곳이 서로 달라붙을 것이다. 하지만 모든 것이 (회색 진공의 상태로) 되돌아가기는 하나 조용히 되돌아 가지는 않는다. 양과 음 사이의 당김이 갑자기 경감됨에 따라 회색 진공 주위에 떨림이 나타난다. 바로 이 떨림이 전자-반전자의 쌍소멸에 의해 항상 방출되는 방사선의 펄스이다.

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기체속의 분자는 서로 모이지 않으려는 경향이 있어 가능한 서로 멀리 떨어져 있으려 한다. 그렇다면 구리공이 충전되었을 때, 자유전자들 역시 공 전체에 균일하게 분포할까?

a) 그렇다.

b) 아니다.

 

 

정답 : (b) 

 기체 분자들은 물리적 충돌에 의해 단지 분자들과 가장 가까이 있는 분자들끼리만 상호작용을 한다. 즉 분자 간에 작용하는 힘은 짧은 거리에서만 유효하며, 분자들은 멀리 있는 분자와는 상호작용을 하지 않는다. 따라서 가장 근접한 이웃 분자들과의 거리가 최대가 되도록 (모든 지역에 균일하게)분포한다.

 반면에 전자는 전기장에 의해 먼거리에 있는 전자들과도 상호작용을 할 수 있다. 전자는 가까운 이웃 전자들로부터가 아니라 구리공 안에 있는 모든 전자들로부터의 거리가 최대가 되도록 한다. 즉 전자는 모든 전자들로부터 가능한 멀리 존재하려고 한다. 따라서 구리공의 테두리/표면에 분포하게 되고 구리공 중심에는 전자들이 존재하지 않게 된다. 따라서 도체 내부의 전기장은 0이 되는 것이다. 

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많은 전류 없이도 높은 전압은 존재할 수 있다. 그렇다면 높은 전압 없이 많은 전류가 존재할 수 있을까? 

a) 없다. 

b) 있다. 

정답 : (b) 

 간단한 회로에서는 전류의 양은 전압 뿐만 아니라 저항에도 의존한다(옴의 법칙). 도체의 저항이 매우 작다면 적은 전압을 걸어 많은 전류를 흘릴 수 있다. 어떤 물질은 온도를 매우 낮추면 저항이 없어지는데, 이것을 초전도체라고 한다.

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인구 5만인 도시에서 가정과 공장으로 통과하는 전자의 수는 연간 얼마나 될까?

 

a) 전혀 없다.

b) 콩 한 개 안에 들어있는 전자의 수 정도.

c) 지구에 있는 전자의 수 정도.

d) 태양에 있는 전자의 수 정도.

정답 : (a) 

 전자가 발전소에서 전선을 통해 소비자의 콘센트로 전달된다고 생각하는 것은 흔한 착각이다. 도시의 전력은 전자가 전선을 통해 이동하는 것이 아니고, 단지 전선에서 초당 60회 정도 진동하는 교류이다. 즉 전선은 전자를 위한 것이 아니라 에너지를 위한 것이다. 콘센트에 전자기기의 플러그를 꽂으면 에너지가 콘센트로부터 전자기기로 흐르고, 전자기기의 도체 부분에 원래 있던 전자들이 앞뒤로 튀어오르게 된다. 또한 만약 교류 회로에 감전되어 전기충격을 받았다면, 체내에 전류를 일으키는 전자들은 원래 체내에 있던 전자들이다. 전선에서 나와서 신체를 통과하여 땅으로 들어가는 것은 전기에너지이지 전자가 아니다.

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인구 5만인 도시에서 가정과 공장으로 통과하는 전자의 수는 연간 얼마나 될까?

 

a) 전혀 없다.

b) 콩 한 개 안에 들어있는 전자의 수 정도.

c) 지구에 있는 전자의 수 정도.

d) 태양에 있는 전자의 수 정도.

정답 : (a) 

 전자가 발전소에서 전선을 통해 소비자의 콘센트로 전달된다고 생각하는 것은 흔한 착각이다. 도시의 전력은 전자가 전선을 통해 이동하는 것이 아니고, 단지 전선에서 초당 60회 정도 진동하는 교류이다. 즉 전선은 전자를 위한 것이 아니라 에너지를 위한 것이다. 콘센트에 전자기기의 플러그를 꽂으면 에너지가 콘센트로부터 전자기기로 흐르고, 전자기기의 도체 부분에 원래 있던 전자들이 앞뒤로 튀어오르게 된다. 또한 만약 교류 회로에 감전되어 전기충격을 받았다면, 체내에 전류를 일으키는 전자들은 원래 체내에 있던 전자들이다. 전선에서 나와서 신체를 통과하여 땅으로 들어가는 것은 전기에너지이지 전자가 아니다.