문서 보기문서 편집수정 내역 전류/정상 전류와 경계치 문제 예제 (덤프버전으로 되돌리기) [include(틀:상위 문서, top1=전류)] [목차] == 예제 1: 균일하지 않은 매질에 파묻힌 구 == ||<table width=100%>'''[문제]''' ----- 그림과 같이 반지름 [math(a)]인 고도로 대전된 구의 반 만큼 매질 2에 파묻혀있다. 구로 부터 지표로 흘러가는 전류 [math(I)]가 있을 때, 구와 지표 간의 저항을 구하시오. (단, 두 매질은 옴의 법칙을 만족한다.) || [[파일:나무_정상전류_예제1.png|width=160&align=center]] {{{#!folding [풀이 보기] ----- 우리는 구의 중심으로 부터 반지름 [math(r)]인 반구의 표면을 영역 [math(S)]라 하자. 조건에 의해 매질 2에서 {{{#!wiki style="text-align: center" [br] [math(\displaystyle \iiint_{S} \mathbf{J} \cdot d \mathbf{a}=I )] }}} 구면 대칭에 의해 [math(\mathbf{J})]는 방사적이므로 전류 밀도는 아래와 같다. {{{#!wiki style="text-align: center" [br] [math(\displaystyle \mathbf{J}=\frac{I}{2 \pi r^{2}} \hat{\mathbf{r}} )] }}} 따라서 우리는 두 매질이 옴의 법칙을 만족 함에 따라 [math(\mathbf{E}_{i}={\mathbf{J}_{i}}/{\sigma_{i}})]로 구할 수 있고, {{{#!wiki style="text-align: center" [br] [math(\displaystyle \mathbf{E}_{2}=\frac{I}{2 \pi \sigma_{2} r^{2}} \hat{\mathbf{r}} \qquad \qquad \mathbf{E}_{1}=\frac{I}{2 \pi \sigma_{1} r^{2}} )] }}} 으로 구할 수 있다. 따라서 우리는 구와 지표 사이의 전위차를 아래와 같이 구할 수 있다. {{{#!wiki style="text-align: center" [br] [math(\displaystyle \begin{aligned} V&=-\int_{r=a}^{r=b} \mathbf{E}_{2}\cdot d \mathbf{r}-\int_{r=b}^{r=\infty} \mathbf{E}_{1}\cdot d \mathbf{r} \\ &=-\int_{r=a}^{r=b} \frac{I}{2 \pi \sigma_{2} r^{2}}\,dr-\int_{r=b}^{r=\infty} \frac{I}{2 \pi \sigma_{1} r^{2}} \,dr \\ &=\frac{I}{2 \pi \sigma_{2}}\left( \frac{1}{a}-\frac{1}{b} \right)+ \frac{I}{2 \pi \sigma_{1}b} \end{aligned} )] }}} 따라서 구와 지표 간의 저항은 [math(R=V/I)]이므로 {{{#!wiki style="text-align: center" [br] [math(\displaystyle R=\frac{1}{2 \pi \sigma_{2}}\left( \frac{1}{a}-\frac{1}{b} \right)+ \frac{1}{2 \pi \sigma_{1}b} )] }}} 이 된다. }}} == 예제 2: 정전기학 문제와 유사성 == ||<table width=100%>'''[문제]''' ----- 진공 중에 매우 얇고 넓은 두 금속판이 각각 [math(x=0)], [math(x=2d)]에 놓여져있고, 그 사이의 [math(0<x<d)]에 전기 전도도가 [math(\sigma_{1})]이고, [math(d<x<2d)]에 전기 전도도가 [math(\sigma_{2})] 유전 물질을 채웠다. 한 쪽 금속판은 접지돼있고, 다른 쪽은 퍼텐셜 [math(\Phi=V)]로 유지시킬 때, 두 금속판 사이의 전기장 분포와 전류 밀도 분포, 경계에서의 자유 전하 밀도, 계의 저항을 구하시오. (단, 금속판의 넓이는 [math(A)]이다.) || {{{#!folding [풀이 보기] ----- 우리는 정전기적 문제와의 유사성으로 이 문제를 풀 수있다. [[전기 변위장/관련 예제#s-1.2|이 예제]]를 참고하라. 해당 예제에서 [math(\kappa \epsilon_{0} \rightarrow \sigma_{1})]와 [math(\epsilon_{0} \rightarrow \sigma_{2})]로 대치함으로써 구할 수 있다. 두 금속판 사이의 전기장은 {{{#!wiki style="text-align: center" [br][math(\displaystyle \left\{ \begin{array}{l} \displaystyle \mathbf{E}_{1}=-\frac{V}{d}\left(\frac{\sigma_{2}}{\sigma_{1}+\sigma_{2}} \right)\hat{\mathbf{x}}\qquad(0<x<d)\\ \\ \displaystyle \mathbf{E}_{2}=-\frac{V}{d}\left(\frac{\sigma_{1}}{\sigma_{1}+\sigma_{2}} \right)\hat{\mathbf{x}}\qquad(d<x<2d)\end{array}\right. )] }}} 로 구해지고, 우리는 옴의 법칙을 만족하는 매질만을 다루므로, {{{#!wiki style="text-align: center" [br][math(\displaystyle \mathbf{J}=-\frac{V}{d}\left(\frac{\sigma_{1}\sigma_{2}}{\sigma_{1}+\sigma_{2}} \right)\hat{\mathbf{x}}\qquad(0<x<2d))] }}} 임을 알 수 있다. 우리는 매질의 경계면 [math(x=d)]의 법선 벡터가 [math(\hat{\mathbf{x}})]인 것을 참고하면, {{{#!wiki style="text-align: center" [br][math(\displaystyle \mathbf{J}_{1} \cdot \hat{\mathbf{n}}= \mathbf{J}_{2} \cdot \hat{\mathbf{n}} )] }}} 이 성립함을 이 예제에서 알 수 있다. 주의해야 할 것은 [[전기 변위장]] 문서에서 이 문제를 다룰 때는 자유 전하가 없다고 했지만, 우리는 전류가 흐르는 상황을 고려하므로 이 예제에서는 경계면에 자유 전하가 모이게 된다는 점이다. 따라서 경계에서의 자유 전하는 {{{#!wiki style="text-align: center" [br][math(\displaystyle \mathbf{D}_{2} \cdot \hat{\mathbf{n}}- \mathbf{D}_{1} \cdot \hat{\mathbf{n}}= \sigma_{f} )] }}} 으로 구할 수 있으므로 {{{#!wiki style="text-align: center" [br][math(\displaystyle \epsilon_{2}E_{2}-\epsilon_{1}E_{1}= \sigma_{f} )] }}} 을 이용하면, 경계에서의 자유 전하 밀도가 나온다: {{{#!wiki style="text-align: center" [br][math(\displaystyle \sigma_{f}=\frac{\epsilon_{1}\sigma_{2}-\epsilon_{2}\sigma_{1}}{d(\sigma_{1}+\sigma_{2})}V )] }}} 우리는 계의 저항 [math(R=V/I)]로 구할 수 있었으므로 저항은 {{{#!wiki style="text-align: center" [br][math(\displaystyle R=\frac{V}{JA}=\frac{V}{\sigma_{1}E_{1}A}=\frac{V}{\sigma_{2}E_{2}A} )] }}} 이때, 위의 정보를 모두 종합하면, 아래와 같이 쓸 수 있음을 얻는다. {{{#!wiki style="text-align: center" [br][math(\displaystyle R=\frac{d(\sigma_{1}+\sigma_{2})}{\sigma_{1}\sigma_{2}A} )] }}} 그런데, 이 식을 잘 분해하면, {{{#!wiki style="text-align: center" [br][math(\displaystyle R=\frac{1}{\sigma_{1}}\frac{d}{A}+\frac{1}{\sigma_{2}}\frac{d}{A})] }}} 으로, 결국엔 각각의 저항의 합임을 알 수 있다. 우리가 저항의 연결에서 배웠던 것을 생각하면, 이 문제는 결국 두 저항이 직렬로 연결되어 있으므로 타당한 결과를 얻었음을 알 수 있다. }}} [각주][include(틀:문서 가져옴, title=전류, version=버전, paragraph=5.4.1)] [include(틀:문서 가져옴, title=전류, version=버전, paragraph=5.4.2)] [[분류:물리학]] [[분류:전자기학]]캡챠되돌리기