(스압) 드디어 풀었다!

지난 화 보러 가기: https://buly.kr/AwdYIpS

-이 문제는 아까 알려준 전기장 및 전위 공식을 기억해야 해. 전위는 벡터를 따지지 않아도 돼. 그냥 거리와 전하량의 관계만 알면 끝이야, 끝! ㄱ, ㄴ은 쉽게 풀리지. ㄴ은 거리는 일정한 반면 전체 전하량이 1/3배 됐으니 전위도 1/3배 되겠지. 근데 ㄷ이 문제지. x축 및 y축 방향 벡터로 나눠서 분석한 다음, 합성해서 전체 전기장의 세기를 알아내야 해. 적분은 그냥 고3 미적분 기본 수준이니까 그리 어렵진 않아.

-이 문제는 벡터의 상쇄를 파악해야 해. 먼저 z축 방향의 벡터는 선형 대전체가 대칭이니 상쇄돼. 그리고 y축 방향 벡터는 두 대전체와 서로 거리가 같고 전하량 크기도 서로 같으니 상쇄돼. x축 방향 벡터는 비슷한 이유로 크기와 방향이 서로 같은 x축 방향 벡터 2가지가 나와. 결국 우리는 x축 방향 벡터만 고려하면 되지.

E=-dV/dr은 그냥 단순하게 전기장과 전위의 관계를 나타내는 식이라고 보면 됩니다.

-저렇게 생긴 회로가 있어. 처음 축전기에 저장된 전하량은 없다고 쳐. t=0일 때 스위치 S를 닫았고 충분한 시간이 흘렀을 때, 축전기에 저장된 전하량은? 물2를 했으니 잘 알겠지?

-CV.

-정답.

-근데 물2에 저런 회로는 안 나올 텐ㄷ

-닥쳐.

-다음 퀴즈야. 스위치를 닫은 후 t=t0일 때 축전기에 저장된 전하량이 다음과 같아. 그러면 t=2t0일 때 축전기에 저장된 전하량은?

-별 쓰잘데기 없는 논제로 싸우질 않나, 상대방의 의견의 논점을 제대로 파악 못 하질 않나, 갑자기 논제에서 벗어난 이야기를 꺼내서 다른 주제로 넘어가버리질 않나, 이것만으로도 키보드 배틀 현장은 다 본 셈이지.

-아무튼 스위치를 닫았을 때 처음에는 전류가 흐르다가 점점 그 세기가 줄어들 거고, 동시에 축전기에 저장된 전하량도 커지겠지. 키르히호프 법칙을 써서 i=dq/dt를 이용하여 정리를 하면 미분방정식이 나오는데, 이건 생각보다 간단하게 풀려. 정리하면 시간에 따른 전하량과 전류의 함수가 나오게 돼.

-이제 나온 공식을 저 회로에 적용시켜보면 답은 저것임을 알 수 있지.

-이번에는 초기 전하량이 Q0인 축전기에 저항 R를 연결시킨 경우를 살펴보자. t=0일 때 스위치를 닫는다면 축전기가 방전되면서 전류가 흐르기 시작할 거야. 이 현상을 함수로 표현해보자고.

-이번에는 전류의 방향을 가정해볼 거야. 전류가 축전기 양단의 +로 대전된 극판을 지나서 (-) 극판을 향해 전류가 흐르는 것이 위에서 다룬 회로에서의 상황과 비슷하므로 전류의 방향을 저렇게 가정해보자 이거지. 아무튼 그렇게 가정해서 키르히호프 법칙을 쓰고 미분방정식을 풀면 전햐량과 전류의 함수가 나와. 이때 Q0는 축전기의 초기 전하량이야.

-그런데 전류의 부호가 (-)지? 이 말이 뭐냐, 실제 흐르는 전류의 방향이 우리가 가정했던 전류의 반대 방향이라는 거야. 정리하면 회로 내부 상황은 저따구로 일어난다는 거지.

-만약 전류의 실제 방향과 전류의 가정 방향을 일치시켜서 정리하면 전하량이 저런 식이 나와버리는데? 저런 식대로라면 축전기 내부의 전하량이 급격히 커져가지고 축전기가 결국 폭8해버리잖아.

-내가 말한 회로를 다시 보자. i는 내가 처음에 가정했던 전류고, i'은 실제 흐르는 전류야. 방향이 서로 다르니까 i'=-i라고 표현할 수도 있어. 그럼 i=dq/dt니까 i'=-i=-dq/dt야.

-이 그림을 보면 이해가 더 잘 될 거야. 전류가 축전기의 (+)극판을 지나 (-)극판에서 나올 때 i=dq/dt야. 우리가 축전기가 충전되는 회로를 살펴볼 때 이 개념을 사용했잖아. 근데 전류가 반대 방향으로 흐른다면 (-)가 붙게 돼. 전류의 방향이 반대니까.

-이제 네 풀이를 뜯어고쳐보자. 전위차를 활용해 키르히호프 법칙을 쓰는 과정까지는 맞아. 그런데 이 경우에는 i=dq/dt가 아니야. i=-dq/dt야. 이걸 고려해서 다시 미분방정식을 풀면 올바른 답이 나오게 돼. WOW

*지금부터 쓰이는 W는 기체"에" 한 일임을 미리 알려드립니다.

-등압 과정. 말 그대로 압력이 일정하게 유지되는 과정이지. 이때는 특별한 게 별로 없어. 기체에 한 일은 정적분 값에서 부호가 뒤바뀐 값인 거 기억해. 아, 이때는 Q에서 등압 몰비열이 나와!

-등적 과정. 부피가 일정하게 유지되니 기체에 한 일은 0이야. 이때 Q에는 등적 몰비열이 나오지. 여기까진 물1과 살짝 비슷하지?

-등온 과정. 말 그대로 온도가 일정하게 유지되는 과정이라서 기체의 내부 에너지는 일정하게 유지돼. 여기서 PV그래프는 PV=nRT에서 nRT가 T가 일정하니 상수랑 동일한 꼴이니 그래프는 유리함수 형태로 그려져. 이는 정적분을 할 때 크나큰 도움이 되는 정보이지.

-마지막으로 단열 과정이야. 이때는 출입하는 열이 없으니 Q=0이야. 여기서 W는 정적분으로 구하기 힘들어. 내부 에너지의 변화량으로부터 W를 구하는 게 훨씬 더 편해. 이때 중요한 공식이 있어. PV^r=C라는 거야. 왜 이런지에 관한 증명은 나도 몰라. 그냥 외워.

-뭐? 공식을 외울 때는 그 공식의 유도 과정을 똑바로 알아야지!

-너 그럼 삼각함수의 덧셈정리 유도 과정 알아?

-..모르지만...!

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