¶ 지식 정보

¶ 전기 전도성

물질이 전류를 얼마나 잘 흐르게 하는지를 나타내는 성질이다.

전기 전도도가 클수록 전기 전도성이 좋다.

¶ 에너지띠

전자의 에너지 준위가 겹쳐 연속적인 것처럼 보이는 에너지 준위 영역이다.

파울리 배타 원리에 의해 두 전자는 같은 양자 상태를 가질 수 없으므로, 고체처럼 수많은 원자가 매우 가깝게 위치한 경우
미세하게 갈라진 에너지 준위가 겹쳐 거의 연속적인 띠를 이룬다.

¶ 띠 간격

에너지띠 사이의 간격으로, 전자는 이 영역의 에너지를 가질 수 없다.

¶ 허용된 띠

에너지띠 중 전자가 존재할 수 있는 에너지띠이다.

허용된 띠에는 원자가 띠와 전도띠가 있다.

¶ 원자가 띠

전자로 채워진 에너지띠 중 가장 바깥쪽에 있는 에너지띠이다.

일반적으로 원자가 띠에서 전자는 위치할 수 있는 모든 에너지 준위에 가득 차 있어 자유롭게 움직이지 못한다.

¶ 전도띠

원자가 띠 바로 위에 있는 에너지띠이다.

아래 그림과 같이 원자가 띠에 있는 전자는 원자가 띠와 전도띠 사이 띠 간격 이상의 에너지를 흡수하여 전도띠로 전이할 수 있다.
전도띠로 전이한 전자는 자유롭게 움직일 수 있는 자유 전자가 된다.

¶ 고체의 전기 전도성

원자가 띠에서 전도띠로 전이한 전자는 자유 전자가 되므로 고체에 전류가 흐를 수 있게 된다.
띠 간격이 좁을수록 전자가 흡수해야 하는 에너지가 적어 원자가 띠에서 전도띠로 잘 전이하므로 전기 전도성이 좋다.

고체는 전기 전도성에 따라 도체, 절연체(부도체), 반도체로 구분한다.

¶ 도체

전기 전도성이 매우 좋은 고체이다.

아래 그림과 같이 원자가 띠와 전도띠가 겹쳐 있거나 원자가 띠의 일부분만 전자로 채워져 있어 상온에서도 많은 자유 전자가 존재한다.

예시로 금$(\mathrm{A}\mathrm{u})(\backslash mathrm\{Au\})$, 은$(\mathrm{A}\mathrm{g})(\backslash mathrm\{Ag\})$, 구리$(\mathrm{C}\mathrm{u})(\backslash mathrm\{Cu\})$ 등이 있다.

¶ 절연체(부도체)

전기 전도성이 매우 좋지 않은 고체이다.

아래 그림과 같이 원자가 띠가 모두 전자로 채워져 있고, 원자가 띠와 전도띠 사이 띠 간격이 넓어 전자가 원자가 띠에서 전도띠로 전이하기 매우 어렵다.

예시로 나무, 유리, 다이아몬드 등이 있다.

¶ 반도체

전기 전도성이 도체와 절연체의 중간 정도인 고체이다.

아래 그림과 같이 원자가 띠가 모두 전자로 채워져 있고, 원자가 띠와 전도띠 사이 띠 간격이 좁다.

예시로 규소$(\mathrm{S}\mathrm{i})(\backslash mathrm\{Si\})$, 저마늄$(\mathrm{G}\mathrm{e})(\backslash mathrm\{Ge\})$ 등이 있다.

¶ 고체의 전기 전도성 예시

도체는 전기 전도도가 매우 높아 전기 저항이 매우 작으므로 전류가 잘 흐르고,
절연체는 전기 전도도가 매우 낮아 전기 저항이 매우 크므로 전류가 거의 흐르지 않는다.

이를 활용해 아래 그림과 같이 도선 내부는 전류가 잘 흐르도록 도체인 구리$(\mathrm{C}\mathrm{u})(\backslash mathrm\{Cu\})$로 만들고, 도선 외부는 감전과 전류가 새는 것을 막기 위해 절연체로 감싸 만든다.

¶ 정전기 유도

대전체를 가까이 가져갔을 때, 물체 내부의 전하 분포가 변하면서 물체가 전하를 띠는 것이다.

¶ 도체에서의 정전기 유도

도체에 대전체를 가까이하면 도체 내의 자유 전자가 이동하여 표면이 전하를 띠게 된다.

¶ 절연체에서의 정전기 유도(유전 분극)

절연체에 대전체를 가까이하면 원자나 분자 내부 전하의 배열이 정렬되어 전하를 띠게 된다.

¶ 유전율

절연체에서 유전 분극이 얼마나 잘 일어나는지를 나타내는 물리량이다.
기호로 $\epsilon \backslash varepsilon$으로 나타내고, 단위는 주로 ${\mathrm{C}}^2\mathrm{/}(\mathrm{N}\cdot {\mathrm{m}}^2)\backslash mathrm\{C^\{2\}/(N·m^\{2\})\}$을 사용한다.

아래 그림과 같이 외부 전기장이 있을 때, 유전 분극으로 물질이 전하를 띠게 되면서 내부에는 외부 전기장과 반대 방향의 전기장이 유도된다.
이로 인해 외부 전기장이 일부 상쇄되므로, 유전율이 큰 물질일수록 전체 전기장의 세기가 작아진다.

진공에서는 유전 분극이 일어날 수 있는 물질 자체가 존재하지 않으므로 유전율이 가장 작다.
진공의 유전율은 기호로 ${\epsilon }_0\backslash varepsilon\_\{0\}$로 나타낸다. 쿨롱 상수는 $k={\displaystyle \frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}}k\; =\; \backslash dfrac\{1\}\{4\backslash pi\backslash varepsilon\_\{0\}\}$이다.

¶ 시뮬레이션

¶ 적용 문항

¶ 1번 문항

¶ 2번 문항