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“전속밀도 D의 발산 양은 그 원천인 전하밀도 ρ와 같다. 맥스웰의 방정식은 미분형으로 나타내는 경우가 일반적이기는 하지만, ρ는 (단위체적 당) 전하밀도(Electric Charge Density)를 나타내는 스칼라 물리량(단위는 [C/m3])이다. 따라서 편법이라 해도 결과가 올바름을 확인하고 사용하는 경우에는 문자보다는 연산자 기호를 사용하는 편이 더 이해하고 외우기 쉬우므로 이 표기법을 일반적으로 사용하고 있다. 더 간단히 말하면, 전기장 E는 단위 시험 전하에 미치는 전기력으로서 다음과 같이 정의된다. 가우스의 발산 정리는 다음과 같다.전자소자재료공학 - 맥스웰방정식 대한 정리 다운받기 전자소자재료공학 - 맥스웰방정식 대한 정리. 이 정리는 발산하는 벡터장에 대하여 면적분과 체적적분의 상호 변환 관계를 보여준다. 즉 (식1-2)에 대해 양변을 미소체적에 대해 적분하면 바로 이 정리가 나올 것이다. E〓 F/Q [N/C] (식 1-6) 나중에 전압을 정의하고 나면, 전기장의 세기 E에 대한 정의를 알아보면, 이 두 기호를  ......

 

 

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전자소자재료공학 - 맥스웰방정식 대한 정리

 

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1. 맥스웰의 제 1 방정식

맥스웰의 제 1 방정식은 다음과 같다.

(식1-1)

수식의 좌변은 벡터 함수(이하 벡터장)의 발산(Divergence)을 나타내는데, 임의의 벡터장 A에 대한 발산의 정의는 다음과 같다.

(식1-2)

 

발산의 정의에서 우변은 벡터장 A를 그에 수직인 미소면적 ds와 곱하고, 폐곡면에 대해 적분한 후, 폐곡면이 둘러싼 미소 체적에 대해 나누어 그 극한을 구하는 것이라고 할 수 있다. 더 간단히 말하면, 한 점에서 흘러나오는 알자 벡터의 양이라고 할 수 있다. 발산은 나중에 알아 볼 회전과 마찬가지로, 벡터장의 원천을 파악하는데 사용된다. 즉, 발산이 양(+)의 값을 가지면, 벡터장이 흘러 들어가는 원천이 있는 것이고, 값이 0이면, 소스도 싱크도 아닌 것이다.

위 정의에서 좌변은 본래는 div A라고 써야한다. 즉, 엄밀하게는∇이라는 두 기호는 개별적으로는 아무 의미가 없는 것이다. 그러나 수학적 기호를 다소 편법적으로 사용하는 것이기는 하지만, 이 두 기호를 각각 벡터 미분 연산자 ∇(델)과 벡터 내적 연산자 (Dot)로 해석해도, 이 경우에 우변이 임의의 직교 좌표계에 대하여 전미분한 값이 되므로, 발산의 정의와 일치하는 결과가 된다. 따라서 편법이라 해도 결과가 올바름을 확인하고 사용하는 경우에는 문자보다는 연산자 기호를 사용하는 편이 더 이해하고 외우기 쉬우므로 이 표기법을 일반적으로 사용하고 있다.

이제 다시 (식 1-1)으로 되돌아오면, 여기서 D는 (단위 면적당) 전속밀도를 나타내는 벡터 물리량(단위는 [C/m2])이고, ρ는 (단위체적 당) 전하밀도(Electric Charge Density)를 나타내는 스칼라 물리량(단위는 [C/m3])이다. 따라서 이 식을 글로 표현하면, “전속밀도 D의 발산 양은 그 원천인 전하밀도 ρ와 같다.”이다.

(식 1-1)은 맥스웰의 제 1 방정식의 미분형 이라고 한다. 맥스웰의 방정식은 미분형으로 나타내는 경우가 일반적이기는 하지만, 구체적인 응용을 위해서는 적분형도 알 필요가 있다. 따라서, 이제 적분형을 알아보도록 한다. 맥스웰의 제 1 방정식의 적분형을 알려면, 먼저, 이른바 가우스의 발산 정리를 알아야 한다.

가우스의 발산 정리는 다음과 같다.

(식 1-3)

 

발산의 정의 (식 1-2)을 이해하고 이 정리를 보게 되면, 이것은 자명해 보인다. 즉 (식1-2)에 대해 양변을 미소체적에 대해 적분하면 바로 이 정리가 나올 것이다. 이 정리는 발산하는 벡터장에 대하여 면적분과 체적적분의 상호 변환 관계를 보여준다.

이제 가우스의 발산 정리 (식 1-3)에 미분형 (식 1-1)을 대입하여

다음과 같은 맥스웰의 제 1 방정식의 적분형을 얻는다.

(식 1-4)

 

 

1.1 정전장에 대한 응용

맥스웰의 제 1방정식의 적분형을 몇 가지 대칭적 전하 분포를 갖는 정전장에 응용한다.

1)점전하 분포

전하가 한 점에 존재하는 경우, 전속밀도 D는 그 점을 중심으로 구형의 방사 대칭을 이룰 것이다. 따라서 구좌표계 (r, θ, Φ)를 사용하여, 점전하 +Q를 원점에 놓고, 적분할 폐곡면 S(이를 가우스 표면(Gaussian Surface)라 함)를 임의의 거리 r만큼 떨어진 곳의 구의 표면으로 잡으면, 전속밀도 D는 r방향 성분만 갖는 상수가 되므로, (식 1-4)의 좌변에서 D가 Dr 성분만 남아 적분 기호 밖으로 나올 수 있으므로, 아래 식을 얻는다.

 

(식 1-5)

 

여기서, 전기장의 세기 E에 대한 정의를 알아보면, 전기장 E는 단위 시험 전하에 미치는 전기력으로서 다음과 같이 정의된다. E〓 F/Q [N/C] (식 1-6)

나중에 전압을 정의하고 나면, 전압을 사용한 단위인 [V/m]를 더 많이 사용한다.

다음에 살펴 볼 것처럼, 임의의 매질 속에서, 전속밀도 D는 전기장 E 및 매질의 유전율ε과 다음의 관계에 있다. D〓εE

 
 
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