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전기기사 전기자기학 · 정전차폐

Electrostatic Shielding

도체로 둘러싼 공간 안에서는 바깥 전계가 아무리 세도 안쪽 전계가 0 이 돼요. 도체 표면에 유도전하가 생겨 바깥 전계를 정확히 지우기 때문이고, 자동차 안에 있으면 벼락을 맞아도 안전한 패러데이 케이지가 이 원리예요. 접지하면 바깥 면의 전하까지 땅으로 빠져 양쪽 방향 모두 막히지만, 접지가 없으면 바깥 전계는 막아도 안쪽 전하의 영향은 밖으로 새어 나가요. 차폐 켬 · 끔 단추와 바깥 전계 세기 슬라이더를 바꾸면 금색 전기력선이 도체 껍질 앞에서 끊기거나 그대로 지나가는 모습이 바뀌어요.

정전차폐: 전계를 막는 방패

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🛡️ 패러데이 케이지
①차 안에서 벼락을 맞아도 안전한 까닭은 금속 차체가 바깥 전계를 막기 때문이다
②바깥 전계를 받은 도체 표면에 유도전하가 생겨 안쪽 전계를 모두 지운다
③그림에서도 껍질 왼쪽에 파란 −, 오른쪽에 빨간 + 가 모이고 안쪽은 E = 0 이다
④이렇게 도체로 감싸 막는 구조를 패러데이 케이지라 해요

차폐의 원리: 유도전하

안쪽 전계를 지우는 원리
E안쪽 = E바깥 + E유도 = 0
도체 안에서 바깥 전계와 유도전하가 만드는 전계가 정확히 지워진다
💡 차폐의 핵심 논리
①정전 평형에서 도체 안의 E 는 0 이다
②바깥에 전계가 있어도 이 원리는 바뀌지 않는다
③도체는 스스로 유도전하를 만들어 안쪽 E = 0 을 지킨다
④그래서 도체 껍질 안의 물체는 바깥 전계의 영향을 받지 않아요

접지 차폐와 비접지 차폐

비접지
비접지: 바깥 면 +Q
안쪽 +Q → 안쪽 면 −Q → 바깥 면에 +Q 가 남는다
접지
접지: 바깥 면 0
바깥 면의 +Q 가 접지로 빠져나가 양쪽 방향이 모두 막힌다
🔌 접지가 관건
①비접지 차폐는 바깥에서 안으로 들어오는 전계는 막지만, 안쪽 전하의 영향은 밖으로 나간다
②접지 차폐는 양쪽 방향을 모두 막는다
③「완전한 정전차폐」는 접지된 도체 껍질로만 된다는 점이 자주 나와요
④전자 기기의 차폐에 접지가 꼭 붙는 까닭도 이것이다

차폐의 응용과 한계

정전차폐의 특성
정전차폐: 도체 두께와 무관
정전계에서는 얇은 도체 막만으로도 완전히 막힌다
📡 정전차폐와 전자파 차폐
①정전차폐는 변하지 않는 전계를 막으며, 도체 두께와 상관없고 접지하면 완전하다
②전자파 차폐는 시간에 따라 변하는 전자파를 막으며, 도체 두께와 주파수에 따라 줄어드는 정도가 다르다
③정전차폐에서는 작은 구멍이 있어도 안쪽 전계에 큰 영향이 없다
④전자파 차폐에서는 구멍으로 전자파가 새어 들어올 수 있어요

시험 포인트 정리

내부 전계
E안쪽 = 0
도체 껍질 안
완전 차폐
접지: 바깥 면 0
양쪽 방향 차단
🎯 시험 포인트
①정전차폐의 원리는 도체 안 E = 0, 곧 유도전하에 의한 상쇄다
②비접지는 바깥 → 안 차폐는 되지만, 바깥 면에 유도전하가 남아 안 → 바깥 차폐는 안 된다
③접지하면 바깥 면 유도전하가 땅으로 빠져 양쪽 방향이 모두 막힌다
④정전계에서는 도체 두께와 상관없이 차폐된다
⑤패러데이 케이지는 정전차폐의 대표적인 응용이에요
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 정전차폐의 원리를 설명하시오. (답: 도체 표면의 유도전하가 바깥 전계를 지워 안쪽 E = 0)
②[기출유형] 접지된 도체 껍질 안에 +Q 를 놓으면 안쪽 면 · 바깥 면의 전하는? (답: 안쪽 면 −Q, 바깥 면 0)
③[기출유형] 접지하지 않은 도체 껍질 안에 +Q 를 놓으면 바깥에 전계가 생기는 까닭을 설명하시오. (답: 바깥 면에 +Q 가 남아 밖으로 전기력선을 내보내기 때문)
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