유전체와 분극
ε_r를 키우면 안쪽 장이 약해진다
유전체 판을 고른 외부 전기장 속에 두었다. 하늘색 화살표가 외부 장이고, 판 속 작은 쌍극자들과 양쪽 면의 붉고 푸른 속박전하가 분극을 나타낸다. 슬라이더로 비유전율 ε_r를 키우면 쌍극자가 더 크게 갈라지고 면의 전하가 짙어지며, 판 속 알짜 전기장을 나타내는 금색 화살표가 짧아진다.
유전체란
유전체는 자유전자가 거의 없는 절연체여서 도체처럼 전하가 마음대로 흐르지 못한다. 그러나 전기장을 걸면 분자 속의 양전하와 음전하가 서로 반대쪽으로 아주 조금 밀려나 쌍극자가 된다. 전하가 흘러가지는 않고 제자리에서 살짝 갈라질 뿐인데, 이 현상을 분극이라 한다.
분극, 쌍극자 정렬
외부 전기장 E₀를 걸면 수많은 분자 쌍극자가 장 방향으로 늘어선다. 물처럼 처음부터 쌍극자를 가진 분자는 방향을 돌려 줄을 서고, 쌍극자가 없던 분자는 장이 전하를 갈라 새로 쌍극자를 만든다. 정렬한 정도를 단위 부피당 쌍극자 모멘트로 나타낸 것이 분극 P다. 덩어리 속에서는 이웃한 +와 −가 맞닿아 상쇄되지만, 양쪽 끝 면에는 상쇄되지 않은 속박전하가 드러난다. 한쪽 면에 −, 반대쪽 면에 +가 깔리는 셈이다.
알짜 장이 약해진다
표면의 속박전하는 외부 장과 반대 방향의 전기장을 유전체 속에 만든다. + 면에서 − 면으로 향하는 이 장이 E₀를 일부 깎아 내므로, 유전체 속 알짜 전기장은 바깥보다 약하다. 약해지는 배수가 비유전율 ε_r이고, E = E₀/ε_r다. 이 식은 그림처럼 장이 판의 면에 수직으로 들어올 때 성립한다. 공기는 ε_r이 거의 1이고, 물은 약 80이라 장을 크게 약하게 만든다.
D와 유전율
분극의 몫을 따로 떼어 다루려고 전기변위 D를 정의한다. D = ε₀E + P다. 선형 유전체에서는 P가 E에 비례해 D = εE로 깔끔해지고, 유전율은 ε = ε_r ε₀다. D의 좋은 점은 속박전하를 따로 세지 않고 자유전하만으로 가우스 법칙을 쓸 수 있다는 것이다. ∮D·dA = Q_free로, 유전체가 있어도 자유전하만 세면 된다. 다만 전기변위 자체가 속박전하와 무관한 것은 아니어서, 그것을 바로 구하려면 여전히 대칭이 필요하다.
첫 화면으로 돌아가서
첫 화면에서 ε_r를 키우자 유전체 속 쌍극자가 더 크게 갈라지고 면의 속박전하가 짙어졌다. 그 속박전하가 만든 반대 방향 장이 외부 장을 깎아, 알짜 전기장을 나타내는 금색 화살표는 점점 짧아졌다. 약해진 배수가 곧 ε_r이다. E = E₀/ε_r. 유전체는 전하를 흘려보내지 않고 분극만으로 전기장을 누그러뜨린다.
유전체는 축전기와 짝을 이룬다. 두 극판 사이를 유전체로 채우면 같은 전압에서 더 많은 전하를 담을 수 있다. 같은 전하라면 전기장과 전압이 εr배 줄어들기 때문이고, 그래서 정전용량이 εr배로 커진다. 다음 유닛(EM-11)에서 정전용량 C = εA/d를 다루며 이 효과를 정확히 셈한다.