1. Electric Charges and Forces

MIT의 Computer Structure강의를 듣기 전에, 필요한게 바로 Physics 지식인데, Physics1의 내용은 내가 이미 대학교나 고등학교때 배웠던 내용이라서, 건너 뛰고 Physics2를 듣기로 결정하였다. 

앞으로 쓰여질 내용들은 MIT의 Walter lewin의 Electricity and Magnetism이다.

 

1) Electric Charges and Forces

 

현대의 atom의 모습은, atom size에 비해 매우 작은 nucleus이고, 그것 주위의 cloud에 electron이 존재한다.

Nuclues는 postive charge의 proton, no charge의 neutron을 가진다. Proton의 mass는 Neutron의 mass와 거의 유사하고, 약 1.7 10^(-27) kg이다. Electron의 질량은 Proton보다 약 1830배 더 작다.

Nucleus의 diameter은 10^(-12) cm이고, Cloud of electron은 10^(-8) cm이다. 

만약 atom이 neutral이라면, proton과 electron의 갯수는 같다. 

만약, electron을 추가한다면, negative ion을 얻게 된다. 

 

우리가 어떤 걸 문지르면, 다른 어떤 것이 그것에 끌리는 것을 관찰할 수 있다.

Benjamin Franklin은 모든 substances는 electric fluid 또는 elecric fire라고 불리는 것에 침투될 수 있다고 생각했다.

Electric fire가 초과되면 postive charge이고, electric fire가 부족하다면 negative charge라고 생각하였다. 

또한, fire를 conduct(지휘)하는 어떤 substances들이 있는 것을 발견하였고, 이들을 conductor(지휘자)라고 하였다. 

 

conductor는 atom에 묶여있지 않고 conductor내에서 자유롭게 이동이 가능한, 작은 일부의 electron들을 갖는다.

conductor가 아닌 경우, electron은 atom에 묶여있다.

 

conductor에 (+) charge를 갖는 rod를 가까이할 경우, electron은 atom을 벗어나 rod근처로 몰리게 된다. 그러면 상대적으로 rod와 먼 부분은 (+) charge를 갖게 된다. 이것한 conductor에서 polarization을 Induction이라고 한다.

그런데 이 현상으로 인해 rod와 conductor은 서로 가까워지려하므로, Franklin은 conductor의 (-)가 (+)보다 rod와의 거리가 더 가까우므로, charge간의 거리가 가까울수록 힘이 더 강해진다고 생각하였다.  

 

반면, nonconductor에 동일하게 (+) charge를 갖는 rod를 가까이 할 경우, 근처 atom의 electron은 conductor보다 더 느리게 atom내에서 polarization되어, atom의 electron cloud를 변형시킨다. 

 

2) Coulomb's law

 

Coulomb은 서로 같은 charge를 가진 물체를 놓았을 때, product간에 작용하는 힘은 서로 같고 방향은 반대인 것을 확인하였다. 또한, 이것은 각 charge들에 비례하고 거리의 제곱에 반비례함을 확인하였다. 

1개의 proton의 charge는 1개의 electron의 charge와 동일하며, 그 값은 약 1.6 *10^(-19) C이다. (C는 coulomb)

여러 charge를 가진 물체를 놓았을 때, 물체에 작용하는 force는 force의 vector합과 같다.

그렇다면, 항상 superposition principle이 성립하는가?

(두 개이상의 stimuli에 의한 reponse가 각 stimuli에 의한 response의 합과 같은가?)

그렇지 않다. 사실은 force의 vector합과 같지 않지만, 잘 작동한다. 

 

두 개의 proton 사이에는 gravity force가 존재할 수 있다.

하지만, proton간의 electric force를 gravity force와 비교하면 electric force가 10^(36) 배 만큼 강력하다는 것을 알 수 있다.

또한, proton사이에 작용하는 acceleration은 electric force를 proton의 mass로 나눈 것으로, gravity acceleration의 10^(26)배 나 강력하다. 이러한 두 proton을 묶는 것을 nuclear force이다. 

우리의 실제 세상의 많은 부분은 electric force가 지배하지만, 거대한 scale의 우주에서는 gravity force가 대부분을 지배한다.