전계

전기를 띤 전하나 시간에 따라 변하는 자기장 주위의 공간에는 전기장이 형성된다. 이 전기장 안에서 하전된 물체는 전기력을 받게 된다. 전기장은 패러데이(Michael Faraday)가 처음 소개한 물리량으로 전장 또는 전계라고도 한다. 전계는 보통 기호 E로 표시하며, 크기와 방향을 갖는 벡터량이다. 국제표준단위계의 단위로 N/C(newton per coulomb), 혹은 V/m(volt per meter)를 사용한다.

정전기에서는 단위 전하에 작용하는 전기적인 힘을 전계로 정의한다. 전계의 방향은 양전하에서 나가서 음전하로 들어오는 방향이며 이것이 곧 힘의 방향이기도 하다. 전계의 크기는 전하의 크기에 대한 전기력으로 정의한다. 곧 전계는 힘과 전하량 사이의 비례상수가 된다. 식으로 표현하면 E=F/q 이며, 이것이 쿨롱의 법칙이다. (쿨롱의 법칙은 정전기에서의 전계만 설명할 수 있을 뿐, 전하의 움직임이 있을 경우는 로렌츠의 법칙으로 전계를 설명할 수 있다.) 여러 개의 전하가 분포되어 있을 경우에, 전계는 전하들의 상대적인 위치와 크기에 따라서 결정되며, 각각의 전하에 의한 전계의 벡터합과 같다. 또한 전기장 내의 한 위치에서의 전계의 크기는 전하로부터 거리의 제곱에 반비례한다.

한편 움직이는 전하는 전계와 함께 자계도 만들어내는데, 자계가 시간에 따라 변할 경우 전계를 만들어낸다.
이것을 이차전계(secondary electric field)이라고 하며 패러데이의 유도법칙을 사용하여 계산할 수 있다. 일반적으로 전계와 자계는 완전히 분리되지 않기 때문에 전자기장이라고 한다.

전계 내에 탐색전하(test charge)가 있을 경우, 탐색전하는 공간의 각 점에서 전계 방향으로 이동한다. 이 방향을 이어가면 하나의 곡선을 얻을 수 있으며, 곡선상 각 점에서의 접선은 그 점에서의 전계의 방향을 나타낸다. 전계의 방향을 그린 전기력선과 전위가 같은 점을 이은 등전위면을 통해 전계의 분포상황을 나타낼 수 있다.

전계내 에는 그 전계를 발생시키기 위해 공급된 에너지가 존재하며 이 크기는 전계의 제곱에 비례한다. 즉, 단위부피당의 정전기에너지 u는 공간의 유전율이 ε일 때, u=(1/2)εE2으로 주어진다. 양자역학에서는 전자기장에서의 매개입자를 광자(photon)라고 하며, 광자의 에너지는 hv( 프랑크 상수, v는 진동수이다.)로 양자화되어 있다.