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전하, 분극과 전기력 (Electric Charges, Polarization, and Electric Force)
[정규강의] 물리 II: 전기와 자성 (Physics II: Electricity and Magnetism) 1강/총36강
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강의소개 

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8.02 Electricity and Magnetism, Spring 2002 Transcript ? Lecture 1  
 
 
 
저는 월터 르윈입니다. 저의 강의는 일반적으로 여러분 책의 반복이 아닙니다. 하지만 그 책의 보완이 될 것입니다. 그 책은 저의 강의를 서포트 해 줄것입니다. 저의 강의는 그 책을 서포트 해 줄 것입니다. 제 강의에서는 지루한 어원을 볼 수 없을 겁니다. 우리는 책을 가지고 있기 때문입니다. 하지만 저는 여러분에게 개념을 주입해 줄 것이고 여러분에게 방정식 너머, 개념 너머에 있는 것을 볼 수 있게 해 줄 것입니다. 저는 여러분이 이것을 좋아하던 말던 물리학의 아름다움을 보여줄 것입니다. 여러분도 물리학을 좋아하기 시작할 거에요. 저는 여러분에게 계속 실수 하라고 제안합니다. 하루만이 아니라요. 8.02는 쉽지 않습니다. 우리는 매주 전혀 새로운 개념을 배우게 되고 여러분이 그것을 알기 전에는 매우 뒤쳐져 있을 거에요. 전기와 자기는 우리 주위 모든곳에 항상 있습니다. 우리는 전기적 빛을 사용하고, 전기시계를 갖고 있습니다. 우리는 마이크와 계산기와 텔레비젼 VCR, 라디오 컴퓨터를 사용합니다. 빛 자체는 라디오파와 같이 전자기적 현상입니다. 푸른 하늘 위에 무지개가 있는 이유는 전기 때문입니다. 그리고 저는 여러분에게 이 수업에서 그런것들을 가르쳐 줄 것입니다. 자동차, 비행기, 기차도 전기가 있기 때문에 갈 수 있습니다. 말도 전기가 필요합니다 왜냐하면 근육의 수축에도 전기가 필요해요. 여러분의 신경체계는 전기로 작동되고 원자, 분자, 모든 화학적 반작용들도 전기 덕분에 존재할 수 있습니다. 여러분은 전기 없이는 아무것도 볼 수 없습니다. 여러분의 심장은 전기 없이는 뛸 수 없습니다. 
 
여러분은 전기 없이는 생각조차도 할 수 없습니다. 여러분 중 몇몇은 전기에 문제가 있기 때문에 문제가 생긴다는 것을 전기 덕분에 깨달았어요. 근대의 원자의 사진은 원자핵이고 그것은 원자에 비해 아주 작습니다. 원자핵은 광자를 가지고 그것은 양전하이며 이것은 전하가 없는 중성자를 가집니다. 광자의 질량은 거의 중성자의 질량과 같습니다. 이것은 약 6.7 곱하기 10의 -27승 kg입니다. 1.7. 중성자를 가지고 있는 원자핵을 가지고 있는 양전하와, 그리고 구름 주위에 전자가 있습니다. 만약 원자가 중성이라면 전자의 숫자와 광자의 숫자는 같습니다. 
 
만약 여러분이 전자 하나를 벗기면 양이온이 됩니다. 전자 한개를 추가하면 음이온이 됩니다. 전자의 전하는 광자의 전하와 같습니다. 이게 바로 전자의 숫자가 중성원자의 숫자와 같은 이유입니다. 전자의 질량은 약 광자의 질량보다 180,030배 작습니다. 그러므로 이것은 모든 경우에서 무시해도 좋을만큼 작습니다. 원자의 모든 질량은 원자핵에 있습니다. 만약 제가 60억 개의 원자를 일렬로 세우면, 저는 60억을 선택했는데 왜냐하면 그게 지구에 있는 사람의 인구이 기 때문이죠. 그렇게 하면 이것은 오직 60센티미터가 될 것입니다. 원자가 얼마나 작은지를 알려주는 이야기입니다. 원자핵의 크기는 약 10의 -12승cm입니다. 그리고 원자는 원자핵보다 약 1만배나 큽니다. 전자구름은 약 10 ^ -8cm입니다. 그리고 만약 여러분이 6억개의 전자구름을 일렬로 세우면, 이만큼을 얻을 것입니다. 이미 BC 600년에, 호박을 문지르면 마른 잎파리가 붙는것을 알고 있었고, 그리스 단어인 호박이 전자가 된 겁니다. 이것이 전자라는 이름이 생긴 유래입니다.  
 
16세기에 이것을 하기 위한 대체물이 더 많았습니다. 예를들어 유리나 sulfur같은거요. 그리고 사람들은 그들의 보석 호박을 문지르고 나서 개구리를 만지면 개구리는 필사적으로 점프를 하는 것이, 사람들은 정확히 호박이나 개구리에게 어떤일이 일어나는 지도 모르고 그저 웃기다고 생각했고 그런 것이 알려졌고 또한 기록됬습니다. 
 
18세기에는 두개의 전기가 있다는 것을 발견했습니다. 한개는 여러분이 유리를 문지를 때 생기고, 다른 것은 고무나 호박을 문지를 때 생깁니다. 한개를 A라고 하고 다른것을 B라고 부릅시다. A는 A를 밀어내고, B도 B를 밀어내지만 A는 B를 끌어당긴다는 것을 알았습니다. 그리고 전자와 proton에 대한 어떠한 지식 없이 벤자민 프랭클린은 그가 electric fluid와 electric fire라고 불린 개념으로 모든것들을 설명할 수 있다는 것을 알렸습니다. 만약 여러분이 불을 너무 많이 피우면, 양전하로 대전되고 만약 여러분이 그 불을 끄는것을 가지고 있으면 여러분은 음전하고 대전된다고요. 
 
그는 극할당을 설명했고 그는 음극과 양극을 골라야 했기에 유리를 문지르면 불에 접근하므로 그는 그것을 양극이라고 불렀습니다. 여러분은 나중에 이 강의에서 그가 선택한, 그리고 죽을 때 까지 함께 해야 할 이 절반의 기회가 왜 극도로 불행한 것인지를 배울 것입니다. 그래서 만약 여러분이 이 유체를 벤자민 프랭클린을 따라서 다른것에 있는 것을 여기에 놓으면, 한 개는 양전하가 되고, 그것의 결과로 유체에서 가져 온 저것은 자동적으로 음전하가 됩니다. 이것이 전하에 대한 모든 개념이고, 여러분은 전하를 창조할 수 없습니다. 여러분이 양극을 만들면 여러분은 자동적으로 음극을 만듭니다. 플러스와 플러스는 서로를 밀어냅니다. 마이너스와 마이너스는 서로를 밀어냅니다. 그리고 플러스와 마이너스는 서로를 끌어당깁니다. 
그리고 벤자민 프랭클린은 불이 더 있으면 힘에 더 세진다는것을 실험을 통해 알았습니다. 이 물체에 간다는 것은 서로의 힘이 세진다는 것입니다. 그리고 이 유체를 조종하고, 이 불을 조종하는 대체물을 전도체라고 불렀습니다. 제가 만약 유리 막대를 여기에 놓고 제가 이것을 문지르면 이것은 우리가 아까 말햇 듯 양전하가 됩니다. 
여기 그 막대가 있습니다 그리고 저는 실크로 이것을 문지릅니다 이것은 양전하가 될 것입니다. 이제 제가 이 막대에 가져가는 물체에 어떤 일이 일어날까요? 저는 전도체를 taking하기 시작할 것입니다. 제가 전도체를 선택한 이유는 그들의 전자는 작은 마찰을 가지고 있기 때문입니다. 그들은 갑자기 원자가 되지 않습니다. 그들은 전도체 주위를 움직입니다. 그것은 금속인 전도체의 특징입니다. 부도체에서는 그런 특징은 나타나지 않습니다. 모든 전자는 개개의 원자에 붙박아집니다. 그래서 여기 주위를 돌 수 있는 전자의 일정한 마찰이 있습니다. 이 양전하에 이끌리는 전자에게 어떤 일이 일어날까요. 플러스와 마이너스는 서로를 끌어당깁니다. 그래서 자유롭게 움직이는 전자는 이 방향으로 움직입니다 그래서 플러스는 아래에 머물게 됩니다. 이 과정을 우리는 유도라고 부릅니다. 이것은 일종의 분극화가 됩니다. 전하가 분화되고 이것은 아주 작은 효과입니다. 오직 10^13개의 전자들이 원래 여기 있었는데 이 끝으로 갈 겁니다. 하지만 그것은 이게 전부 가져가는겁니다. 
그래서 이것은 분극이 되고 오른쪽은 조금 더 많은 음전하가 됩니다. 그리고 나서 왼쪽도 그렇게 됩니다. 이제 어떤 일이 일어나고 있는지는 이 두 사이는 더 이 두사이의 척력보다 강해지고 그 이유는 거리가 더 좁아지고, 프랭클린은 이미 그것을 알아 차렸습니다 . 거리가 짧아질 수록, 힘은 더 강해진다는 것을요. 이제 다음에 일어날 일은 이 물체가 자유롭게 움직일 수 있다면 이것은 저 막대쪽으로 움직일 것이라는 겁니다. 이제 이것은 제가 여러분에게 첫 번째로 보여주고자 하는 것입니다. 여기 있는 풍선은 전도체의 역할을 하고, 이 풍선 안에는 헬륨이 차 있어요. 그리고 저는 이것을 실크로 문지를 거에요. 제가 이 풍선에 가까이 갈수록 여러분은 풍선이 막대에 가까이 간다는 것을 볼 수 있을 거에요. 이제 저는 이 막대로 풍선을 몇번 문지를게요. 아마 몇분 걸릴거에요. 왜냐하면 막대 자체는 아주 좋은 비 전도체이기 대문이에요.  
이 둘 사이의 전하를 바꾸는 것은 쉽지 않습니다. 제가 이것을 오래 한다면 저는 풍선을 일정량 양전하로 바꿀 수 있어요. 그러면 이 둘은 모두 양극이 되고, 그러면 서로를 밀어내게 될 겁니다. 하지만 여러분은 제일 먼저 유도 파트에서 풍선이 유리막대에 다가가는 것을 보게 될 거에요. 이 실험은 이것들이 건조할 때 가장 잘 되요. 여름에요. 축축할 때는 잘 되지 않죠. 그래서 8.02수업을 겨울에 하는 것은 최적입니다. 좋아요 이제 가봅시다. 이거는 이제 양전하가 됬을 거에요. 풍선은 유리한테 다가가려고 합니다. 보여요? 아주 확실히 보이죠. 이리 와요, 좋아요. 이제 저는 이 풍선을 조금 대전(물질은 보통의 경우 전기적으로 중성상태 즉, (+)전하량과 (-)전하량이 같은 상태에 있다. 여기에 외부 힘에 의해 전하량의 평형이 깨지면 물체는 (-)전기 혹은 (+)전기를 띠게 되는데 이렇게 전기를 띠게 되는 현상을 대전이라 한다 
[출처] 대전 [帶電, electrification ] | 네이버 백과사전 )시킬거에요. 그래서 풍선에서 유리로 가는 전자의 변화가 있을 것입니다. 
 
그리고 유리는 전도체가 아니기 때문에 전하를 대체하는것이 언제나 쉬운것은 아니에요. 좋아요 제가 풍선을 유리막대처럼 양전하로 만드는데 성공했는지 아닌지 지금 봅시다. 만약 그렇게 되면, 풍선은 저처럼 가지 않을 것입니다. 이제 풍선은 밀어낼 것입니다. 여러분은 그것을 매우 분명하게 볼 거에요. 여러분에게 두 개의 전기가 있다는 것을 보여주기 위해 저는 이것을 고양이 털로 물지릅니다. 전통적으로 이렇게 해 왔어요. 고양이 털로요. 왜 유리에 전통적으로 실크를 사용하지 않았는지 저는 잘 몰라요. 자 그래서 이렇게 고양이 털로 문지르면 이거는 이제 음전하가 됩니다. 전기에는 두 종류가 있다는 것을 기억하세요. 그리고 풍선은 양전하이기 때문에 풍선은 이제 저에게 옵니다. 자 이겁니다. 이제 이건 저에게 와요. 이제 여러분은 처음으로 두 개의 전기가 존재한다는 것을 보았어요. 양전하는 프랭클린에 의해 유리막대에 결정되었고, 음전하는 고무가 되었어요. 
이제 여러분은 제가 부도체 풍선에 유리막대를 갖다 대면, 이 풍선은 막대로 다가가지 않겠구나, 왜냐하면 여기에는 어떠한 자유전자도 없기 때문이지 라고 생각할 거에요. 그래서 이 전자들은 자유롭게 움직일 수 없어서 이것은 분극화 되지 않습니다. 유도 할 수 없어요. 하지만 저것은 그 경우가 아니에요. 그리고 이것은 살짝 미묘합니다. 여러분은 원자의 수준으로 이것을 봐야 합니다. 제가 여러분처럼 원자를 여기에 놓으면요. 여러분은 양전하와 전자를 여기에 양원자핵 근처의 구름에 놓아요. 제가 만약 유리막대 근처에 양전하를 넣으면, 원자에 붙잡혀 있던 이 전자들은 전도체에서 처럼 자유롭게 움직일 수 없어요. 하지만 유리막대 쪽으로 가는데 더 많은 시간을 소비하겠죠 왜냐하면 그들은 유리막대에 의해 이끌린다고 느끼기 때문에, 여러분에 볼 것은 제가 원형 원자로, 이것을 원형 원자나 원형 분자라고 생각해요 그러고 나서 다음에 일어날 일은 이런 모양과 전자가 조금 더 많은 시간을 여기에 보냈어요. 그러고 나서 여기에 더 소비했죠. 이것은 제가 원자를 분극화 했다는 것을 의미해요.  
전자가 원자의 이 측면보다 이 측면에 더 많은 시간을 소비하면, 저는 또한 유도 현상을 만들어 낸 거고, 그러므로 이 면은 저쪽보다 더 음극이 된다는 것을 예상할 수 있습니다. 그리고 저는 투명한 멋진 방법으로 저기에 같은 수의 음극 사인과 양의 사인이 있다는 것을 보여줄게요. 저기 보이죠. 오, 이건 좀 더럽네요 하지만 닦을 수 있죠. 좋아요. 좋아요. 이제 갑시다. 여기에는 같은 양의 플러스와 마이너스가 있습니다. 이제 플러스와 마이너스를 한 개의 중성 원자로 생각 해요. 그냥 상상이에요. 저는 이 면에서 여기 있는 양전하 유리막대를 잡습니다. 이제 각 원자의 전자들은 이 면으로 조금 더 가고자 할거에요. 그래서 원자핵은 저 아래에 머물러 있습니다. 만약 각각의 원자가 그렇게 하면 이것은 일어날 것입니다. 이제 결국 그렇게 된다는 것을 여러분은 알아차립니다. 
물질의 중간에 플러스와 마이너스는 다시 한번 서로를 상쇄시킵니다. 하지만 오른쪽에 음전하 층을 만들었고, 왼쪽에 음전하 층을 만들어 놨어요. 그래서 어떤 방법으로 이것을 다시 유도 시킵니다. 이것이 비 전도체라고 할지라도 이쪽 면은 음극이 될 것이고 이 면은 양극이 될 것이기 때문에 제가 유리 막대를 비 전도체 풍선으로 다가가게 하면, 저는 또한 풍선이 저에게 다가오는 것을 볼 수 있습니다. 그래서 저는 여러분에게 이것을 쉽게 보여줄 수 있습니다. 제가 유리를 택하던 고무를 택하던 변한 것은 아무것도 없습니다. 저는 둘 다를 이용해서 이것을 할 수도 있어요. 부도체 풍선은 언제나 문제의 가능성을 안고 있습니다. 그 문제는 그들이 금속 풍선처럼 그들 스스로를 대전시킬 수 있다는 것입니다.  
하지만 만약 제가 금속으로 된 풍선을 건드리면 어떤 전하도 저를 통해 땅으로 흐르지 않을 것입니다. 우리는 그것을 나중에 배울겁니다. 이게 왜 이러냐면, 이것은 전도체이기 때문입니다. 전기유체는 부도체가 아닌 금속에 의해 전도됩니다. 그래서 이것은 더욱 어렵습니다. 제가 여기에 키스하고 만진다고 해도, 제가 모든 전하를 빼낼 수 있는 것은 아닙니다. 제가 그렇게 함으로써 더 나빠질 수 있어요. 그래서 이것이 별로 그렇게 많이 대전되지 않았기를 바랍시다. 그리고 이 유리막대를 갖다 대 봅시다. 그리고 이게 자유전자 때문이 아닌, 저 과정에 의해서 막대에 다가오는 것을 여러분에게 확신시킬 수 있을지 아닌지를 알아봅시다. 오~ 보이. 오 이것이 고무와 같은 것을 했으면 좋겠네요. 이게 만약 음전하였다면 저는 멀리 가버렸을 거에요. 아 이것은 멀리 갑니다. 그래서 이건 음전하이고 여러분도 이게 보이죠? 이걸 만짐으로써 저는 실질적으로 이것을 대전시켰어요 그래고 이제 제가 할 수 있는 일은 별로 없네요. 전하를 빼는 것은 정말로 어려워요. 제가 유리막대로 여기에 다가갈 때 저는 이미 느꼈어요. 이것은 매우 유리로 다가가려고 햇어요. 여전히 음전하네요. 이것이 하는 방식입니다. 
이것은 증명이 잘못된 것이 아니라 풍선이 대전되었기 때문이에요..그리고 포기하지 않을거에요 왜냐하면 이것은 부도체이기 때문입니다. 마찰은 전기적 전하를 일으킬 수 있어요 그리고 그것은 제가 이 풍선을 방전시키려고 했을 때 정확하게 일어난 일입니다. 마찰을 통해 제가 이걸 대전시켰나 봐요. 제가 이 파티풍선을 가져왔을 때, 여러분은 이걸 여러분 트라우저에 있는 셔츠로 문질렀을 거에요. 이제 이건 제 손에 붙어있어요. 그들은 전하를 가지고 있어요. 그게 음극이던 양극이던 전 몰라요. 기억도 안 나죠. 그건 중요하지 않아요. 그리고 제가 그것들을 제 손에 가지고 갈 때, 제 손은 좋은 전도체는 아닐지라도, 유도되고, 이 현상은 아까 우리가 의논했었죠 그리고 이 둘은 서로를 끌어당깁니다. 
양극과 음극 면은 서로를 끌어당겨요. 그리고 여러분은 그것들을 천장에 붙일 수 있어요 혹은 보드에도 붙일 수 있죠. 여러분은 이런 방법으로 여러분의 방을 꾸밀수도 있어요 아주 이쁘죠. 안그래요? 여러분은 모든 것을 할 수 있습니다 왜냐하면 이것은 8.02이기 때문이죠. 이제 이 무거운 풍선들은 하기에 더 어려울 거에요. 게다가 저는 면을 입고 있어요. 만약 여러분이 나일론이나 폴리에스테르를 입었다면, 더 수월했겠죠. 실험하기 더 쉬웠을 거에요. 네 그거 좋네요. 네 그거 좋습니다. 제 생각에는 우리는 푸른색이 필요해요. 저기 갑시다. 자 그래서 여러분은 전기를 일으키는 마찰을 봅니다. 저것은 당연히 우리가 유리를 문지를 때 실크를 사용한 이유이고, 고양이 털로 고무를 문지르면 우리는 여기서 전하를 얻었어요.  
당연히 여러분이 유리를 양전하로 만들면 실크는 자동적으로 음전하가 될 것입니다. 여러분이 머리칼을 빗으면, 건조한 날에 지지직 거리는 소리를 들어본 적이 있을 거에요. 지지직 소리는 스파크를 의미합니다. 그리고 여러분은 이 강의에서 스파크에 대해서 배울 건데, 오늘은 아니에요. 하지만 여러분이 아주 조용히 하면 이것을 들을 수 있습니다. 그렇게 하면 여러분은 빗을 대전시키는 거에요. 저는 지지직소리를 들을 수 있어요. 재밌죠. 자 그래서 빗은 이제 대전되었습니다. 아마 그래서 저도 대전되었겠죠. 그래서 지지직 소리가 생깁니다. 보세요. 이건 유리만큼 좋지는 않지만 같은 개념입니다. 만약 여러분이 셔츠를 벗어서 이것을 하면 여러분은 기숙사를 어둡게 만들어요. 그리고 거울 앞에 서는거죠. 놀라운 경험이에요. 
그리고 저는 지금 면을 입고 있지만, 이 실험을 하려고 해요. 면은 잘 안 되요. 하지만 전 여러분을 위해 이 일을 하기 때문에 기쁩니다. 여러분이 이걸 할 때는 나일론 셔츠로 해야되요. 그리고 여러분이 나일론 셔츠를 벗을 때 크래킹 소리를 듣는것도 중요하지만 이 반짝이는 은 스파크를 보는것도 중요합니다. 여러분은 사실상 하나의 전구와 같아요. 이것은 놓칠 수 없는 경험이에요. 전 여러분에게 이번 주에 이것을 해보라고 권하고 싶네요. 그건 게다가 재밌기까지 해요. 우리는 피하면서 기억할 것입니다. 이 평범한 일을 그 날에 하세요. 여러분 방에는 깔개가 있고 여러분은 방을 떠나고 싶어 합니다. 그러면 여러분은 문 손잡이를 잡고 여러분은 쇼크를 느낍니다. 이것은 날아가는 스파크입니다. 이것은 전기입니다. 
여러분이 가끔씩 사람을 만질 때 조차도 이 쇼크를 경험합니다. 요리를 할 때 여러분은 랩을 집어서 말려있는 이것을 떼내요. 그리고 이건 도무지 떨어지질 않습니다. 왜냐하면 여러분이 이것을 떼어낼 때, 마찰이 있고 대전됩니다. 그리고 가끔씩 이것은 구겨져요..아주 짜증나요. 다루기 아주 힘들죠. 여러분 모두는 그것을 경험했을 겁니다. 그리고 초콜렛 박스 근처의 셀로판도 똑같습니다. 여러분이 이것을 벗길 때, 이것을 대전시키고, 이것을 좋아하던 말던 구겨져요. 자 이제 저는 어떤 실험을 할 것이고 지원자가 필요해요. 
 
저는 순면이 아닌 시몬을 입은 친구가 필요해요. 시몬 너는 아주 멋지고 예쁜 파카를 입고 있네요. 니가 과학을 위해 희생 할 생각이 있다면, 여기 와서 앉아요. 편히 앉아요. 이제 너의 발은 지면에서 떨어졌어요. 좋아요. 이제 제가 하려는 것은, 시몬, 나는 너를 고양이 털로 때릴거야. 내가 고양이 털로 너를 때릴때 마다, 너는 대전될 거야. 그리고 나는 너만 고생하는걸 원치 않으니까 여기 절연된 의자를 놓을게. 만약 니가 양극으로 대전됬으면, 내가 음극으로 대전됬는지 양극으로 됬는지 알 수 없으니까 다른 양의 전하를 대전시킬게. 
 
그래서 이제 전하를 공유했습니다. 제가 여러분을 때릴 때 마다, 여러분은 계속 대전되고 대전됩니다. 그리고 저는 계속해서 대전시킵니다. 그러면 우리 둘 다 대전되었다는 것을 믿어야 합니다. 저는 그것을 믿는것보다는 나은 방식으로 할 것입니다. 이제 여러분을 조금 치기 시작할게요. 집에 있다고 생각하게 하기 위해서요. 우리는 서로를 알아요. 좋아요. 제가 여러분에게 말했다 시피, 건조한 날에 이 실험은 잘 됩니다. 그래서 여러분이 너무 젖었으면 이 실험은 진행되지 않을 거에요. 여러분이 예를들어 땀을 조금 많이 흘렸으면, 이 실험은 잘 되지 않을 거에요. 자 준비 되었나요? 저는 여기 제 손에는 네온 플래시 튜브가 있어요. 그리고 이 전압이 몇인지 알지 못하는 이유는, 이 강의에서 그것에 대해서 배울 것이기 때문입니다. 좋은 스플래시를 얻기 위해서는 여러분은 수천만 볼트가 필요해요. 그래서 우리는 여기를 잠깐 조금 어둡게 하고 이 플래시 라이트를 잡습니다. 한 손에는 스플래시라이트가 있고, 네온 전하 튜브와, 시몬이 이것을 다른 손으로 건드릴거에요. 
우리가 성공했다면 여러분은 더 많은 빛을 볼 거에요. 자 시몬 먼저 저를 보세요. 만지지 마세요 아직. 왜냐하면 우리는 이게 다 어두워지면 할 거니까요. 이게 어디있는지 알죠, 저기. 좋아요. 마코스 불 꺼요. 만져요. 만져요. 좋아요. 다시 한번 해봐요. 다시한번 만져봐요. 좋아요. 고마워요. 우리는 빛을 가질 수 있겠어요. 
[박수]감사합니다. 같은 전하는 서로를 밀어냅니다. 저는 여러분에게 그것을 보여주었고, 풍선을 이용해서 그것을 증명했어요. 이제 우리는 Vandegraff라는 장치를 가지고 있어요. 이것은 반데그라프 교수가 후에 지었는데, 그는 이것을 발명한 사람이에요. 그도 MIT 교수였어요. 그리고 이 장치에 대해서 설명할 것이지만 여러분은 이것에 대해서 좀 더 나중에 이해하게 될 것입니다. 전 여러분에게 이것에 대해서 모두 말해줄게요. 여러분은 이것을 슈퍼 호박막대라고 생각하면 되요. 그리고 아직 우리는 전압이 무엇인지 잘 모르기 때문에, 저는 아까 시몬과 저 사이에서 이미 2만 볼트에 대해서 이야기 했기 때문에, 이 장치가 하는 일은 몇십만 볼트 단위로 생각하면 되요. 그래서 이 장치는 매우 위험합니다. 하지만 그렇기 때문에 이걸로 작업하는 것은 매우 흥분되는 일이죠. 
 
자 이것은 슈퍼 호박막대이고 이제 제가 이걸로 먼저 하고자 하는 것은 색종이 조각을 이 위에 올려놓고, 우리가 이 반데그라프를 켰을 때 종이조각은 먼저 전하 지붕으로 갈거에요. 이건 이미 이 꼭데기에 있어요 그리고 이게 몇개의 전하를 가져가면, 흩어질거에요. 왜냐하면 이것이 밀어내기 때문이죠. 자 이제 저 쪽 불을 켭시다. 잘 볼 수 있게요. 제가 여기 꼭데기에 이것을 올려 놓을게요. 이건 그냥 일방적인 색종이에요. 종이 조각이요. 좋아요 이제 기억해야 하는 것은 어떻게 시작하느냐에요. 이 위에 조금 더 올려놓을게요. [웃는다] 스파크를 봐도 아직 걱정하지 마세요. [웃는다] 조금 더 올려 놓을게요. 
 
조금 더요. 이제 다음 두번째 반을 위해서 남은 종잇조각은 없네요. [웃는다] 자 아마 이것 좀 더 어둡게 해 봐요. 아 그건 너무 어두워요. [웃는다] 좋아요. 자 이제 다시한번 시작해 봅시다. 이걸 툭 치고, 자 이제 꼭데기에 있는 종잇조각을 보세요. 그리고 이건 꽤 신뢰가 가는 것 같네요. 몇몇 종잇조각은 여기 남아있을 거에요. 그건 이것들이 좋은 전도체가 아니라는 뜻입니다. 그래서 이게 제일먼저 빨려들어가고 만약 이게 반데그라프를 대전시키지 않는다면 이것은 흩어지지 않을 거에요. 자 이제 처음으로 조금 더 양적으로 해 봅시다. 만약 제가 두 전하를 선택해서 일반적으로 전하의 심볼로 Q를 사용해요. 그래서 여기에 Q 1가 있습니다. 그리고 여기에 Q 2가 있습니다. 자 그리고 이 둘 사이는 거리 R만큼 떨어져 있다고 합시다. 그리고 1에서 2까지의 방향 벡터 단위를 제곱근 R 1-2 라고 부릅시다. 제곱근은 벡터의 단위를 위해서 있는 거에요. 
 
이 전하들은 같습니다. 둘 다 마이너스거나 둘 다 플러스에요. 그러면 서로를 밀어냅니다. 그래서 여기에 1-2에 작용하는 힘 F가 있습니다. 여기 2에는 1때문에 생기는 힘이 있습니다. 왜냐하면 둘 다 마이너스이기 때문에 반작용이 생기죠. 이 1에 작용하는 힘은 크기입니다. 하지만 180도 반대 방향에 있죠. 쿨롱이라는 프랑스의 물리학자는 이것에 대한 연구를 18 19세기에 많이 했어요. 쿨롱 다음과 같은 관계를 발견했습니다. 힘은 두 전하의 일정한 비율로 생산된다. 그래서 이것은 Q1 곱하기 Q2곱하기 쿨롱상수라고 부르는 상수K 나누기 이 전하들 사이의 거리의 제곱. 그리고 이것은 1에서 2로 가는 벡터의 방향입니다. 이것은 1 때문에 2에 생기는 힘입니다. 그리고 이 방정식은 부호에 매우 민감하다는 것을 기억하세요. 왜냐하면 Q1와 Q2가 서로 음극이라면 여기서 나오는 힘의 방향은 이쪽입니다. 만약 둘 다 양극이라면 이것 또한 그 방향입니다. 
 
하지만 만약 하나는 양극이고 하나는 음극이면 여러분은 이 방향을 뺍니다. 그래서 이 힘은 뒤집어 지고 이것도 뒤집어 집니다. SI단위로, 이 강의에서 전하의 단위로 위대한 남자의 이름인 coulomb를 사용할 것입니다. 1 coulomb 전하는 끔찍한 양의 전하입니다. 여러분이 평생 본 것보다 더 많을거에요. 우리는 보통 마이크로 쿨롱이라는 단위를 사용하고 가끔씩 그것보다 더 적은 단위를 사용해요. 한개의 양성자의 전하는 정확히 한개의 전자와 같은 수입니다. 전자는 거의 1.6 곱하기 10의 -19승 쿨롱입니다. 그래서 만약 전하가 음전하라면, 1 쿨롱은 가끔씩 6 곱하기 10의 18승 개의 양성자이거나 전자입니다. 이 단위 SI에서 사용되는 상수 K는 9 곱하기 10의 9승입니다. 그리고 이 단위를 여러분은 찾을 수 있습니다 왜냐하면 여러분은 이게 뉴튼이라는 것을 알고, 이것은 쿨롱의 제곱이고, 이것은 평방미터이기 때문입니다. 
 
그래서 단위는 뉴턴^2 m * 뉴턴 ^2 m / square coulombs. 입니다. 하지만 그것은 중요한 것이 아닙니다. 아무도 이것을 그런 식으로 생각하지 않았습니다. 역사적 이유로 누군가에게 그것은 고통입니다. 우리는 K를 1/4pi epsilon zero라고 씁니다. 여기엔 어떤 마술도 없습니다. 이건 그냥 역사적 이유 때문입니다. 그래서 /4pi epsilon zero는 9 곱하기 10의 9승입니다. 이게 다입니다.  
 
이 epsilon zero는 자유공간의 유전율(※외부 전기장을 유전체에 가하면 유전분극 현상이 일어나 가해진 외부 전기장에 반대방향으로 분극에 의한 전기장이 생긴다. 결과 유전체내 전기장 세기가 작아진다. 이때 작아진 비율이 유전율이다.)이라고 불립니다. 여러분은 이걸 잊어버려도 됩니다. 이건 중요한 이름이 아니에요. 여기에 분명히 중력과 평행함이 있다는 것만 기억하세요. 뉴턴의 중력법칙은 언제나 끌어당깁니다. 중력은 절대로 밀어내지 않습니다. 이것은 두개의 질량을 만들고 여기에 중력상수가 있고 다시한번 여기에 거리의 제곱이 있습니다. 그래서 이 둘 사이에는 엄청난 평행이 있습니다. 여기에, 전기는 중력이 하는 것에 매우 평행한 방식으로 행동한다는 커다란 미학이 숨어 있습니다. 제가 여기에 세 번째 전하를 추가했다면, 예를들어 여기에, Q3을 넣고, Q2에 가해지는 힘이 무엇인지 알고자 할 때, 저는 우리가 이전에 8.01에서 많이 사용해왔던 중첩의 원리를 이용합니다. 자 좋아요 2번에 가해지는 알짜힘은 1번 더하기 3번에서 오는 힘 덕분이에요. 
 
만약 여기 3번이 양극이고 이것이 양극이고 이게 음극이라면, 이 힘은 이쪽을 향할 것입니다. F1, F3 2 그리고 2번에 있는 알짜힘 이 두개의 벡터적 합일 것입니다. 이제 중첩의 원리가 작용하는 것이 확실하죠? 이게 전부가 아닙니다. 이것은 모두 확실한 것은 아닙니다. 우리가 이것을 믿을까요? 네 우리는 그래요. 왜 믿을까요? 왜냐하면 이것은 우리가 경험한 모든 것을 포함하고 있기 때문이에요. 하지만 이 강력한 중첩의 원리는 물론 상관 없어요. 하지만 이것은 작용 합니다. 우리는 이것을 언제나 이용할 수 있어요. 그리고 우리가 그렇게 할 겁니다. 
만약 여러분이 8.01과 8.02를 비교한다면, 전기와 중력을 비교한다면, 전기력이 중력보다 더 파워풀하다는 것을 알수 있습니다. 그리고 제가 여러분에게 이것을 보여줄 수 있는 최고의 방법은 거리 D만큼 떨어져 있는 두 개의 양성자를 이용하는 것입니다. 여기에 양성자가 있고 여기에도 양성자가 있어요. 그리고 그들은 D만큼 떨어져 있어요. 그들은 서로를 밀어냅니다. 그리고 그들이 밀어내는 힘은 당연히 계산하기 매우 쉬워요. 우리는 이제 쿨롱의 법칙을 알아요. 그 법칙은 쿨롱 이후에 이름 붙여졌어요. 그래서 그 힘은, 이 서로를 밀어내는 전기적 힘은, 이것은 그냥 이 힘의 크기에요. 양성자의 전하의 힘은 1.6 곱하기 10 ^-19인데 전 여기에 제곱을 해야되요. 저는 여기에 쿨롱의 상수를 곱해야 해요. 그것은 9 곱하기 10^9입니다. 그리고 저는 이것을 D로 나누어요.  
 
이것이 전기력입니다. 제가 중력을 알고 싶으면, 중력이랑 서로를 끌어당기는 힘이고, 이것은 밀어내는 힘입니다. 하지만 오직 여기의 크기를 알고 싶고, 저는 양성자의 질량을 알아야 해요. 양성자의 질량은 1.7 곱하기 7(10^-27)에 제곱을 해야되요. M한번 M 두번 곱하고 중력상수를 곱하는 것을 기억하세요. SI단위에서 중력상수는 6.7 곱하기 10^ -11 / D^2. 입니다. 만약 제가 전기력과 중력을 비교한다면, 제가 하나를 다른 하나로 나누면, 얼음이 아니라 D가 상쇄됩니다. 이 둘은 D^2를 아래층에 가지고 있어요. 그래서 여러분은 쉽게 이 비율이 대충 10^36이라는 것을 알 수 있어요. 그래서 전기력은 중력인력에 비해 36자릿수 더 강합니다.  
 
이것은 여러분에게 8.02의 위대함을 알려 주는 것입니다. 만약 이것이 양성자에 작용하는 유일한 힘이었다면 여러분을 이것을 10 ^ -12센티미터 크기의 원자핵에 가지고 가서 저 양성자의 가속도는 전기력 나누기 양성자의 질량 F = MA이고 이것은 8.01의 기본입니다.  
 
만약 여러분이 이 전기력을 이용해서 D를 10^ -12센티미터로 만든다면 여러분은 이 비율을 계산해야 하고, 이것이 26 자릿수의 크기만큼 높다는 것을 알 수 있습니다. 그래서 여러분은 무엇이 원자핵을 붙잡고 있는지 궁금해 합니다. 만약 양성자에 그런 엄청난 힘이 있다면요. 글쎄요, 그들을 함께 붙잡고 있는 힘은 우리도 아직 완전히 이해하지 못했지만, 핵력은 8.02의 분야가 아닙니다. 그래서 이건 알려주지 않을겁니다. 
 
그래서 무엇이 우리 세계를 붙잡느냐고요? 원자핵의 세계인 10^-12 센티미터에서 중요한 것은 핵력입니다. 원자의 스케일로 몇천 킬로미터입니다. 이것은 정말로 우리 세계를 묶고 있는 힘입니다. 하지만 더 큰 스케일로, 행성과 별과 은하를, 우리를 함께 묶고 있는 것은 중력입니다. 이제 여러분은 아, 이것은 당신이 우리에게 애기한거랑 다르구나 라고 말 할 것입니다. 왜냐하면 제가 여러분에게 중력과 전기를 비교하면 저 D가 없어진다는 것을 말하지 않았기 때문입니다. 네. 하지만, 모든 물체는 중성이거나 중성에 아주 가깝습니다. 그리고 지구를 예로 들어 보면, 그럴듯 하지 않지만 지구 전체의 전하는 10쿨롱 이상입니다. 
 
그것은 아마 이미 과장일 것입니다. 그래서 만약 제가 지구와 달을 가지고 이것들에 10 쿨롱의 전하를 놓는다면, 여기는 지구고 여기는 문이에요, 그러면 그러면 임의로 10 쿨롱을 여기와 저기에 놓고, 음전하를 각각 10 쿨롱씩 넣습니다. 그러면 서로를 끌어당깁니다. 그들에게 주어진 거리는 아무것도 아닙니다. 그 힘은 무시해도 좋을만큼 작습니다. 하지만 당연히 중력은, 물체의 질량에 비례하고, 이 특별한 상황에서 중력은 전기력을 이깁니다.. 25 자릿수나 많은 크기로요. 그래서 우리의 즉시의 환경은, 여러분의 몸과 기타등등이 전기력에 의해 지배된다고 해도, 우주의 크기의 행동 방식은 중력을 따릅니다. 우리는 전하의 양을 측정하는데 다양한 기계들을 쓸거에요. 그 중에서 여러분이 볼 것은, 우리가 강의에서 종종 사용할 것이고, 이것의 이름은 검전기입니다.  
이건 굉장히 단순한 장치에요. 그냥 단순히 이것은 일반적인 전도체 막대기에요. 이것은 알루미늄으로 될 수도 있고, 금속이 될 수도 있고 이 끝에는 반짝이는 알루미늄 금박이 두 개 있어요. 그리고 가끔씩 여기에는 멋진 손잡이가 있어요. 그리고 제가 대전된 물체로 이것을 건드리면, 이것은 전기를 전도할 수 있기 때문에 벤자민 프랭클린이 한것처럼 불을 전도할 수도 있고, 제가 이것을 양전하로 대전된 물체로 건드리면, 이 물체는 양전하로 대전되겠죠. 제가 이것을 음전하로 대전 된 물체로 건드리면, 이것은 음전하가 될 것입니다. 이제 여러분은 이 두 개의 알루미늄 금박 빛 조각이 서로를 밀어내는 것을 볼 거에요. 그래서 여러분은 이 두 사이에 일정한 각이 존재하고, 더욱 대전되면 이 각이 더 벌어질것이라는 것을요. 
 
양적 측정의 기준이 됩니다. 다른 검전기도 있습니다.  
이것과 별로 다르지 않습니다. 중앙에 막대가 있고 
저기에 매달려 있는 잎사귀 한개가 있습니다. 그리고 이것을 대전 시키면 그 잎사귀는 밖으로 나가고 더더욱 대전되면 이것은 더 멀리 나갈 것입니다. 
저는 여기에 검전기를 가지고있지 않아요. 하지만 여러분에게 보여주고자 하는 것은, 만약 제가 스스로를 대전시키고 제 손으로 이 크리스마스 신텔을 만지면  
이 틴셀은 흩어질것입니다. 이것은 여러분이 일정량의 전하를 가지게 됬다는 것을 의미하고 저한테서 음전하가 나오거나 양전하가 나오거나, 별 차이는 없습니다.  
어쨋거나 이 틴셀을 흩어질 것입니다. 
 
그리고 물론 제가 할 수 있는 최고의 방법은 반데그라프로 저를 대전시키는 것입니다. 
그리고 제가 아까 실험에서 말했듯, 자연에는 모든 위험이 존재합니다. 
그래서 당연히 제가 이 증명을 하면서 죽을수도 있어요. [웃는다] 하지만 걱정 마세요 왜냐하면 그럴 경우에는 이 8.02를 대체 할 다른 교수가 있으니까요. 그래서 이 증명을 다시 할거에요. 
[웃는다] 그래서 여러분은 가까이 와서 봐요. 이게 저를 보는 마지막일 수도 있으니까요. 
 
그래서 저는 이 반데그라프에서 나오는 멋진 불빛을 보여줄겁니다. 이건 저에게 언제나 무섭지만, 이 반데그라프때문에 잠 못자는 밤이요. 
전 이것을 킬 것입니다. 마코스, 혹은 너가 불을 킬 용기가 있니? 니가 킬래? 좋아. 아코스, 이걸 M에 놔줘 아코스. 
이건 편하기에 너무 가깝다. 준비됬어? 흥분되? 느껴봐. 
[웃는다] 자 이제 틴셀을 봐요 절 보지 말고요 제발. 계속 해요. 저는 이제 살아있는 검전기입니다. [웃는다] 만약 날씨도 도와준다면, 게다가 
제가 긴 머리를 가지고 있다면, 제 머리카락도 검전기처럼 행동할겁니다. 그것도 시도 해 볼 수 있겠네요. 왜 이걸 안 던지니.[웃는다] [박수] 
지금 되고 잇습니까? 좋아요. 글쎄, 이번 주는 거울 앞에서 나일론 셔츠를 벗어서, 집에서 실험을 해 봐요. 그 이후에는 하지 마요. 금요일에 봅시다.[박수] 
 
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히스토리

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8.02 Electricity and Magnetism, Spring 2002 Transcript ? Lecture 1  
 
 
I'm Walter Lewin.  
My lectures will in general not be a repeat of your book but they will becomplementary to the book.The book will support my lectures.My lectures will support the book.You will not see any tedious derivations in my lectures.For that we have the book.But I will stress the concepts and I will make you see beyond the equations, beyond 
the concepts.I will show you whether you like it or not that physics is beautiful.And you may even start to like it.I suggest you do not slip up, not even one day, eight oh two is not easy. We have 
new concepts every week and before you know you may be too far behind.Electricity and magnetism is all around us.We have electric lights.Electric clocks.We have microphones, calculators, televisions, VCRs, radio, computers. Light itself 
is an electromagnetic phenomenon as radio waves are.The colors of the rainbow in the blue sky are there because of electricity.And I will teach you about that in this course.Cars, planes, trains can only run because of electricity.Horses need electricity because muscle contractions require electricity.Your nerve system is driven by electricity.Atoms, molecule, all chemical reactions exist because of electricity.You could not see without electricity. 
Your heart would not beat without electricity. 
And you could not even think without electricity, though I realize that even withelectricity some of you may have a problem with that.The modern picture of an atom is a nucleus which is very small compared to the size 
of the atom. 
The nucleus has protons which are positively charged and it has neutrons which haveno charge.The mass of the proton is approximately the same as the mass of the neutron.It's about six point seven times ten to the minus twenty-seventh kilograms.One point seven.The positive charges here with the nucleons, with the neutrons, and then we have 
electrons in a cloud around it. 
And if the atom is neutral the number of electrons and the number of protons is the 
same. 
If you take one electron off you get a positive ion. 
If you add an electron then you get a negative ion. 
The charge of the electron is the same as the charge of the proton. 
That's why the number is the same for neutral atoms. 
The mass of the electron is about eighteen hundred thirty times smaller than the 
mass of the proton.It's therefore negligibly small in most cases.All the mass of an atom is in the nucleus. If I take six billion atoms lined up 
touching other, I take six billion because that's about about the number of people onearth. Then you would only have a length of sixty centimeters.Gives you an idea of how small the atoms are.The nucleus has a size of about ten to the minus twelfth centimeters.And the atom itself is about ten thousand times larger.The cloud of electrons.Which is about ten to the minus eight centimeters.And if you line six billion of those up you only get this much. 
Already in six hundred BC, it was known that if you rub amber that it can attract pieces of dry leaves. And the Greek word for amber is electron.  
So that's where electricity got its name from.  
In the sev-sixteenth century there were more substances known to do this. For instance glass and sulfur.  
And it was also known and written that when people were bored at parties that the women would rub their amber jewelry and would touch frogs which then would start jumping of desperation which people considered to be fun, not understanding what actually was happening to the amber nor what was happening to the frogs.  
In the eighteenth century it was discovered that there are two types of electricity.  
One if you rub glass and another if you rub rubber or amber for that matter. Let's call one A and the other B.  
It was known that A repels A and B repels B but A attracts B.  
And it was Benjamin Franklin without any knowledge of electrons and protons who introduced the idea that all substances are penetrated with what he called electric fluid, electric fire. And he stated if you get too much of the fire then you're positively charged and if you have a deficiency of that fire then you're negatively charged.  
He introduced the sign convention and he decided that if you rub glass that that is an excess of fire and he called that therefore positive.  
You will see later in this course why this choice he had fifty percent chance is extremely unfortunate but we have to live with it.  
So if you take this fluid according to Benjamin Franklin and bring it from one substance to the other then the one that gets an excess becomes positively charged but automatically as a consequence of that the one from which you take the fluid becomes negatively charged.  
And so that's the whole idea behind the conservation of charge.  
You cannot create charge. If you create plus then you automatically create minus.  
Plus and plus repel each other.  
Minus and minus repel each other.  
And plus and minus attract.  
And Benjamin Franklin who did experiments also noticed that the more fire you have the stronger the forces. The closer these objects are to each other the stronger the forces.  
And there are some substances that he noticed which conduct this fluid, which conduct this fire, and they are called conductors.  
If I have a glass rod as I have here and I rub it then it gets this positive charge that we just discussed.  
So here is this rod and I rub it with some silk and it will get positively charged. What happens now to an object that I bring close to this rod and I will start off with taking a conductor.  
And the reason why I choose a conductor is that conductors have a small fraction of their electrons which are not bound to atoms but which can freely move around in the conductor.  
That's characteristic for a conductor, for metals.That's not the case with nonconductors.There the all electrons are fixed to individual atoms.So here we have a certain fraction of electrons that can wander around.What's going to happen that electrons want to be attracted by these positive 
charges.Plus and minus attract each other.And so some of these electrons which can freely move will move in this direction and 
so the plus stay behind. This process we call induction.You get sort of a polarization.You get a charge division. It's a very small effect, perhaps only one in ten to the 
thirteen electrons that was originally here will end up here but that's all it takes. 
So we get a polarization and we get a little bit more negative charge on the rightside than we have on the left side.And so what's going to happen is since the attraction between these two will be 
stronger than the repelling force between these two because the distance is smallerand Franklin had already noticed the shorter the distance the stronger the force.What will happen is that if this object is free to move it will move towards this rod.And this is the first thing that I would like you to see.I have here a conductor that is a balloon, helium-filled balloon. 
And I will rub this rod with silk.And as I approach that balloon you will see that the balloon comes to the rod. I willthen try to rub with that rod several times on that balloon. It will take a whileperhaps because the rod itself is a very good nonconductor. 
It's not so easy to get charge exchange between the two.But if I do it long enough I can certainly make that balloon positive.Then they're both positive.And then they will repel each other.But first the induction part whereby you will see the balloon come to the glass rod.These experiments work best when it is dry. In the winter.They don't work so well when it is humid so it's a good time to teach eight oh two in 
the winter.OK there we go this should be positively charged now.And the balloon wants to come to the glass.You see that? Very clearly. Come on baby.OK. So now I will try to get this balloon charged a little so there is a change of 
electrons that go from the balloon to the glass. 
And the glass doesn't it's not a conductor itself so it is not always so easy to get charge exchanges. OK let's see whether I have succeeded now in making the balloon positively charged  
as well as the glass rod.If that's the case then the balloon is not going to like me.The balloon will now be repelled.And you see that very clearly.To show you now that there are indeed two different kinds of electricity if I now rub 
with cat fur by tradition we do that with cat fur I don't know why by tradition we usesilk for the glass.So if we do this with cat fur now then this becomes negatively charged. 
Remember there were two types of electricity.And since that balloon is positively charged now the balloon will come to me. Andthere it is. 
Now it comes to me. So you've seen for the first time now clearly that there are two 
different kinds of electricity.The positive charge is chosen by Franklin on the glass rod and the negative chargeon the rubber. 
So now you may think that if I approach a nonconducting balloon with a glass rod and I have a nonconducting balloon here you may think now that this balloon will not come to the glass rod because there are no free electrons.  
So these electrons cannot freely move and so you don't get this polarization.You don't get this induction.But that is not the case. And this is actually quite subtle.You have to look now at the atomic scale. If I take an atom like you have here.You have positive charge and you have the electrons here in a cloud around the 
positive nucleus.If I bring a glass rod positively charged nearby then these electrons which are stuckto the atoms, they cannot freely move like in conductors, however will spend a littlebit more time on the side where the glass rod is because they feel attracted by theglass rod, whereas the nuclei if anything want to go away from the glass rod, sowhat you're going to see is that in a way if I started off with a spherical atom let'ssuppose this were a spherical atom or a spherical molecule then what will happen is 
that you get sort of a shape like this and the electrons spend a little bit more timehere than they spend here and that means that I have actually polarized that atom.If the electrons spend more time on this side of the atom than on this side I have 
also created the phenomenon of induction and I therefore expect that this side 
becomes more negative than that side.And I can show you that in a nice way with a transparency whereby I have plus andminus signs and I have equal number of plus and minus signs. 
So they represent neutral atoms. 
There you see them. Boy. It's a little dirty but maybe see I can clean it a little. OK.OK.So here we go.So notice there are equal amount of pluses and minuses, so think of the plus and the 
minuses as one neutral atom.Just a representation.Now I'm holding a glass rod on this side which is positively charged.And so each atom the electrons want to go a little bit to this side and so the nucleus 
stays behind.And if each atom does that this is what's going to happen.And now notice what you end up with. 
In the middle of the substance plus and minuses cancel each other out again. But on the right side you have created a negatively charged layer and on the left side you have created a positively charged layer.  
And so in a way you have again induction.So even in the nonconducting objects this side will turn negative and this side will 
turn positive and therefore if I approach a nonconducting balloon with a glass rod Iwill also see the balloon come to me.And so I can easily show you that.It doesn't make any difference whether I choose glass or whether I choose rubber.I can do it with both.Nonconducting balloons always have a potential problem.The potential problem is that they can be charged by themselves just like the metal 
balloons can be charged by themselves. 
However, if I touch the metal balloon then any charges there will immediately flowthrough me to the earth we will understand that later.Because this is a conductor.That remember the electric fluid is conducted by a metal but not by a nonconductor.So with this it's more difficult.Even if I kiss it and touch it it's not clear that I can take all the charge off.In fact by doing that I may even make it worse.Let's hope that it is not charged too much and let's approach it with this glass rod 
and see whether I can convince you that indeed it's coming to the rod not because ofthe free electrons but because of that process.Oh boy. Ho.And it should also do the same with rubber I hope.If it were negatively it'd go away.Ha it does go away so it is negatively charged you see that.By touching it I actually probably charged it and there's not much I can do about it. 
Very difficult to get charge off.I already had a suspicion when I approached it with the glass it was too eager tocome to the glass. 
Still negatively charged. That's the way it goes.  
It's not because the demonstration failed but it's because the balloon is charged and doesn't want to give it up because it's a it is a nonconductor. Friction can cause electric charge and that's exactly what happened when I touched  
this balloon and tried to discharge it.Through friction I may actually have charged it.If I take these party balloons that all of you may have seen and you just rub them 
on your shirt on your trousers they stick to my hand. 
They have charge on them. Whether it's positive or negative I don't know, I don'teven remember.It's not important.And so when I bring them to my hand, my hand is not a good conductor but you get 
induction, this phenomenon that we just discussed and so the two attract each other.The positive and the negative side attract each other.And you can stick them on the ceiling.Or you can stick them on the board.You can decorate your room that way.Very pretty isn't it.All that you can do now because of eight oh two.Now these heavy balloons may be a little bit more difficult.Also I'm wearing cotton. If you wear nylon or polyester it's much better. It's much 
easier to get oh that's good, that's a nice one, I think we need a blue one.There we go.So you see friction causes electricity.That's of course why the silk when we rubbed the glass and the cat fur we rub the 
rubber then we create charge on one. 
Of course if you make the glass positively charged your silk will be automatically negatively charged. When you comb your hair you may have noticed with dry weather that you hear  
some cracking noise. Cracking noise means sparks.  
And you will learn all about sparks in this course though not today.But you can hear it if you're very quiet.And as you do that you charge the comb. I can hear the cracking.Interesting. So the comb is now charged. Probably so am I and there it comes.See. It's not as good as the glass but same idea.If you take your shirt off and you make it and you make it dark in your dormitory 
and you stand in front of a mirror an amazing experience. 
And I'd be happy to do it for you because but I told you I really wear cotton and itdoesn't work with cotton so well.You really have to do it with a nylon shirt.And when you take that nylon shirt off not only do you hear the cracking but you 
actually see the glow of these teeny weeny little sparks.You actually are like a light bulb.It is an experiment that you cannot miss. And I would suggest you try that this 
weekend.Do it with a friend.That's even more fun.We'll all perhaps remember when you just walk around.Do your normal things during the day. There are rugs in rooms and you want to 
leave the room and you touch the doorknob and you get a shock. It's a spark thatflies over.It's electricity. 
Even when you touch a person you sometimes feel this shock.When you cook and you take saran wrap off these rolls the damn stuff just doesn'twant to come off because as you roll it off there is friction and it gets charged and itoften gets crumpled up and it's very bad, very difficult to handle it. 
You've all experienced that.Also cellophane around boxes with chocolate the same thing happens.As you take it off you charge it, whether you like it or not.I now want to do an experiment and I need a volunteer. 
I need a student who actually is wearing preferably not all cotton but I think Simon 
you have a beautiful wonderful nylon parka.So if you are willing to sacrifice a little bit for the sake of science and come over hereand sit down here. 
Just relax.Make sure that your feet are off the ground. OK.So what I'm going to do now Simon I'm going to beat you with cat fur.And as I beat you with cat fur you will get charged and since I don't want you to be 
the only person who suffers under this experiment I will also stand on an insulated stool so if you become for instance positively charged I don't know whether it's positive or negative I would get the other amount of charge.  
So we share in the charge.  
And as I beat you you will charge up more and more and I will charge up more andmore and then we will have to convince the class that that we are both charged.And we will do that in a way that will be hopefully rather convincing.I let me just start beating you a little bit.To make you feel at home.We know each other right.OK. Now of course as I mentioned to you these experiments work well when it is dry 
and so if you are too wet it won't work.But let's see if you sweat a little bit too much then it doesn't work too well. So weready? I have here in my hand a neon flash tube. And although we don't know yet 
what voltage is because we will learn about that in this course, to get a good flashout of these you need about a few thousand volts.And so we will see and we'll make it dark shortly and I will hold the flashlight, the 
flashlight in one hand, the neon discharge tube, and then Simon will touch it on the other side.  
And if we've succeeded then you may see some light.So Simon look at me first, don't touch it yet, because we're going to make it all theway dark. 
You know where it is, it's there, OK, make it darker Marcos. Touch it.Touch it. OK, try it again, touch it again. OK. Thank you.Can we have some light. 
[applause] Thank you very much.Equal charges repel each other.I've shown that, the demonstration with the balloons.Here we have an instrument which is called the Vandegraaff.It's named after Professor Vandegraaff, who invented it.It was an MIT professor.And this instrument, which I will not discuss in any detail though but you will 
understand it later on in the course, I'll tell you all about it later.Just think of this instrument as a super amber rod.And although we don't know yet what voltage is, I mentioned already the twenty 
thousand volts between Simon and me, in this instrument you have to think in terms 
of several hundred thousand volts.So this instrument is not without danger. But that of course makes it more excitingto work with it. 
So it's a super amber rod and what I will do first now is to put some confetti on topand when we turn on the Vandegraaff the confetti may at first go to the chargeddome, it is already on top of it, and when it picks up some of the charge it will thenspread out because it it will repel. 
So let's get some some light on there which will make it a little bit better to see. Let 
me put some of this on top. It's just regular confetti, pieces of paper.All right now all I have to remember is how to start the most of the action hasalready occurred. I will put a little bit more on. [laughter] If you see sparks don'tworry yet. 
[laughter] Put some more on. 
More and nothing left for the second class. [laughter] Make it perhaps a little darker.Ah that's too dark.[laughter] OK.We'll try it once more give it a zap so look at the confetti on top.And I think it's quite convincing.Some of the confetti will stay there. Well that's the reason that it's not a good 
conductor and so it get it first sucked in and if it doesn't get charge of theVandegraaff then it will not spread out.All right. 
So now let's try for the first time to be a little bit more quantitative.  
If I take two charges and we use in general we use for charge the symbol Q. So  
here we have Q one.  
And here we have Q two.  
And let's say they're separated by a distance R.  
And the unit vector in the direction from one to two I call that R roof one-two.  
The roof stands for unit vector.  
These charges are equal, both minus or both plus, then they will repel each other 
and so here there is a force F which I call one-two.It is the force on two due to number one and since action equals minus reaction 
force here is to one equal in magnitude but a hundred eighty degrees in opposite direction. Coulomb, the French physicist, who did a lot of research on this in the nineteenth  
eighteenth century actually. Coulomb found the following relationship.That the force is proportional to the product of the two charges.So it's Q one times Q two. Times a constant which nowadays we call Coulomb's 
constant, K.Divided by the distance between these charges squared.And it is in direction of the unit vector that goes from one to two.This is the force on number two due to one.And notice that this equation is sign sensitive.Because if Q one and Q two are both negative the source is in the the force is in this 
direction and if they are both positive it's also in this direction as I have it. 
However if the if one is positive and one is negative you get minus this direction so this force flips over and that one then obviously also flips over. In the SI units in this course we will use for the unit of charge the coulomb named  
after this great man.One coulomb charge is a horrendous amount of charge.More than you will ever see in your lifetime. We normally work with microcoulombs, 
sometimes even less than that.The charge of one proton, which is exactly the same as the charge of one electron, isapproximately one point six times ten to the minus nineteen coulomb. 
So one coulomb is something like six times ten to the eighteen protons or electrons if the charge is negative. This constant K in SI units is nine times ten to the ninth. And the unit you can find out because you know that this is newtons, this is coulomb squared and this is square meters.  
So the unit is newton square meters newtons square meters divided by squarecoulombs.But that's not so important. 
No one ever thinks of it that way.For historical reasons which may at times be a pain in the neck for you we write forK one divided by four pi epsilon zero. 
There is nothing magic about that.It's just a historical reason.And so one divided by four pi epsilon zero is nine times ten to the ninth. That's all 
that matters. 
This epsilon zero has a name it's called the permittivity of free space. But you canforget about that. It's not important the name.Notice that there is a clear parallel with gravity.Newton's law of gravity that the force, which in that case is always attracting, gravity 
never repels, is the product of two masses and then you have here the gravitational constant and again you have the distance squared.  
So there is an enormous parallel between the two.There's a great beauty that electricity acts in a way that is very parallel to the waythat gravity works. 
If I added a third charge, for instance here, Q three, and if now I want to know what the force is on Q two, then I use the superposition principle which we've used many times in eight oh one, and we say OK the net force on number two is the force due to number one plus the force from number three.  
If number three if this is positive and this is positive and this were negative then this force would be in this direction, F one, F three two and then the net force on number two would be the vectorial sum of these two.  
Is it obvious that the superposition principal works? Not at all.It's not at all obvious.Do we believe in it? Yes we do.Why do we believe in it? Because it's consistent with all experiments that we have 
done. 
But the superposition principle which is very powerful is really not a matter of course.  
But it works. We can always use it.  
And we will.  
If you compare eight oh one with eight oh two thereby comparing electricity with gravity you will see that electric forces are way more powerful than gravitational forces.  
And the way I can best show you that is by taking two protons which are a distance D apart.  
Here is a proton and here is a pro-proton and they are separated by a distance D. They repel each other.  
And the force by which they repel each other is of course extremely easy to calculate. We know Coulomb's law.  
That law is called after Coulomb.  
And so the force, the electric force with which they repel each other, this is just the magnitude now of the force, is the charge of the proton which is one point six times ten to the minus nineteen but I have to square that, I have to multiply it by Coulomb's constant, which is nine times ten to the ninth, and I divide it by D squared.  
That's the electric force. If I want to know the gravitational force, which is the force with which they attract each other, these are repelling forces, but I just want magnitudes here, then I have to take the mass of the proton, which is one point seven times ten to the minus twenty-seven I have to square that remember M one times M two times the gravitational constant.  
The gravitational constant in SI units is six point seven times ten to the minus eleven and I divide that by D squared.  
If now I compare the electric force with the gravitational force, so I divide one by the other, notice that the D cancels.  
They both have D squared downstairs.  
And so you will easily be able to show that this ratio is roughly ten to the thirty-six.  
So the electric force is thirty-six orders of magnitude more potent than the gravitational attraction.  
This teaches you some respect perhaps for eight oh two.  
If these were the only forces that acted on the protons and you bring them in the nucleus which has a size of only ten to the minus twelfth centimeters then the acceleration that the proton will experience is the electric force divided by the mass of the proton.  
F equals MA. Basis of eight oh one.  
And if you take this electric force when you make D ten to the minus twelfth centimeters which is ten to the minus fourteen meters and you calculate this ratio you will find that it is twenty-six orders of magnitude higher than the gravitational acceleration on earth.  
Twenty-six orders of magnitude higher. So you wonder what the hell holds the nucleus together.  
If there is such a tremendous force on these protons.  
Well, what is holding them together are the nuclear forces, which we do not fully understand, but thank goodness the nuclear forces are not part of eight oh two so I will leave that alone for now.  
So what holds our world together? Well on the nuclear scale ten to the minus twelve centimeters very important are the nuclear forces.  
On an atomic scale up to thousands of kilometers, it's really electric forces that hold our world together.  
But on a much larger scale, planets and stars and the galaxy, it is gravity that holds our world together.  
And now you may say ah that's very inconsistent with what you just told us because didn't you tell us that D cancels if you compare gravity with electricity.  
Yes, however, most objects are neutral or very close to neutral and so if you take the earth it is very unlikely even that the earth as a whole would have a charge of more than ten coulombs.  
That probably is already an exaggeration.  
So if I take the earth and I take the moon and I put on both a charge of ten coulombs, here's the earth and here's the moon, and I put say just arbitrarily ten coulombs here and that is put on here either minus, minus ten coulombs, so they will attract each other, but given their distance, it's almost nothing.  
The force is negligibly small.  
But of course the force of gravity, which is proportional to their masses, wins and in this particular case if you take the earth and the moon the gravitational force wins over the electric force by twenty-five orders of magnitude.  
So even though our immediate surroundings are dominated by electric forces, including your own body for that matter, the behavior of the universe on a large scale is dictated by gravity.  
We will use various instruments to measure charge in a quantitative way and one of the instruments that you will see we will use it often in the lectures that are to come, is called an electroscope.  
It's a very simple instrument.  
In general it is just a conducting rod. It could be aluminum, metal, and at the end are two pieces of tinsel, two pieces of aluminum foil, and often there is a nice knob here, and if I touch this with a charged object, then because this can conduct electricity, this can conduct the fire, as defined by Benjamin Franklin, if I touch it with an object which is positively charged, then this object will become positively charged.  
If I touch it with an object which is negatively charged it will become negatively charged.  
And you see now here these two very light pieces of aluminum foil will repel each other.  
And so you will see that this shows a certain angle, and the more charge there is the larger that angle.  
Sort of gives us a way of doing some quantitative measurements.  
There are other electroscopes which are not too different.  
There's one central rod and they would have one leaf hanging there and when you charge that one up then this leaf will go out and if the charge is more it will go out even further.  
I don't have an electroscope now here. But what I want you to see that if I charge myself up and I hold in my hands these Christmas tree tinsels, that in a way if I get enough charge on me, then these tinsels will spread out.  
It's an idea that immediately follows from the fact that you get a certain amount of charge, whether it's negative charge from me, or whether I'm positively charged, that doesn't make any difference, these tinsels will spread out.  
And of course the best way I can do that is if I charge myself with the Vandegraaff.  
And as I said earlier experiments of this nature are not entirely without risk.  
And so there's always the possibility of course that I don't survive this demonstration.  
[laughter] But don't worry because in that case there will be someone else who will lecture eight oh two except he is not likely to show this demonstration again.  
[laughter] So you might as well take a close look because this may be the only time you will ever see it.  
So I will give you some nice light on the Vandegraaff and it's always a scary moment for me, sleepless nights about the Vandegraaff.  
Am I going to turn it on, Marcos, or you have the courage to turn it on? You will turn it on? OK, hold it Marcos, this is too close for comfort. You ready? Are you nervous? Feel.  
[laughter] So look at the tinsels and try not to look at me please.Go ahead. I am now a living electroscope.[laughter] If the if the weather is cooperating today and if I had long hair you might 
even see that my hair would start to act like an electroscope.We can try that too.Why don't you throw it.[laughter] [applause] Is it working? OK, well, this weekend make sure you take this 
nylon shirt off in front of the mirror and enjoy your enjoy the experiment at home.Don't try this ever.See you Friday. [applause]
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    1강 : 전하, 분극과 전기력

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    3강 : 전기선 다발과 가우스의 법칙

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    4강 : 정전위, 전기 에너지와 등전위면

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    5강 : 등전위면, 전도체와 정전 차폐

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    6강 : 고압 파괴, 번개와 방전 불꽃

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    8강 : 분극, 절연체와 축전기

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    9강 : 전류, 저항성과 옴의 법칙

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강의 댓글 [ 4 ]

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스노우에 올려져 있는 강의는 링크가 잘못 되어 있고, 제대로 된 링크를 타고서 읽어보았는데, 월터 르윈박사의 전자의 대전 강의는 매우 흥미있고 재미있었습니다. 흔히 우리가 중, 고등학교 때 배운 간단한 전기와 비슷하지만요..
[2011/02/18 19:00.11]
분극에 대한 설명입니다. 전극반응에 있어서 음극과 양극 간에 전류가 흐르면 전극 간에 역기전력 같은 것이 생겨 전위가 변화합니다. 이것을 분극 이라고도 하는데 분극은 전류를 방해하는 방향으로 변화를 일으키므로 음의 저항력으로 작용하고, 전극 반응의 속도는 전위에 의해 결정되지 않고 분극의 크기에 따라서 결정됩니다. 출처: 네이버 백과사전
[2011/02/16 21:49.00]
번역중입니다
[2011/02/14 04:57.18]
강의내용질문 동영상이 전혀 다른건데요..
[2010/10/24 14:22.04]
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