영상법
영상법(映像法, )은 라플라스 방정식의 경계값 문제를 좀 더 쉬운 다른 문제로 바꾸어 푸는 방법이다. 영상법의 타당성은 유일성의 정리에 의해 증명된다. 이 때, 바뀐 문제에서는 원래 문제의 전하에 대응하는 가상의 전하를 추가하므로, 이 가상의 전하를 마치 거울에 비치는 영상에 비유한 것이다.
무한한 도체 평면 위에 전하가 있다고 하자. 그렇다면 정전기 유도에 의하여 도체 표면에 전하가 유도된다. 이러한 계에서 공간 모든 위치의 전위를 계산하는 정전기학 문제를 생각해 보자. 도체 표면 위의 전위는 일정하므로, 이를 편의상 0으로 놓자.
이러한 문제는 직접 계산하기 힘들지만, 그림과 같이 평면 반대쪽에 정확하게 같은 위치에 있지만 그 부호가 다른 전하를 가상으로 추가하고, 도체 평면을 없애자. 이 문제는 비교적 쉽게 풀 수 있다. 이 새로운 문제에서는 대칭에 따라 서로 부호가 다른 두 전하 정중앙에서는 전위가 정확히 0이다. 즉, 새로운 문제의 해는 원래 문제의 디리클레 경계 조건 (즉, 평면 위에 전위가 0인 것)을 만족한다. 라플라스 방정식의 경계 조건을 만족시키는 해는 유일하므로, 원래 문제의 해는 새로운 문제의 해와 (도체 위의 부분에서) 같다.
가장 간단한 예는 그림과 같이 하나의 점전하가 있는 경우지만, 임의의 전하 분포에 대해서도 사용할 수 있다.
구면에서도 영상법을 적용할 수 있다. 그림과 같이, 반지름 formula_1의 도체 구면 안에 점전하 formula_2가 구 한가운데에서 formula_3만큼 떨어져 있는 곳에 있다고 하자. 이 경우도 마찬가지로 정전기 유도에 의하여 도체 표면에 디리클레 경계 조건을 적용하여야 한다. 평면의 경우와 마찬가지로, 도체 표면의 전위를 0으로 놓자.
이 문제는 다음과 같이 바꿀 수 있다. 그림과 같이, 구의 중심에서 formula_4만큼 떨어진 곳에 가상의 전하 formula_5를 놓자. 그렇다면 이 새 문제의 해는 원래 문제의 디리클레 경계 조건을 만족한다는 사실을 계산으로 확인할 수 있다.
구면 밖에 전하가 위치해 있는 경우나 점전하 대신 임의의 전하 분포가 있는 경우도 마찬가지로 다룰 수 있다.
선형 유전체는 formula_6를 만족하는 물질이다. 전기 감수율 formula_7를 가지는 유전체 내부에 전하량 formula_2를 가지는 입자를 위치시킨다고 가정해보자. 입자가 유전체 내부에 배치되는 순간, 구속 전하가 입자가 만드는 전기장에 의해 재배열되고, 구속 전하와 원래 입자에 의한 새로운 전기장이 유도된다. 이때, 유도되는 구속 전하 밀도는formula_9와 같이 주어진다. 입자에 의한 formula_10와 유도되는 formula_11를 합하면 전체 전하량 formula_12을 얻을 수 있다. 또한 상대유전율은 전기 감수율과 formula_13의 관계를 가지기 때문에 정리하면 formula_14을 얻을 수 있다.
진공에 놓인 도체 평판과 동일하게, formula_15에서 유전율 formula_16, formula_17에서 유전율 formula_18을 가지는 유전체가 formula_19에서 직선 경계를 가진다고 생각하자. 이때 경계면과 formula_20만큼 떨어진곳에 전하량 formula_2를 가지를 입자를 위치했을때 생기는 전위는 영상법을 이용해 계산 가능하다. formula_15에서의 전위를 formula_17에 영상 전하 formula_24를, formula_17에서의 전위를 formula_15에 영상 전하 formula_27를 위치시켜 계산하면
formula_28
formula_29과 같이 식을 얻을 수 있다. 전위는 연속적이고, 경계면에서 자유 전하가 존재하지 않음으로 formula_19에서 경계조건은 formula_31, formula_32으로 주어진다. 변위장은 formula_33을 만족하므로, 두번째 조건을 formula_34와 같이 변위에 대해 바꿀 수 있다.
formula_35으로 두면, 경계조건은 formula_24, formula_27에 대해 다음 두 식을 만족한다.
formula_38
formula_39
이를 다시 formula_24, formula_27에 대해 정리하면 formula_42, formula_43이다.
따라서, 영상전하는 formula_44, formula_45과 같이 주어지며, 각 영역에서의 전위는
formula_46
formula_47이다.
먼저 입자에 의한 전기장에 의해 유도되는 구속 전하를 계산해 선형 유전체 내에서의 상황을 진공에서의 상황으로 바꾸어 접근할 수 있다. 입자를 유전체 내부에 위치했을 때 전위에 관여하는 전하는 4개이다.
1, 2에 의한 총전하량은 formula_49으로 주어진다. formula_15에서의 전위는 3, 4에 의한 영향을 formula_17영역에 경계면으로부터 formula_20만큼 위치한 영상 전하 formula_24으로 대신해서 다음과 같이 얻을 수 있다. formula_54
이때, 유전체에 의한 효과를 구속 전하로 치환해 전위를 구할 때 유전체의 효과를 나타내는 formula_55대신 진공에서의 formula_56를 사용한다. 마찬가지로, formula_17에서의 전위는 다음과 같이 주어진다.formula_58
이때, 대칭적 구조에 의해 영상 전하는 formula_15과 반대의 지점에 위치하게 된다.
formula_35으로 두면, 경계조건은 formula_24, formula_27에 대해 다음 두 식을 만족한다.
formula_63
formula_64
이를 다시 formula_24, formula_27에 대해 정리하면 formula_67, formula_68이다.
따라서, 영상 전하는 formula_69와 같이 주어지며, 각 영역에서의 전위는
formula_46
formula_71와 같다.
formula_72이므로, 직접 영상법을 이용해 계산한 전위와 구속 전하를 먼저 계산한 이후 영상법을 사용한 전위가 동일한 것을 확인할 수 있다.
영상법을 통해 구한 구조에서 전하량 formula_2의 입자가 받는 힘은 formula_74으로 주어진다.
formula_75의 거리만큼 떨어진 두 실제 입자계의 에너지는 formula_76와 같이 주어진다.
영상 전하-전하 쌍의 경우 에너지는 formula_77으로, formula_78를 만족한다.
이는 formula_79을 생각했을때, 영상법의 경우 도체 내부에서 전기장이 없기 때문에 전하-전하쌍에 비해 에너지가 반으로 준다는 것을 확인할 수 있다.
각 경우에 구한 전위를 바탕으로 공간에 유도되는 전하를 계산했을때, 유도 전하량과 영상법을 사용할 때 임의로 잡은 영상 전하의 전하량이 일치하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 영상 전하의 기원은 실제로 유도되는 전하의 분포에서 온다고 볼 수 있다.
영상법을 이용해 구한 전위는 formula_80으로 주어진다. 이때, 실제로 도체 표면에 유도되는 전하량을 구하기 위해 formula_81를 사용하면 formula_82를 얻을 수 있다.
따라서 유도되는 총 전하량은 formula_83와 같다.
즉, 도체 표면에 실제로 유도되는 전하량은 도체 위에 위치한 전하량과 크기는 같고 부호는 반대이다.
영상법을 이용해 구한 전위는
formula_46, formula_71으로 주어진다.
마찬가지로 각 표면에 유도되는 구속 전하는 formula_86와 같다.
이때 표면에 유도되는 전하량은 formula_87이다.