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두 종류의 유전율(ɛ1, ɛ2)을 가진 유전체가 서로 접하고 있는 경계… | [전기기사 필기] 21년 2회차 기출문제 상세 페이지

1[전기기사 필기] 21년 2회차
두 종류의 유전율(ɛ1, ɛ2)을 가진 유전체가 서로 접하고 있는 경계면에 진전하가 존재하지 않을 때 성립하는 경계조건으로 옳은 것은? (단, E1, E2는 각 유전체에서의 전계이고, D1, D2는 각 유전체에서의 전속밀도이고, θ1, θ2는 각각 경계면의 법선벡터와 E1, E2가 이루는 각이다.)
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E1cos⁡θ1=E2cos⁡θ2, D1sin⁡θ1=D2sin⁡θ2, tan⁡θ1tan⁡θ2=ϵ2ϵ1E_1\cos\theta_1 = E_2\cos\theta_2,\ D_1\sin\theta_1 = D_2\sin\theta_2,\ \dfrac{\tan\theta_1}{\tan\theta_2} = \dfrac{\epsilon_2}{\epsilon_1}
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E1cos⁡θ1=E2cos⁡θ2, D1sin⁡θ1=D2sin⁡θ2, tan⁡θ1tan⁡θ2=ϵ1ϵ2E_1\cos\theta_1=E_2\cos\theta_2,\ D_1\sin\theta_1=D_2\sin\theta_2,\ \dfrac{\tan\theta_1}{\tan\theta_2}=\dfrac{\epsilon_1}{\epsilon_2}
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E1sin⁡θ1=E2sin⁡θ2, D1cos⁡θ1=D2cos⁡θ2, tan⁡θ1tan⁡θ2=ϵ2ϵ1E_1\sin\theta_1 = E_2\sin\theta_2,\ D_1\cos\theta_1 = D_2\cos\theta_2,\ \dfrac{\tan\theta_1}{\tan\theta_2} = \dfrac{\epsilon_2}{\epsilon_1}
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E1sin⁡θ1=E2sin⁡θ2, D1cos⁡θ1=D2cos⁡θ2, tan⁡θ1tan⁡θ2=ϵ1ϵ2E_1\sin\theta_1=E_2\sin\theta_2,\ D_1\cos\theta_1=D_2\cos\theta_2,\ \dfrac{\tan\theta_1}{\tan\theta_2}=\dfrac{\epsilon_1}{\epsilon_2}
해설

경계면에 진전하가 없을 때의 조건은 맥스웰 방정식에서 바로 나온다. 경계면을 가로지르는 미소 폐경로에 ∮E⋅dl=0\oint E\cdot dl=0 을 적용하면 전계의 접선성분이 연속이고, 경계면을 감싸는 미소 원통에 ∮D⋅dS=0\oint D\cdot dS=0 을 적용하면 전속밀도의 법선성분이 연속이다.
θ\theta 가 법선과 EE 가 이루는 각이므로 접선성분은 Esin⁡θE\sin\theta, 법선성분은 Dcos⁡θD\cos\theta 이다. 따라서
E1sin⁡θ1=E2sin⁡θ2E_1\sin\theta_1=E_2\sin\theta_2, D1cos⁡θ1=D2cos⁡θ2D_1\cos\theta_1=D_2\cos\theta_2
두 번째 식에 D=ϵED=\epsilon E 를 넣으면 ϵ1E1cos⁡θ1=ϵ2E2cos⁡θ2\epsilon_1E_1\cos\theta_1=\epsilon_2E_2\cos\theta_2 이고, 첫 식을 이 식으로 나누면
tan⁡θ1ϵ1=tan⁡θ2ϵ2  ⇒  tan⁡θ1tan⁡θ2=ϵ1ϵ2\dfrac{\tan\theta_1}{\epsilon_1}=\dfrac{\tan\theta_2}{\epsilon_2}\;\Rightarrow\;\dfrac{\tan\theta_1}{\tan\theta_2}=\dfrac{\epsilon_1}{\epsilon_2}
그러므로 접선 EE 연속, 법선 DD 연속에 tan⁡θ1tan⁡θ2=ϵ1ϵ2\dfrac{\tan\theta_1}{\tan\theta_2}=\dfrac{\epsilon_1}{\epsilon_2} 가 붙은 조합이 옳다.

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