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그림과 같이 진공인 3차원 공간상의 네 지점에 각각 +5Q, -Q, -… | [변리사 1차] 18년 1회차 기출문제 상세 페이지

1[변리사 1차] 18년 1회차
그림과 같이 진공인 3차원 공간상의 네 지점에 각각 +5Q, -Q, -Q, -3Q의 전하가 놓여 있다. 
문제 이미지
중심이 원점에 있고 한 변의 길이가 3a인 정육면체 가우스(Gauss) 면을 통과하는 알짜 전기 선속(electric flux)은? (단, 진공의 유전율은 ϵ0이다.)
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해설

가우스 면 내부에 들어 있는 알짜 전하만이 전기 선속을 결정하므로 답은 +3Qϵ0+\dfrac{3Q}{\epsilon_0}이다.

그림에서 전하는 원점에 +5Q, x축의 x=ax=a에 −Q, y축의 y=ay=a에 −Q, z축의 z=2az=2a에 −3Q가 놓여 있다. 가우스 면인 정육면체는 중심이 원점이고 한 변이 3a이므로 각 축 방향으로 −1.5a≤x, y, z≤1.5a-1.5a\le x,\,y,\,z\le 1.5a 범위를 덮는다.

따라서 원점의 +5Q와 x=ax=a, y=ay=a의 −Q 두 개는 면 안에 있고, z=2a>1.5az=2a>1.5a인 −3Q만 면 바깥에 있어 선속에 전혀 기여하지 않는다.

가우스 법칙 ΦE=Qencϵ0\Phi_E=\dfrac{Q_{enc}}{\epsilon_0}에 Qenc=5Q−Q−Q=3QQ_{enc}=5Q-Q-Q=3Q를 대입하면 ΦE=3Qϵ0\Phi_E=\dfrac{3Q}{\epsilon_0}가 된다.

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