전하(電荷, electric charge)는 물리학에서 전기적 상호작용을 매개하는 기본적인 물리량이다. 전하는 양전하와 음전하로 구분되며, 같은 종류의 전하끼리는 반발하고 다른 종류의 전하끼리는 서로 끌어당긴다. 전하는 전자, 양성자, 이온 등 미립자에 내재된 특성으로, 물질 내에서 전류, 전기장, 전자기파 등의 현상을 설명하는 근본적인 개념이다.
정의
전하는 전기력의 원천으로서, 쿨롱 법칙에 의해 두 전하 사이에 작용하는 힘 $F$는 다음과 같이 기술된다.
$$ F = k_e \frac{q_1 q_2}{r^{2}} $$
여기서 $q_1, q_2$는 각각의 전하량, $r$은 두 전하 사이 거리, $k_e$는 쿨롱 상수(≈ 8.988 × 10⁹ N·m²·C⁻²)이다.
기본 성질
| 특성 | 내용 |
|---|---|
| 보존 | 전하는 전기적 절연체 내부에서 이동하더라도 전체 전하량은 변하지 않는다(전하 보존 법칙). |
| 정량성 | 전하는 기본 전하 하나의 정수배로만 존재한다. 기본 전하 $e$는 약 $1.602 × 10^{-19}$ C이며, 전자는 $-e$, 양성자는 $+e$를 가진다. |
| 양극성 | 전하는 양전하와 음전하 두 종류가 존재한다. |
| 양자화 | 전하는 기본 전하 단위의 정수배만 가질 수 있다. |
단위
전하량의 국제단위계(SI) 단위는 쿨롱(C)이다. 1 C는 1 A·s(1 암페어·초)와 같다.
측정 방법
전하는 전류와 시간의 적분으로 측정할 수 있다.
$$
Q = \int I , dt
$$
또는 전위 차와 전기용량을 이용한 정전용량 법, 전자 현미경을 통한 직접 검출 등 다양한 실험적 방법이 존재한다.
전자기학에서의 역할
- 가우스 법칙: 전기장 $\mathbf{E}$와 전하 분포 $\rho$ 사이의 관계를 나타낸다.
$$
abla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\varepsilon_0} $$
- 맥스웰 방정식: 전하와 전류가 전자기장의 발생과 변화를 결정한다.
- 전기 회로: 전하 이동(전류)은 회로의 전압, 저항, 용량 등과 상호작용한다.
역사·어원
‘전하’는 한자 電荷를 음독한 것으로, ‘전(電)’은 전기, ‘하(荷)’는 실(荷물)이라는 의미를 갖는다. 서양 물리학에서 ‘electric charge’라는 개념은 18세기 후반 옴의 법칙·쿨롱의 실험 등을 계기로 체계화되었다. 한국어 표현 ‘전하’는 이러한 외래 과학 용어를 한자어로 번역하면서 정착하였다.
관련 개념
- 전위 (Electric Potential)
- 전류 (Electric Current)
- 전기장 (Electric Field)
- 전기용량 (Capacitance)
전하는 현대 물리학·공학·화학 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고, 전자·반도체 소자, 전력 시스템, 생물학적 전기 현상 등 실생활 기술의 기반을 이룬다.
