「물질의 전기적 특성」 단원은 전하 사이에 작용하는 전기력에서 출발해, 고체를 도체·반도체·절연체로 나누는 에너지띠, p형·n형 반도체와 다이오드, 발광 다이오드(LED)의 빛까지 이어지는 내용을 다룹니다. 아래 20문항으로는 쿨롱 법칙 계산이 되는지, 띠 간격과 빛의 파장을 연결하는지, 순방향·역방향 전압에서 다이오드 안의 변화를 구분하는지 확인합니다.
📝 물질의 전기적 특성 시험지 — 20문항, 정답·해설은 뒤쪽 별지
이름
날짜
점수/100
배점 · 20문항 · 한 문항 5점 · 100점 만점 · 권장 풀이 시간 30분 · 기본·보통·심화가 섞여 나옵니다(정답·해설은 별지).
‘PDF 만들기’를 누르면 화면과 같은 문제로 A4 PDF 파일이 내려받아지고, 폰에서도 됩니다. 같은 학년·같은 과목 문제는 하루에 한 번 만들어지고, 그날은 같은 문제가 다시 나옵니다. 인쇄물 맨 위에 이름·날짜·점수 칸이 함께 찍힙니다.
원장 한마디
저는 수학을 가르치는 사람이라 물리학Ⅰ 내용 자체에는 보탤 말이 없습니다. 시험지 한 장을 집에서 어떻게 다루면 좋은지만 적습니다.
옆에서 풀이를 짚어 주지 마시고, 시간을 넉넉히 준 채로 지켜만 보세요. 쿨롱 법칙 계산처럼 손으로 써야 하는 문항은 암산으로 넘기지 말고 식을 한 줄씩 적게 하십시오. 틀려도 괜찮습니다.
채점하고 나면 틀린 번호에만 표시해 둡니다. 그 자리에서 바로 고쳐 맞히는 것보다, 몇 주 지나 내용을 잊었을 때 그 번호만 다시 풀어 보는 쪽이 낫다고 저는 봅니다. 화면에서 풀고 싶으시면 학습지 만들기 쪽을 쓰셔도 됩니다.
— 수학의 신호 원장
물질의 전기적 특성, 무엇을 배우나
먼저 쿨롱 법칙 F = kq₁q₂/r²로 두 점전하 사이의 전기력 크기를 구하고, 부호가 같으면 척력, 다르면 인력이라는 점을 함께 판단합니다. 거리가 2배가 되면 힘이 4분의 1이 되는 식으로 전하량과 거리의 변화를 비례·반비례로 읽는 것이 기본입니다.
그다음은 고체의 에너지띠입니다. 원자가 띠와 전도띠가 겹치면 도체, 띠 간격이 작아 상온에서 일부 전자가 전도띠로 올라가면 반도체, 띠 간격이 매우 크면 절연체입니다. 규소에 붕소를 넣으면 양공이 주된 운반자인 p형, 비소를 넣으면 전자가 주된 운반자인 n형이 됩니다.
p형과 n형을 접합한 다이오드는 순방향 전압에서 전류가 흐르고 역방향에서는 거의 흐르지 않습니다. LED는 순방향에서 전자가 양공과 결합하며 띠 간격만큼의 에너지를 빛으로 내므로, 띠 간격이 클수록 광자 에너지가 크고 파장은 짧아집니다. 수소 원자의 에너지 준위 차로 파장을 비교하는 문항도 같은 원리입니다.
전기적 특성에서 헷갈리는 지점
인력과 척력은 따로 판단 힘의 크기는 전하량의 곱과 거리로 정해지고, 인력인지 척력인지는 부호로 따로 정해집니다. 전하를 -2Q로 바꾸고 거리를 2r로 늘리는 문항에서는 크기와 종류를 함께 답해야 합니다.
파장과 진동수의 방향 파장은 λ = hc/E로 에너지에 반비례합니다. 띠 간격이 큰 쪽이 광자 에너지와 진동수는 크고 파장은 짧습니다. 2.0 eV는 약 620 nm, 2.8 eV는 약 443 nm입니다.
순방향과 역방향 구분 p형 쪽에 (+)극을 연결하면 순방향이라 공핍층이 좁아지고 전류가 흐릅니다. 반대로 연결하면 공핍층이 넓어져 전류가 거의 흐르지 않으므로, 연결 극을 먼저 확인해야 합니다.
시험지에서 뽑아 본 문제
고체의 에너지띠에 대한 설명으로 〈보기〉에서 옳은 것만을 있는 대로 고른 것은? 〈보기〉 ㄱ. 절연체는 반도체보다 원자가 띠와 전도띠 사이의 띠 간격이 크다. ㄴ. 도체는 띠 간격이 매우 커서 전자가 전도띠로 올라가기 어렵다. ㄷ. 순수한 반도체는 온도가 높아지면 전도띠에 있는 전자의 수가 늘어난다. ① ㄱ ② ㄱ, ㄷ ③ ㄴ, ㄷ ④ ㄱ, ㄴ, ㄷ정답 · ② ㄱ, ㄷ — 절연체는 반도체보다 띠 간격이 커서 전자가 전도띠로 거의 올라가지 못하므로 ㄱ은 옳다. 순수한 반도체는 온도가 높아지면 열에너지를 얻어 전도띠로 올라가는 전자가 늘어나므로 ㄷ도 옳다. 도체는 원자가 띠와 전도띠가 겹
위 자료에 대한 설명으로 〈보기〉에서 옳은 것만을 있는 대로 고른 것은? 〈보기〉 ㄱ. X는 p형 반도체이다. ㄴ. Y에서 전류를 흐르게 하는 주된 전하 운반자는 전자이다. ㄷ. X에 전원 장치의 (-)극, Y에 (+)극을 연결하면 접합면을 지나 전류가 잘 흐른다. 순수한 규소(Si)에 서로 다른 불순물을 소량 첨가해 반도체 X, Y를 만들었다. X에는 원자가 전자가 3개인 붕소(B)를, Y에는 원자가 전자가 5개인 비소(As)를 첨가했다. X와 Y를 접합하여 다이오드를 만든 뒤 전원 장치에 연결해 전류를 측정한다. ① ㄱ ② ㄴ, ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄴ, ㄷ정답 · ③ ㄱ, ㄴ — 원자가 전자가 3개인 붕소를 첨가한 X는 양공이 주된 전하 운반자인 p형이고, 5개인 비소를 첨가한 Y는 전자가 주된 전하 운반자인 n형이므로 ㄱ, ㄴ은 옳다. p형인 X에 (-)극, n형인 Y에 (+)극을 연결하면
수소 원자에서 양자수 n인 상태의 에너지 준위는 Eₙ = −13.6/n² (eV)이다. 다음 전이 중 방출되는 빛의 파장이 가장 긴 것은? ① n=4에서 n=1로 전이 ② n=4에서 n=2로 전이 ③ n=3에서 n=2로 전이 ④ n=4에서 n=3으로 전이정답 · ④ n=4에서 n=3으로 전이 — 방출되는 광자의 에너지는 두 준위의 에너지 차이며, 파장은 광자 에너지에 반비례한다. 에너지 차는 4→1이 약 12.75 eV, 4→2가 약 2.55 eV, 3→2가 약 1.89 eV, 4→3이 약 0.66 eV로
LED A와 B에 각각 순방향 전압을 걸어 빛을 내게 하였다. 두 LED가 내는 빛에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 방출되는 광자의 에너지는 띠 간격과 같고 hc=1240 eV·nm이다.) 발광 다이오드(LED)에서는 전도띠의 전자가 양공과 결합하며 띠 간격에 해당하는 에너지의 빛을 낸다. LED A를 이루는 반도체의 띠 간격은 2.48 eV이고, LED B를 이루는 반도체의 띠 간격은 1.77 eV이다. ① A가 내는 빛의 파장은 약 500 nm이고, B가 내는 빛은 A보다 진동수가 작다. ② A가 내는 빛의 파장은 약 700 nm이고, B가 내는 빛은 A보다 진동수가 작다. ③ A가 내는 빛의 파장은 약 500 nm이고, B가 내는 빛은 A보다 진동수가 크다. ④ A가 내는 빛의 파장은 약 700 nm이고, B가 내는 빛은 A보다 진동수가 크다.정답 · ① A가 내는 빛의 파장은 약 500 nm이고, B가 내는 빛은 A보다 진동수가 작다. — A의 파장은 λ=1240/2.48=500 nm이고 B의 파장은 1240/1.77≈700 nm이다. 광자 에너지가 작은 B의 빛이 진동수가 더 작고 파장이 더 길다.
시험지는 같은 단원의 기본·보통·심화 문항을 섞어 20개로 냅니다. 위 문제는 그 가운데 몇 개를 옮겨 놓은 것입니다.
물질의 전기적 특성 시험지에 나오는 문항 모양
선다
단답
집에서 공부하는 순서
먼저 쿨롱 법칙 계산을 하루 10분 정도 반복합니다. 전하량의 10⁻⁶ 단위와 거리의 제곱을 정확히 넣어 크기를 구한 뒤, 부호를 보고 인력인지 척력인지를 따로 적는 순서를 몸에 익히는 것이 좋습니다.
다음 날부터는 에너지띠 그림을 직접 그려 도체·반도체·절연체를 나누고, p형·n형의 운반자와 순방향·역방향 연결을 말로 설명해 봅니다. 마지막으로 hc = 1240 eV·nm를 쓰는 LED와 수소 원자 전이 계산을 하루 한두 문제씩 풀며 에너지가 클수록 파장이 짧다는 방향을 확인합니다.