정전기 현상의 원리

Last Updated on 2022-09-30 by BallPen

대전체가 도체와 부도체를 끌어당기는 정전기 현상의 원리를 알아봐요.

정전기 현상은 일상 생활에서 많이 경험할 수 있습니다. 특히 상대적으로 대기가 건조한 겨울철에 주로 나타나는데요.

겨울철에 옷을 벗을때 따끔따금하거나 금속으로 된 문손잡이를 잡을 때 따금하는 통증이 모두 정전기 현상이죠.

또한 플라스틱 자를 헝겊으로 마찰하면 플라스틱 자에 종이조각이 달라붙는 현상도 대표적인 정전기 현상으로 잘 알려져 있어요.

이번 글에서는 정전기란 무엇이고 정전기가 물체를 끌어당기고 밀어내는 원리를 설명드립니다.

아래는 이번 글의 목차입니다.

1. 정전기란?

정전기란 멈춰있는 전기를 말합니다. 전기는 전하량을 갖는 전하와 아주 관련이 깊은데요. 전하와 관련된 개괄적 내용은 이전 글을 참조해 주세요.

따라서 정전기는 전기적 성질을 갖는 전하가 자유롭게 움직이지 못하고 정지해 있는 것을 말합니다. 그렇다면 정지한 전하는 어떻게 만들 수 있을까요?

가장 쉬운 방법은 물체와 물체를 마찰하면 마찰 전기, 즉 정전기가 생성됩니다. 예를 들어 명주헝겊으로 고무막대를 마찰하면 명주헝겊은 양전하로 대전되고 고무막대는 음전하로 대전됩니다.

이때 이전 글에서 말씀드린 것처럼 양전하와 음전하는 새로 생기는 것이 아닙니다.

마찰과정에서 중성상태의 명주헝겊에 있는 음전하가 중성상태의 고무막대로 이동하여 명주헝겊에는 양전하가 더 많이 존재하고 고무 막대는 음전하가 상대적으로 더 많이 존재하게 되죠.

그래서 명주헝겊은 양전하로 대전되고 고무막대는 음전하로 대전된다고 말하는 것입니다.

그런데 중요한 것은 명주헝겊과 고무막대는 모두 전하가 잘 움직일 수 없는 부도체일 뿐만 아니라 전하가 외부로 움직일 수 있는 경로가 제공되지 않는다면 고립되어 있을 수 밖에 없어요..

따라서 마찰로 만들어진 명주헝겊에 있는 양전하는 다른 곳으로 움직여가지 못하고 멈춰있다고 말해요. 고무막대에 있는 음전하도 움직이지 못하고 멈춰있어요.

그렇다면 부도체에 형성된 양전하와 음전하가 영원히 계속 존재할까요? 그렇지는 않습니다. 공기 중의 습도가 높게 되면 공기분자와 결합되어 중성상태로 돌아갑니다.

또한 일시적으로 쌓여진 전하가 무척 많게 되면 다른 물체와 근접했을 때 쌓여진 전하가 급속이 이동할 수 있는 경로가 만들어지면서 방전되기도 합니다.

이 현상이 겨울철에 옷을 벗고 문고리를 잡았을 때 따금하는 현상을 일으킵니다. 바로 축적된 전하가 방전되는 과정에서 사람이 감전되는 것으로 볼 수 있답니다.

또한 대전된 플라스틱에 종이가 달라붙는 현상도 정전기 현상의 하나입니다.

도체의 경우에도 정전기유도라는 실험을 통해 정전기를 만들 수 있어요. 다만 이 대전된 도체가 다른 금속과 연결되면 전하가 아주 빠르게 이동하여 정전기가 모두 사라지게 됩니다.

이번 글의 핵심은 정전기를 갖는 대전체가 다른 물질을 끌어당기고 밀어내는 현상에 대한 원리입니다.

그 원리를 구체적으로 알아보겠습니다.

2. 대전체와 도체 사이의 정전기 현상

마찰로 대전된 고무 막대를 도체인 중성상태의 금속 물체에 가까이 가져가면 금속 물체가 고무 막대 쪽으로 끌려오게 됩니다.

그리고는 고무 막대와 금속물체가 접촉하게 되죠. 그리고는 신기하게도 금속물체가 고무 막대로부터 떨어져 나가게 됩니다.

이러한 현상이 왜 일어날까요? 그것은 도체의 정전기유도 현상과 관련이 있습니다.

2-1. 정전기유도

[그림 1]은 정전기유도 현상을 보여주는 그림입니다.

[그림 1] 도체에서의 정전기 유도 현상에 의해 도체구가 대전체 쪽으로 끌려오기도 하고 멀어지기도 합니다. 빨강색 동그라미가 음전하, 파랑색 동그라미가 양전하입니다.
[그림 1] 도체에서의 정전기 유도 현상에 의해 도체구가 대전체 쪽으로 끌려오기도 하고 멀어지기도 합니다. 빨강색 동그라미가 음전하, 파랑색 동그라미가 양전하입니다.

[그림 1(a)]는 대전되지 않은 고무막대와 도체구가 가까이 있을 때의 모습입니다. 두 물체는 모두 대전되지 않아 전기적 성질이 나타나지 않아요. 그래서 아무런 현상도 없습니다.

[그림 1(b)]는 음전하로 대전된 고무막대를 도체구에 가까이 가져갔을 때의 모습입니다. 고무막대가 음전하로 대전되어 있으니 도체구 내부에서 음전하가 멀리 밀려나고 상대적으로 양전하는 고무막대 가까이 존재합니다.

이와 같이 중성상태였던 도체구에서 전하가 분리되는 현상을 ‘정전기유도(electrostatic induction)’라고 말합니다. 이 현상이 나타나는 이유는 두가지가 있습니다.

첫째, 같은 전하끼리는 척력이 작용하고 서로 다른 전하끼리는 인력이 작용하기 때문이고요. 두번째는 도체구내에서는 전하가 자유롭게 이동할 수 있기 때문입니다.

정전기 유도 현상이 일어나면 고무막대의 음전하로부터 도체구에 유도된 양전하가 음전하보다 더 가깝기 때문에 인력이 척력보다 우세하게 일어납니다. 따라서 그림과 같이 도체구는 고무막대 쪽으로 끌려오게 됩니다.

[그림 1(c)]는 끌려온 도체구가 고무막대와 접촉하는 순간을 보여주고 있어요. 그러면 무슨일이 일어날까요? 바로 고무막대에 있던 음전하 중 일부가 도체구의 양전하와 만나 중성이 됩니다.

그러면 [그림 1(d)]와 같은 현상이 이어져서 벌어져요.

양전하는 고무막대의 음전하와 만나 중성이 되어 사라지고 음전하가 고무막대와 도체구에 모두 분포합니다. 그러면 그림과 같이 척력이 작용하여 도체구가 고무막대로부터 튕겨 나가게 됩니다.

이상과 같이 대전된 물체가 도체구 가까이 있게 되면 도체구는 대전된 물체 쪽으로 끌려 접촉한 후 다시 멀어지게 됩니다.

실제로 이 실험을 위해서는 무거운 금속구로 하기에는 현실적으로 어렵습니다. 그래서 전도성이 좋은 흑연을 가벼운 스티로폼 구에 발라 실험을 할 수 있어요.

3. 대전체와 부도체 사이의 정전기 현상

이번에는 대전된 물체와 부도체 사이에서 벌어지는 정전기 현상을 설명드립니다.

금속구의 경우에는 전하의 이동이 자유롭기 때문에 정전기 유도 현상에 의해 금속구가 끌려오고 접촉 후 다시 멀어지는 현상을 이해하기 쉬워요.

그러나 부도체는 도체인 금속구보다 전하의 이동이 어려워 정전기유도 현상이 일어나지 않아요.

그런데도 아래 [그림 2]와 같이 대전된 플라스틱 막대를 종이조각에 가까이 가져가면 종이조각이 달라붙는 현상이 벌어져요.

이 부도체에서의 정전기 현상을 어떻게 설명할 수 있을까요? 이 현상을 이해하기 위해서는 ‘전기쌍극자(electric dipole)’라는 개념을 이해해야 합니다.

[그림 2] 대전된 플라스틱 막대에 부도체인 종이가 달라 붙는 정전기 현상을 볼 수 있습니다.
[그림 2] 대전된 플라스틱 막대에 부도체인 종이가 달라 붙는 정전기 현상을 볼 수 있습니다.

3-1. 전기쌍극자

아래 [그림 3]은 원자모형을 보여주고 있습니다. 원자는 물질을 구성하는 가장 작은 단위에요. 이 세상에 있는 물질을 계속 잘라보면 나중에는 원자로 쪼개지게 됩니다.

원자는 중심에 양전하를 가진 무거운 핵이 있고 그 주변에 음전하인 전자가 대칭적으로 회전하고 있어요. 이때 핵에는 양전하를 가진 양성자 뿐만 아니라 중성의 입자인 중성자도 함께 있는데 그림에는 그리지 않았어요.

그래서 핵은 전자보다 아주 무거워요. 또한 중심에 있는 양전하의 갯수와 주변을 돌고 있는 음전하의 갯수가 서로 같아요.

그런데 [그림 3(a)]와 같이 핵 주변을 돌고 있는 전자는 대칭적으로 돌게 됩니다. 즉 음전하인 전자의 회전 중심이 양전하가 있는 핵의 위치와 일치합니다.

그래서 원자를 아주 멀리서 본다고 가정하면 양전하와 음전하의 갯수가 서로 같고 전하량도 동일하므로 중성상태가 된답니다.

[그림 3] 원자는 중심의 양전하와 주변을 대칭적으로 돌고 있는 음전하로 구성되어 있습니다. 따라서 원자를 멀리서 보게되면 중성이 됩니다. 그러나 이 원자에 대전체가 가까이 놓이게 되면 양전하와 음전하의 공간적 대칭성이 달라져 전기쌍극자가 형성됩니다.
[그림 3] 원자는 중심의 양전하와 주변을 대칭적으로 돌고 있는 음전하로 구성되어 있습니다. 따라서 원자를 멀리서 보게되면 중성이 됩니다. 그러나 이 원자에 대전체가 가까이 놓이게 되면 양전하와 음전하의 공간적 대칭성이 달라져 전기쌍극자가 형성됩니다.

그러나 [그림 3(b)]와 같이 대전된 물체가 가까이 놓이게 되면 원자의 대칭적 배치가 달라지게 됩니다. 즉 음전하로 대전된 고무막대가 있을 때 고무막대와 가까운 곳에 원자의 음전하가 있기를 싫어 하잖아요.

그렇다고 도체처럼 핵 주변을 돌고 있던 전자가 떨어져 자유롭게 움직일수도 없어요. 그러면 음전하 입장에서는 핵 주변을 돌면서도 최대한 고무막대로부터 멀어지려고 합니다. 그래서 그림과 같이 음전하의 회전중심이 달라져요.

반면에 양전하는 아주 무겁기 때문에 음전하처럼 쉽게 움직여갈 수 없어요. 거의 그자리에 머물러 있는 것으로 보시면 됩니다

결국 [그림 3(b)]의 원자를 멀리서 보게되면 [그림 3(c)]처럼 마치 양전하와 음전하가 아주 가까이 존재하는 모양으로 나타나게 됩니다. 이것을 ‘전기쌍극자’라고 합니다.

바로 원자 세계에서의 전기쌍극자가 대전체와 부도체 사이에서의 정전기 현상을 일으켜요.

3-2. 유전분극

[그림 4] 대전체가 중성인 종이조각 가까이 놓이게 되면 종이조각에 수많은 전기쌍극자가 형성되는 유전분극 현상이 발생합니다.
[그림 4] 대전체가 중성인 종이조각 가까이 놓이게 되면 종이조각에 수많은 전기쌍극자가 형성되는 유전분극 현상이 발생합니다.

[그림 4]는 부도체인 종이조각에 음전하로 대전된 고무막대가 가까이 접근한 그림입니다. 그러면 위에서 설명드렸던 전기쌍극자가 종이조각에 형성되요.

이와 같이 부도체에 수많은 전기쌍극자가 형성되는 현상을 ‘유전분극(polarization)’이라고 합니다.

이 유전분극은 [그림 4]에서 처럼 음전하로 대전된 고무막대 가까이에 전기쌍극자의 양전하가 배치되고 음전하는 그 반대쪽에 배치됩니다. 결국 고무막대의 음전하와 전기쌍극자의 양전하가 음전하보다 가깝게 배치되어 있어 척력보다 인력이 우세하게 작용해요.

그래서 종이조각이 고무막대로 들러붙게 됩니다.

한편 이 실험을 해본 사람은 알겠습니다만, 종이조각도 경우에 따라서는 한번 대전체에 붙었다고 다시 튕겨 떨어져 나가는 것들이 있어요.

이 현상은 대전체의 전하가 종이 조각쪽으로 이동하여 전기쌍극자에 의한 인력보다 이동된 전하 사이의 척력이 더 강해지기 때문으로 해석할 수 있어요.

즉, [그림 4]가 고무막대와 종이조각이 붙어 있는 상황이라면 고무막대의 음전하가 종이조각 쪽으로 이동할 수도 있을거에요. 그러면 고무막대와 종이조각이 모두 음전하로 대전되어 종이조각이 고무막대로부터 튕겨 나가게 되는 것입니다.

이상으로 대전체와 물체 사이에 작용하는 정전기 현상의 원리 설명을 마칩니다.

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