04. 전기의 발생

1. 마찰 전기와 전기력

우리는 일상 생활에서 전기를 사용한다. 그런데 전기, 전기 라고 매번 편하게 말하지만 실제로 전기가 무엇인지에 대한 생각을 자주 하고 살아가지는 않는다. 중학교 과정에서 전기의 모든 것에 대해 다루지는 않지만 어느 정도 전기와 친숙해질 수 있는 계기는 될 수 있다. 이번 글에서 우리는 일상 생활에서 볼 수 있는 수많은 전기들 중 하나인 '마찰 전기'에 대해서 볼 것이다.

공기가 건조해지는 겨울철이 되면 쇠붙이나 도체(심지어는 사람간에도) 사이에 스파크가 튀기는 '정전기'를 경험해 본 적이 한번쯤은 있을 것이다. 정전기가 잘 일어나는 사람의 경우 '전기인간'이라는 칭호를 받기도 한다. 이러한 전기는 특정 물체들끼리의 마찰을 통해 형성되는데, 이렇듯 마찰에 의해 물체가 띠는 전기를 '마찰 전기'라고 한다. 한편 일반적으로 전기는 도선을 따라 흐르지만, 이러한 종류의 전기는 흐르지 않고 한 곳에 모여 있기에 우리는 '정전기(멈추어 있는 전기)' 라고도 부르는 것이다.

서로 다른 두 물체를 마찰하게 되면 두 물체 중 한 물체는 전자가 이동하여 (+)전하를 띠게 되고, 다른 한 물체는 전자를 얻어 (-)전하를 띠게 된다. 이렇게 전하를 띠는 현상을 '대전'이라고 하는데, 대전에 의해 전기를 띠는 물체를 '대전체'라고 한다.

모든 물체들 사이의 대전 관계를 알 수는 없겠지만, 일상에서 흔히 볼수 있는 일부 물질들의 대전 관계를 표로 나타낼 수 있는데, 이를 '대전열'이라고 부른다.

(+)

털가죽

유리

명주

나무

고무

플라스틱

(-)

좌측으로 갈 수록 마찰시 (+)전하를 잘 띠는, 즉 전자를 잃기 쉬운 물체이며, 우측으로 갈 수록 마찰시 (-)전하를 잘 띠는 물체이다. 

한편 이렇게 전기를 띠는 물체, 즉 대전체 끼리는 서로 상호작용을 할 수 있다. 이러한 상호작용은 서로를 끌어당길 수도 있고, 반대로 서로를 밀어내게 될 수도 있다. 상호작용을 일으키는 힘을 우리는 '전기력'이라고 부른다.

	같은 전하를 띨 때	다른 전하를 띨 때
예시	(+) --- (+) ( - ) --- ( - )	(+) --- (-) (-) --- (+)
작용하는 힘	척력 (밀어내는 힘)	인력 (끌어당기는 힘)

서로 같은 전하를 띠는 두 물체는 서로를 싫어한다. 그래서 서로를 밀어내려고 하며 우리는 이를 '척력' 이라고 한다.
한편 서로 다른 전하를 띠는 경우 서로를 좋아하게 되는데, 서로를 끌어당기는 힘을 우리는 '인력'이라고 부르게 된다.

2. 정전기 유도

정전기 유도 실험 - 출처: 위키피디아

이렇게 생각을 한번 해 보자. 어떤 물체가 대전되어 있지 않은데, 대전된 다른 물체를 해당 물체에 가까이 가져다 댄다면 어떻게 될까? 우리는 이전에 원자를 구성하고 있는 물질은 원자핵과 전자가 있다고 배웠고, 원자핵은 (+)전하를 전자는 (-)전하를 띤다고 배웠다. 또한 전자는 가벼워 이동성이 있다는 것도 배웠다.

만일 (-)로 대전된 대전체를 전기를 띠지 않은 물체에 가져다 댄다면, 대전체와 가까운 쪽에 위치한 쪽은 전자들이 해당 대전체를 싫어하여 반대편으로 가게 될 것이고, 따라서 대전체와 가까운 쪽은 (+)로 대전된다. 우리는 이러한 현상을 '정전기 유도 현상'이라고 한다. 다시 정리해 보면 정전기 유도 현상이란 대전되어있지 않은 물체를 대전시키는 현상이고, 이때 대전되는 전하의 종류는 가져다 댄 대전체와 반대의 전하라는 말이다. 한편 도망간 전자들은 대전체와 먼 쪽으로 이동할 것이고, 따라서 대전체와 먼 쪽은 대전체와 같은 종류의 전하를 띠게 된다. 정리하면 다음과 같다.

대전체의 전하	대전체와 가까운 쪽	대전체와 먼 쪽
(-)	(+)	(-)
(+)	(-)	(+)

몇번만 확인한다면 그리 복잡하거나 어려운 수준의 내용은 아닐 것이다. 대전체와 가까운 쪽은 언제나 대전체의 전하와 반대 종류의 전하가 유도된다.

이러한 정전기 유도 현상을 이용하여, 물체의 대전 여부를 알아볼 수 있는데 이를 위한 장치를 '검전기'라고 한다. 검전기의 모습은 위의 사진과 같지만, 다시 한번 더 보여준다면

검전기의 모습 - 출처: 위키피디아

검전기의 상층부를 '금속판'이라고 하며, 아래쪽에 사람 인(人) 모양처럼 되어있는 것을 '금속박'이라고 한다. 자 그러면 하나씩 살펴보도록 하자. 대전체를 가까이 가져다 대면 금속판이 그 반대 전하로 정전기 유도 현상이 일어나는데, 이때 전자가 금속박 혹은 금속판으로 이동하게 되며 금속판은 대전체와 같은 종류의 전하로 정전기 유도 현상이 발생한다. 서로 다른 두 금속박 모두 같은 종류로 대전되기 때문에 두 금속박 사이에는 척력이 작용하여 금속박이 벌어지게 된다.

검전기를 통해 알 수 있는 것은 총 세가지가 있다.1) 물체의 대전 여부
2) 대전된 전하의 종류
3) 대전된 전하의 세기1)부터 살펴보자. 물체가 대전되지 않았다면, 금속판과 금속박은 정전기 유도 현상이 일어나지 않는다. 즉 금속박이 벌어지지 않는다는 의미이다. 이를 통해 물체의 대전 여부를 파악할 수 있다. 한편 2) 대전된 전하의 종류를 알 수 있는 방법은 다음과 같다. 특정 전하로 대전된 물체를 금속판에 가져다 대면 정전기 유도 현상에 의해 금속박이 벌어지는데, 반대 전하를 띤 물체를 가져다 대면 유도 방향이 바뀌며 금속박이 오므라들게 된다. 이를 통해 대전된 전하의 종류를 알 수 있다. 마지막으로 3) 대전된 전하의 세기는 금속박의 벌어지는 양에 비례한다. 물론 금속박이 벌어질 수 있는 정도에는 한계가 있겠지만, 마찬가지로 마찰 전기 역시 어느 정도 세기에 한계가 존재하므로, 금속박이 벌어지는 정도가 크면 더 큰 전하를 띠고 있음을 유추할 수 있다.

Edited 21.05.02