2단원 마찰전기와 정전기 유도

과학 2단원입니다. 중간고사가 한 달도 안 남았네요~~ 다들 화이팅하세요^^

 

- 마찰전기 -

마찰전기란 서로 다른 물체를 마찰시켰을 때 발생하는 전기를 말합니다. 예를 들면, 빗으로 머리를 빗을 때 빗에 머리카락이 달라붙는 것이 일종의 마찰전기라고 하죠. 그럼, 왜 전기가 발생할까요?

빗에 머리카락이 달라붙네요~ (마찰전기)

 

- 마찰전기 발생하는 원인 -

마찰전기가 발생하는 이유는 물체는 물질로 이루어져 있죠. 이 물질은 원자로 구성되어 있는데, 원자에는 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다. 원자핵은 (+) 전하를 띠고 있고, 전자는 (-) 전하로 띠고 있다는 것은 1단원에서 이야기했죠^^ 원자핵과 전자 중 누가 이동을 할 수 있나요? 바로 전자잖아요^^ 움직일 수 있는 전자들이 다른 물체로 이동을 하게 됩니다. 그럼, 전자들이 이동하게 된 물질에는 전자의 양이 많아지므로, (-) 전하가 될 것이고, 반대로 전자를 잃어버린 물질은 (-) 전하가 줄어들게 되면서, 상대적으로 원자핵이 많아지는 것처럼 되죠. 그럼 (+) 전하를 띠게 됩니다. 전자가 이동한 물질은 (-) 전하, 전자를 잃어버린 물질은 (+) 전하 이므로 (인력 배웠죠??) 서로 다른 전하가 되므로, 두 물체는 달라붙게 됩니다.(정전기적 인력이라고 하죠) 간단하게 정리할 수 있지만, 조금 풀어서 정리를 했습니다. 

왼쪽이 마찰전, 오른쪽은 마찰후 - 올백 문제집 참조

그림에서 왼쪽은 마찰 전입니다. A와 B 둘 다 (+) 전하와 (-) 전하의 양이 같죠. 그러므로 전기적으로 중성입니다. 근데, 마찰을 시키면 물질 A에 있는 전자가 물질 B 쪽으로 이동하게 되어 A에는 전자의 양이 줄어들게 되어 (+) 전하를 띠게 되고, B는 전자의 양이 많아지므로 (-) 전하를 띠게 되죠. 그럼, A는 (+) 전하, B는 (-) 전하이므로 정전기적 인력에 의해서 달라붙게 됩니다. 

 

- 마찰전기 현상의 예 -

마찰전기로 인한 현상을 주변에서 자주 볼 수 있습니다. 1) 빗으로 머리를 빗을 때 머리카락이 빗에 달라붙는다. 2) 그릇에 비닐랩이 달라붙는다. 3) 스웨터를 벗을 때 '지지직'하는 소리가 난다. 4) 옷에 문지른 풍선에 종이들이 달라붙는다. 5) 스타킹에 옷이 달라붙는다. 등 많이 볼 수 있습니다.

- 대전 -

대전이란 물체가 전기를 띠는 현상을 말합니다. (우리나라 지명 이름 아닙니다.^^ ㅋㅋㅋ) 일반적으로 물체는 전기적으로 중성입니다. 하지만, 물체끼리 마찰시키거나, 전류를 흘려주면 물체 안에 있는 전자들이 이동을 하게 되어서 전기를 띠게 되죠. 이때 전기를 띠는 물체를 대전체라고 하고, 전기를 띠지 않는 물체를 부도체 라고 합니다. 일반적으로 금속은 대부분 전기를 띨 수 있다고 보시면 돼요^^

 

- 대전열 -

대전열이란 대전되는 순서라고 보시면 됩니다. 대전이 잘 되는 물질이 있을 것이고, 잘 안 되는 물질이 있죠. 하지만, 여기서 말하는 대전열은 전자를 잃기 쉬운 순서 또는 얻기 쉬운 순서로 나열한 것을 말합니다.

대전열(플라스틱을 에보나이트라고도 합니다.)

그림에서 (+)와 (-)로 되어 있죠. (+) 쪽으로 갈수록 전자를 잃기 쉽다고 보시면 되고, 반대로 (-) 쪽은 전자를 얻기 쉽다고 보시면 됩니다. 털가죽 와 유리를 마찰시키면, 털가죽에 있는 전자가 유리 쪽으로 이동하기 쉽다는 것으로 털가죽이 (+)가 되고, 유리는 (-)가 된다고 보시면 됩니다. 그럼, 명주헝겊으로 고무를 문지르면 어떻게 될까요? 어떤 물질이 (+) 전하, (-) 전하인지 아시겠나요???

대전열 가지고 문제를 가끔 출제가 되는데요, 문제는 다음과 같아요.

첫 번째 유형은 같은 물질로 문지른 물체를 가까이하면 어떻게 될까? 라는 식인데요~

- 털가죽으로 문지른 유리막대 2개를 서로 가까이 하면 어떻게 될까? -

 

두 번째 유형은 같은 물질로 다른 막대를 문질렀을 때는 어떻게 될 것인가?

- 명주헝겊으로 문지른 플라스틱막대와 명주로 문지른 유리막대를 가까이 가까이하면 어떻게 될까? -

이런 식으로 문제가 됩니다. 학교 선생님마다 다르겠지만, 대전열을 주고 문제를 주는 경우가 대부분이지만, 가끔은 안 주는 경우도 있으니까, 알고 있으면 문제를 푸는 데 많은 도움이 되겠죠??

 

- 전기력 -

전기에는 극이 두 개 있죠? (-) 극과 (+) 극 ~~

같은 극이면 밀어내는 척력이 작용하고, 다른 극이면 서로 잡아당기는 인력이 작용하다. 이 부분은 1학년 과학 때 나오니까, 그냥 넘어갈게요^^

 

- 정전기 유도 -

정전기 유도란 대전되지 않는 금속 물체에 대전체(금속물체)를 가까이했을 때 대전되지 않는 물체가 대전되는 현상을 말합니다. 

정전기 유도 현상 - 물리학회 참조

그림에서 (+) 전하를 띤 대전체를 가까이 했더니 대전되지 않는 물체에서 전자들이 대전체쪽으로 이동하게 되네요. 그러면 대전체 쪽에는 전자가 많아서 (-)전하를 띠게 되고, 반대로 대전체와 먼 곳은 전자의 양이 줄어들게 되므로 (+)전하를 띠게 되죠. 이런 현상을 정전기 유도라고 합니다. 

-정전기 유도는 왜 일어날까? -

정전기 유도는 왜 일어날까? 금속물질은 대부분 자유롭게 움직일 수 있는 전자, 즉 자유전자를 가지고 있어요. 이 전자들은 자유롭게 움직일 수 있답니다. 그래서 금속 내에서 자유롭게 돌아다니는데, 그림처럼 (+) 전하를 띤 대전체를 가까이하면 전자들이 대전체 쪽을 끌려가게 되죠. 왜? 정전기적 인력 때문에요~~ 그래서 정전기 유도가 일어납니다.

그럼, 부도체에서는 안 일어날까요? 부도체(절연체라고도 함)에서는 자유전자가 없어서 위 그림처럼은 아니지만, 분극현상이 일어날 수 있지만, 정전기 유도처럼 전자가 이동하지는 않습니다. 유전 분극이란 물질을 구성하고 있는 원자들 안에서 전자의 방향이 달라져서 양극의 전하가 다른 현상을 말합니다. 

부도체에 대전체를 가까이 하면 유전분극현상이 나타남- 물리학회 참조

 

대전체를 깡통에 가까이 했을 때 - 올백 과학 참조

대전체를 깡통(캔)에 가까이 가져가면, 캔도 금속이라서 자유전자가 존재합니다. 그러면 캔 안에 있는 자유전자들이 대전체의 전하 종류에 따라서 이동하죠. 그러면, 캔이 대전체 쪽으로 이동하게 됩니다. (인력에 의해서)

만약, 대전되지 않는 금속을 붙인 상태에서 대전체를 가까이하면 어떻게 될까요?

붙어있는 대전되지 않는 물체 - 하이탑 과학 참조

 

그림처럼 대전되지 않는 금속물체에 대전체를 가까이 하면 B에 있는 자유전자가 A 쪽으로도 이동이 가능하다. 왜? 붙어 있기 때문이라서~~ 그래서 B에 있는 전자들이 A쪽으로 이동하므로 A에는 전자의 양도 많고, B에는 전자의 양이 처음보다 적어지므로, A는 (-) 전하, B는 (+) 전하를 띠게 되죠~

 

- 검전기 -

검전기는 정전기 유도현상을 이용하여 물체의 대전여부를 확인할 수 있는 기구를 말합니다. 검전기를 통해 알 수 있는 사실은 물체의 대전여부, 물체의 전하량 비교, 물체의 전하 종류 이렇게 3가지를 확인 할 수 있습니다. 

검전기는 이렇게 생겼어요^^- 하이탑 과학 참조

 

검전기를 가지고 알 수 있는 것이 3가지가 되는데, 첫 번째 물체의 대전여부입니다. 

대전체를 가까이 하면 금속박이 벌어진다. - 하이탑 과학 참조

 

검전기 금속판에 대전체를 가까이하면 금속판에는 대전체와 반대의 종류의 전하가 되고, 금속박은 대전체와 같은 종류의 전하가 되죠. 그래서 금속박이 벌어지게 됩니다. 벌어진다는 것은 같은 종류의 전하로 이루어져 있다는 것이죠. 만약, 대전체가 아닌 물체를 금속판에 가까이 가져가면 어떻게 될까요? 금속박에는 아무런 변화가 없습니다. 이런 금속박의 변화를 가지고 대전체인지 아닌지를 알 수 있다는 것이죠.^^

 

두 번째는 대전체의 전하량 비교입니다. 

대전체를 가까이하면 금속박이 벌어지죠? 그럼, 전하량이 많은 대전체와 전하량이 적은 대전체를 검전기에 가까이 하면 금속박은 벌어지는데, 차이가 없을까요?

대전체 전하량 비교 - 하이탑 과학 참조

전하량이 많은 대전체를 검전기에 가까이 하면 위 그림에서 왼쪽처럼 금속박이 많이 벌어지고, 반대로 전하량이 작은 대전체를 가까이 하면 금속박은 조금만 벌어지죠. 금속박의 벌어지는 간격을 가지고 두 대전체의 전하량을 비교할 수 있습니다. 정확한 양을 알 수 없지만, 간단하게 누가 전하가 큰 정도는 알 수 있죠^^

 

세 번째 대전체 전하의 종류를 알 수 있습니다. 

대전체의 전하가 (+)인지 (-)인지 우리 눈으로는 확인 안 됩니다. 이럴 때 검전기를 이용하여 대전체의 전하의 종류를 확인할 수 있습니다. 우선, 검전기를 한 가지 종류의 전하로 만들어줘야 합니다. 그러고 나서 대전체를 가까이했을 때 금속박의 변화를 가지고 대전체의 종류를 확인할 수 있습니다.

대전체의 전하 종류 확인 하는 실험 - 하이탑 과학 참조

그림에서 검전기는 (+) 전하를 만들었네요. (+) 전하로 대전된 검전기에 (+) 대전체를 가까이하면 어떻게 될까요? (참고로, (+)전하로 대전된 검전기에는 전자가 없는 것은 아니에요. 전자의 총 수가 원자핵의 총 수보다 적다는 것이지, 아예 없다는 것은 아니라는 점 명심하세요^^ ) 그림으로 돌아와서 (+) 전하로 대전된 검전기에 (+) 대전체를 가까이하면 금속박에 있는 전자들이 금속판으로 올라오겠죠? 그럼 금속박에 전자들이 더 없어지므로 상대적으로 원자핵의 양이 많아지는 것처럼 보이면서 (+) 전하의 양이 커지므로 금속박은 더 벌어지겠죠? 반대로 (+) 전하로 대전된 검전기에 (-) 대전체를 가까이하면 금속판에 있는 전자들이 금속박으로 내려가면서 금속박에 전자의 양이 처음보다 많아지죠. 그럼 처음에는 (+)의 양이 많아졌다가 전자들이 내려오면서 (-)전하도 많아지므로 중성이 아니겠지만, (+) 전하의 양이 줄어들게 되므로 금속박은 오므라들게 됩니다. 이해가 되시나요?

정리하자면, (+)전하로 대전된 검전기에 (+) 대전체를 가까이하면 금속박은 더 벌어지고, (-)대전체를 가까이하면 금속박은 오므라들죠. 다시 말해서, 같은 종류 전하의 대전체이면 금속박은 벌어지고, 다른 종류 전하의 대전체이면 금속박은 오므라들게 됩니다. 

이해가 되시나요?

 

- 정전기 유도 현상의 예 -

정전기 유도와 마찰전기의 현상은 조금 달라요~~ 가끔 문제로 출제가 되는데, 마찰전기의 예인지? 정전기 유도 현상의 예인지 물어봐요~~

정전기 유도 현상의 예는 1) 먼지떨이- 집에서 사용하는 먼지떨이에 있는 털을 문지르면 대전이 되죠. 이 대전된 털을 먼지에 가까이하면 달라붙게 되는데, 이것은 마찰전기가 아니고 정전기 유도현상이에요^^

2) 번개 - 구름 아래쪽에 정전기가 쌓이면 지표면에 전하가 유도되다가 어느 순간 전자가 이동하며 구름이 방전되는 데 이것이 번개이다. 번개도 정전기 유도에 의해서 생긴 현상입니다. 

 

이상 마찰전기가 정전기 유도 현상에 대한 포스팅이었습니다. 

다음 시간에는 전기에서 가장 중요한 전압, 전류, 저항, 옴의 법칙에 대해서 포스팅할게요^^

 

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