2 - 1 - 1. 전기장
[ 전하 / 마찰 전기 / 전하 보존의 법칙 / 도체, 부도체,
반도체, 자유전자 / 정전기 유도 / 유전 분극 / 쿨롱의 법칙 ]
전기는 다 알죠. 만지면 찌릿한 것이 죽여(?)주잖아요. 전기를 함부로 만지지 마세요.
진짜로 죽는 수가 있어요. 집에 들어오는 전기 중 220 볼트는 무서워요. 물 묻은 손으로
세탁기나 헤어드라이기 함부로 잡지마세요. 저승가서 먼저 자리잡아둘 필요없잖아요.
전기의 근원이 무엇인가는 이제 확실히 밝혀졌어요. 그 근원은 바로 전자 때문이었어요.
전자가 있으면 주변에 전기의 느낌이 형성되는데 이것을 전기장이라고 합니다.
운동을 하는 느낌이 있는 넓은 공간을 운동장이라고 하듯이 전기의 영향이
작용하는 공간을 전기장이라고 합니다.
전기를 띤 가장 작은 단위를 전하라고 합니다. 밀리컨이라는 과학자가 분무기로
기름방울을 뿌려준 다음에 X -선을 쪼이는 등의 특별한 방법으로 기름 방울을
대전시켜 여러 가지를 조사한 결과 전기량의 최소 단위를 찾아냈어요.
놀랍게도 그양은 다음과 같았어요.
이 양은 바로 전자의 전하량이었어요. 즉, 전자가 모든 전기의 기본이었던 것이죠.
(-) 전기를 띤 전자는 자유롭게 이동합니다. 전자가 넘치면 (-)전기를 띠고,
전자가 모자라면 (+)전기를 띠는 것입니다. 원자 구조를 보면 중심에는 (+) 전기를
가진 양성자가 있고 그 주위에 (-)전기를 띤 전자가 돌고 있습니다. 그래서 바같쪽에
있는 전자가 떨어지기도 쉽습니다. 더구나 전자의 질량은 양성자 질량에 비해
약 2000배(정확히 1837배)나 작아서 전자는 자유롭게 잘 움직입니다.
그래서 전자가 움직일 때 전기 현상이 나타나는 것입니다.
두 물체를 비비면 전자가 두물체 사이를 이동하여 한 쪽은 전자가 넘치는 (-)극으로,
다른 쪽은 반대인 (+)극을 만듭니다. 이렇게 물체가 전기를 띤 것을 대전이 되었다고
합니다. 전자를 잘 뺏길수록 (+)로 대전되기가 쉽습니다. 아래에 그 순서가 있습니다.
(+) 털가죽 - 상아 - 털헝겊 - 유리 - 명주 - 나무 - 유황 - 셀룰로이드 - 에보나이트 (-)
에보나이트 막대를 털가죽에 문지르면 위의 순서에 의해 털가죽은 (+)로, 에보나이트
막대는 (-)로 대전됩니다. 위 순서는 안 외워도 됩니다. 물론 학교시험에 간혹내는
세밀한(?) 선생님들도 계시니 어떤 학교 학생들은 외워야할 지도 모르겠습니다.
마찰할 때 전자가 이동하는 것이므로 전하의 총량은 변하지 않는다는 법칙입니다.
유리병이 깨진 후에도 파편을 다 모으면 깨지기 전과 질량이 똑같은 것과 같은 원리입니다.
자유전자가 많아 전기가 잘 통하는 것이 도체이고, 자유전자가 없어 전기가 통하지
않는 것이 부도체입니다. 그런데 기분에 따라 통하기도 하고 안 통하기도 하는 것이
있는데 이것이 바로 그 유명한 반도체입니다. 이 반도체 때문에 컴퓨터가 급속히
발달하여 오늘날 이런 정보화 사회를 이룬 것입니다.
원자핵 가장 바깥에 돌고 있는 전자는 원자핵이 당기는 힘이 작으므로 잘 떨어져
나갈 수 있습니다. 떨어져 나가 자유롭게 돌아다니는 전자를 자유전자라고 합니다.
당연히 자유전자가 많으면 도체가 되어 전기를 잘 통하는 것이죠.
정전기란 말 그대로 정지해 있는 전기를 말합니다. 가만히 그 자리에 있는 전기죠.
이런 전기는 아무리 전압이 높아도 크게 위험하지 않습니다. 고여있는 전기인데
접촉하는 순간 순식간에 다른 물체로 흐르기도 합니다. 이것이 방전현상으로 옷을
벗을 때 번쩍거리는 현상입니다. 번개가 일종의 방전 현상이죠.
겨울에 자동차 문을 여는 순간 찌찍 ... 깜짝 놀라죠. 그러나 죽지는 않죠.
차 문 열다가 정전기로 죽었다는 말 들어 본적이 없죠.
풍선표면에도 순간적으로 엄청난 정전기가 모여있다가 방전됩니다. 허지만 풍선을
만지다가 찌리릭하여 죽는 일은 없습니다. 그러면 너무나 쪽팔린 죽음이죠.
이렇듯 고여있는 전기인 정전기는 큰 해를 끼치는 일이 거의 없습니다.
하지만 움직이는 전기는 무섭습니다. 전자가 떼를 지어 한방향으로 흐르는 것이
바로 전류입니다. 전류는 연속적으로 계속 전기를 공급해주므로 전압이 작아도
위험합니다. 고여있는 것은 안 무서우나 움직이는 것은 무섭습니다. 매일 변화가
없는 사람은 안 무서우나 열심히 노력해 일취월장으로 변하는 사람은 진짜로
무서운 경쟁상대입니다. 노력하는 사람을 당해낼 장사는 없는 것입니다.
전기를 띤 (대전된) 물체를 도체 가까이 가져가면 도체에서 전자들의 대이동이
시작됩니다. 멋진 연예인 아가씨들이 연병장에 들어오면 씩씩한 군인들이
일제히 아가씨들쪽으로 뛰어와 싸인을 받고 가까이서 보려고합니다. 물론
자유롭게 연병장을 뛰어다닐 수 있는 자유로운 군인(자유전자)이 많을 때
해당합니다. 도체에서 일어나는 현상입니다.
연병장에 훈련중일 때는 자유로운 군인(자유전자)들이 없으므로 아가씨들
쪽으로 일제히 뛰어나와 한 쪽으로 몰릴 수 없습니다. 부도체에서 일어나는
현상입니다.
(-)전기를 띤 대전체를 도체에 접근시키면 (+)전기들이 마중나와 가까운
쪽은 (+)극으로 반대로 먼 쪽은 (-)극이 됩니다. 이런 현상을 정전기유도현상
이라고 합니다. 엄밀히 말하면 (+)전하는 움직이지 못합니다. (-)전하가
우세한 대전체가 다가오면 도체의 가까운 쪽에서는 (-)전하들이 반발력으로
멀리 도망을 갑니다. 그 결과 가까운 쪽은 얼떨결에 (+)극이 된 것입니다.
물론 먼 쪽은 도망온 (-)전하들이 모여 (-)세상을 만든 것이죠.
부도체에는 자유롭게 돌아다니는 자유전자가 없으므로 (+)극으로 대전된
대전체가 다가오면 (-)전하들이 작은 범위내에서 조금 움직이므로 부도체의
양끝만 약하게 (+),(-)극성이 생깁니다. 이것이 유전 분극 현상입니다.
마치 훈련중인 군인들이 지나가는 아가씨를 곁눈질하는 정도와 비슷하죠.
쿨롱이 실험한 결과 다음과 같은 사실을 알아냈습니다.
두 전하에 작용하는 힘은 거리의 제곱에
반비례하고, 전하량에 비례한다
이것이 쿨롱의 법칙입니다. 만유인력의 법칙과 비슷합니다.
그러나 만유인력은 당기는 힘밖에 없으나, 전기력는 같은 극이면 밀어내고 (척력)
다른 극이면 당기는(인력) 두가지 힘이 있습니다.