마찰 전기의 개념 (정전기)

대전과 전기력

정전기라고도 일컫는 마찰 전기를 이해하기 위해서는 우선 대전과 대전체, 그리고 전기력의 의미를 알아야 합니다. 간략하게 정리해서 설명하면 물체가 전기를 띠는 현상을 대전(electrification)이라고 하고, 대전된 물체를 대전체(electrified body)라고 합니다. 그리고, 전하를 띠는 물체들 사이에 작용하는 힘을 전기력이라고 하는데 같은 전하를 띠고 있는 물체들 사이에는 서로 밀어내는 척력이 작용하고 다른 종류의 전하 사이에는 끌어당기는 인력이 작용을 하죠. 이러한 전기력은 물체에 대전된 전하의 양이 많을수록 크고 두 물체의 사이가 가까울수록 크게 됩니다.

 

마찰 전기의 발생

원자는 익히 알려져 있다시피 (+) 전하를 띠는 원자핵과 (-) 전하를 띠는 전자로 이루어져 있는데요, 원자핵의 (+) 전하와 전자의 (-) 전하는 총전하량이 같기 때문에 원자가 전기적으로 중성이 됩니다. 따라서 원자로 된 물체는 전기를 띠지 않습니다. 그런데, 서로 다른 두 물체를 마찰할 때 한 물체에서 다른 물체로 전자가 이동하게 되면서 마찰 전기가 발생하게 되는데요, 이렇듯 마찰에 의해 발생한 전기를 마찰 전기(triboelectricity)라고 하며, 전기 회로에서 전선을 따라 흐르는 전기가 아니라 정적인 전기, 머물러 있는 전기이므로 다른 말로 정전기(static electricity)라고도 합니다.

 

서로 다른 두 물체를 마찰시켰을 때 음전하인 전자를 얻은 물체는 (-) 전하를 띠게 되고, 전자를 잃은 물체는 (+) 전하를 띠게 되는데요, 이렇게 마찰시킨 두 물체는 서로 다른 종류의 전하를 띠게 됩니다. 그러면 당연히 두 물체 사이에 서로 끌어당기는 인력이 작용하게 되겠죠. 기본적으로 (+) 전하의 양이 (-) 전하의 양보다 많으면 그 물체가 (+) 전하를 띠고, (-) 전하의 양이 (+) 전하의 양보다 많으면 (-) 전하를 띠게 된다고 생각하면 되겠습니다. 양전하와 음전하 중 어떠한 것이 지배적인가 하는 것으로 결정되는 것이고, 한 종류의 전하만 존재하는 것이 아닌 것을 이해하면 되겠죠.

 

서로 다른 두 물체를 마찰시키면 전자의 이동으로 마찰전기가 발생한다. 이미지 출처: science-sparks.com

 

위의 이미지에서 풍선과 나무판을 마찰시켰을 때, 전자의 이동으로 각자 다른 전하를 가지게 되면서 서로 인력이 작용하게 되고, 대전된 모습을 볼 수가 있습니다. 위의 이미지를 보다 정확하게 이해하기 위해 정전기 유도에 대해서는 별도로 정리를 해보아야겠네요.

 

참고로, 마찰 전기는 건조한 날 더욱 잘 생기는데요, 이유는 습도가 높을 때는 공기 중의 수증기를 통해서 전기가 공기 중으로 빠져나가게 되고 대전체가 빠르게 중성 상태로 되기 때문입니다. 그리고, 대전된 물체는 공기 중에 오래 두면 전자가 공기 중으로 서서히 이동하기 때문에 방전이 되어 전하를 띠지 않게 되죠.

 

마찰 전기에 의한 현상 사례

우리 주변에서 마찰 전기로 인해 발생하는 현상들을 쉽게 볼 수 있는데요, 예를 들어보면 아래와 같습니다.

• 머리를 빗을 때 빗에 머리카락이 달라붙는 것
• 미끄럼틀을 타고 내려오면 머리가 부스스해지는 것
• 먼지떨이에 먼지가 달라붙는 것
• 니트, 스웨터를 벗을 때 머리카락이 니트나 스웨터에 달라붙거나 (마찰에 의한 현상), 지지직하는 소리가 나는 것 (전하가 공기 중으로 이동하면서 방전되는 것)
• 걸을 때 치마가 스타킹에 달라붙는 것
• 빗자루질을 할 때 먼지가 빗자루에 달라붙는 것
• 건조한 날 책을 포장한 비닐을 벗기면 비닐이 책에 달라붙는 것
• 비닐 랩이 그릇에 달라붙는 것