정전기 유도 현상과 검전기

정전기 유도 (Electrostatic induction)

어떤 물체에 대전체를 가까이 가져가면 대전체와 가까운 쪽은 대전체와 다른 전하를 띠고 먼 쪽은 같은 전하를 띠는 현상을 정전기 유도(electrostatic induction)이라고 합니다. 이를 이해하기 위해서는 우선 마찰 전기(정전기)의 개념과 함께 대전과 대전체, 전기력의 의미를 알아야 하는데, 아래 링크를 참조하시기 바랍니다.

2023.12.19 - [과학] - 마찰 전기의 개념 (정전기)

마찰 전기의 개념 (정전기)

 

물체에 대전체를 가까이할 때 물체의 전자가 전기력을 받아서 이동하기 때문에 정전기 유도 현상이 발생하는데요, (+) 대전체를 어떤 물체에 가까이하면 가까운 쪽이 (-) 전하를, 먼 쪽은 (+) 전하를 띠게 되고 대전체와 물체 사이에 인력이 작용하게 됩니다. 반대로 (-) 대전체를 어떤 물체에 가까이하면 반대의 전하 이동을 관찰할 수 있습니다. 물론 대전체와 물체 사이에는 이 역시도 인력이 작용하게 되겠죠. 물체와 대전체 사이에는 어떠한 전하로 대전되었든 항상 끌어당기는 인력이 작용하는 것이죠.

 

정전기 유도 현상, 대전체를 물체에 가까이 가져가면 전하가 재배치된다. 이미지 출처: javalab.org

 

위의 이미지를 보면 (+) 전하로 대전된 유리 막대를 금속 막대에 가까이 가져가자 금속 막대에서 전자의 재배치가 이루어지는데, 유리 막대와 가까운 쪽은 (-) 전하를 띠게 되고 먼 쪽은 (+) 전하를 띠게 됩니다. 이와 반대로 (-) 전하로 대전된 플라스틱 막대를 금속 막대에 가져가자 반대의 전자 이동을 볼 수 있죠.

 

우리 주변에서 볼 수 있는 정전기 유도 현상

 

• 번개는 정전기 유도에 의한 현상으로 대전된 구름의 아랫부분에 의해 지표면에 전하가 유도되다가 어느 순간 전하가 빠르게 이동하면서 구름이 방전되는 것입니다. 방전은 대전된 물체가 전기를 잃는 현상을 말하는 것입니다.
• 먼지떨이에 솔을 문질러서 대전시킨 다음에 주변의 먼지를 끌어당기게 만들어서 청소에 이용합니다.
• 옷이나 헝겊 등으로 문질러서 대전된 풍선을 종잇조각에 가까이 가져가면 종잇조각 양 끝이 정전기 유도에 의해 전하를 띠게 되고, 인력이 작용하여 풍선에 달라붙습니다.
• 우리가 많이 사용하는 스마트폰이나 태블릿의 터치스크린은 손가락을 화면에 대었을 때 정전기 유도가 일어나는 것을 이용하는 것입니다.
• 복사기의 검은색 토너는 탄소 가루가 정전기 유도에 의해 종이에 잘 달라붙게 됩니다.
• 자동차를 도색할 때 전착 도장(electro deposition)이라는 공정이 있는데, 이는 페인트와 자동차 표면 간에 서로 다른 전하를 띠도록 한 다음에 페인트가 자동차 표면에 골고루 입혀지도록 하는 것입니다.

 

검전기의 원리 (Electroscope)

정전기 유도 현상을 이용하여 물체의 대전 여부를 알아보는 기구가 있는데 바로 검전기(electroscope)입니다. 형태는 다양하게 구성할 수 있는데, 기본적으로 용기에 금속봉이 들어 있고, 용기의 외부 쪽에는 금속봉 끝에 금속판이나 금속으로 된 손잡이, 그리고 용기의 내부 쪽에는 금속봉 끝에 금속박이 붙어 있는 형태입니다.

 

검전기의 원리, 이미지 출처: testbook.com

 

위의 이미지는 검전기의 원리를 나타낸 것인데요, 교재나 교과서에 따라 둥근 손잡이(knob)가 금속판으로 되어 있기도 하고, 금속박(metal leaves)이 플라스크가 아닌 사각병 안에 들어있기도 하므로 이를 감안해서 생각하면 됩니다. 용기나 손잡이 내지 금속판의 형태가 중요한 것은 아니죠.

 

검전기의 금속판(위의 이미지에서는 둥근 손잡이)에 대전체를 가까이하면 정전기 유도에 의해서 병 위쪽의 금속판과 병 속의 금속박이 전하를 띠게 되는데요, 이때 금속판은 대전체와 다른 종류의 전하를 띠게 되고 금속박은 대전체와 같은 종류의 전하를 띠게 됩니다. 위에 이미지에서 (-) 전하로 대전된 고무 막대를 둥근 손잡이에 가져다 대었으니 손잡이는 (+) 전하로 대전되고, 플라스크 안에 금속박은 (-) 전하로 대전되었겠죠. 그리고, 금속박은 같은 전하끼리 척력이 작용하게 되므로 금속박이 서로 벌어지게 됩니다. 이렇게 물체의 대전 여부가 확인되는 것이죠.

 

검전기를 이용해 알 수 있는 사실

위와 같은 원리로 우리가 검전기를 통해 알 수 있는 것은 아래와 같이 크게 세 가지로 요약할 수 있습니다.

 

1. 대전되지 않은 물체를 검전기의 금속판에 가까이 가져갔을 때 금속박이 벌어지지 않고, 대전체를 검전기의 금속판에 가까이 가져갔을 때 금속박이 벌어지는 것으로 물체의 대전 여부를 알 수 있습니다.
2. 전하량이 많을수록 전기력이 커지기 때문에 전하량이 많을 때 금속박이 많이 벌어지게 되고 전하량이 적을 때 금속박이 조금 벌어지게 됩니다. 따라서 물체에 대전된 전하의 양을 금속박이 벌어진 정도를 상대적으로 비교하여 알 수 있습니다.
3. 어떠한 전하로 대전된 검전기에 다른 전하로 대전된 대전체를 가져다 대면 인력에 의해 검전기에 대전된 전하가 금속판으로 이동하면서 금속박이 오므라들게 됩니다. 반대로 검전기와 같은 전하로 대전된 대전체를 검전기에 가까이 대면 척력에 의해서 전하들이 금속박으로 이동하게 되므로 금속박이 더 벌어지게 되겠죠. 이러한 방식으로 물체에 대전된 전하의 종류를 파악할 수 있습니다. 중요한 것은 특정 전하로 대전된 검전기를 사용해야 합니다.

 

검전기를 대전시키는 방법

아래와 같은 방법으로 검전기를 원하는 특정 전하로 대전시킬 수가 있습니다. 여기서 중요한 것은 우리의 몸은 자유전자가 많고, 기본적으로 중성으로 되어 있다는 점입니다.

 

• (+) 대전체를 검전기에 가까이한 상태에서 금속판에 손을 접촉시키면 인력이 작용하기 때문에 전자들이 손가락을 통해 금속판과 금속박으로 이동하게 됩니다. 이렇게 하면 중성인 검전기가 (-) 전하로 대전이 됩니다.
• 마찬가지로 (-) 대전체를 가까이한 상태에서 금속판에 손을 접촉시키면 전자는 척력에 의해서 손가락으로 이동을 하게 됩니다. 따라서 검전기가 (+) 전하로 대전됩니다. 

 

요약을 하면 대전체가 (+) 전하를 띄면 검전기는 (-)의 전하로 대전시킬 수 있고, 대전체가 (-) 전하를 띄면 검전기는 (+) 전하로 대전시킬 수가 있는 점이고, 손가락을 검전기의 금속판에 가져다 댄다는 것의 의미는 금속박을 중성으로 만드는 것으로 이해를 하면 됩니다. 그리고 늘 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵이 아니라 전자가 이동한다는 것을 기억하면 됩니다.