정전기 유도
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정전기 유도(靜電氣 誘導, electrostatic induction)는 물체에 대전체를 가까이 했을 때, 자유 전자가 이동하여 대전체와 가까운 쪽에는 대전체와 다른 전하, 먼 쪽에는 같은 전하가 유도되는 현상이다.[1] 정전기 유도는 영국인 과학자 존 캔턴이 1753년에, 스웨덴인 교수 요한 칼 빌케가 1762년에 발견했다.[2] 윔셔스트 발전기(wimshurst machine), 밴더그래프 발전기, 전기쟁반 같은 정전기 발전기(electrostatic generator)는 이 현상을 사용한다. 정전기 유도로 인해 전위(전압)은 물체의 어디서든지 일정하다.[3]
설명
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일반적으로 전하를 띠지 않은 물체는 양/음전하의 수가 같고 가까이 붙어 있어서, 어떤 부분도 전하를 띠지 않는다. (+)전하는 물체에 있는 원자핵이며 자유롭게 움직이지 않는다. (-)전하는 원자의 전자이다. 금속 등의 전기 전도체에서는, 전자 일부가 물체에서 자유롭게 이동할 수 있다.
대전체(전하를 띤 물체)를 금속 같은 전하를 띠지 않은 전기 전도체에 가까이 하면, 쿨롱의 법칙에 의해 자유 전자의 분포 상태가 변화함으로써 도체의 전하 분포 상태를 바꾼다. 예를 들어 (+)전하가 도체 가까이 가져가 있을 때 (그림) 도체의 전자는 그 쪽으로 끌어당겨져서 가까운 쪽으로 이동한다. 전자가 위치를 이동할 때, (+)전하를 띠는 원자핵을 남겨놓는다. 결론적으로 외부의 전하와 가까운 부분이 (-)전하, 먼 부분이 (+)전하를 띠는 것이다. 이를 '대전'이라고 한다. 만약 외부의 전하가 (+)전하이면, 전하의 종류가 반대로 될 것이다.
도체의 유도
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정전기 유도는 물체의 순전하를 바꾸는 데 쓰일 수도 있다.
이 방법은 전하를 감지하는 기구인 금속박 검전기에 쓰인다. 전하를 띠지 않는 검전기의 금속판 가까이에 전하를 띤 대전체를 접근시키는데, 이때 금속박이 벌어진다. 정전기 유도 때문에 검전기의 금속박은 금속판과 반대의 전하가 유도된다. 금속박 양 쪽은 같은 전하를 뗘서 척력(밀어내는 힘)이 작용해서 벌어지는 것이다. 검전기에는 순전하(net charge, 전체 전하)가 0이다. 즉 양전하와 음전하의 양이 같다. 검전기 내부의 전하는 재배치됐을 뿐이고, 대전체가 검전기에서 멀리 떨어지면 금속박이 다시 오므라든다.
그런데 금속판을 손가락으로 만지는 등 검전기와 접지가 일어나면, 전하가 대전체에서 전기력을 받아 접지된 곳에서 금속박으로 흘러간다. 그러면 금속박의 전하는 중성이 되고 금속박은 다시 오므라든다. 이때 검전기의 순전하는 가까이 한 대전체의 전하와 반대이다. 그런데 손가락을 다시 때서 접지가 끊기면, 검전기로 흘러온 전하가 밖으로 나갈 수 없어서 순전하가 유지된다. 이 전하는 검전기에서 대전체와 가까운 쪽에 있게 된다. 그런데 대전체까지 멀리 옮기면, 검전기의 전하가 금속박으로도 퍼져가서 금속박이 다시 벌어지게 된다.
부도체의 유도
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비슷한 정전기 유도가 유전체(전기장 안에서 표면이 전하를 띠는 부도체)에서도 일어난다. 풍선, 종이, 스티로폼 조각 같은 작고 가벼운 부도체에서 정전기가 작용해서 끌어당기는 힘이 발생한다.[4][5][6][7]
부도체에서, 전자는 도체에서처럼 자유롭게 이동할 수 없고 원자나 분자에 얽매여 있지만 분자 속에서 살짝 이동할 수 있다. (+)대전체를 부도체에 가까이 하면, 각 분자에 있는 전자가 그 쪽으로 끌어당겨지지만, 반면에 원자핵은 분자의 반대쪽으로 살짝 움직인다. (-)전하가 (+)전하보다 외부 물체에 더 가까우므로, (-)전하의 인력이 (+)전하의 척력보다 세져서 알짜힘은 인력이 작은 세기로 작용한다. 이것은 유전 분극 또는 편극(polarization)이라 하고, 분극이 된 분자는 쌍극자(dipole)이라고 한다. 이 효과는 미세하지만, 분자들이 많이 있기 때문에 스티로폼 같은 가벼운 물체를 들어올릴 만한 충분한 힘을 준다. 이는 피스볼 검전기의 작동 원리이다.
각주
[편집]- ↑ “정전기 유도”. 《물리학백과 (네이버 지식백과)》. 2021년 4월 30일에 확인함.
- ↑ 〈Electricity〉. 《Encyclopædia Britannica, 11th Ed.》 9. The Encyclopædia Britannica Co. 1910. 181쪽. 2008년 6월 23일에 확인함.
- ↑ Purcell, Edward M.; David J. Morin (2013). 《Electricity and Magnetism》. Cambridge Univ. Press. 127–128쪽. ISBN 978-1107014022.
- ↑ Sherwood, Bruce A.; Ruth W. Chabay (2011). 《Matter and Interactions》 3판. USA: John Wiley and Sons. 594–596쪽. ISBN 978-0-470-50347-8.
- ↑ Paul E. Tippens, Electric Charge and Electric Force, Powerpoint presentation, p.27-28, 2009, S. Polytechnic State Univ. 보관됨 4월 19, 2012 - 웨이백 머신 on DocStoc.com website
- ↑ Henderson, Tom (2011). “Charge and Charge Interactions”. 《Static Electricity, Lesson 1》. The Physics Classroom. 2012년 1월 1일에 확인함.
- ↑ Winn, Will (2010). 《Introduction to Understandable Physics Vol. 3: Electricity, Magnetism and Ligh》. USA: Author House. 20.4쪽. ISBN 978-1-4520-1590-3.
외부 링크
[편집]- “Charging by electrostatic induction”. 《Regents exam prep center》. Oswego City School District. 1999. 2008년 8월 28일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2008년 6월 25일에 확인함.
