정전기와 일반 전기는 어떻게 다른가?

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전기에 대해 공부하면 난해한 물리학 용어들을 만나기 때문에 누구나 상당한 두뇌의 노력이 필요하다. 겨울철 옷에서 발생하는 전기, 번개를 만드는 구름의 전기 등은 ‘정전기’라 말한다. 정전기는 가정으로 송전되는 일반 전기나 배터리의 전기와는 다르다.

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두 물체를 맞대고 비비거나 충돌시키면 한쪽 물체의 전자가 다른 쪽 물체로 옮겨간다. 전자를 잃은 쪽 물체는 양전하(+)를 갖게 되고, 전자를 받은 쪽은 음전하(-)를 갖게 된다. 전하(電荷 electric charge)라는 것은 전기적 힘(전기력 electric force)을 가진 물리적 성질을 말하며, 전하에는 양전하와 음전하가 있다.

 

 

 

 

+(양) 또는 -(음)의 동일한 전하를 가진 두 물체가 만나면 서로 떠밀고, 다른 전하를 가진 물체라면 서로 끌어당기는 성질이 있다. 부풀린 고무풍선을 머리카락에 대고 비비면, 머리카락의 전자가 고무풍선으로 이동하여 머리카락은 양전하를, 풍선은 음전하를 갖게 된다. 그 결과 풍선과 머리카락은 양과 음의 전하에 끌려 붙으려 한다.

 

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대기가 건조한 겨울철에 어두운 곳에서 옷을 벗으면, 작은 불빛이 번쩍거리며 스파크가 일어나는 것을 보게 된다. 또 카펫 위를 걸어 다니다가 현관문이나 자동차 문의 금속 손잡이를 잡는 순간 작은 소리까지 나면서 스파크가 발생한다. 이것은 카펫의 전자가 몸으로 옮겨와 축적되어 있다가 순간적으로 금속 손잡이로 흘러버린 때문이다. 이때는 몸에 축적된 전하가 손끝에서 금속 손잡이로 흐른(방전) 것이다.

 

 

 

정전기 현상은 구름에서도 일어난다. 구름 속의 작은 물방울이나 얼음 결정이 서로 충돌하면서 정전기가 발생하여 고전압 상태로 축전되고, 고압의 정전기가 구름과 지면 사이 또는 구름과 구름 사이에 방전(전류가 흐름)하면서 번갯불이 나타나게 되는 것이다. 거대한 구름이 갖는 정전기의 전하는 수백만 볼트에 이른다.

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정전기는 흐르지 않고 정지해 있는 전기

앞에서 예를 든 정전기(靜電氣 statistic electricity)란 어떤 물체가 가진 전하가 이동하지 않고 정지 상태로 축전되어 있는 전기를 말한다. 그리고 정전기와 반대되는 ‘이동하는 전기’는 동전기(動電氣 dynamic electricity)라 한다. 다시 말해 동전기는 정지해 있지 않고 도선을 따라 흐르는 전하를 말한다.

 

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동전기(일반 전기)에는 직류와 교류가 있다. 가정의 전등과 가전기구 및 공장의 기계들을 작동시키는 전기는 교류이고, 각종 건전지와 자동차 배터리의 전기는 직류 전기이다.

 

직류전기 – 연결된 두 가닥의 전선 속으로 전자가 한 방향으로만 흐른다.

교류전기 – 두 가닥 전선에 일정한 시간차를 두고 교대로 전자가 흐른다.

 

 

마찰 정전기는 왜 생기나?

플라스틱 빗으로 머리카락을 빗으면, 마찰에 의해 발생하는 열에너지의 영향으로 플라스틱 빗의 전자(자유전자)가 머리카락으로 옮겨간다. 그 결과 전자를 잃은 빗은 +전하를 대전(帶電:전하를 가짐)하게 되고, 전자를 얻은 머리카락은 –전하를 대전하게 된다.

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이럴 때 머리카락의 – 전하는 서로 반발하여 긴 머리카락이 일시적으로 곤두서게 하는 현상을 일으킨다. 이렇게 마찰에 의해 발생하는 전기를 ‘마찰전기’라 한다. 마찰전기에 의해 – 전하를 대전한 머리카락에 손을 대면, 머리카락이 가졌던 전자는 손으로 유도되어(정전기 유도) 버린다.

 

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같은 부도체이더라도 정전기가 잘 발생하는 물질이 있다. 플라스틱이나 비닐류는 정전기가 잘 발생한다. 나비나 벌과 같은 일부 곤충들도 정전기를 이용한다. 그들이 꽃 위에서 날개를 펄럭이면 정전기가 발생하여 꽃가루가 그들의 몸에 저절로 붙게 된다.

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전기가 통하지 않는 부도체에 전하가 생기면, 그 전하는 흐르지 않고 정지(靜止)해 있다. 그러나 특정 조건이 되면 정전기는 전압이 낮은 쪽으로 한순간 흐르게 된다. 이런 경우 '정전기 유도'라 한다.

 

 

정답을 모르는 정전기의 신비

과학자들은 일반 전기(동전기)에 대해서는 많은 법칙과 성질을 알고 있지만, 정전기에 대해서는 모르는 것이 많다. 부도체 사이에 어떻게 전자가 오고가게 되는지, 물체가 마찰하면 왜 정전기가 발생하는지 그 이유들은 아직 명확하게 설명하지 못하고 있다.

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정전기의 과학적 활용

과학관에 설치된 정전기 발생장치는 수만 볼트의 정전기를 축전하여 신비한 정전기 현상을 경험하게 한다. 세탁기의 드럼 속에서 건조한 옷이 서로 붙어서 나오는 현상 역시 정전기 때문이라는 것을 알았을 것이다. 꺼져있는 형광등을 만지는 순간 잠시 불빛이 났다면 그것은 몸에 축적된 정전기가 형광등에 작용한 때문이다.

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사람들은 정전기를 잘 활용하기도 한다. 레이저 프린터는 정전기를 이용하여 색소 입자를 끌여당겨 복사가 되게 한다. 공기청정기와 연구소의 세균 필터는 정전기의 원리로 먼지와 미생물을 흡입한다. 정전기는 자동차를 도색하는 기술로도 이용된다. 가정에서 사용되는 비닐로 만든 먼지털이 역시 마찰 때 발생하는 정전기로 집안의 먼지와 진드기까지 끌어당겨 청소해준다.

 

주유소에서 주유할 때는 몸에 축적된 정전기를 없애버리도록 설치한 부분을 먼저 손으로 만지도록 한다. 만일 축적된 전하가 너무 높다면 주유기를 만지는 순간 고압 스파크가 발생하여 놀라기도 하고 화재의 원인이 될 수 있기 때문이다.

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건조한 실내에서 정전기가 발생하여 불편을 느낄 때 정전기를 방지하는 방법으로 가습기를 사용하거나 분무기로 물을 살포하기도 한다. 공기 중의 상대습도가 55% 이상이면 물분자가 자연의 도체가 되어 정전기가 축전되지 않게 되는 것이다. - YS

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<중요 용어 해설>

전자 : 핵 주변을 도는 음전하를 가진 최소의 소립자

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이온 : 물이 분해되면 수소는 전자를 잃어버려 H+가 되고 산소는 전자를 얻어 O—가 된다. 이렇게 전자를 얻거나 잃은 상태의 원자 또는 분자를 이온(ion)이라 한다.

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동전기 : 도선을 따라 전하가 지속적으로 흐르는 전기를 말한다. 일반적으로 말하는 전기는 동전기를 뜻한다.

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전하 : + 또는 – 전기의 힘(전기력)

 

전기 : 전자가 음극에서 양극으로 도선을 따라 흐르는 것

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전류 : 수도 파이프 속의 물이 수압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 한 방향으로 흐르듯이, 일정한 양의 전하가 도선을 따라 고압 쪽에서 저압 쪽으로 계속 이동하는 것

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자유전자 : 마찰 등에 의해 물체에서 떨어져 나와 다른 곳으로 이동할 수 있는 전자

 

 

 

정전기 축적과 유도를 ​실험하는 라이덴병

 

 

전기 유도(induction of static electricity) : 물체가 가진 자유전자가 가까운 다른 물체로 이동하는(유도되는) 현상

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대전체(帶電體 electrified body) : 마찰에 의해 전자가 이동한 결과 – 또는 + 전하를 띠는 물체 - 과학상식 Q&A -

 

 

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