전기장과 전기력선
(1) 쿨롱 법칙
① 전하: 모든 전기 현상의 근원으로, 양(+)전하와 음(-)전하가 있다. 전하의 흐름을 전류라고한다.
② 전하량: 물질이 가지고 있는 전하의 양을 전하량이라고 하며, 전하량의 단위는 C(쿨롬)을 사용한다.
- 1 C: 도선에 1 A의 전류가 흐를 때 1초 동안 도선의 한 단면을 지나가는 전하량이다.
③ 기본 전하량: 전하량은 일반적으로 전자나 양성자의 전하량의 정수배가 되는 불연속적인 값만 갖는다. 전자나 양성자의 전하량의 크기를 기본 전하량이라고 하며, e로 표시한다.
- 기본 전하량 e=1.602×10-19 C
④ 대전체: 보통 물체는 양(+)전하와 음(-)전하의 양이 같아 전기적으로 중성을 띠고 있지만 전하의 이동에 의하여 양(+)전하나 음(-)전하를 띠게 된 물체를 대전체라고 한다. 물체가 전기를 띠는 현상을 대전이라고 한다.
⑤ 마찰 전기: 서로 다른 재질의 두 물체를 마찰시켰을 때 전자가 에너지를 얻어 이동하면 각 물체는 전기를 띠게 되는데, 이것을 마찰 전기라고 한다. 이때 전자를 잃은 물체는 양(+)전하를 띠게 되고, 전자를 얻은 물체는 음(-)전하를 띠게 된다.
예) 유리 막대와 명주 헝겊을 마찰시키면, 유리 막대에서 명주 헝겊쪽으로 전자가 이동하여 유리 막대는 양(+)전하를 띠고 명주 헝겊은 음(-)전하를 띤다.
⑥ 전기력: 전하와 전하 사이에 상호 작용 하는 힘을 말하며, 양(+)전하와 양(+)전하 또는 음(-)전하와 음(-)전하 사이에는 밀어내는 방향으로 전기력이 작용하고, 양(+)전하와 음(-)전하 사이에는 끌어당기는 방향으로 전기력이 작용한다.
⑦ 쿨롱 법칙: 두 점전하 사이에 작용하는 전기력의 크기는 두 점전하의 전하량의 크기의 곱에 비례하고, 두 점전하가 떨어진 거리의 제곱에 반비례한다. 전하량이 각각 q1, q2인 두 점전하 사이의 거리가 r일 때 두 점전하에 작용하는 전기력의 크기 F는 다음과 같다.
(2) 전기장: 전하 주위에 다른 전하를 놓으면 두 전하 사이에는 전기력이 작용한다. 이는 전하가 주변 공간에 전기장을 만들기 때문이다. 전기장은 전하뿐만 아니라 시간에 따라 변하는 자기장에 의해서도 생성된다.
① 전기장의 세기: 전기장이 형성된 공간에 놓인 단위 양전하(+1 C)당 작용하는 전기력의 크기를 전기장의 세기라고 한다. 전하량이 q인 전하에 작용하는 전기력의 크기가 F일 때 전기장의 세기 E는 다음과 같다.
(3) 전기력선
정전기 유도와 유전 분극
(1) 도체와 절연체
① 도체: 비저항이 작아 전류가 잘 흐르는 물질을 도체라고 한다.
예) 구리, 알루미늄, 금과 같은 금속 등
- 도체 내부에서 전기장은 0이다.
- 도체가 대전되면 전하는 표면에만 분포한다.
- 도체에는 특정 원자에 속박되지 않고 여러 원자 사이를 자유롭게 이동할 수 있는 자유 전자가 많다.
② 절연체: 비저항이 커서 전류가 잘 흐르지 못하는 물질을 절연체 또는 부도체라고 한다.
예) 유리, 종이, 고무, 나무, 순수한 물 등
- 절연체의 전자들은 대부분 원자에 속박되어 있으며, 자유 전자가 거의 없다.
- 절연체에도 열 또는 강한 전기장을 가하거나 불순물을 첨가하면 전류를 흐르게 할 수 있다.
(2) 정전기 유도와 유전 분극
① 도체에서의 정전기 유도: 대전되지 않은 도체에 대전체를 가까이하면 도체 내의 자유 전자의 이동에 의해 대전체와 가까운 쪽에는 대전체와 다른 종류의 전하가 유도되고, 먼 쪽에는 대전체와 같은 종류의 전하가 유도되는 현상이다.
② 절연체에서의 유전 분극: 절연체 내부에는 자유 전자가 없기 때문에 도체와 같이 전자의 이동에 의한 정전기 유도 현상은 일어나지 않지만 분자나 원자 내부에서 전기력에 의하여 분극되는 현상이 일어난다. 따라서 절연체에 대전체를 가까이하면 절연체의 양쪽 끝에 대전체와 같은 종류와 다른 종류의 전하가 각각 배열된다. 이를 유전 분극이라고 한다.
(3) 정전기 유도 현상의 이용
① 전기 집진기: 발전소나 보일러에서 연소 후 배출되는 배기 가스 중에서 오염된 먼지를 제거하는 기구이다. 집진기 내에 대전된 극판을 배열시키고 방전 극과 집진 극 사이에 높은 전압을 걸어주면 방전 극에서 발생한 전자에 의해 먼지가 음(-)전하로 대전되어 (+)극인 집진 극으로 끌려가 모인다.
② 정전 도장: 자동차와 같은 금속을 도색할 때, 도색을 할 물체를 접지시키고 페인트를 뿌리는 분무 장치에 강한 음극을 걸어 페인트 입자를 음(-)전하로 대전시킨다. 음(-)전하로 대전된 페인트의 정전기 유도 효과로 접지된 물체는 양(+)전하로 대전되고 전기적 인력이 작용하여 페인트가 물체 뒷면까지 달라붙는다.
③ 음식물 포장 랩: 음식물을 포장할 때 사용하는 랩을 분리하는 과정에서 랩이 대전되는데, 이때 대전된 전하는 그릇이나 다른 랩에 유전 분극에 의한 표면 전하를 유도한다. 따라서 랩끼리 또는 랩과 그릇을 서로 잘 달라붙게 한다. 전하를 띤 랩은 손가락에도 정전기 유도에 의한반대 전하를 유도하므로 랩이 손가락에도 잘 달라붙는다.
(4) 정전기의 피해를 줄이는 예
① 방전: 대전된 물체나 어떤 계에서 전하를 잃고 전기적으로 중성화되거나, 기체 등의 절연체가 강한 전기장으로 인해 절연성을 상실하고 전류가 흐르는 현상이다.
- 번개: 대전된 구름과 지표 사이의 방전 현상이다. 구름 내부에서 위쪽은 양(+)전하를 띠고, 아래쪽은 음(-)전하를 띤다. 지면과 가까운 구름의 아래쪽이 음(-)전하를 띠기 때문에 정전기 유도에 의해 지표면이 양(+)전하로 대전되어 구름 아래쪽의 음(-)전하가 지표면으로 이동한다.
② 접지: 감전, 정전기에 의한 화재나 고장 등을 방지할 목적으로 전기 기기를 지면과 도선으로 연결하는 것을 접지라고 한다.
- 피뢰침: 번개가 칠 때는 많은 양의 전기 에너지가 짧은 시간 동안 방출되므로 화재 등 여러가지 위험이 있다. 피뢰침은 건물이 직접 번개에 맞아 피해를 입지 않도록 건물의 높은 지점에 끝이 뾰족한 금속 막대를 설치하고 도선으로 지면에 연결한 것이다. 즉, 접지된 피뢰침을 이용하여 번개에 의한 건물의 피해를 예방하는 것이다.
- 정전기 방지용 패드: 금속으로 된 차체나 주유기 손잡이 가까이에 손을 가져가면 손에 있던 전자들이 차체나 주유기 손잡이로 순식간에 몰려 방전이 일어난다. 방전에 의해 화재가 발생하는 것을 막기 위해 주유하기 전에 정전기 방지용 패드에 손을 접촉한다.
참고자료: EBS 수능 특강 물리2
