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Transfer of Electric Charge

Introduction to conduction, friction, and polarization.

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전하의 이동

밴더 그래프 정전 발생 장치

이 사람의 머리카락이 왜 이렇게 되었을까? 이 사람은 밴더 그래프 정전 발생 장치(van de Graaff generator)에 손가락을 대고 있다. 이 장치의 큰 공은 음(-)으로 하전되었으며 이 사람이 그 곳에 손을 대자 그와 그의 머리카락까지 음으로 하전되었다. 다음 사이트에서 밴더 그래프 정전 발생 장치의 비디오 시범을 볼 수 있다.   http://www.youtube.com/watch?v=SREXQWAIDJk

Q:   왜 이 사람의 머리카락이 모두 서 있나? 

A:  이 사람의 모든 머리키락이 음으로 하전되었으며 같은 전하는 서로 밀어내기 때문이다. 따라서 그의 머리카락이 서로 밀어내어 모두 서 있게 되었다.

전자 이동

위 사진의 사람은 음으로 하전되었는데 이는 밴더 그래프 정전 발생 장치에서 전자가 그에게 이동되었기 때문이다. 전자가 물체 사이를 이동할 때마다 중성의 물체가 전하를 띠게 된다. 이러한 현상은 한 원자 내에서도 일어난다. 원자는 그의 전자의 수가 양성자의 수와 같기 때문에 전기적으로 중성이다. 그러나 만일 원자가 전자를 얻거나 잃으면 아래 그림에서와 같이 전하를 가진 이온이 된다. 전자를 잃으면 양이온이되고 전자를 얻으면 음이온이 된다. 

중성원자(Neutral atom)가 전자를 잃으면(loss of electrons) 양이온(Cation)이 되고, 전자를 얻으면(gain of electrons) 음이온(Anion)이 된다.

전하보존

이온 형성과 마찬가지로 하전된 물질은 일반적으로 한 물질 내에서 또는 두 물질 사이의 전자 이동에 의해 만들어진다. 전자가 이동될 수 있는 방법에는 전도(conduction), 분극(polarization)과 마찰(friction) 3가지가 있다.. 이들 3가지 방법 중 어는 방법으로 전자가 이동하더라도 전체의 전하는 언제나 일정하다. 전자는 이동은 가능하나 파괴는 되지 않으며 이를 전하보존의 법칙 ( law of conservation of charge) 이라 부른다.

전도

밴더 그래프 정전 발생 장치의 사진에서 사람에게 전자가 이동되는 것이 전도의 한 예이다. 전도는 전자를 주고 받을 수 있는 물질들이 접촉할 때에 일어난다. 밴더 그래프 정전 발생 장치는 자신의 구(공)에 음 하전을 발생시킨다. 사람의 손은 양으로 하전되어 있으므로 전자를 받아드리는 경향이 있다. 따라서 손이 공에 접촉하면 전자가 흐르게 된다. 

전도를 위해 밴더 그래프 정전 발생 장치가 있어야만 하는 것은 아니다. 이는 양모 카페트 위를 고무창이 달린 구두를 신고 걸을 때에도 일어나다.  양모는 전자를 버리려는 경향이 있고 고무는 전자를 받으려는 경향이 있다. 따라서 양탄자 위를 걸을 때마다 카페트의 전자가 구두로 전도되어 카페트는 양으로 구두는 음으로 하전된다. 

분극

고무창 구두를 신고 양모 카페트 위를 걸어 음으로 하전되었다고 생각해보자. 만일 이 구두를 신은 사람이 문의 금속 손잡이를 잡으려 하면 이 중성 금속 내의 전자들이 손이 닿기도 전에 손 쪽에서 멀어진다. 그 결과 손잡이의 한 쪽은 양으로 하전되고 다른 쪽은 음으로 하전된다.  이러한 현상을 분극(polarization)이라 하는데 이는 중성 물질의 전자가 주변의 하전된 물체에 의해 생성된 전기장에 의해 발생된다. 분극은 아래 그림에서와 같이 두 물체의 직접적 접촉이 없이 일어난다.  

하전된 플라스틱 막대(Plastic rod)에 의한 금속판(Metal plate)의 분극(Polarization) 현상

Q:  음으로 하전된 플라스틱 막대를 금속판 가까이 가져가면 어떤 일이 생길까?

A: 금속판의 전자가 플라스틱 막대의 음전하 전기장에 의해 밀려난다. 그 결과 금속판 한쪽에는 양전하가 다른 한 쪽에는 음전하가 생성된다.  

마찰

풍선을 머리카락에 대고 비벼본 적이 있는가? 풍선과 머리 사이의 마찰은 머리카락의 전자가 픙선으로 이동하게 해준다. 이는 풍선이 머리카락 보다 전자를 더 잘 끌어 당기기 대문이다. 전자가 이동되면 풍선은 음으로 하전되고 머리카락은 양으로 하전된다. 개별 머리카락이 같은 하전을 띠고 있기 때문에 서로 밀어 모든 머리카락이 서게된다. 그리고 풍선과 머리카락은 다른 전하를 띠고 있기 때문에 서로를 끌어 당긴다.  

전자를 주고 받는 능력에 차이가 있는 두 물질이 마찰을 하면 언제나 전자가 이동하게 된다.  다음 사이트의   “Balloons and Static Electricity” 라는 애니메이션에서 스웨터와 풍선의 마찰에 의해 전자가 어떻게 이동되는지를 보라.  http://www.cabrillo.edu/~jmccullough/Physics/Electric_Forces_Fields.html

Q:  만일 풍선을 벽에 비비면 풍선이 벽에 붙기도 한다. 왜 그럴까?.

A:  전자가 벽에서 풍선으로 이동되어 풍선이 음으로 하전되고 벽이 양으로 하전된다. 따라서 풍선은 반대 하전을 띤 벽에 붙게 된다.  

요약

  • 물체 사이에 전자가 이동될 때마다 중성 물질이 전하를 갖게 된다. 예를 들어 원자가 전자를 잃거나 얻으면 이온이라 부르는 하전 입자가 된다.
  • 전자가 이동되는 3가지 방법은 전도, 마찰 및 분극이다. 각 경우에 전체 전하는 변하지 않으며 이를 전하보존의 법칙이라 한다. 
  • 전자를 주고 받는 능력이 다른 두 가지 물질이 접촉하면 전도가 일어난다. 
  • 분극은 하전 입자에 의해 생성된 전기장의 영향으로 중성 물체내의 전자가 이동되는 현상이다. 이는 두 물체의 직접적 첩촉이 없이 이루어진다. 
  • 전자를 주고 받는 능력의 차이가 있는 두 물질이 마찰을 하면 전자의 이동이 일어난다.

용어

  • 전하 보존의 법칙(law of conservation of charge) : 두 물질 사이에 또는 한 물질 내에서 전하가 이동될 때에도 전하는 파괴되지 아니하므로 전체 전하는 똑같이 유지된다. 

연습

다음 사이트에서 마찰에 의해 어떻게 전하가 이동하는지 복습하라. 애니메이션을 보고 전자를 주고 받는 능력이 다른 물질의 목록을 본 다음 아래 질문에 답하라.

http://www.regentsprep.org/regents/physics/phys03/atribo/default.htm

  1. 유리잔을 플라스틱 보자기에 문지르면 유리가 양으로하전될까 아니면 음으로 하전될까?
  2. 마른 손으로 강아지를 쓰다듬어 준다음 문의 금속 손잡이를 잡고 충격을 받았다. 전하가 손에서 손잡이로 이동했나 아니면 그 반대인가?

복습

  1. 밴더 그래프 정전기 발생 장치에서 어떻게 전하가 이동되나?
  2. 양이온과 음이온의 생성을 비교 대조하라.
  3. 전하보존의 법칙을 진술하라. 
  4. 양탄자 위를 고무창 구두로 걸은 다음 문의 금속 손잡이를 잡은 경우를 예로들어 전도와 분극이 어떻게 일어나는지를 설명하라.
  5. 작은 휴지 조각을 빗에 대고 문지르면 플라스틱 빗과 작은 종이조각의 하전에 어떤 일이 생길까? (힌트: 플라스틱은 전자를 받는 경향이 있고, 종이는 전자를 버리는 경향이 있다..)

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