[물리학-전자기학] 32. 전하, 대전, 유도 | Electric Charges, Electrification, and Induction

 

전하의 특성

Characteristics of a Electric Charge

 

전하(electric charge): 물질의 전기적 현상을 갖게 하는 원인으로, 어떤 물질의 전기량을 나타낸다.

• 전기적 현상 = 전기력
• 전하는 물질에 구속되어 있고, 전기장(electric field)을 형성한다.
• 점전하(point charge): 특정한 공간에 존재하는 '점'의 특성을 공유한 전하로 그 물체의 부피나 크기는 고려하지 않는다.
• 전하량(quantity of electric charge): 어떤 물체가 가진 전하의 양

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전하는 크게 양전하(positive electric charge)와 음전하(negative electric charge)로 구분된다.

1. 양의 최소 전하단위는 양성자(proton) 또는 양전자(positron)의 전하량으로 잡는다.
2. 음의 최소 전하단위는 전자(electron)의 전하량으로 잡는다.

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전하는 움직임의 용이성에 따라 (1)자유 전하(free charge) 또는 (2)속박 전하(bound charge)로 구분[그림 1]된다.

그림 1. 자유전하와 속박전하 [출처: geeksforgeeks.org, "Free Charges and Bound Charges inside a Conductor"]

 

기본전하량

 

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• 의미: 자연에서 존재할 수 있는 가장 작은 전하량
• 단위: 쿨롱(Coulomb)으로 기호는 [C]로 쓴다.

 

 

대전

Electrification

 

물질은 보통의 경우 전기적으로 중성인 상태이다. 중성인 상태는 수식적으로 (양전하량)=(음전하량)이다. 만약 전기력과 같은 외부의 힘에 의해 전하량의 평형이 깨지면 물체는 (+) 또는 (-)의 전기를 띠게 되는데, 이렇게 물체가 전기를 띄게 되는 현상을 대전이라 하고, 대전된 물체는 대전체(eletrified body)라 부른다.

 

Benjamin Franklin, 1706-1790

 

미국의 초대 정치인이자 계몽주의자였던 벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin, 1706-1790)은 일련의 실험을 통해 두 종류의 전하가 있음을 규명하였고, 이를 각각 양전하와 음전하로 명명하였다.

• 1752, 유명한 연실험을 통해 번개가 전기를 방전함을 실험적으로 증명했다.
• 1755, 건물의 벼락 피해를 막고자 피뢰주(피뢰침, lighting rod)를 발명함 ⇒ 현대적인 피뢰침은 독일 태생의 미국인 공학자 스타인 메츠(Charles Proteus Steinmetz, 1865-1923)가 발명한 송전선 피뢰침이다.

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프랭클린의 실험

1. 인력 현상의 발견: 명주 천으로 문지른 고무 막대를 실에 매단 채, 명주 천으로 문지른 유리 막대를 고무 막대에 가까이 대었더니 둘은 서로를 당겼다. ⇒ 고무 막대는 (-)극으로 대전되었고, 유리 막대는 (+)극으로 대전되었다.
2. 반발력 현상의 발견: 명주 천으로 문지른 또 다른 고무 막대를 매달린 고무 막대에 가까이 대었더니 둘은 서로를 밀어냈다. [그림 2]

 

그림 2. 명주천으로 문지른 두 고무 막대는 서로에게 반발력을 작용한다. [출처: University Physics with Modern Physics, Young and Freedman, 14th ed.]

 

 

전하의 두 가지 특징

1. 전하량 보존의 법칙(conservation law of electrical charge): 고립계를 기준으로 전하량은 항상 초기전하량을 유지하며, 전하는 새로 생성되거나 없어지지(사라지지) 않는다. 단, 비고립계에서 전하는 물질의 특성에 따라 이동할 수 있다.
2. 양자화된 전하: 모든 전하는 기본 전하량 e의 정수배로 존재한다.

• 1909, 밀리컨의 유적실험(oil-drop experiment)에 의해 규명되었는데, 추후 내용을 확인하도록 한다.
• 전하량은 불연속적인 양이기 때문에, 정수배×(e)로 존재하거나 또는 이동한다.

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전하량

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• 전하량의 부호는 양전기 또는 음전기를 나타내며, 크기는 스칼라량이다.

 

유도

Induction

 

전하의 이동 능력에 따라 물질을 다음과 같이 분류할 수 있다.

1. 도체(conductor): 원자에 구속되지 않고, 물질 내에서 상대적으로 자유롭게 움직일 수 있는 자유전자를 보유한 물체
2. 부도체(절연체, insulator): 전기적으로 원자핵의 구속력이 매우 강해 전자가 물질 내에서 거의 움직일 수 없는 물체
3. 반도체(semiconductor): 전기전도도에 따른 물질의 분류 중 하나로 도체와 부도체의 중간영역에 속하는 특징을 가진 고형 물질, 열과 같은 에너지를 통해 전도성을 급격하게 변화시킬 수 있다.

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전기적 유도의 일반적 과정은 [그림 3]와 같다.

 

그림 3. 전기적 유도 [출처: University Physics Volume 2, Openstax, 2nd ed.]

 

1. 분리된 전하
2. 땅에 접지가 되어 있다고 가정하면 (+)극으로 대전된 막대를 구에 댔을 때, (+)전하는 반발력에 의해 접지된 전선을 통해 땅으로 '저장'되며, (-)전하는 (+)극으로 대전된 막대를 향해 (인력때문에) 끌어 당겨진다. 결과적으로 구는 (-)전기로 대전된 상태​​가 된다.
3. 이때 땅에 접지된 전선을 제거하면, 구는 (-)전기로 대전된 물체로 간주할 수 있다.
4. 외부 전하를 통해 어떤 물체의 전하를 임의로 '유도'하는 과정을 전기적 유도라고 하고, 유도 대전은 물체와의 직접적인 접촉이 꼭 필요한 것은 아닌 것이 특징이다.

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[그림 3]의 구는 도체로서 자유전하를 가정하였다. 하지만 절연체라면 전하는 자유롭게 움직일 수 없는데, 같은 전기적 유도 자극을 주면 전하의 이동 대신 절연체의 표면에 전하층이 형성된다.

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정전유도(electrostatic induction): 매질이 전기장에 반응하는 현상으로 대전되지 않은 물체에 대전체를 가까이 하면, 인접한 부분에 대전체와 다른 종의 전하가 '유도'되고, 먼 부분에는 같은 종의 전하가 유도[그림 4]된다.

그림 4. 정전유도, 유도분극의 발생 [출처: University Physics Volume 2, Openstax, 2nd ed.]