【물리학 - 전자기학】 02. 전하와 대전

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전하

Electric Charge

 

전하란, 물질이 전기적인 현상을 갖게 만드는 원인으로 두 가지의 큰 법칙들을 만족한다.

1. 전하량 보존의 법칙(conservation law of electrical charge): 고립계에서 전하량은 항상 초기 전하량을 유지하며, 전하는 새로 생성되거나 없어지지 않는다.
2. 양자화된 전하: 모든 전하는 기본 전하량 e의 정수배만큼 존재한다.

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전하량 보존의 법칙 | Conservation Law of Electrical Charge

전하량 보존의 법칙은 고립계 조건에서 전하는 새로 만들어지거나 소멸되지 않고 처음의 양을 항상 유지한다는 내용으로 아래 세부내용을 또한 만족한다.

• 전하는 물질의 특성에 따라 이동이 가능하므로, 비고립계 조건에서 어떤 물질의 전체 전하량은 변할 수 있다. 예를 들어 [그림 1]과 같은 조건에서 호박(amber)을 천(cloth)으로 문지르면 호박의 전체 전하량이 0에서 -2로 변하는 것을 알 수 있다.
• 그러나 [그림 1]의 호박과 천을 고립계 조건으로 보았을 때 전하는 이동만 했을 뿐 전하 자체가 생성되거나 소멸하지 않았다.

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그림 1. 전하의 이동 [출처: Univeristy Physics Vol 2, Openstax, p.184]

 

 

 

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양자화된 전하 | Quantized Charges

전하량을 q로 표기하면 전하는 불연속적인 다발과 같이 존재하므로 다음과 같이 적을 수 있다.

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전하량

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<물리량>

• e: 기본전하량
• N: 기본전하량을 가진 입자의 개수

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여기서 e는 약 1.602×10^-19[C]이다.

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그림 2. 리튬 원자와 이온의 전하량  [출처: Sears & Zemansky's University Physics, p.681]

 

 

예를 들어 [그림 2]와 같이 (1)중성 리튬, (2)리튬 양이온, (3)리튬 음이온은 각각 양성자(+1e)와 전자(-1e)의 개수를 합하여 아래와 같이 계산된다.

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(양전하량) + (음전하량) = (알짜전하, net charge)

(a) (+3)+(-3) = 0

(b) (+3)+(-2) = +1 ⇒ 리튬 양이온 (Li+)

(c) (+3)+(-4) = -1 ⇒ 리튬 음이온 (Li-)

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대전(帶電)

Electrification

 

대전: 대전현상, 물체가 전기를 띠는 현상으로 물체가 대전되는 대표적인 원리는 아래와 같다.

1. 전도(conduction): 접촉/마찰 대전, 서로 다른 물체가 접촉하거나 마찰했을 때[그림 3] 움직일 수 있는 전하(전자)가 이동하면서 대전된다.

 

그림 3. 마찰 대전

 

2. 유도(induction): 전도에서의 물체 간 접촉 없이, 유도 자극을 통해서 물질 내의 전하가 재배치되면서 대전되는 현상

 

그림 4. 분극  [출처: Univeristy Physics Vol 2, Openstax, p.190]

 

예를 들어 [그림 4]와 같이 (+)로 대전된 막대를 어떤 구체에 갖다댈 때, 그 구체 내의 전하들이 자유롭게 이동이 가능하다면, (1)전자는 막대 가까이로 분포할 것이고 (2)따라서 상대적으로 막대의 반대편에는 (+)전하가 남아 구체는 '분극'(polarization) 상태가 된다.

• 구체는 도체로 전하가 비교적 자유롭게 움직일 수 있다. 따라서 유도자극을 주면 움직일 수 있는 전자의 분포 이동으로 인해 한 물체의 극이 나뉘어지게 된다.
• 만약 도체가 아닌 절연체라면 전하는 자유롭게 움직일 수 없는데, 같은 유도자극을 주었을 때 전하 분포 이동 대신 절연체 표면에 전하층이 생성[그림 5]된다.

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그림 5. 절연체 분극

 

 

만약 대전되지 않은 물체에 대전체를 가까이 가져가면, 인접 부분에 대전체와 다른 종의 전하가 유도되고, 먼 부분에는 같은 종의 전하가 유도된다.

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참고로 전하의 이동 능력에 따라 물질을 아래와 같이 분류한다.

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

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도체는 free charge에 속하는 free electron을 부도체는 bound charge에 속하는 bound electron을 대부분 보유하고 있다.

• 대부분의 금속은 도체에 속한다.
• 유리, 고무, 마른 나무 등의 유기화합물(carbon compound)은 절연체에 속한다.
• 그러나 탄소 동소체 중 흑연, 풀러렌[그림 6]과 같은 물질은 매우 우수한 전기 전도체이다.

 

그림 6. 흑연(좌)과 풀러렌(우) [출처: Wikimedia]