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겨울철에 특히 우리를 깜짝 놀라게 하는 정전기. 정전기는 어떻게 생길까. 또 도체와 부도체에서 어떤 차이를 보일까. 보너스실험에서는 종이가 자석에 끌리고 유리가 자석으로부터 밀리는 비밀을 알아보자.

정전기는 엄청난 힘을 가지고 있답니다. 책받침을 이용해 가벼운 종이 조각을 들어 올리는 것은 해 보았겠죠? 평범한 플라스틱 막대를 이용하면 통나무를 움직일 수도 있습니다. 물론 접촉해서는 안되죠. 이제부터 우리도 차력사가 되어 봅시다. 그리고 정전기의 힘을 눈으로 확인하는 겁니다. 먼저 다음 문제를 풀어 봅시다.

아래(그림1)과 같이 대전된(전기를 띤)막대를 여러 종류의 막대에 가까이 했을 때 검전기의 금속박이 벌어지는 것은 어떤 막대일까요?
①나무막대 ②유리막대 ③철 막대 ④구리 막대 ⑤종이 막대

③번과④번이라구요? 틀렸습니다. 정답은 모두 다 벌어진다는 것입니다. 직접 실험을 통해서 그 이유를 알아봅시다.
 

실험1. 도체와 부도체의 차이

막대기 도체(금속 막대)이든 부도체(나무, 유리, 종이 막대)이든 검전기의 금속박이 벌어진다는 것을 눈으로 확인할 수 있었다.

물체를 마찰시키면 전자가 이동해 전자를 얻은 쪽은 (-), 전자를 잃은 쪽은 (+)전기를 띠게 된다. 이를 마찰 전기라고 한다. 또 이렇게 전기를 띤 물체를 대전체라고 부른다. 전기를 띤 물체 사이에는 전기력이 작용한다. 같은 부호의 전하 사이에는 척력(밀어내는 힘)이, 반대 부호의 전하 사이에는 인력(끌어당기는 힘)이 작용한다.

털가죽으로 문지른 PVC파이프는 털가죽으로부터 전자가 이동해 (-)로 대전된다. 이를 도체에 가까이하면 도체 내의 자유전자가 척력을 받아 대전체로부터 멀리 이동해 막대 끝에 분포하게 된다. 이렇게 되면 검전기의 금속판에 있던 자유전자들이 다시 척력을 받아 금속박에 모이게 되고, 이들 사이에 역시 척력이 작용해 금속박이 벌어진다. 이와 같은 현상을 정전기유도라고 한다(그림2).

부도체인 경우는 어떨까. 부도체는 자유전자가 없지만 대전체를 가까이하면 분자 내의 전자가 영향을 받아 분자들이 극성을 띠게 된다 (그림3). 결국 이 극성을 띤 분자들이 대전체에 의해 힘을 받아 일정하게 배열되는데 이를 유전분극이라고 한다. 이러한 유전분극 때문에 부도체에서도 검전기의 금속박이 벌어진다. 흔히 나무와 같은 부도체는 검전기의 금속박을 벌어지게 할 수 없다거나 그 효과가 매우 작을 것이라고 생각한다. 하지만 실험해보면 부도체에서도 그 효과가 상당히 크게 나타남을 알 수 있다.
 

실험2. 물체 당기기

막대가 도체이든 부도체이든 인력을 받아 돌아가는 것을 볼 수 있다. 또 가벼울수록 더 잘 돌아가는 것을 알수 있다. 막대가 돌아가는 이유는 도체인 경우 정전기윧에 의해서, 부도체인 경우 유전분극에 의해서다. 대전체 근처에 반대 부호의 전하들이 분포해 인력을 받기 때문이다.
 

실험3. 종이꽃 공중에 띄우기

PVC파이프 위에서 꽃모양의 뜨개가 둥둥 잘 뜨는 것을 볼 수 있다. 물론 잘하려면 훈련이 필요하다. 또 대전이 많이 될수록 대전체 위로 더 높이 뜨는 것도 알 수 있다. 가벼운 뜨개가 멋지게 공중에 뜰 수 있는 이유는 PVC파이프와 비닐끈을 같은 털가죽으로 문질렀기 때문이다. 이렇게 하면 같은 부호로 대전되어 척력을 받기 때문이다. 실험2에서 두개의 PVC파이프를 털가죽으로 문질러 하나는 시계접시 위에 올려놓고 다른 하나를 가까이하면 척력을 받아 돌아가는 것을 볼 수 있었던 것과 같은 이치다.

만약 뜨개를 다른 물체에 가까이하면 바로 달라 붙어버린다. 이는 실험2의 결과를 생각해보면 쉽게 알 수 있다.

보너스 실험 종이가 자석에 끌리는 이유

자석에 붙는 물질은 무엇일까요? 자석에 붙지 않는 물질은 정말 붙지 않을까요? 강력자성을 이용하면 자기력과 물질 사이의 새로운 관계를 알 수 있답니다.