[기초물리] 3-1 전기장

건조한 날 에보나이트 막대나 유리 막대 등을 털가죽이나 명주 헝겊으로 문지르면 에보나이트 막대와 유리 막대, 털가죽과 명주 헝겊은 다른 물체를 끌어당기는 성질을 띠게 됩니다. 이와 같이 물체를 마찰시킬 때 생기는 전기를 마찰 전기라고 하며, 물체가 전기를 띠게 되는 현상을 대전, 대전된 물체를 대전체라고 합니다. 대전체가 띠고 있는 전기를 전하(electric charge)라고 하며, 그 양을 전하량 또는 전기량이고 합니다. 이것이 모든 전기적 현상의 근원이며 전기장이 발생되는 원인입니다. 이 대전체는 서로를 밀어내거나 끌어당깁니다. 이 사실로부터 물체를 마찰시킬 때 생기는 마찰 전기에는 두 종류가 있음을 알고 미국의 과학자 프랭클린이 양전하와 음전하로 이름 붙인 두 종류의 전하가 존재함을 입증했습니다. 두 종류의 전하를 쉽게 하기 구별하기 위해 서로 반대가 되는 개념과 부호를 한 쌍으로 사용했는데 이를 양전하(+전하)와 음전하(-전하)라고 합니다.

같은 종류의 전하를 띤 물체 사이에는 서로 밀어내는 척력이 작용하고 다른 종류의 전하를 띤 물체 사이에는 서로 끌어당기는 인력이 작용하는데 이 힘을 전기력 또는 정전기력이라고 합니다. 추가로 정전기는 전하가 이동하지 않고 물체에 머물러 있는 현상을 말합니다. 이와 같이 대전이 발생하는 원리는 무엇일까요?

 

모든 물질은 원자로 구성되어 있습니다. 원자는 (+)전하를 띤 무거운 원자핵이 있고 그 주위를 (-)전하를 띤 전자들이 돌고 있습니다. 이때 원자 내에 있는 원자핵의 (+)전하량과 원자핵 주위를 도는 전자의 (-)전하량의 총합이 같기 때문에 대부분의 물질은 전기적으로 중성이 되어 전기를 띠지 않습니다. 하지만 원자 내의 가장 바깥쪽에서 돌고 있는 전자는 원자핵으로부터의 인력이 작이 작아 외부 영향을 받으면 원자핵으로부터 떨어져 나가서 특정 원자에 소속되지 않고 원자들 사이를 자유롭게 돌아다닐 수가 있습니다. 이러한 전자를 자유 전자(free electron)라고 합니다. 금속과 같은 물체는 자유 전자가 많고 유리와 종이 같은 물체는 자유 전자가 적습니다.

따라서 서로 다른 두 물체를 마찰시키면 마찰되는 부분에 있는 원자들이 자극을 받게 되므로 원자 속의 전자들 가운데 원자핵에서 가장 멀리 있는 전자들이 한쪽 물체를 떠나 다른 쪽 물체로 이동하게 됩니다. 이때 전자를 얻은 물체는 (-)전하를 띠고 전자를 잃은 물체는 (+)전하를 띱니다. 즉, 마찰시키는 두 물체 중 원자핵이 전자를 구속하는 힘이 작아 느슨하게 결합되어 있는 물체는 쉽게 전자를 잃어 (+)전기로 대전되고 전자를 구속하는 힘이 큰 물체는 다른 물체 속의 원자에서 전자를 끌어당겨 (-)전기로 대전됩니다.

전자를 서로 주거나 받기 때문에 생기므로 일반적으로 전하는 어떤 반응 전후에도 그 총량은 변하지 않습니다. 이것을 전하량 보존 법칙이라고 합니다.

물체의 대전은 전자의 이동 때문에 나타나는 현상이므로 모든 대전체의 전하량은 전자 1개가 가지는 전하량의 정수배로 나타낼 수 있습니다. 대전된 물체의 전하량이 기호 e로 표시되고 기본 전하(elementary charge) 값은 다음과 같습니다.

그리고 전하량은 전자의 정수배이므로

전자의 개수는 항상 정수이므로 1.5e등과 같은 전하량은 존재할 수 없습니다. 이와 같이 어떤 물리량이 연속적인 임의의 값이 아니라 불연속적인 값만을 가질 수 있을 때 그 물리량이 양자화(quantized)되어 있다라고 합니다.

 

우리 주위에는 전자가 잘 이동하는 물체도 있고 전자가 잘 이동하지 않는 물체도 있습니다. 물체 내에서 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 물질을 도체(conductor)라고 하며, 도체의 특징은 다음과 같습니다.

1. 도체 내부에는 자유 전자가 많아 -전하를 잘 이동시킨다.

2. 금속, 탄소 막대, 지구, 인체, 산, 염기의 수용액 등은 도체이다.

3. 도체 내부의 전기장의 세기는 0이다.

4. 도체에 과잉 전하를 주면 표면에만 분포하며, 특히 뾰족한 곳에 많이 분포한다.

5. 전기력선은 도체 표면에 수직이다.

반대로 전자가 자유롭게 이동할 수 없는 물질을 절연체(insulator) 또는 부도체(nonconductor)라고 하며 다음과 같은 특징이 있습니다.

1. 절연체에는 자유 전자가 없고, 전자들이 원자핵에 속박되어 있다.

2. 고무, 유리, 화학적으로 정제한 물, 플라스틱, 나무, 공기 등은 절연체이다.

또 도체와 절연체 사이의 중간 성질을 띠는 물질을 반도체(semiconductor)라고 하며, 반도체 특징은 다음과 같습니다.

1. 반도체에는 실리콘(Si), 저마늄(Ge) 등이 있다.

2. 반도체는 다이오드, 트랜지스터, 직접 회로 등이 이용된다.

물질 안에서 전하가 전혀 저항을 받지 않고 이동할 수 있는 물질을 초전도체(superconductor)라 하고 전기 저항이 0인 물질입니다.

 

이번에는 전기적으로 중성이지만 전자가 잘 이동하는 물체인 도체와 대전체를 생각해봅시다. 이 둘을 가까이 하면 대전체와 가까운 쪽에는 대전체와 다른 종류의 전하가, 먼 쪽에는 대전체와 같은 종류의 전하가 유도됩니다. 이를 정전기 유도라고 합니다.

 

이와 같은 현상은 자유 전자의 이동에 의해 나타납니다. 이때 유도된 (+)전하량과 (-)전하량은 같습니다.

프랑스 과학자 쿨롱은 실험을 통해서 두 대전체 사이에 작용하는 전기력이 거리의 제곱에 반비례한다는 사실을 알아냈습니다. 두 전하 사이에 작용하는 전기력(electric force)는 두 전하를 잇는 직선 상에서 작용하는 힘이고 이때 크기는 거리에 제곱하여 반비례하고 두 전하량의 곱에 비례합니다.

이것을 쿨롱 법칙이라고 합니다. 여기서 k는 비례상수입니다. 두 대전체 사이에 있는 물질의 종류에 따라 비례상수는 달라집니다. 일반적으로 진공 유전율을 가지고 계산을 합니다. 전하량의 단위는 국제 단위계(SI단위계)에서 C를 사용하며, 1C는 도선에 1A의 전류가 흐를 때 그 단면을 1초 동안 지나가는 전하량으로 정의합니다.

만약 n개의 대전 입자가 있을 때 그들은 각각 쌍으로 상호 작용을 하는 중첩의 원리가 적용됩니다.

대전체 주위에 전하를 놓으면 전하는 대전체로부터 힘을 받습니다. 즉, 어떤 공간에 전하량 Q인 대전체를 놓으면 주위 공간은 다른 전하에 전기력을 미칠 수 있는 공간으로 변합니다. 전하에 전기력을 미치는 공간을 전기장(electric field)이라고 합니다. 전기장 내의 한 점에 단위 양전하 (+1C)를 놓았을 때 이 단위 양전하가 받는 전기력의 크기를 그 점의 전기장의 세기라고 하고 이 힘의 방향을 전기장의 방향이라고 합니다. 전기장은 힘과 마찬가지로 크기와 방향을 나타내는 물리량이며 기호 E로 표시합니다.

전기장의 방향은 (+)전하가 받는 힘의 방향입니다.

19세기에 전기장의 개념을 도입한 영국의 패러데이는 대전체 주위의 공간이 전기력선(electric field lines)이라는 선으로 채워진 것으로 생각했습니다. 전기장의 형태를 전기력선으로 나타내면 전기장을 시각적으로 이해할 수 있어 편리합니다. 전기장 내에서 +전하가 전기력을 받아 이동해 가면서 그리는 직선이나 곡선을 전기력선이라고 합니다. 이 전기력선은 여러 가지 모양의 전기력선으로 나타낼 수 있습니다.

전기력선은 (+)전하에서 시작하여 (-)전하 또는 무한 원에서 끝이납니다. 또 전기력선은 분리되거나 서로 교차하지 않습니다. 전기력선에 그은 접선 방향이 그 점에서 전기장의 방향이 되고 전기력선의 밀도가 밀한 곳은 전기장이 세고, 전기력선의 밀도가 소한 곳은 전기장이 약합니다. 만약에 전기장이 있는 곳 즉, 전기력선이 지나가는 곳에 도체가 놓이면 도체 내의 자유 전자들은 외부 전기장과 반대 방향으로 재빨리 이동합니다.