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전기장과 전위

원자와 전기

물질은 많은 분자나 원자로 이루어져 있다. 원자는 중심에 있는 양전하를 띤 원자핵과 그 둘레를 돌고 있는 음전하를 띤 전자로 구성되어 있다. 보통 상태에서 물질은 전기적 성질을 띠지 않는다. 이것은 원자 중의 양전하의 양과 음전하의 양이 같아서 전기적으로 중성이 되어 있기 때문이다, 원자핵 주위를 돌고 있는 대부분의 전자들은 특정의 원자핵에 속해 있으나, 원자핵에서 분리되어 자유로이 원자 사이를 움직이는 전자도 있다. 이 전자를 자유 전자라 한다. 금속과 같이 전기를 잘 전달하는 물질 내에는 자유 전자가 많이 있고 절연체라 불리는 부도체인 물질 내에는 자유 전자가 거의 없다. 물체가 마찰에 의해 대전되는 것은 마찰에 의하여 전자가 한쪽 물체에서 다른 쪽 물체로 이동하기 때문이다. 전자가 적어진 물체는 양전하가 많아짐으로써 양(+)으로 대전되고, 전자가 이동해 온 물체는 음전하가 많아지게 되므로 음(－)으로 대전된다. 물질 A, B, C가 있을 때 A와 B를 서로 문질렀을 때 A가 양, B가 음으로 대전되고, B와 C를 문질렀을 때 B가 양으로 C가 음으로 대전되었다고 하면, A와 C를 문지르면 A는 양으로 C는 음으로 대전된다. 이것을 '볼타의 법칙'이라 한다. 2개의 물질을 서로 문질렀을 때, 물질에 따라 양으로 대전되는 경향이 큰 것과 음으로 대전되는 경향이 큰 것이 있다. 몇 가지의 물질에 대해 양으로 대전되는 경향이 큰 것부터 열거하면 다음과 같다. (+)털가죽 ― 상아 ― 털헝겊 ― 수정 ― 유리 ― 명주 ― 나무 ―솜 ― 고무 ― 황 ― 셀룰로이드 ― 폴리에틸렌 ― 금속 ― 이온(-) 위의 물질 중에서 2개의 물질을 임의로 선택하여 서로 문질렀을 때, 에 가까운 물질은 양으로, 에 가까운 물질은 음으로 대전된다. 그리고 위와 같이 열거한 순서를 '대전열'이라 한다.

전하 보존의 법칙

화학 변화에서는 원자의 결합이 변할 뿐이고, 원자가 변화하거나 질량이 변화하지 않으므로 질량 보존의 법칙이 성립된다고 생각할 수 있다. 그러나 원자의 변화나 미립자의 변화를 문제로 할 때에는 질량이 감소되어 에너지가 변화하므로, 질량 보존의 법칙은 일반적으로 성립하는 법칙은 아니다. 그런데, 전하에 있어서는 폐쇄 상태의 전하를 생각했을 경우 전하는 항상 일정하게 보존된다. 이것을 전하 보존의 법칙(전기량 보존의 법칙)이라 한다. 즉, 두 물체 사이에 전하가 이동해도 그것에 관계한 물체의 전하 총량을 생각했을 경우에는, 전하의 이동 전과 이동 후의 전하 총량은 같다. 예를 들면, 대전되지 않은 털가죽과 에보나이트 막대를 문지르면 털가죽은 양으로 대전되고 에보나이트 막대는 음으로 대전된다. 이때의 전하를 각각 +Q1(Q1>0), －Q2(Q2>0)로 하면 2개 물체 이외에 전하의 이동이 없다면 0=(+Q1)+(－Q2)가 된다. 이때 0은 양·음의 전하가 같은 양인 것을 나타낸다. 전하에 양·음의 부호를 붙인 것은 계산상 편리할 뿐만 아니라, 양·음이 서로 상대의 작용을 중화하는 작용을 나타내기 때문에 사용되고 있다.

정전기 유도

금속박 검전기의 정전기 유도

金屬－檢電器－正電氣誘導금속이 전기를 잘 전달하는 것은 금속 중에 자유 전자가 많이 존재하기 때문이다. 대전되지 않은 금속에 대전체를 가까이 가져가면, 자유 전자의 분포 상태가 변화함으로써 금속 전체의 전하 분포 상태가 변화한다. 금속박 검전기인 금속원판 가까이에 (+)전하를 띤 대전체를 접근시키거나, (－)전하를 띤 대전체를 접근시키면 금속박이 벌어진다. (+)전하를 띤 대전 막대를 접근시켰을 때는 음의 전하를 가진 자유 전자가 대전 막대의 (+)전하로부터 힘을 받아 금속 원자 사이를 이동해서 대전 막대 가까이에 많이 유도된다. 또, 금속박부분에서는 자유 전자가 적어져서 (+)전하가 많게 된다. 음의 대전 막대를 접근시켰을 때에는 위와 반대현상이 일어난다. 이와 같이 도체에 대전체를 가까이 했을 때, 자유 전자가 이동하여 금속 표면에 같은 양의 반대전하가 유도되는 현상을 '정전기 유도'라고 한다. 대전체를 금속박 검전기에 접근시켰을 때 금속박이 열리는 것은, 정전기 유도에 의하여 금속박이 있는 곳에 같은 종류의 전하가 유도되어 척력이 작용하기 때문이다. 금속박 검전기는 물체에 대전된 전하량을 조사하거나, 전하의 종류를 조사할 때 사용한다. 이와 같은 실험을 할 때에는 미리 금속박 검전기를 대전시켜 놓을 필요가 있다. 그렇게 하기 위해서는 금속 원판에 대전 막대를 접촉시켜서 대전 막대와 같은 종류의 전하를 금속박 검전기에 생기도록 하는 것이 한 방법이다 또하나의 방법은 양의 대전 막대를 금속박 검전기의 금속 원판에 접근시켜 놓고, 손가락을 가볍게 금속 원판에 대었다가 떼는 방법이다. 이렇게 하면 대전 막대를 멀리해도 금속박은 벌어진 채로 있다. 이것은 전자가 손가락에서 금속박 검전기로 옮겨가서 (－)전하가 전체적으로 많아지게 되기 때문이다. 이렇게 하여 대전시킨 금속박 검전기를 이용하면 다른 대전체의 전하가 양인지 음인지 판정할 수 있다. 이것은 접근시킨 대전체에 의하여 금속박의 벌어지는 정도가 달라지기 때문이다.