- 전하, 도체와 절연체

- 전하(Electric charge)란?

간단하게 말하자면 '전기현상을 일으키는 원인'이다.

 

이러한 전하의 존재는 건조한 환경에서 풍선을 양모에 문지른 후 머리에 대보는 것 같은 일상생활에서의 간단한 실험으로 관측 가능하다.

 

이러한 전하의 종류는 양전하와 음전하로 나뉜다.

 

 

- 전하의 성질?

전하의 성질은 크게 세 가지가 있다.

(1) 같은 종류의 전하는 서로 밀어내고, 같은 종류의 전하는 서로 당긴다.

(2) 전하는 항상 보존된다.

(3) 전하는 양자화(quantized)되어있다.

 

- 같은 종류의 전하는 서로 밀어내고, 같은 종류의 전하는 서로 당긴다.

대전된 두 물체를 이용하여 실험을 수행해보면 같은 전하를 띠는 물체끼리는 서로 밀어내고 다른 전하를 띠는 물체끼리는 서도 당기는 것을 관측할 수 있으며, 이로부터 위와 같은 성질을 알 수 있다.

 

- 전하는 항상 보존된다.

이는 전하는 없어지거나 생기지 않는다는 것을 의미한다. 대전 현상은 전하가 생성되거나 하여 발생하는 것이 아니라, 물체의 음전하(전자)가 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동하면서 발생하는 것이다.

 

- 전하는 양자화(quantized)되어있다.

Robert Millikan(밀리컨)은 한 물체가 대전되었을 때, 그 물체의 전하는 항상 기본 전하량 e에 정수배가 된다는 것을 발견하였다. 즉 대전되었을 때, 물체의 전하량은 +0.51e나 -0.24e같은 경우는 존재할 수 없고 +2e나 +3e와 같은 정수배의 전하를 갖는다는 것이다.

 

여기서 e의 값은 1.602 × 10^(-19) C이다.

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- 도체(Conductor)와 절연체(Insulator)?

도체(Conductor)와 부도체(Insulator)는 전하를 전달하는 능력에 따라 구분된다.

전하가 자유롭게 움직이면 도체(Conductor), 아니라면 절연체(Insulator)이다.

반도체(Semiconductor)는 절연체와 도체의 중간 정도의 전기적 성질을 지니는 물질이다.

 

또한 물체의 대전은 전도(Conduction)와 유도(Induction)의 두 가지 방식으로 일어난다.

 

 

- 전도(Conduction)

음으로 대전된 막대를 중성 도체에 접촉시키는 경우를 세 단계로 나누어 가정해보자.

1단계 - 막대를 도체에 가까이 접근시키게 되면, 성질 (2)에 의해 도체의 막대와 가까운 쪽은 양전하를 띠게 된다.

2단계 - 막대를 도체에 접촉시키게 되면 막대의 음전하가 도체로 이동하여 도체의 양전하를 중성화시킨다.

3단계 - 막대를 도체에서 제거하면 도체에는 음전하만이 남는다.

>> 결과적으로 도체는 음전하를 띠게 된다.

 

이러한 방식으로 대전되는 것을 전도(Conduction)라고 칭한다.

 

 

- 유도(Induction)

유도(Induction)는 접지를 통해 이해할 수 있다.

접지란 어떤 도체가 도선이나 구리관을 통해 땅으로 연결될 때 접지되었다고 한다.

 

이번에는 음으로 대전된 막대를 중성 도체에 접촉시키는 경우를 네 단계로 나누어 가정해보자.

1단계 - 음으로 대전된 막대와 접촉하기 전, 도체는 전기적으로 중성이다.

2단계 - 막대를 도체에 가까이 접근시키게 되면, 성질 (2)에 의해 도체의 막대와 가까운 쪽은 양전하를 띠게 되며, 반발력에 의해 도체 내부의 전자들은 막대와 가장 먼 곳으로 이동한다.

3단계 - 이때 접지를 통해 도체를 땅과 연결하면, 전자들이 도체를 떠나게 된다.

4단계 - 이어서 막대를 제거하면 도체에는 양전하가 음전하보다 많게 된다.

>> 결과적으로 도체는 양전하를 띠게 된다.

 

이러한 방식으로 대전되는 것을 유도(Induction)라고 칭하며, 유도를 이용해 물체를 대전시킬 때 유도하는 물체와 대전되는 물체를 서로 접촉시킬 필요는 없다.

 

또한 유도(Induction)와 비슷한 현상이 절연체에서도 일어난다. 대전된 물체가 접근하면 한 쪽의 전하가 다른쪽보다 많아지게 되며, 이를 분극(Polarization)이라고 칭한다.

이러한 분극 효과를 통해 재배열된 전하는 절연체의 표면에 전하를 유도하여, 유도 전하를 만든다.

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