꼬리에 꼬리를 무는 궁금증

왜 호박에 깃털이나 먼지가 달라붙을까?

정전기 현상은 동양과 서양에서 비교적 일찍부터 알려져 있었다. 기록에 남아 있는 것으로는 기원전 600년경부터 찾아 볼 수 있다. 고대 그리스에서는 호박이라는 보석이 귀부인들의 사랑을 받아 호박 장식품이 유행하였다. 호박으로 장식품을 만드는 마지막 단계에서는 헝겊으로 문질러 광택을 내었는데, 그때마다 광택을 낸 호박이 깃털이나 먼지 같은 가벼운 물질을 끌어당기는 현상이 관찰되었다. 과학자들은 이 현상의 이유에 대해 궁금증을 갖게 되었고, 이를 시작으로 그들의 궁금증은 꼬리에 꼬리를 물게 되었다. 탈레스의 생각부터 함께 살펴보자.

호박에 깃털이나 먼지가 달라붙는 사실에 대해 맨 처음 과학적으로 접근한 사람은 철학자이자 과학자인 탈레스이다. 탈레스는 직접 실험을 통해 이 사실을 확인한 후 호박을 마찰하면 깃털과 같은 가벼운 물체를 끌어당기고, 마찰하지 않으면 물체를 끌어당기지 않는 신비한 현상을 설명하려고 노력하였다. 그러나 탈레스는 정전기 현상에 대해 과학적으로는 설명하지 못했다. 그는 호박에 살아 있는 신이 들어 있어 다른 물체를 끌어당기는 힘이 있다고 생각했다.

호박이 뭐지?

어느 영화에서 한 천재 유전 공학자가 호박 속에 갇힌 곤충의 내장에서 공룡의 DNA를 추출해 엄청난 크기의 공룡을 탄생시켰다. 호박은 어떻게 만들어졌기에 이것이 가능했을까?

1. 인터넷을 검색하여, 여러 가지 호박 사진 및 호박에 대한 정보를 찾아보자.

2. 모둠원들과 찾은 사진과 정보를 바꾸어 관찰해 보자.

① 호박은 어디에 사용되는가?

탈레스 당시에는 귀부인들의 장식용 보석으로 사용되었고, 우리나라에서는 남자 한복의 마고자 단추로 흔히 사용되었다.

② 호박 안에 어떻게 작은 곤충들이 들어갔을까?

호박은 땅에 매몰된 후 휘발 성분이 증발하고 화학 조성이 변해 안정한 상태에 도달한 화석을 의미하는데, 이 과정에서 곤충이 함께 매 몰될 수 있다.

전기와 자기는 같은 것일까?

탈레스 이후 오랫동안 전기 현상은 자석과 같은 종류의 현상으로 받아들여졌다. 1600년경에 이르러 영국의 엘리자베스 여왕의 주치의였던 길버트는 호박뿐 아니라 유리, 수정, 유황도 마찰시키면 가벼운 물체를 끌어당긴다는 사실을 발견하고, 이와 같은 물체들을‘`전기를 일으키는 물체`’라고 불렀다. 전기`라는 단어도 호박을 뜻하는 그리스어‘electron’에서 나온 말로 길버트가 처음으로 사용하였다. 그리고 그는 자석이 철을 끌어당기는 힘을 자기력, 마찰을 시킨 물체가 먼지를 끌어당기는 힘을 전기력으로 구분하였다.

그러나 그 당시 사람들은 전기력이 왜 생기는지 그 원인을 이해하기보다는 눈에 보이는 현상을 있는 그대로 받아들였다. 길버트는 호박과 같은 물체들을 마찰시키면 물체안에 있던 어떤 힘이 물체 밖으로 흘러나와 가까운 곳에 있는 가벼운 물체를 잡아당긴다고 설명하였다. 그래서 호박에 먼지나 깃털이 달라붙는 것처럼 전기적인 현상은 서로 끌어당기는 힘만 있다고 생각하였다. 과연 길버트의 말처럼 마찰을 일으킨 두 물체 사이에는 서로 끌어당기는 힘만 있을까`?

액체 상태의 물질이 기체 상태로 변하는 것을 기화라 하고, 기체 상태의 물질이 액체 상태로 변하는 것을 액화라 한다. 젖은 빨래가 마르거나 주사를 맞기 전에 바른 소독용 알코올이 금방 사라지는 것은 물이나 알코올이 기화하는 현상이다. 한편 차가운 음료수가 들어 있는 유리컵 표면에 물방울이 맺히거나 하늘에 구름이 생기는 것은 공기 중에 있던 수증기가 액화하는 현상이다.

액체 상태의 아세톤이 기체 상태가 되었다가 다시 액체 상태가 된 후에도 매니큐어를 잘 지우는 것으로 보아 아세톤의 성질이 달라지지 않았다는 것을 알 수 있다. 이처럼 물질 고유의 성질이 그대로 유지되면서 고체, 액체, 기체로 상태만 달라지는 것을 상태 변화라 한다.

기체와 액체 사이뿐만 아니라 고체와 액체 사이에도 상태 변화가 일어난다. 고체 상태의 물질이 액체 상태로 변하는 것을 융해라 하고, 액체 상태의 물질이 고체 상태로 변하는 것을 응고라 한다. 뜨거운 용광로에서 철이 녹거나 양초에 불을 붙이면 촛농이 생기는 것은 융해 현상이다. 한편 흐르던 용암이 시간이 지나면서 굳는 것이나 녹았던 초콜릿이 굳는 것은 응고 현상이다.

밀고 당기기

1. [사진 1]과 같이 빨대 중앙에 핀을 꽂은 후, 세워 둔 빨대 위에 올려놓아 T자 모양으로 만든다.

2. 가로로 놓인 빨대의 한쪽을 털가죽으로 문지른 다음, 털가죽을 빨대에 가까이 가져간다.

3. [사진 3]과 같이 가로로 놓인 빨대와 새 빨대를 똑같이 털가죽으로 문지른 다음, 새 빨대를 가로로 놓인 빨대에 가까이 가져간다.

① 위의 2, 3에서 빨대는 어떻게 움직이는가? 그 이유는 무엇인가?

빨대를 털가죽으로 문지르면 빨대는 털가죽의 전자를 얻어 (-)전기를 띠게 된다. 이때 똑같이 (-)전기를 띠고 있는 빨대를 가까이 가져가면 같은 종류의 전기이므로 척력이 작용하여 수평으로 놓아둔 빨대가 회전하게 된다.

② 실험을 통해 관찰한 내용을 바탕으로 두물체 사이에 작용하는 힘에 대해 설명해 보자.

수평으로 놓아둔 빨대(-)에 마찰시킨 털가죽(+)을 가져가면 서로 다른 종류의 전기이므로 인력이 작용하여 빨대가 회전하게 된다.

자석이 서로 같은 극끼리는 밀어내고, 다른 극끼리는 끌어당기는 것처럼 마찰을 시킨 두 물체 사이에도 밀어내는 힘(척력)과 끌어당기는 힘(인력)이 작용한다. 후에, 프랭클린은 마찰에 의해 발생하는 전기를 (+)와 (-)로 이름 붙였다. 즉, 전기는 (+)와 (-) 두 종류가 있고, 서로 같은 종류 사이에서는 밀어내는 힘이, 서로 다른 종류 사이에는 끌어당기는 힘이 생긴다고 설명하였다.

한꺼번에 많은 정전기를 얻을 수는 없을까?

전기에 대한 연구가 유행처럼 번지면서, 유럽의 부유층들은 전기 실험을 마치 마술과 같은 재미있는 구경거리로 여겼다. 그 결과 유럽 여기저기서 전기 실험이 벌어졌다. 하지만 신기한 실험을 선보이기 위해서는 많은 양의 전기가 필요했다. 그래서 과학자들은 어떻게 하면 한꺼번에 많은 양의 전기를 만들어 낼 수 있을지 고민하였다.

1660년경 대규모의 실험을 좋아하는 게리케는 마찰 전기를 대량으로 만드는 방법을 처음으로 생각해냈다. 그는 황을 녹여 만든 둥근 공을 회전시켜 마찰을 일으키는 방법으로 전기를 발생시키는 기전기를 만들었다. 그는 마찰된 공 주위로 깃털이나 작은 물체들이 세차게 끌려가는 것과 마찰된 공에 손가락을 가까이 대면 불꽃이 튀는 것을 관찰하였다.

이렇게 정전기를 대량으로 만들 수는 있었지만 정전기는 곧잘 사라져 버리기 때문에 언제든지 전기 실험을 하기 위해서는 마찰 전기를 모아 둘 수 있는 장치가 필요했다. 이 때문에 만들어진 장치가 바로 1746년 네덜란드 레이던 대학의 뮈스헨부룩이 만든 레이던병이다. 레이던병의 발명 덕분에 여러 과학자들은 쉽게 전기를 모아 실험 할 수 있게 되었다.

정전기 깊이 들여다보기

물체를 서로 마찰시키면 밀거나 당기는 힘이 발생한다는 사실은 이미 오래전부터 알려져 왔다. 그렇다면 물체를 마찰시킬 때 왜 이런 힘이 발생할까? 그 원인은 19세기 말 전자가 발견되고 20세기에 들어와서 원자의 구조가 밝혀지고 나서야 비로소 과학적으로 설명할 수 있게 되었다.

모든 물질을 이루고 있는 기본적인 알갱이를 원자라고 한다. 원자는 (+)전기를 띤 무거운 원자핵과 그 주위에 분포하고 있는 (-)전기를 띤 전자로 되어 있다. 보통의 원자는 원자핵이 가지고 있는 양성자의 수와 그 주위에 있는 전자의 수가 같아서 전기적 성질을 띠지 않는다. 그런데 물체를 마찰하게 되면 어떤 일이 일어날까?

두 물체를 마찰하게 되면 이때 발생하는 열로 인해 어느 한쪽 물체 속에 있던 전자가 다른 물체로 이동하게 된다. 그러면 전자를 잃은 물체는 양성자의 개수가 전자 수보다 많아지게 되어 (+)전기를 띠게 되고, 전자를 얻은 물체는 원래의 전자 수보다 전자가 더 많아지게 되어 (-)전기를 띠게 된다. 이처럼 물체가 전기를 띠게 되는 현상을 대전이라고 하고, 전기를 띤 물체를 대전체라고 한다.