전기를 띤 물체에 끌려오는 비눗방울

작은 밴더그래프 정전기 발생 장치를 작동시켜 정전기를 발생시킨 후 정전기 발생 장치 쪽으로 비눗방울을 불어 보자. 신기하게도 비눗방울들이 정전기 발생 장치 쪽으로 끌려가는 것을 확인할 수 있다. 정전기 발생 장치에서 발생한 정전기는 왜 비눗방울을 끌어당기는 것일까?

서로 다른 물체 사이에 끌어당기는 인력이 작용하기 위해서는 두 물체가 서로 다른 종류의 전기를 띠어야 한다. 앞에서 배운 것처럼, 두 물체를 서로 마찰시키면 (-)전기를 띤 전자가 한 물체에서 다른 물체로 이동하게 되면서 두 물체는 서로 다른 전기를 띠게 된다. 예를 들어, 유리 막대를 털가죽으로 문지르면 털가죽에 있는 전자들이 유리 막대 쪽으로 이동하면서 전자를 얻은 유리 막대는 (-)전기를 띠게 되고 전자를 잃은 털가죽은 (+)전기를 띠게 되어 서로 잡아당기는 힘(인력)이 작용하게 된다.

그런데, 정전기 발생 장치 주위로 날려 보낸 비눗방울은 정전기발생 장치와 직접 접촉하거나 마찰시키지 않았는데도 시간이 지나면서 정전기 발생 장치 쪽으로 끌려간다. 그렇다면 직접 마찰을 시키지 않은 물체사이에서 전기력이 발생하는 현상을 어떻게 설명할 수 있을까?

수리수리 마수리~~ 움직여라, 얏!

소금과 후추 분리하기

1. 소금과 후추를 섞어 종이 위에 담는다.

2. 흰색 플라스틱 숟가락을 털가죽으로 여러 번 마찰시킨 다음,소금과 후추 가까이로 가져가 보자.

① 어떤 일이 일어나는가?

가벼운 후추가 대전된 숟가락에 달라붙는다.

일어나라~ 잠꾸러기

1. 귀여운 잠꾸러기의 테두리(그림의 점선 부분)를 가위로 오린다.

2. 필통에 들어 있는 플라스틱 자를 옷에 여러 번 문질러 마찰시킨 후 잠꾸러기 인형에 가까이 가져가 보자.

① 잠꾸러기 인형은 어떻게 되는가?

졸고 있는 종이 인형이 대전된 자에 의해 일어나 달라붙는다.

마치 마술처럼 정전기 발생 장치에 비눗방울이 끌려오고, 소금과 후추를 섞어 놓은 후 마찰시킨 숟가락을 가져가면 후추가 숟가락에 끌려 올라온다. 또, 마찰시킨 자를 잠꾸러기 종이 인형에 가까이 가져가면 인형이 벌떡 일어난다. 이처럼 마찰시킨 물체를 마찰시키지 않은 다른 물체에게 가까이 가져가면 두 물체 사이에 보이지 않는 힘이 작용하는 것을 알 수 있다. 탐구 활동을 통해 다시 한번 확인해 보자.

 

대전된 에보나이트 막대를 알루미늄 공 가까이 가져가면 공이 에보나이트 막대에 재빨리 달라붙었다가 떨어진다. 알루미늄 공 속에 있는 전자들은 내부에서 자유롭게 돌아다닌다. 그런데, 그림과 같이 대전된 물체가 가까이 오면, 그 물체가 띠고 있는 전기의 종류에 따라 공 속의 전자는 일정한 방향으로 움직이기 시작한다. 예를 들어 (-)전기를 띤 대전체를 알루미늄 공에 가까이 가져가면, (-)전기를 띤 공 속의 전자와 대전체 사이에는 서로 밀어내는 힘이 작용하여 공 속의 전자는 대전체와 가능한 한 먼 쪽으로 이동한다. 즉, 대전체와 가까운 공의 부분은 전자가 다른 곳으로 이동하여 상대적으로 (+)전기를 띠게 되고, 대전체와 먼 부분은 전자가 모여 (-)전기를 띠게 된다. 그 결과 대전체는 서로 반대전기를 띤 부분을 잡아당기게 된다. 이처럼 금속으로 된 물체를 직접 마찰시키지 않고 대전체를 가까이 가져가는 것만으로도 물체에 전기를 띠게 할 수 있는데, 이러한 현상을 정전기 유도라고 한다. 정전기 유도는 물이나 종이와 같이 금속이 아닌 물체에서도 일어난다.

 

전기를 띤 물체는 어떻게 구별할까?

전기는 우리 눈에 보이지 않는다. 어떻게 하면 전기를 띤 물체를 구별해 낼 수 있을까? 놀레 신부는 소년의 손에 금속박이 달라붙는 것을 실험을 통해 보여 주면서 소년의 몸이 전기를 띠고 있음을 증명하였다. 그렇지만, 놀레 신부와 같은 방법은 자칫 위험할 수 있다. 또, 어떤 경우에는 정전기가 너무 약해서 몸으로 직접 확인하는 데 한계가 있다. 이럴 때 정전기 유도 현상을 이용하면, 물체가 전기를 띠고 있는지 그리고 대전된 전기의 양은 어느 정도인지 알아낼 수 있다.

전기를 띠고 있는 물체 알아맞히기

물줄기를 휘어 보자!

1. 수도꼭지에서 물줄기가 가늘게 흘러나오도록 한 후, 마찰시키지 않은 플라스틱 막대를 물줄기에 가까이 가져가면서 물줄기의 모습을 관찰해 보자.

2. 털가죽으로 플라스틱 막대를 여러 번 마찰시킨 다음 물줄기에 가까이 가져가 물줄기의 모양을 관찰해 보자. 관찰한 모습을 그림 [사진 2]위에 그려 보자.

 

① 물체가 전기를 띠고 있다는 것을 어떻게 알 수 있는가?

물줄기가 휘어지는 것으로 전기를 띠고 있다는 것을 알 수 있다.(물줄기의 휘어지는 정도가 클수록 대전량이 큰 것이다.)

물고기를 낚아 보자!

1. 작게 오려 낸 종이 물고기를 페트리 접시에 담는다.

2. 마찰시키지 않은 플라스틱 자를 종이 물고기에 가까이 가져가 본다.

3. 플라스틱 자를 털가죽으로 마찰시킨 다음 종이 물고기에 가까이 가져가 본다.

① 물체가 전기를 띠고 있다는 것을 어떻게 알 수 있는가?

종잇조각이 달라붙는 것으로 전기를 띠고 있다는 것을 알 수 있다.(종이조각이 많이 달라붙을수록 대전량이 큰 것이다.)

물체가 전기를 띠고 있는지 그렇지 않은지 겉으로 봐서는 알 수 없다. 그러나 흐르는 물줄기를 휘게 하고 종이 조각을 끌어당기는 정전기 유도 현상을 통해 우리는 물체가 대전되어 있음을 쉽게 알 수 있다. 실험실에서도 검전기를 이용하여 손쉽게 대전된 물체를 찾아 낸다. 검전기는 정전기 유도 현상을 이용하여 물체가 전기를 띠고 있는지 그렇지 않은지를 알려주는 기구를 말한다. 꼬마 스포이트병을 이용하여 간단한 검전기를 만들어 보자.

꼬마 스포이트병을 이용한 검전기 만들기

1. 스포이트병(10 mL) 뚜껑을 열고 뚜껑에 달려 있는 플라스틱 부분을 위로 1 cm 정도 남기고 가위로 자른다. [사진 1]
※스포이트병 내부에 물기가 없도록 한다.

2.클립의 곡선 부분을 일자로 펴서 뚜껑에 끼운다. [사진 2]
※클립을 펴거나 구부릴 때 니퍼와 같은 도구를 사용하면 편리하다.

3.뚜껑 아래쪽으로 나와 있는 클립에 스테이플러 심 2개를 건다. [사진 3]
※ 걸기 쉽게 스테이플러 심의 끝을 접어 둔다.

4. 위로 나와 있는 클립은 알루미늄 포일을 이용하여 감싼다. [사진 4]

5. 완성한 검전기의 알루미늄 포일 부분에 마찰시킨 유리 막대나 에보나이트 막대를 가까이 가져가 보자.

① 전기를 띤 물체를 알루미늄 포일 부분에 가까이 가져가면 스테이플러 심은 어떻게 되는가?

스테이플러심이 벌어진다.

② 직접 만든 꼬마 검전기를 이용하여 주변에 전기를 띠고 있는 물체를 찾아보자.

실험실에서 사용하는 검전기도 꼬마 스포이트병을 이용해서 만든 검전기와 같은 구조를 가지고 있다. 그렇지만 일반적으로 꼬마 스포이트병 검전기에서 사용한 알루미늄 포일, 클립, 스테이플러 심 대신 금속판, 금속 막대, 금속박을 이용한다. 이렇게 만들어진 검전기는 어떤 원리로 전기를 띤 물체를 구별해 내는 것일까?

대전체를 금속판에 가까이 가져가면 정전기 유도 현상에 의해 금속판, 금속 막대, 금속박 내부에서 자유롭게 돌아다니던 (-)전기를 띤 전자들이 금속을 따라 위 또는 아래쪽으로 일제히 이동한다. 예를 들어 (-)전기를 띤 대전체를 금속판에 가까이 가져가면, 금속 내부의 전자들은 대전체와 가능한 한 멀리 떨어지기 위해 아래 방향으로 이동하게 된다. 그 결과, 두개로 나누어진 금속박이 서로 같은 (-)전기를 띠게 되고, (-)전기끼리는 서로 밀어내는 척력이 작용하여 금속박이 벌어지게 된다. 반대로 (+)전기를 띤 대전체를 금속판에 가까이 가져가면, 전자들은 대전체와의 인력에 의해 가능한 한 위로 이동하려고 한다. 따라서 금속박에는 (-)전기를 띤 전자가 줄어들어 (+)전기를 띠며, (+)전기끼리는 서로 밀어내는 척력이 작용하여 금속박이 벌어지게 된다. 이런 원리를 통해 검전기의 금속박이 벌어지면 금속판 가까이 가져간 물체가 전기를 띠고 있다는 사실을 알 수 있다.