1. 개요
대전현상(帶電現象). 사실 보통은 그냥 대전(帶電, electrification 또는 charging)이라고 많이 부른다.물체가 전기를 띠는 현상을 말한다.
초등학교 과학시간에 털가죽과 유리막대를 문질러본 경험이 있을 것이다. 털가죽으로 문지른 유리막대를 자신의 머리에 가까이 가져가면 자신의 머리가 위로 뜨는 현상을 볼 수 있다. 이 현상은 기원전 600년경에 탈레스에 의해서 먼저 실험되었는데, 모피에 문지른 호박이 조금 떨어져 있는 종이나 깃털 등과 같이 가벼운 물체를 끌어당기는 것을 관찰했다고 한다.
대표적인 예로 명주 천에 문지른 2개의 유리막대를 가까이 놓으면, 두 막대 사이에 서로 미는 반발력이 생기고 모피에 문지른 고무막대를 앞의 유리막대에 가까이 놓으면 두 막대 사이에 서로 당기는 인력이 생긴다. 이 때, 유리 막대에 대전된 전기를 양(+)전기, 고무 막대에 대전된 전기를 음(-)전기라고 한다. 그리고 유리 막대와 고무 막대처럼 전기를 띠게 된 물체를 대전체(electrified body)라고 한다.
대전으로 인해 물체가 전기를 띠게 되면, 물체에 있는 전기는 특별한 일이 없으면 정지하여 그 물체에 계속 남아있는다. 이것을 정전기라고 하며, 대전현상은 정전기를 발생시키는 대표적인 사례이다.
2. 원리
원자의 대전
모든 물질은 위의 그림의 A와 같이 중심에는 양(+)전기를 띤 양성자와 전기적으로 중성인 중성자로 이루어진 핵이 있고, 핵의 둘레에는 전기적으로 음(-)성인 전자가 회전하고 있는 원자로 구성되어 있다. 보통의 물질은 원자 안에 양성자와 전자의 수가 같아서 원자는 전기적으로 중성을 띤다.
하지만 그림 B와 같이 외부에서 전자가 원자 안으로 들어오면 전자의 개수가 양성자의 개수보다 많아지게 된다. 전자가 많아지면 음(-)의 전하량[1]이 양(+)의 전하량보다 많아지기 때문에 원자는 전체적으로 음(-)의 전하량을 갖게 된다. 이것을 음의 대전상태라고 한다.
반면에, 그림 C와 같이 오히려 가지고 있던 전자를 외부로 잃어버리게 되면 전자의 개수가 양성자의 개수보다 적어지게 된다. 이때는 양(+)의 전하량이 음(-)의 전하량보다 많아지기 때문에 원자는 전체적으로 양(+)의 전하량을 갖게 된다. 이것을 양의 대전상태라고 한다.
3. 원인
물체가 대전되는 원인은 여러 요인이 있다.- 접촉 대전
서로 다른 물체가 접촉하였을 때 물체 사이에 전하의 이동이 일어나면서 한 물체는 양(+)전기, 다른 한 물체는 음(-)전기를 띠는 현상이다. 분리하면 서로 다른 전기로 대전되었기 때문에 서로 끌어당긴다. 일반적으로 모든 물체에 발생한다.[2][3] - 마찰 대전
물체가 마찰을 일으켰을 때나 마찰에 의하여 접촉의 위치가 이동하여 전하 분리가 일어나 대전되는 현상이다. 물체가 대전되는 대표적인 현상으로 초등학생 과학시간에 여러번 실험된다. - 박리 대전
서로 밀착되고 있는 물체가 떨어질 때 전하 분리가 일어나 대전되는 현상이다. 접촉면적, 접촉면의 말착력, 박리속도[4] 등에 의해 대전되는 정도가 차이가 난다. 일반적으로 박리대전 쪽이 마찰대전 보다 큰 정전기를 가지게 된다. 이것도 간단히 실험할 수 있는데, 테이프를 두조각으로 나누어서 잘라서 각각의 조각을 같은 책상에 붙였다가 뗀 다음 각 조각을 서로 가까이 가져가보자. 서로 밀어내는 것을 볼 수 있다.잘 안된다. - 유동 대전
물, 기름 등의 액체를 파이프 등으로 흘릴 때 이것에 정전기가 발생되는 현상을 말한다. 액체의 이동속도가 빠를 수록 정전기의 발생에 큰 영향을 미친다. - 분출 대전
액체나 기체같은 것이 좁은 출구(분사구)를 통해 분출될 때 발생하는 마찰로 인해 정전기가 발생하는 현상이다. 유체와 분사구의 마찰 뿐만 아니라 액체와 기체 상호간의 충돌로 인해 정전기가 발생한다. - 충돌 대전
입자 상호간 또는 물체 상호간에 충돌이 발생할 때 빠른 접촉, 빠른 분리가 일어난다. 이 때문에 대전현상이 발생한다. - 파괴 대전
물체가 파괴 됐을 때 전하분리 또는 전하의 균형이 깨지면서 정전기가 발생한다.
그 밖에도 몇몇 대전 방법이 있다.
4. 대전열
대전(서)열이라는 것은 물체가 서로 접촉되거나 마찰될 때 양(+)으로 대전되기 쉬운 물질을 앞에 두고, 음(-)으로 대전되기 쉬운 물질을 뒤로 하여 그 순서대로 나열한 것이다. 한마디로 전자를 뺏기기 쉬운 물질이 앞으로 오고, 전자를 얻기 쉬운 물질이 뒤로 간다.| 털가죽 | 상아 | 유리 | 명주 | 나무 | 고무 | 플라스틱 | 에보나이트 |
예를 들어 털가죽과 유리막대를 문지르면 털가죽은 양(+)전기로, 유리막대는 음(-)전기로 대전된다. 하지만 유리막대와 명주 천을 문지르면 유리막대는 양(+)전기로, 명주 천은 음(-)전기로 대전된다.
대전열은 전자의 이동으로 발생하며 대전열 사이의 간격이 클수록 쉽게 대전된다. 또한 같은 종류의 물체끼리 마찰시키는 경우, 전자의 이동이 잘 발생하지 않으므로 대전이 일어나기 어렵다.
은근히 이온화 경향과 비슷한 면이 있다. 이쪽도 전자를 얻고 잃는 상대적 서열이기 때문.
[1] 어떤 물체 또는 입자가 띠고 있는 전기의 양이다. 다른 말로 대전량, 하전량이라고도 하며 전기량이라고 해도 크게 문제는 없다.[2] 서로 다른 물체는 화학적 성질(예: 전자친화도, 전기음성도 등등)이 다르기 때문이다.[3] 같은 성질의 물체라도 표면상태(표면의 부식 등)의 차이 때문에 접촉대전이 일어난다.[4] 물체가 밀착된 상태에서 떨어지는 속도