전기란 무엇인가? 두번째 이야기

이전 시간에는 마찰 등으로 생기는 전기의 성질을 알아보고 그런 것이 정-전기(Static electricity)라는 단순히 정지 상태에 있는 것이다 까지 알아보았죠.

이시간에는 정전기를 알아보기 위해서는 기본적 지식을 알아보도록해요. 우선, 모든 물질들은 원자로 구성되어 있는데 원자를 구성하는 기본입자 중 하나가 전자(Electron)입니다. 전자는 가장 작은 단위량의 전기적 전하를 지닌 기본 물질로 된 작은 덩어리라고 볼 수 있습니다. 또한 전자를 단위전하라고 부르며 음(-)으로 정의하였죠.
다시 말하면 전자는 작은 입자이고 한개의 (-)인 단위 전하를 띠고 더 나아가 한 장소에서 다른 장소로 이동되는 특성을 가졌습니다. 이전에 올린 포스트에서 실험으로 고무를 울로된 천으로 문질렀을 때 발생된 열로 인해 울로된 천에 구속되었던 전자들이 떨어져 나와 빗으로 모여들어 빗이 음전하를 띠게된 것입니다.

한편, 모든 물질을 기본으로 구성하는 원자는 전자보다 약 1800배 무거운 기본적인 입자를 포함하고 있는데 그 입자는 전자와 같은 양 만큼의 반대되는 양전하(+)를 갖고 있죠. 또한 이 입자는 무겁기 때문에 전자처럼 잘 이동하지 않죠. 보통 원자는 전자들과 이 양전하로 균형이 맞추어져 있어 전기적으로 중성을 나타내는데 바로 이 양성을 나타내는 입자를 양성자(Proton)라고 합니다.

이전에 설명한 마찰 실험을 보다 원자적인 개념으로 설명하면 천조각에다 고무 빗을 문지르면 열이 발생합니다. 이 열에너지가 원자에서 전자의 결합력을 약하게 하여 전자들이 떨어져 나오게 되는데 천 조각에 있던 전자들은 고무 빗으로 옮겨가서 고무 빗은 전자들이 넘쳐나게 되어 음전하(-)를 띠고 천 조각은 처음엔 중성이었는데 전자가 부족하게 되어 양전하(+)를 띠게된 것입니다. 천 조각은 그 특성 상 전자를 잘 잃어버리는 성질이 있고 고무 빗은 전자를 잘 얻어가는 성질이 있기 때문이죠. 물론 양성자는 웬만하면 잘 움직이지 않아요. 양성자는 핵이라고 하는 원자 중심에 위치하고 있고 이 핵은 핵분열이나 가속기에 의한 충돌에 의해서만 교란이 가능하답니다.

같은 성질의 전하는 밀고 다른 성질의 전하는 당기는 성질 때문에 전자들은 자기들끼리 서로 모여 있으면 서로 거부감과 반감을 가지고 있다가 전자들이 적은 곳으로 이동 하려고 기회를 엿보고 있는데 양전하가 발견되기라도 하면 전력을 다해 그곳으로 이동하려고 합니다. 그곳은 양전하가 뭉쳐 몰려있어 전자가 부족하여 전자를 원하기 때문이죠. 이성을 쫒는 사람과 그 기본적인 성격은 같다고 할 수 있죠^^. 전기적 압력이 높으면 전자들은 공간을 뛰어 넘을 수 있습니다. 옷에 마찰이 가해졌을 때 발생하는 스파크나 번개가 좋은 예가 될 수 있어요. 그 현상들을 보면, 아! 전자들이 대거 몰려갔구나 하고 생각하면 되죠. 한 예로, 번개가 치는 원인은 몇가지 있지만 그 중 하나는 구름에 있는 음전하들이 땅위에 있는 양전하 쪽으로 대거 이동할때 발생되는 현상이죠.

그렇다면 어떤 물체에서 전자가 잘 이동할 수 있을까요? 다시말하면 전기가 잘 통할 수 있을까?
일반적으로 원자에서 전자는 자기의 고유 궤도를 가지고 구속되어 있는데 첫번째 궤도에서는 전자 2개, 두번째 궤도에서는 전자 8개, 3번째 궤도에서는 전자 18개, 네번째 궤도에서도 전자 18개로 채워지게 되어 있죠. 예를들어 원자번호 12인 탄소는 전자들이 첫번째 궤도 2개, 2번째궤도 8개, 세번째 궤도에 2개가 있게되죠(2+8+2=12).

전기가 잘통한다는 즉, 전자가 잘 움직이는 도체인 구리나 은에 대해서 알아보죠. 두 물질 모두 마지막 궤도에는 전자가 하나만 남아 있습니다. 그래서 중심에 있는 양성자로부터 구속을 약하게 받게됩니다.

구리(Cu) 원자 모형

은(Silver) 원자 모형

위 두 그림들을 보시면 더 빨리 이해가 될 것입 니다.

이 마지막 궤도에서 구속을 약하게 받는 전자를 자유전자라고하고 이전자들에 전압이 가해지면 이 전자들은 (+)극 방향으로 이동하면서 전기적 현상들을 일으키게 되는 것입니다. 예를 들어 도체인 전선을 따라 전자들이 이동하다가 필리멘트같은 저항체를 지나가게면서 저항체이므로 지나가기 어려움을 겪어 열이 발생됨으로 빛을 내게 되죠. 참고적으로 전자는 전압을 걸었을때 (-)방향에서 (+)방향으로 움직입니다. 전자가 그렇게 움직이므로 전기량적 측면에서는 전기가 (+)에서 (-)방향으로 흐르는 것으로 설정할 수 있는 것이죠.

아래 그림은 도체에서 자유전자들이 이동하는 것을 나타내고 있어요.

아, 오늘은 여기까지 해야겠네요. 이해가 어렵거나 궁금한 사항이 있으면 알려주기 바래요, 그럼 다음시간을 기약하며...bye~~~