22 전하

플라스틱 빗을 종이쪽 가까이 어도 아무 일도 생기지 않지만, 그 빗으로 머리카락을 빗거나, 털에 문지

른 뒤에는, 종이쪽을 끌어당긴다. 실제로 작은 빗이 종이쪽을 끌어당기는 힘은 아주 세서 지구의 중력을

이길 정도이다. 흔히 “정전기로 달라붙는” 현상은 여러 물체에서 생기며, 특히 춥고 마른 날 잘 볼 수 있

다.

왜 종이쪽이 빗에, 그리고 종이쪽끼리 달라붙을까?

22-1 전기의 중요성

날마다 쓰는 여러 가지 도구와 장치에서 전기를 쓰지 않는 것이 있는가?

생각 22-1 한 주일 동안 쓴 전기기기를 모두 적어보아라.

22-2 전기적 상호작용의 발견

1733 Charles Dufay가 정리한 정전기 현상

- 털로 문지른 두 호박 막 는 늘 서로 민다.

- 비단으로 문지른 두 유리 막 는 늘 서로 민다.

- 문지른 호박 막 와 문지른 유리 막 는 늘 서로 끌어당긴다.

해보는 실험: 플라스틱 주머니 2장, 스티로폼 컵 2개

문지르기 전에는,

어느 두 물건도 아무런 힘을 주고받지 않는다.

문지른 뒤에는,

1. 문지른 스티로폼 컵은 서로 밀어낸다.

2. 문지른 플라스틱 주머니는 서로 밀어낸다.

3. 문지른 스티로폼 컵과 문지른 플라스틱 주머니는 서로 끌어당긴다.

관찰 결과의 일반적 진술

1. 모양과 재료가 같은 두 물체를 같은 방법으로 전시키면 늘 서로 밀어낸다.

2. 전하를 띤 두 물체는 늘 힘을 주고받는데, 서로 밀 수도, 당길 수도 있다.

3. 전되지 않은 두 물체는 서로 밀지도, 당기지도 않는다.

(단지 감지할 수 없을 정도로 아주 작은 중력만 주고받을 뿐이다.)

왜? 물체를 문지르면 물체는 전하를 띠게 되고, 전하끼리는 서로 밀거나 당기기 때문이다.

생각 22-2전체를 만들 때 문지르는 신 접착 테입을 붙였다 떼어낼 수도 있다. 길이 약 10cm인 테입 두개를 마련해라.

(a) 두 테입을 탁자에 나란히 붙인 뒤, 그 둘을 떼어내어 가까이 가져가면 어떻게 되는가?

예상하는 바를 근거를 들어 설명하라.

(b) 실험을 해 보고 어떻게 되는지 설명하라. 예상 로인가? 그렇지 않다면, 다시 더 생각하여 설명하라.

22-3 전하의 개념

Benjamine Frankline관찰 1. 비단으로 문지른 유리막 가 밀어내는 물체는 양전하를 띤다.

관찰 2. 털로 문지른 호박(또는 플라스틱)이 밀어내는 물체는 음전하를 띤다.

관찰 3. 중력 상호작용을 빼면, 힘을 주고받지 않는 비자성체는 모두 전기적으로 중성이다.

※ 전기적 중성인 물체 = 양전하와 음전하가 같은 양 들어있다.

1. 두 물체가 같은 종류의 전하를 띠고 있으면 서로 밀어낸다.

2. 두 물체가 다른 종류의 전하를 띠고 있으면 서로 끌어 당긴다.

22-4 원자 이론으로 충전을 설명하기

원자를 이루는 세 기본 입자의 전하

Q: 어떤 물체는 서로 문지르면, 반 전하를 가지게 된다. 왜?

원자 모형

- 요소: 핵(양성자+중성자) + 전자

- 구조: 핵 주위를 전자가 돌고 있다 (왜?); 전자 주위를 핵이 돌고 있지는 않는가?

- 크기: 수소원자의 지름 ~ 0.1nm(10 m); 핵의 지름 ~ 1fm(10 m)

- 질량: 양성자 ≈ 중성자 ≈ 2000전자- 전하: 알짜 전하 = 0 (핵의 양전하 = 전자의 총전하)

※ 이온(ion): 원자가 전자를 몇 개 잃거나(양이온), 얻은 것(음이온)

전하는 양자화되어 있다

1909년 Robert Milikan - 기름방울 실험

⋅, = ±1, ±2, ±3, ⋯ (모든 전하량은 기본단위 값 의 정수배이다)

1.602×10 C [Coulomb]

전기적으로 중성인 거시적 물체는 그 속에 있는 양성자와 전자의 수가 같다.

전하는 보존된다.

전자/이온이 한 물체에서 다른 물체로 옮겨갈 수는 있어도, 홀로 새로 생기거나 사라지지는 않는다.

전하끼리 주고받는 힘

검전기

생각 22-4 물체가 원자 알알이 모인 것이라면, 고체를 쪼개거나 압축하기 어려운 까닭은?

(기체를 압축하기 쉬운 까닭은?)

생각 22-5 총 음전하량이 각각 인, 모양이 똑같은 도금된 공끼리 밀어내는 힘을 쟀다. 이제 음전하량이

각각 인 도금된 공끼리 밀어내는 힘을 재려면, 그러한 공을 만드는 방법은?

충전은 전자를 채우거나 덜어내는 것이다.

22-5 유도

문지르지 않은 종이쪽: 전기적으로 중성 (어떻게 알지?)

문지른 빗 + 문지르지 않은 종이쪽 ⇒ 종이가 빗에 붙는다. (왜?)

“정전기 유도(electrostatic induction)”

전하를 띤 물체와 전하를 띠지 않은 물체가 서로 끌어당기게 하는 과정

금속에서의 유도

※ 전기적 성질에 따라 물질 나누기

1) 금속 양이온 + (자유)전자

2) 반도체

3) 유전체(절연체)

생각 22-6(a) 두 종이쪽이 전기적으로 중성임을 확인하는 방법?

(b) 물체의 전하가 양전하인지 음전하인지를 유도현상을 써서 알 수 있는가?

생각 22-7

A: 털가죽으로 문지른 플라스틱; B: 비단으로 문지른 유리; C: 전기적으로 중성인 쇳덩이.

(a) 낱낱의 짝이 주고받는 힘의 특성: 미는가? 끄는가? 힘이 없는가?

(b) 과잉 양전하가 있는 것? 과잉 음전하가 있는 것? 과잉 전하가 없는 것?

(c) 짝이 주고받는 힘을 살펴보면 물체가 중성인지, 음/양음전하를 띠고 있는지 알 수 있는가?

22-6 도체와 절연체

정전기 유도 현상의 관찰 결과 요약

1. (a) 절연체에서 전하는 퍼지지 않고 문지른 곳에 남아있는 것처럼 보인다.

(b) 반 전하를 띤 절연체와 닿으면 닿은 곳에 있는 전하만 사라진다.

2. (a) 도체는 절연체에 붙어 있을 때는 전될 수 있지만, 손에 닿으면 전될 수 없다.

(b) 전된 도체를 손으로 잡으면 전하가 모두 사라진다.

원자 이론과 금속 및 절연체의 거동

도체: 자유전자가 아주 많다.

절연체: 자유전자는 없다.

모든 전자가 어떤 원자에 붙어 있거나, 이웃한 두 원자를 묶어주고 있다.

두 물체가 닿을 때, 표면의 일부 전자가 다른 물체로 건너갈 수는 있다.

※ 어느 것이 절연체 공이고, 어느 것이 도체 공인가? 왜 그런가?

※ 위의 관찰결과 요약에 해 설명할 수 있는가?

※ 접지(grounding): 어떤 물체에서 땅으로 전자가 갈 수 있는 길을 만들어주는 것

유도현상을 이용한 충전 - 도체

도체에서는 문지르는 방법은 효과적이 아니다. (왜?)

전기쟁반 - 유도 현상을 써서 도체를 전시키는 장치

1. 쓰는 방법을 설명하라.

2. 손잡이를 꼭 절연체로 만들어야 할까?

생각 22-8

(a) 셀로판 테입은 도체인가, 절연체인가? 왜 그렇게 판단하는가?

(b) 풍선은?

생각 22-9

정전기 유도로 절연체를 전시킬 수 있는가? 왜 그런가?

22-7 쿨롱 법칙

앞에서, ∝ . 그러면 거리에 한 변화는?

프랭클린의 실험

줄에 매달린 작은 코르크가 전하를 띤 쇠 깡통 밖에서는 쇠 깡통에 끌리지만, 안에서는 끌리지 않음.

※ 중력 법칙에 관한 뉴턴의 공껍질 정리?

쿨롱 법칙 전기

, = 8.99×10 Nm/C ※ 뉴턴 중력 법칙 중력

기초적인 물리 실험으로 확인하는 방법

22-8 쿨롱 법칙을 써서 문제 풀기

힘의 중첩

전하를 띤 입자가 여럿 있을 때 받는 알짜힘

알짜 →

→ → ⋯

쿨롱힘을 셈하는 과정

1. 전하배치를 그리고, 낱낱의 전하가 주는 힘의 크기를 쿨롱 법칙을 써서 셈한다.

2. 좌표계를 잡아 그리고, 낱낱의 힘의 직각좌표 성분을 셈한다.

3. 같은 좌표성분을 모두 더하여 알짜힘의 좌표성분을 셈한다: 알짜

,

알짜

4. 알짜힘을 벡터식으로 쓴다: 알짜 x 알짜 y 알짜

생각 22-11

(a) 가운데 양성자가 전자한테서 받는 전기력?

(b) 가운데 양성자가 오른쪽 양성자에게서 받는 전기력?

(c) 가운데 양성자가 받는 알짜 전기력?

따라 22-1

(a) 그림 : = 1.60×10C, = 3.20×10C, = 0.020 m.

→?

(b) 그림 : = 3.20×10C, 알짜

?

(c) 그림 : = -3.20×10C, 알짜

?

따라 22-2

= +8; = -2, =

를 어디에 두면 평형이 되는가? 안정/불안정 평형?

22-9 전기력과 중력의 비교

→전기

, →

중력

공통점 1. 역제곱 법칙 다른점 1. 중력은 늘 끄는 힘; 전기력은 끌거나 미는 힘

2. 보존력 2. 전기력이 훨씬 세다.

3. 중심력

따라 22-3

철 원자의 핵: 반지름 = 4.0 fm, 양성자가 26 개 들어있다.

(a) 거리 4.0 fm 떨어진 두 양성자가 밀어내는 정전기력의 크기?

(b) 두 양성자가 끌어당기는 중력의 크기?

(c) 이 두 결과에서 무엇을 추론할 수 있는가?