물질과 대전

도체와 부도체

물질을 형성하고 있는 전하의 일부분이 물질 속에서 자유롭게 움직일 수 있는 경우와 그렇지 못한 경우가 있다. 자유롭게 움직일 수 있는 것으로서 금속이나 소금물 같은 것이 있는 데 이를 도체라 한다. 금속을 형성하는 원자의 외각전자는 어느 원자에도 소속되어 있지 않은 것처럼 그 금속 내부를 마음대로 움직일 수 있는 자유전자이다. 소금물의 경우에는 물속에 녹아 있는 나트륨이나 염소 이온이 역시 +나 -의 전하를 가진 채로 마음대로 움직일 수 있다. 한편 유리나 나무조각, 플라스틱, 천 등은 그것을 형성하는 원자나 그 원자 내부의 전자가 거의 고정되어 있어 전하가 쉽게 이동하지 못한다. 이러한 물질을 부도체 혹은 절연체라고 한다.

도체의 경우에는 전하가 쉽게 흘러다니기 때문에 중성에서 초과된 전하는 흘러서 없어지거나 흘러나갈 곳이 없다면 물질 전체에 퍼져서 곧 평형을 이루게 된다. 그러나 부도체의 경우에는 국소적으로 잉여 전하가 형성되더라도 쉽게 흘러서 평형상태로 가지 못하고 상당히 오랜 시간 동안 그 자리에 머물게 된다.

_ 자유전자_ 이온_ 도체

검전기

검전기는 전하의 특성을 잘 보여준다. 다음 그림에서 보듯이 검전기 위에 있는 구, 막대, 아래의 두 날개는 도체로 되어 있고, 플라스크와 마개는 부도체로 되어 있어 외부로 전하가 흐르지 못하게 되어 있다.

검전기의 위 구에 +로 대전된 물체를 가까이 가져가면 도체 내의 - 전하가 구로 모여들게 되고 아래의 두 날개 쪽으로는 +의 전하로 대전된다. 따라서 두 날개는 같은 부호의 전하가 형성되므로 서로 밀어내어 날개가 벌어지게 되는 것이다. 금속인 도체의 경우에는 - 전하인 자유전자만이 움직일 수 있다. 따라서 이 자유전자가 모여들면 - 전하가 더 많게 되어 $-$로 대전되고, 반대로 자유전자가 빠져나가면 움직이지 못하는 핵의 $+$ 전하가 더 많게 되어 $+$로 대전된다. 그러나 거의 대부분의 전기현상에서 실제로 움직이는 것을 $+$로 보든 $-$로 보든 아니면 둘 다로 보든 마찬가지이다.

_ 자유전자_ 도체

대전

중성의 물질이 음이나 양의 전하가 초과되어 총 전하를 가지게 되는 경우를 대전되었다고 한다.

유리막대기를 비단으로 문지르게 되면 유리막대 속의 약간의 전자를 잃게 되어 양으로 대전된다. 반면에 플라스틱 막대를 가죽으로 문지르게 되면 플라스틱으로 약간의 전자가 옮아가서 음으로 대전된다. 이렇게 마찰에 의해 대전되는 것을 마찰전기라 한다.

+로 대전된 물체를 검전기의 구에다 접촉하게 되면 검전기의 도체에 있는 - 전하가 물체로 이동하여 물체를 떼면 검전기 내부의 도체는 +로 대전된다. 도체를 대전시키는 것은 이처럼 접촉에 의해 전하를 유입시키거나 빠져나가게 하는 방법이 있다.

검전기의 위 구 가까이에 $-$로 대전된 물체를 가까이 가져가면 구는 $+$로, 아래의 날개는 $-$로 대전된다. 이렇게 외부의 전하에 의해 균일하게 중성이던 도체의 전하분포가 불균일해져서 위치에 따라 다른 전하를 띠게 되는 것을 전기유도라 한다.

_ 도체

분극

마찰이나 유도에 의해 대전시키는 경우는 물체에 전하를 제거하거나 공급하여 총 전하량이 있게 하는 것이다. 반면에 총 전하량을 0으로 둔 채로 전하의 배치를 달리하는 것을 분극이라 한다. 전체적으로 중성인 원자나 분자의 핵이나 전자의 배치가 대칭적이지 못하여 방향에 따라 전하의 분포가 다를 수 있다. 물질 속의 무수히 많은 원자나 분자가 특정한 방향으로 편향된다면 물질의 가장자리, 즉 표면에는 특정 부호의 전하가 밀집될 수 있다.