정전기 — 풍선을 문지르면 왜 머리카락이 달라붙을까

고무풍선을 머리에 대고 몇 번 문지른 뒤 천천히 떼어 보세요. 머리카락이 풍선을 따라 일어서고, 풍선을 벽에 대면 떨어지지 않고 붙어 있습니다. 겨울에 스웨터를 벗을 때 타닥 소리가 나거나 문손잡이를 잡다가 손끝이 따끔한 것도 같은 현상입니다. 이렇게 물체에 쌓여 머물러 있는 전기를 정전기라고 합니다. 풍선에 무엇이 쌓였기에 머리카락을 끌어당길까요.

문지르면 전자가 옮겨 갑니다

모든 물체는 원자로 되어 있고, 원자는 (+) 전하를 띤 원자핵과 (−) 전하를 띤 전자로 이루어집니다. 평소에는 (+) 전하와 (−) 전하의 양이 같아 물체 전체로는 전기를 띠지 않습니다. 이 상태를 중성이라고 합니다. 두 물체를 문지르면 겉면의 원자들이 맞닿으면서 전자 일부가 한쪽에서 다른 쪽으로 넘어갑니다. 원자핵은 무겁고 원자 한가운데 단단히 묶여 있어 움직이지 않으니, 옮겨 가는 것은 언제나 전자입니다. 전자를 얻은 쪽은 (−) 전하가 많아지고, 잃은 쪽은 (+) 전하가 많아집니다. 이렇게 물체가 전기를 띠게 되는 것을 대전이라 하고, 문질러서 생긴 전기를 마찰 전기라고 합니다.

어느 쪽이 전자를 가져갈지는 물질에 따라 정해져 있습니다. 고무풍선과 머리카락을 문지르면 풍선이 전자를 얻어 (−), 머리카락은 전자를 잃어 (+) 가 됩니다. 털가죽과 플라스틱 막대를 문지르면 플라스틱이 (−), 털가죽이 (+) 가 됩니다. 전자는 옮겨 갔을 뿐 새로 생기거나 없어지지 않으니, 두 물체가 띤 전하의 양은 크기가 같고 부호만 반대입니다.

이렇게 쌓인 정전기는 그대로 머물지 않고 조금씩 빠져나갑니다. 공기가 습하면 물체 겉면에 붙은 얇은 물 분자 층을 따라 전하가 새어 나가 오래 쌓이지 못합니다. 겨울에는 공기가 건조해 전하가 빠져나갈 길이 적으니, 옷과 몸에 전하가 많이 쌓입니다. 그 상태로 금속 문손잡이에 손을 대면 쌓인 전하가 한꺼번에 흘러가며 불꽃과 따끔함이 생깁니다. 이처럼 쌓인 전하가 순간적으로 흐르는 것을 방전이라 하고, 번개는 구름에 쌓인 전하가 일으키는 큰 방전입니다.

같은 전하는 밀고, 다른 전하는 당깁니다

전하를 띤 물체 사이에는 전기력이 작용합니다. (+) 와 (−) 처럼 종류가 다른 전하는 서로 끌어당기고, (+) 와 (+), (−) 와 (−) 처럼 같은 전하는 서로 밀어냅니다. 그래서 (−) 를 띤 풍선이 (+) 를 띤 머리카락을 끌어당깁니다.

전기력은 전하의 양이 많을수록 세고, 거리가 멀어지면 거리의 제곱에 반비례해 빠르게 약해집니다. 풍선을 머리에서 멀리 떼면 머리카락이 다시 내려앉는 까닭입니다. 머리카락끼리는 모두 (+) 를 띠어 서로 밀어내니, 문지른 머리카락이 부스스하게 퍼지기도 합니다.

중성인 물체는 왜 끌려올까 — 정전기 유도

그런데 풍선은 전하를 띠지 않은 종잇조각이나 벽에도 붙습니다. 대전된 물체를 가까이 가져가면 중성인 물체 안의 전하가 자리를 바꾸기 때문입니다. 이것이 정전기 유도입니다. 대전체와 가까운 쪽에는 대전체와 다른 전하가, 먼 쪽에는 같은 전하가 모입니다. 다른 전하가 더 가까이 있으니 당기는 힘이 미는 힘보다 세고, 물체 전체가 끌려옵니다.

정전기 유도를 눈으로 보는 도구가 검전기입니다. 금속판과 금속 막대, 아래 끝의 얇은 금속박 두 장이 하나로 이어져 있습니다.

(−) 대전체를 금속판에 가까이 하면, 금속 안에서 자유롭게 움직이는 전자가 밀려나 금속박 쪽으로 내려갑니다. 금속판은 (+), 금속박 두 장은 모두 (−) 를 띠고, 같은 전하끼리 밀어내니 금속박이 벌어집니다. 대전체를 치우면 전자가 제자리로 돌아가 금속박이 다시 오므라듭니다. 종이나 벽 같은 절연체는 전자가 멀리 움직이지 못하지만, 원자와 분자 하나하나 안에서 전자가 대전체 쪽이나 반대쪽으로 조금씩 치우쳐 같은 효과를 냅니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 두 물체를 마찰한 뒤의 전하를 묻습니다. 이동하는 것은 전자뿐이고, 전자를 얻은 쪽이 (−), 잃은 쪽이 (+) 입니다. 두 물체의 전하량은 같고 부호는 반대입니다.
• 검전기 문제에서 대전체를 가까이 하면 금속판에는 대전체와 다른 전하, 금속박에는 같은 전하가 모이고 금속박이 벌어집니다.
• 대전체를 가까이 한 채 금속판에 손가락을 대면(접지) 밀려난 전자가 몸으로 빠져나가 금속박이 오므라들고, 손가락과 대전체를 차례로 떼면 검전기는 대전체와 반대 전하로 대전되어 금속박이 다시 벌어집니다.
• 전기력의 크기는 전하량이 클수록 커지고, 거리가 멀수록 작아집니다.

자주 헷갈리는 것

• "(+) 로 대전된 쪽은 (+) 전하를 받았다" — (+) 전하는 움직이지 않습니다. 전자를 잃어 (+) 가 남은 것입니다.
• "문지르면 전하가 새로 생긴다" — 전하는 옮겨 갈 뿐입니다. 두 물체 전하의 합은 문지르기 전과 같이 0 입니다.
• "전하를 띠지 않은 물체는 대전체에 끌리지 않는다" — 정전기 유도로 가까운 쪽에 다른 전하가 모여 중성인 물체도 끌려옵니다.

정리합니다. 두 물체를 문지르면 전자가 한쪽에서 다른 쪽으로 옮겨 가, 전자를 얻은 쪽은 (−), 잃은 쪽은 (+) 로 대전됩니다. 같은 전하는 밀고 다른 전하는 당기며, 대전체는 정전기 유도로 중성인 물체까지 끌어당깁니다. 건조한 겨울에는 전하가 빠져나가지 못하고 쌓여 정전기가 자주 일어납니다.